CN111500923A - 一种厚壁球墨铸铁及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种厚壁球墨铸铁及其制备方法，属于球墨铸铁技术领域，厚壁球墨铸铁包括以下质量百分比的元素：C 3.5‑3.65%、Si 2.2‑2.4%、Mn 0.4‑0.5%、Mg 0.040‑0.050%、Cu 0.35‑0.45%、Cr≤0.05%、Sn 0.030‑0.040%、P≤0.05%、S≤0.02%、余量为Fe；厚壁球墨铸铁的制备方法，所述球墨铸铁包括如下步骤：（一）原料熔炼，熔炼后铁水包括以下重量百分比的元素：C 3.7‑3.85%、Si 1.5‑1.6%、Mn 0.4‑0.5%、Cu 0.35‑0.45%、Cr≤0.05%、P≤0.05%、S≤0.025%、余量为Fe；（二）球化处理及孕育处理，S1：向容器内加入球化剂、一次孕育剂、合金和覆盖剂，后浇注铁水；S2：将步骤S1得到的铁水倒包，同时加入二次孕育剂，再倒包浇注时加入随流孕育剂，本发明的厚壁球墨铸铁，具有提高FCD500球墨铸铁的机械性能和硬度的效果。

Description

一种厚壁球墨铸铁及其制备方法

技术领域

本发明涉及球墨铸铁技术领域，特别涉及一种厚壁球墨铸铁及其制备方法。

背景技术

球墨铸铁是20世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢，正是基于其优异的性能，已成功地用于铸造一些受力复杂、强度、韧性、耐磨性要求较高的零件中。

相同成分的厚壁FCD500球墨铸铁（壁厚大于50mm）的金相组织中铁素体含量比普通壁厚的铸件金相组织中的铁素体多，使得厚壁FCD500球墨铸铁抗拉强度、硬度一般，因此，现有厚壁FCD500球墨铸铁的机械性能和硬度均有待提高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的一是提供一种厚壁球墨铸铁，达到提高FCD500球墨铸铁的机械性能和硬度的效果；

本发明的目的二：提供一种厚壁球墨铸铁的制备方法，达到提高FCD500球墨铸铁的机械性能和硬度的效果。

本发明的上述技术目的一是通过以下技术方案得以实现的：

一种厚壁球墨铸铁，所述球墨铸铁包括以下质量百分比的元素：C 3.5-3.65%、Si 2.2-2.4%、Mn 0.4-0.5%、Mg 0.040-0.050%、Cu 0.35-0.45%、Cr ≤0.05%、Sn 0.030-0.040%、P≤0.05%、S≤0.02%、余量为Fe。

通过采用上述技术方案，碳和硅的含量对铸件的性能很大，其中碳含量越高，铁水流动性越好，本申请中碳的含量，不仅使得铁液有良好的流动性，同时也有良好的铸造工艺。

Si能够促进铁水中的C石墨化，从而不容易形成渗碳体，且在固态的铸铁中，硅几乎全部固溶于奥氏体和铁素体，不进入碳化物，硅原子与铁原子可以结合成具有强共价键的含硅铁素体，不仅促进铁素体形成，而且使铁素体强化的作用增强，本申请中将Si含量控制在2.2-2.4%范围内时，能够有效降低铸件中渗碳体的含量，提高铸件的强度和硬度。

Mn含量的增加能够增大基体组织中的珠光体数量，同时还能够稳定和细化珠光体，提高铸件的强度、硬度与耐磨性，锰量过高时会产生渗碳体，会降低球墨铸铁的伸长率和冲击韧性，本申请中Mn含量控制在0.4-0.5%内时，不仅有效提高铸件的强度，同时也防止过量的锰沿晶界析出形成网状碳化物。

Cu元素的加入，一方面能够稳定和增加珠光体，另一方面还能促进铁水中的C石墨化，并抵消Cr元素增大白口的不利影响，有利于保证铁水的铸造工艺，此外，铜的加入，可提高铁液的流动性，改善厚大断面铸铁中组织的均匀性，且铸铁的力学性能、耐磨性能、耐蚀性能都有较大改善。

Cr含量的增加，使得铸件强度和硬度增加，塑性下降，同时还能保留较多的珠光体。

Sn元素的加入能够促进和稳定珠光体，降低铁素体含量，从而提高铸件的机械强度和硬度。

P作为有害元素，在铸铁中磷含量增加时，液相线降低，从而提高了铁水的流动性，但当P含量过高时，会形成二元或三元磷共晶体，其性能硬而脆，降低铸铁的强度，因此，本发明中P含量≤0.05%时，有效提高铸件的强度。

S作为有害元素，强烈阻碍球化，并使铸铁的铸造性能和机械性能恶化，因此，本发明中S含量≤0.02%时，有效提高铸件的强度和硬度。

本申请通过限定C、Si、Mn、Mg、Sn五种元素的的质量百分比，并限定有害元素的质量百分比，有效消除了球墨铸铁中的渗碳体，同时也降低了铁素体的含量，提高厚壁球墨铸铁的强度和硬度。

本发明的目的二是：提供一种厚壁球墨铸铁的制备方法，所述球墨铸铁包括如下步骤：

（一）原料熔炼

熔炼后铁水包括以下重量百分比的元素：C 3.7-3.85%、Si 1.5-1.6%、Mn 0.4-0.5%、Cu0.35-0.45%、Cr ≤0.05%、P≤0.05%、S≤0.025%、余量为Fe；

（二）球化处理及孕育处理

S1：向容器内加入球化剂、一次孕育剂、合金和覆盖剂，后浇注铁水；

S2：将步骤S1得到的铁水倒包，同时加入二次孕育剂，再倒包浇注时加入随流孕育剂。

通过采用上述技术方案，本申请步骤S1中，先在球化包内加入球化剂，再加入一次孕育剂和合金，后加入覆盖剂，这样做的目的是有效控制铁水与一次孕育剂、合金、球化剂的反应速度，防止出现球化不良的现象，将一次孕育剂置于球化剂和覆盖剂之间时，能够有效控制晶粒的形成数量和大小，保证铁水中能够形成小且多，并且组织致密且均匀的晶粒，阻碍渗碳体的析出，保证球化的效率，防止将球化剂放置在一次孕育剂和覆盖剂之间时铁水与球化剂过早反应，而影响铁水的球化效率。

此外，本申请中合金的添加，能够有效稳定珠光体同时也能够减少形成游离的渗碳体，从而有效提高球墨铸铁的强度和硬度。

然后再加入随流孕育剂，严格控制铁水中C、Si、Mn、Mg、Sn五种元素的含量，所带来的效果是球墨铸铁的球化率在85%以上，抗拉强度在790N/mm²以上，屈服强度在520N/mm²以上、硬度在HB207以上，且未出现渗碳体，从而有效提高厚壁球墨铸铁的硬度和强度。

本发明进一步设置为，所述步骤S1中，球化剂的量为铁液重量的1.2-1.4%、一次孕育剂的量为铁液重量的0.2-0.4%、合金加入量为铁液重量的0.03-0.04%、覆盖剂的含量为铁液重量的的1.5-2%。

本发明进一步设置为，球化剂的成分为Mg 5-5.5%、Si 40-50%、Re1.5-2.0%、Ca2.0-2.5%，球化剂粒度为5-25mm

通过采用上述技术方案，采用低镁球化剂球化处理后，铁液中最终残留稀土含量低，并且波动范围小，稳定性好，铁液中残留含镁量的提高，可以在保证球化元素残留量的前提下降低球化剂的加入量，并且使铁液在球化处理后残留镁含量高于残留稀土元素含量，避免因稀土元素含量过高抑制共晶晶粒的成长、导致白口倾向。

球化剂、一次孕育剂、合金和覆盖剂的加入量，能够有效保证在浇铸的过程中铁水球化反应充分，提高厚壁球墨铸铁的硬度和强度。

本发明进一步设置为，所述一次孕育剂采用采用75硅铁，粒度为3-8mm。

通过采用上述技术方案，一次孕育剂选择为75硅铁时，成本低，渣含量少，促进铁水中的C石墨化，阻碍渗碳体的形成，由于铁水最开始时的温度比较高，硅铁的粒度选择3-8mm时，能够保证孕育的效果，若硅铁粒度小时，孕育效果差，不能生成合金，从而降低铸铁的机械强度和硬度。

本发明进一步设置为，所述合金为纯金属锡块。

通过采用上述技术方案，合金采用金属锡块时，不仅能够提高球墨铸铁的强度和延伸率，相比于铜块，铜块虽也能够提高球墨铸铁的强度和硬度，但加铜块的加工成本远高于加锡块时的加工成本，此外，锡块的加入，能够有效提高厚壁铸件中珠光体的含量，从而使得厚壁球墨铸铁的硬度达到要求。

本发明进一步设置为，所述覆盖剂采用低碳钢、钢片中的一种，粒度为10-20mm。

通过采用上述技术方案，覆盖剂的粒度为10-20mm时，保证覆盖剂具有一定的间隙，从而保证铁水与一次孕育剂和球化剂的反应机率，从而保证孕育的效率和球化效率。

本发明进一步设置为，所述二次孕育剂为铁液重量的0.1-0.2%，二次孕育剂采用硅钡合金，粒度为0.1-1mm，其中硅钡合金中Si的含量为65-72%、Ba的含量为4-6%、Ca的含量为0.5-2.5%。

通过采用上述技术方案，硅钡合金的抗衰退能力强，能够保证铁水的孕育效果，同时由于一次孕育后，铁水的温度也有所降低，因此，选择硅钡合金的粒度为0.1-1mm时，在铁水中能够充分溶解，同时还保证孕育的效果。

同时本申请中硅的质量百分含量在65-72%、Ba的含量为4-6%、Ca的含量为0.5-2.5%时，对石墨的形成起到有效的促进作用，硅在铁液中溶解氧化生成二氧化硅，大量的二氧化硅分子在范德华力的作用下，弥散充斥全部铁液，依附并包围球化处理之前生成的硫化镁、硫化钙、氧化镁和氧化钙，此外，碳在镁的作用下，界面张力增加，呈螺旋长大呈球形石墨，强化孕育作用并形成细小、分散的石墨，改善铸铁的力学性能。

本发明进一步设置为，所述随流孕育剂采用硅钡合金，粒度为0.1-0.5mm，其中硅钡合金中Si的含量为65-72%、Ba的含量为4-6%、Ca的含量为0.5-2.5%。

通过采用上述技术方案，硅钡合金的抗衰退能力强，能够保证铁水的孕育效果，同时由于一次孕育后，铁水的温度也有所降低，因此，选择硅钡合金的粒度为0.1-0.5mm时，在铁水中能够充分溶解，同时还保证孕育的效果。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本申请球墨铸铁通过一次孕育、二次孕育和随流孕育后，保证球墨铸铁的球化效率，防止出现球化不良的现象，阻碍渗碳体的形成，提高球墨铸铁的强度和硬度；

2、纯金属锡块的加入，不仅降低成本，同时锡块的加入，能够提高球墨铸铁中的珠光体的含量，从而提高球墨铸铁的机械性能和硬度。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

一种厚壁球墨铸铁，球墨铸铁包括以下质量百分比的元素：C 3.5%、Si 2.4%、Mn 0.4%、Mg 0.050%、Cu 0.35%、Cr 0.05%、Sn 0.030%、P 0.023%、S0.011%、余量为Fe。

厚壁球墨铸铁的制备方法：包括如下步骤：

（一）原料熔炼

熔炼后铁水包括以下重量百分比的元素：C 3.7%、Si 1.6%、Mn 0.4%、Cu 0.45%、Cr0.045%、P 0.023%、S 0.025%、余量为Fe；

（二）球化处理及孕育处理

S1：以铁水为基准，按重量百分比计，向容器内加入粒度为5mm球化剂1.2%、粒度为3mm的75硅铁0.2%、纯金属锡块0.03%、粒度为10-20mm的低碳钢1.5%，后浇注铁水；球化剂的成分为Mg 5%、Si 40%、Re 1.5%、Ca 2.0%；

S2：以铁水为基准，按重量百分比计，将步骤S1得到的铁水倒入浇注包，同时加入粒度为0.1mm的硅钡合金0.1%，硅钡合金中Si的含量为65%、Ba的含量为4%、Ca的含量为0.5%；再倒包浇注时加入粒度为0.1mm的硅钡合金0.05%，其硅钡合金中Si的含量为65%、Ba的含量为4%、Ca的含量为0.5%。

实施例2

一种厚壁球墨铸铁，球墨铸铁包括以下质量百分比的元素：C 3.6%、Si 2.3%、Mn0.46%、Mg 0.045%、Cu 0.40%、Cr 0.045%、Sn 0.035%、P 0.03%、S 0.011%、余量为Fe。

厚壁球墨铸铁的制备方法：包括如下步骤：

（一）原料熔炼

熔炼后铁水包括以下重量百分比的元素：C 3.82%、Si 1.55%、Mn 0.45%、Cu 0.40%、Cr0.044%、P 0.033%、S 0.021%、余量为Fe；

（二）球化处理及孕育处理

S1：以铁水为基准，按重量百分比计，向容器内加入粒度为15mm球化剂1.3%、粒度为5mm的75硅铁0.2%、纯金属锡块0.03%、粒度为15mm的低碳钢1.7%，后浇注铁水；球化剂的成分为Mg 5.2%、Si 45%、Re1.7%、Ca 2.3%；

S2：以铁水为基准，按重量百分比计，将步骤S1得到的铁水倒入浇注包，同时加入粒度为0.7mm的硅钡合金0.15%，硅钡合金中Si的含量为70%、Ba的含量为5%、Ca的含量为1.5%；再倒包浇注时加入粒度为0.4mm的硅钡合金0.1%，其硅钡合金中Si的含量为69%、Ba的含量为5%、Ca的含量为1.5%。

实施例3

一种厚壁球墨铸铁，球墨铸铁包括以下质量百分比的元素：C 3.65%、Si 2.2%、Mn0.5%、Mg 0.040%、Cu 0.45%、Cr 0.047%、Sn 0.040%、P 0.028%、S 0.016%、余量为Fe。

厚壁球墨铸铁的制备方法：包括如下步骤：

（一）原料熔炼

熔炼后铁水包括以下重量百分比的元素：C 3.85%、Si 1.5%、Mn 0.5%、Cu 0.35%、Cr0.041%、P 0.043%、S 0.015%、余量为Fe；

（二）球化处理及孕育处理

S1：以铁水为基准，按重量百分比计，向容器内加入粒度为25mm球化剂1.4%、粒度为8mm的75硅铁0.4%、纯金属锡块0.04%、粒度为20mm的低碳钢2.0%，后浇注铁水；球化剂的成分为Mg 5.5%、Si 50%、Re2.0%、Ca 2.5%；

S2：以铁水为基准，按重量百分比计，将步骤S1得到的铁水倒入浇注包，同时加入粒度为1mm的硅钡合金0.2%，硅钡合金中Si的含量为72%、Ba的含量为6%、Ca的含量为2.5%；再倒包浇注时加入粒度为0.5mm的硅钡合金0.15%，其硅钡合金中Si的含量为72%、Ba的含量为6%、Ca的含量为2.5%。

实施例4

与实施例2的不同之处在于，用等量的钢片代替低碳钢。

对比例1

与实施例2的不同之处在于，用铜代替锡块，加入量为铁液量的0.2%，球墨铸铁包括以下质量百分比的元素：C 3.6%、Si 2.3%、Mn 0.46%、Mg 0.045%、Cu 0.60%、Cr 0.045%、P0.03%、S 0.011%、余量为Fe。

对比例2

与实施例2的不同之处在于，步骤S1：向容器内加入75硅铁、球化剂和覆盖剂，加入量以及其他步骤不变。

对比例3

与实施例2的不同之处在于，步骤S1中，用等量的硅钡合金代替75硅铁，其粒度不变，硅钡合金中Si的含量为69%、Ba的含量为5%、Ca的含量为1.5%。

性能检测

对实施例1-4和对比例1-3中的球墨铸铁进行性能检测，本申请得到的铸铁样品的厚度为30-60mm，检测结果如表1所示，检测依据按照GB/T1348-2009中的方法进行检测,其中FCD500球墨铸铁相当于QT500-7。

表1样品球墨铸铁检测结果表

项目	抗拉强度（N/mm<sup>2</sup>）	屈服强度（N/mm<sup>2</sup>）	延伸率（%）	硬度（HB）	球化率（%）	珠光体（%）	铁素体（%）	渗碳体（%）
									标准要求	500	320	7	170-230	——	——	——	0
实施例1	730	525	8	210	86	65	35	0
									实施例2	738	546	10	223	90	72	28	0
实施例3	735	538	9	220	88	68	32	0
									实施例4	736	520	8	224	90	72	28	0
对比例1	645	460	13	191	90	65	35	0
									对比例2	640	452	12	186	80	58	42	0
对比例3	638	455	12	185	80	58	40	2

从上表可知：

实施例1-3中的抗拉强度、屈服强度、延伸率均高于标准要求，说明本申请最后得到的球墨铸铁有效提高球墨铸铁的机械强度，同时本申请实施例1-3的样品球墨铸铁的硬度在标准要求范围内，有效保证球墨铸铁具有良好的机械性能的同时，还使得球墨铸铁具有良好的硬度；

实施例4与实施例2相比，当用等量的钢片代替低碳钢后，样品球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、硬度以及伸长率基本与实施例3中的相同，说明覆盖剂采用钢片或者低碳钢后均能够达到良好的机械性能以及硬度要求；

对比例1与实施例2相比，当用等量的铜块代替锡块后，球墨铸铁中的铁素体的占比明显升高，导致珠光体的转化量降低，从而使得样品球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度均降低，但高于标准要求，说明本申请球化处理以及孕育处理中加入的球化剂、75硅铁、一次孕育剂、二次孕育剂、随流孕育剂配合使用，有效提高本申请中厚壁球墨铸铁的机械性能和硬度，从而使得球墨铸铁的机械性能以及硬度符合要求，此外，用锡块代替铜块后还有效降低成本；

对比例2与实施例2相比，当球化剂和75硅铁的加入顺序发生变化时，球化率降低，同时铁素体的含量相比于实施例2中的含量也升高，抗拉强度以及屈服强度也都降低，由此可见，本申请中球化剂、75硅铁和覆盖剂的按此顺序加入能够有效提高球墨铸铁的机械性能和硬度；按照市场价格，铜40000元/吨，1吨铸件的成品需要1÷54.3%（出品率）的铁水，这些铁水中需要加入的铜为1÷54.3%×0.2%，则每吨铸件需要加入的铜的费用为：40000×1÷54.3%×0.2%=147.33元；按照市场价格，锡120000元/吨计算，则每吨铸件需要加入的锡的费用为：120000×1÷54.3%×0.035%=77.35元，相比于加铜，加锡每吨铸件可以节省的材料费为147.33-77.35=69.98元；

对比例3与实施例2相比，当一次孕育剂采用硅钡合金后，铁素体的含量相比于实施例2汇总的铁素体含量高，且各项性能相比于实施例2中的各项性能均降低，说明一次孕育剂采用75硅铁，能够有效保证球墨铸铁的球化率以及球墨铸铁的各项机械性能和硬度。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种厚壁球墨铸铁，其特征在于：所述球墨铸铁包括以下质量百分比的元素：C 3.5-3.65%、Si 2.2-2.4%、Mn 0.4-0.5%、Mg 0.040-0.050%、Cu 0.35-0.45%、Cr ≤0.05%、Sn0.030-0.040%、P≤0.05%、S≤0.02%、余量为Fe。

2.一种如权利要求1所述的厚壁球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述球墨铸铁包括如下步骤：

（一）原料熔炼

熔炼后铁水包括以下重量百分比的元素：C 3.7-3.85%、Si 1.5-1.6%、Mn 0.4-0.5%、Cu0.35-0.45%、Cr ≤0.05%、P≤0.05%、S≤0.025%、余量为Fe；

（二）球化处理及孕育处理

S1：向容器内加入球化剂、一次孕育剂、合金和覆盖剂，后浇注铁水；

S2：将步骤S1得到的铁水倒包，同时加入二次孕育剂，再倒包浇注时加入随流孕育剂。

3.根据权利要求2所述的一种厚壁球墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，球化剂的量为铁液重量的1.2-1.4%、一次孕育剂的量为铁液重量的0.2-0.4%、合金加入量为铁液重量的0.03-0.04%、覆盖剂的含量为铁液重量的的1.5-2%。

4.根据权利要求3所述的一种厚壁球墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述球化剂的成分为Mg 5-5.5%、Si 40-50%、Re1.5-2.0%、Ca 2.0-2.5%，球化剂粒度为5-25mm。

5.根据权利要求2所述的一种厚壁球墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述一次孕育剂采用采用75硅铁，粒度为3-8mm。

6.根据权利要求2所述的一种厚壁球墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述合金为纯金属锡块。

7.根据权利要求2所述的一种厚壁球墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述覆盖剂采用低碳钢、钢片中的一种，粒度为10-20mm。

8.根据权利要求2所述的一种厚壁球墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述二次孕育剂为铁液重量的0.1-0.2%，二次孕育剂采用硅钡合金，粒度为0.1-1mm。

9.根据权利要求2所述的一种厚壁球墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述随流孕育剂为铁液重量的0.05-0.15%，随流孕育剂采用硅钡合金，粒度为0.1-0.5mm。