CN110964974A

CN110964974A - 一种铸态高强度高伸长率合成球墨铸铁及其制备方法

Info

Publication number: CN110964974A
Application number: CN201911245407.XA
Authority: CN
Inventors: 谢来旺; 蔡坤山; 王修强; 王朝
Original assignee: Hubei Sanhuan Casting Co ltd
Current assignee: Hubei Sanhuan Casting Co ltd
Priority date: 2019-12-07
Filing date: 2019-12-07
Publication date: 2020-04-07

Abstract

本发明涉及到铸态高强度高伸长率合成球墨铸铁领域。是一种铸态高强度高伸长率合成球墨铸铁及其制备方法。其在铸态条件下满足性能要求为抗拉强度R_m≥700MPa，断后伸长率A≥10%；基体为珠光体‑铁素体混合基体，其中珠光体的含量为55%~75%，球化级别1~2级，石墨大小6~7级，由按质量百分比计的以下元素组成为：C：3.5%~3.7%、Si：2.9%~3.3%、Mn≤0.2%、P≤0.035%、S≤0.02%、Cu：0.5%~0.7%、Ni：0.55%~0.75%、Mg：0.030%~0.065%，余量为Fe以及微量元素。其具体制备方法为：采用废钢和原料纯铁增碳在中频感应炉中熔炼原铁水，然后进行预处理、球化处理和孕育处理，最后浇注，在铸态条件下实现QT700‑10。

Description

一种铸态高强度高伸长率合成球墨铸铁及其制备方法

技术领域

本发明涉及到铸态高强度高伸长率合成球墨铸铁领域。是一种铸态高强度高伸长率合成球墨铸铁及其制备方法。属于高性能金属材料领域，主要用作汽车、高铁零部件及要求综合力学性能较高的机械部件。

背景技术

球墨铸铁成本低廉，综合性能优良，在工程领域应用广泛，并保持着持续稳定的发展和増长。以球铁件替代冲焊件、铸钢件，可带来成本降低、结构稳定、刚度提升等诸多优势，但亦对球墨铸铁的综合力学性能提出了更高要求。现行国家标准(GB／T 1348—2009)规定的球墨铸铁牌号中，抗拉强度为700 MPa时伸长率为2％，为了稳定获得性能，往往还需要热处理。随着社会的迅速向前发展，这种标准已经很难满足人们的使用需求了，特别是伸长率明显偏低，不能满足汽车、高铁等行业零部件的轻量化使用要求。相对于传统球墨铸铁及其制备方法而言，铸态合成球铁的优势明显。具体表现在，生产铸态合成球铁主要炉料废钢等材料P、S 含量低，杂质少，故熔炼出的铁水质量好，力学性能明显优于普通球铁，且性能波动范围不大，铸造性能好，材质均匀，加工性好，加之废钢量供应充足，价格也比新生铁便宜，生产中废钢是直接加入，无需重熔，可大大降低合成铸铁的生产成本。因此，用废钢增碳的方法合成球铁，变废为宝，可实现资源的循环利用，大量节约资源。特别是在铸态条件下实现高强度高伸长率合成球铁的生产，不用进行后续热处理，省时省力，可缩短产品生产周期，降低工厂的生产成本。但是，也对球铁的生产技术提出了更高的要求。因此，通过废钢等材料增碳合成球墨铸铁，并在铸态的基础上提高球铁的性能将是球铁发展的必然趋势，而开发铸态高强度高伸长率球铁必将是未来球铁发展领域的热点之一。

中国专利CN102230122A公开了一种球墨铸铁的生产方法，属于高强度高伸长率球铁的领域，所述高强度高伸长率球墨铸铁的各元素质量百分比为：C：3.4%~3.9%，Si：2.2%~2.8%，Mn≤0.45%，P≤0.03%，S≤0.02%，Cr≤0.02%，Ni≤0.02%，Cu≤0.35%，Mo≤0.01%，Sn≤0.02%，Sb≤0.005%。尽管该发明的生产方法所制备的QT600-10强度较高，塑韧性好，铸造成本低，但是，该材料不适宜更高强度之要求。中国专利CN104388810A公开了一种铸态球墨铸铁的制备方法。该方法生产的球墨铸铁抗拉强度达到了700MPa，但是伸长率仅为4.5%左右，虽然达到了现行国标QT700-2的要求，却不能满足同级别材料的更高伸长率的要求。

发明内容

本发明的目的是要提供一种铸态高强度高伸长率合成球墨铸铁及其制备方法。该铸态高强度高伸长率合成球墨铸铁的强度较高，塑韧性好，综合性能优良。

本发明的技术方案是：一种铸态高强度高伸长率合成球墨铸铁及其制备方法，其特征在于：由按质量百分比计的以下元素组成：C：3.5%~3.7%、Si：2.9%~3.3%、Mn≤0.2%、P≤0.035%、S≤0.02%、Cu：0.5%~0.7%、Ni：0.55%~0.75%、Mg：0.030%~0.065%，余量为Fe以及微量元素。

所述制备方法包括以下步骤：

（1）配料及熔炼：在中频感应炉中加入增碳剂、20%~30%的废钢、50%~60%的原料纯铁、10%~20%的球铁回炉料，升温至1550℃左右，将所加入的原材料熔化为原铁水。

（2）合金化：向步骤（1）所得铁水中加入适量硅铁、0.5%~0.7%的阴极铜，继续熔炼。0.55%~0.75%合金化元素Ni由NiMg球化剂带入。

（3）预处理和球化处理：采用钟罩法先后对步骤（2）得到的铁水进行预处理和球化处理，其中预处理剂的用量为0.3%~0.4%,球化剂的用量为0.8%~1.0%。

（4）孕育处理及浇注：在浇包内放入0.2%~0.4%的孕育剂，调Si含量剩余的75硅铁也以适当粒度一并放入浇包底部，将步骤（3）所得铁水倒入浇包进行包内冲入法孕育；进行适当搅拌，静置1～2分钟；撇渣浇注后自然冷却，即可得到铸态球墨铸铁。

进一步的，所述步骤（1）中增碳剂的加入方式为压底加入法、粒度为3~5mm、碳含量为99.9%以上。

进一步的，所述步骤（1）中所用废钢为45#钢，所用原料纯铁为低硫低锰工业纯铁。

进一步的，所述步骤（2）中加入适量的硅铁和阴极铜后，将原铁水的含硅量和含铜量分别调整到1.8%和0.65%左右。

进一步的，所述步骤（3）中预处理和球化处理均采用钟罩法，其中预处理采用组成为64.69%Si、1.39%Ca、1.18%Al、9.11%Ba，余为Fe的预处理剂，粒度为2~6mm，预处理温度为1480℃；球化剂为镍镁球化剂，粒度为5~20mm，球化温度为1460℃。

进一步的，所述步骤（4）中所采用的包内孕育剂为硅钙孕育剂，粒度为1~3mm。

进一步的，所述步骤（4）中所得球墨铸铁自然冷却，无需进行热处理。

本发明的有益效果是:

1、本发明公开的高强度高伸长率球墨铸铁的抗拉强度为710～730MPa，延伸率为10%，球化率为85%以上，各项性能优良。

2、本发明高强度高伸长率球墨铸铁材料主要组织为珠光体和铁素体混合基体，为了提高韧性，即，提高石墨球数，控制含碳量，最终C的含量控制在3.5%～3.7%。

为使材料抗拉强度达到700MPa以上，必须适当提高孕育效果，增加并细化石墨球，适当的提高硅的含量进行固溶强化，因此将硅的含量控制在3.3%～3.5%。

锰为珠光体稳定元素，可以提高球墨铸铁的强度和硬度，但是Mn存在严重的正偏析倾向，严重时会促使形成晶间碳化物，显著降低材料的韧性，本发明将锰的含量控制在0.2%以下。

磷在球墨铸铁中有严重的偏析倾向，易形成磷共晶，严重降低材料的塑韧性和强度，增加缩松倾向，因此严格控制P≤0.035%。

硫与球化元素镁、稀土等生成硫化物或硫的氧化物，不仅消耗球化剂，造成球化不稳定，而且还是夹杂物数量增多因素，导致铸件产生缺陷，造成球化衰退速度加快；但过低的硫降低了结晶核心，不利于石墨球数的提高，故本发明严格控制S在0.005%～0.02%。

为了有效控制珠光体含量，促进石墨化，减少或消除游离渗碳体的形成，细化珠光体，强化基体组织，提高基体强度和硬度，改善铸件断面组织均匀性，改善石墨球的形状和增加石墨球数，本发明在材料中加入0.5%~0.7%的铜、0.55%~0.75%的镍。

为了保证球化效果，Mg_残应为0.035%~0.065%，否则，出现球化不良或过球化现象。

3、制备高强度高伸长率合成球墨铸铁原料包括低硫低锰原料纯铁，以保证废钢等其他炉料加入后，锰的含量低于0.2%。加入部分75硅铁调整原铁水Si含量至约1.8%。

熔炼炉内球化处理前加入适量的预处理剂对铁液进行预处理，在球化反应前, 通过加入预处理剂, 将铁液中的 O/S 控制在较低和稳定的水平, 并形成稳定的形核质点,为球化反应提供良好的条件。而且因为形成了大量的稳定的形核质点，大大降低了铁液的过冷度，从而为降低球化剂用量，增加单位面积石墨球数、提高球化率。

4、本发明高强度高伸长率合成球墨铸铁的制备方法中，采用复合孕育，即除了正常包内冲入法所使用的硅钙孕育剂之外，用于调整Si含量的剩余75硅铁均以一定粒度放于浇包中，与硅钙孕育剂一起冲入熔化，在调Si含量的同时兼具强化孕育作用，可以使石墨球更圆整、细小，分布更均匀，细化珠光体，从而能进一步增加产品的性能。本发明制备方法中各个步骤为申请人多次试验所确定，任何一个步骤不到位将会降低材料性能。金相组织检测表明，本发明所制备的铸态合成球墨铸铁的球化效果良好，石墨球圆整度好，石墨球数多，铸态下珠光体和铁素体含量分布均匀，因此，该材料适合作为要求综合力学性能较高的汽车、高铁零部件的材料。

本申请与现有技术相比，其详细说明如下：采用废钢和原料纯铁增碳在铸态条件下实现高强度高伸长率球铁的制备，充分利用废钢资源，无需热处理，可缩短生产周期，提高经济效益；通过一定量合金元素硅、铜、镍等的共同作用，使铁素体得到固溶强化、细化珠光体的层片间距，从而保证得到高强度的同时维持较高的伸长率；球化前进行预处理，促进球化，提高球化率；强化孕育处理使石墨球圆整、细小、均匀，改善球化状况，保证孕育效果，含Ba长效孕育避免孕育衰退带来的不良影响。实验结果证明，该方法能够在铸态稳定地获得抗拉强度在700MPa以上、断后伸长率超过10%的球墨铸铁。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一（本实例采用100kg中频感应炉熔炼）：

一种铸态高强度高伸长率合成球墨铸铁，由按质量百分比计的以下元素组成：C：3.56%、Si：2.95%、Mn：0.185%、P：0.018%、S：0.01%、Ni：0.75%、Cu：0.617%、Mg：0.045%，余量为Fe以及微量元素。

上述铸态高强度高伸长率合成球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

1、配料及熔炼：在中频感应炉中加入3.6%增碳剂、27.1%废钢、59.3%的原料纯铁、10%的球铁回炉料，升温至1550℃左右，将所加入的原材料熔化为原铁水。

2、合金化：向步骤（1）所得铁水中加入3%硅铁、0.6%的阴极铜，继续熔炼。

3、预处理和球化处理：采用钟罩法先后对步骤（2）得到的铁水进行预处理和球化处理，其中预处理剂的用量为0.35%，球化剂的用量为0.97%。

4、孕育处理及浇注：在浇包内放入0.38%的孕育剂，并将调Si含量的剩余75硅铁以合适粒度一并加入浇包，再将步骤（3）所得铁水倒入浇包进行包内孕育；进行适当搅拌，静置1～2分钟；撇渣浇注后自然冷却，即可得到铸态球墨铸铁。

5、检测结果：基体组织为65%珠光体+35%铁素体，球化等级1级，石墨球大小为6级，抗拉强度763.0MPa，断后伸长率为11.17%。

实施例二（本实例采用100kg中频感应炉熔炼）：

一种铸态高强度高伸长率合成球墨铸铁，由按质量百分比计的以下元素组成：C：3.62%、Si：3.10%、Mn：0.17%、P：0.029%、S：0.017%、Ni：0.74%、Cu：0.62%、Mg：0.058%，余量为Fe以及微量元素。

1、配料及熔炼：在中频感应炉中加入3.3%增碳剂、22.4%废钢、59.0%的原料纯铁、20%的球铁回炉料，升温至1550℃左右，将所加入的原材料熔化为原铁水。

2、合金化：向步骤（1）所得铁水中加入适量3.2%硅铁、0.57%的阴极铜，继续熔炼。

3、预处理和球化处理：采用钟罩法先后对步骤（2）得到的铁水进行预处理和球化处理，其中预处理剂的用量为0.36%,球化剂的用量为0.93%。

4、孕育处理及浇注：在浇包内放入0.36%的孕育剂，将步骤（3）所得铁水倒入浇包进行包内孕育；进行适当搅拌，静置1～2分钟；撇渣浇注后自然冷却，即可得到铸态球墨铸铁。

5、检测结果：基体组织为70%珠光体+30%铁素体，球化等级2级，石墨球大小为7级，抗拉强度710.5MPa，断后伸长率为10.2%。

Claims

1.一种铸态高强度高伸长率合成球墨铸铁及其制备方法，其特征在于：由按质量百分比计的以下元素组成：C：3.5%～3.7%、Si：2.9%～3.3%、Mn≤0.2%、P≤0.035%、S≤0.02%、Cu：0.5%～0.7%、Ni：0.55%～0.75%、Mg：0.030%～0.065%，余量为Fe以及微量元素。

2.根据权利要求1所述的一种铸态高强度高伸长率合成球墨铸铁及其制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：

（1）配料及熔炼：在中频感应炉中加入优质增碳剂、20%～30%的废钢、50%～60%的原料纯铁、10%～20%的球铁回炉料，升温至1550℃左右，将所加入的原材料熔化为铁水；

（2）合金化：向步骤（1）所得铁水中加入适量75硅铁、加入0.5%～0.7%的阴极铜，继续熔炼；

（3）预处理和球化处理：采用钟罩法先后对步骤（2）得到的铁水进行预处理和球化处理，其中预处理剂的用量为0.3%～0.4%，球化剂的用量为0.8%～1.0%；

（4）孕育处理及浇注：在浇包内放入0.2%～0.4%的硅钙孕育剂，也将调Si含量余下的75硅铁以适当粒度一并加入浇包底部，将步骤（3）所得铁水倒入浇包进行包内冲入法孕育；进行适当搅拌，静置1～2分钟；撇渣浇注后自然冷却，即可得到铸态合成球墨铸铁。

3.根据权利要求2所述的一种铸态高强度高伸长率合成球墨铸铁及其制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中增碳剂的加入方式为压底加入法、粒度为3～5mm、碳含量为99.9%以上。

4.根据权利要求2所述的一种铸态高强度高伸长率合成球墨铸铁及其制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中所用废钢为45#钢，所用原料纯铁为低硫低锰工业纯铁。

5.根据权利要求2所述的一种铸态高强度高伸长率合成球墨铸铁及其制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中加入适量的硅铁和阴极铜后，将原铁水的含硅量和含铜量分别调整到1.8%和0.65%左右。

6.根据权利要求2所述的一种铸态高强度高伸长率合成球墨铸铁及其制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中预处理和球化处理均采用钟罩插入法，其中预处理剂采用含量组成为64.69%Si、1.39%Ca、1.18%Al、9.11%Ba的预处理剂，粒度为2～6mm，预处理温度为1480～1500℃；球化剂为镍镁球化剂，其组成为15.74%Mg、82.20%Ni、0.40%MgO，粒度为5～20mm，球化温度为1460～1480℃，球化处理后，铁液中Ni含量为0.65%左右。

7.根据权利要求2所述的一种铸态高强度高伸长率合成球墨铸铁及其制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中所采用的包内孕育剂为硅钙孕育剂，其组成为75%Si，0.8%Ca，1.2%Al，余为Fe，粒度为1～3mm。

8.根据权利要求2所述的一种铸态高强度高伸长率合成球墨铸铁及其制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中所得球墨铸铁在铸型中自然冷却，无需进行热处理。