CN112095044A - 一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料及其生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料及其制备方法，其中玛钢材料包括以下质量百分比原料：炭2.4‑2.6％，硅1.6‑1.8％，钡0.01‑0.06％，钙0.12‑0.14％，铝0.2‑0.5％，锰0.6‑0.8％，硫＜0.15％，磷＜0.06％，铬＜0.06％，余量为铁；本发明的玛钢黑心可锻铸铁金属材料，是一种新型的玛钢材质的材料，牌号KTH400‑8，即最低抗拉强度为400MPa、最低断后伸长率为8％的黑心可锻铸铁；组分新颖，制作过程合理清晰，石墨分布均匀，表面没有片状石墨斑点，机械强度大。
Description
技术领域
本发明涉及锻造技术领域，具体说是一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料及其生产工艺。
背景技术
铸铁根据碳的存在状态可以分为片状石墨铸铁、球墨铸铁和黑心可锻铸铁等，其中黑心可锻铸铁由于机械强度优异被广泛用于冲击或震动和扭转载荷的零件，如制造汽车后桥、弹簧支架、低压闸门、管接头、工具扳手等，但是由于铸铁材料为铁基材料，因此在高温范围内容易发生氧化反应，耐氧化性能不高。现有技术中有通过镍的添加来增加其耐氧化性能，但是由于镍的成本较高，因此使用范围受到限制。另外，由于石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，因此黑心可锻铸铁的有效承载截面被减少，应力集中，因此其强度、塑性和韧性低于碳钢，因此如何提高黑心可锻铸铁的力学性能一直是本领域亟待解决的问题。
另一方面，黑心可锻铸铁中，铸造、冷却后的碳是以作为与铁的化合物的渗碳体(Fe3C)的形态存在，然后将铸件加热并保持在720℃以上的温度，渗碳体被分解，石墨析出。
但是目前黑心可锻铸铁的石墨化需要很长的时间，由于石墨化存在两个阶段，第一阶段石墨化是在900℃以上的温度下分解在奥氏体中游离的渗碳体，第二阶段石墨化是在720℃下分解珠光体中的渗碳体。两个阶段均伴有基质中碳的扩散和石墨的析出过程，因此需要数小时甚至数十小时，因此长时间的石墨化是增加黑心可锻铸铁的制造成本的原因。
为了缩短石墨化所需的时间，一般采用的方法是通过调节黑心可锻造成分或添加新的添加元素，从而缩短石墨化所需时间。如增加促进石墨化的硅的量，但是一味增加硅的用量，在铸造及冷却过程中容易生产斑点状石墨，导致黑心可锻铸铁的机械强度下降。
发明内容
为解决现有技术中黑心可锻铸铁高温耐氧化性不高、热处理时间过长，生产成本高等问题，本发明的目的是提供一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料及其生产工艺。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料，包括以下质量百分比原料：炭2.4-2.6％，硅1.6-1.8％，钡0.01-0.06％，钙0.12-0.14％，铝0.2-0.5％，锰0.6-0.8％，硫＜0.15％，磷＜0.06％，铬＜0.06％，余量为铁。
本发明还包括一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料的生产工艺，包括以下步骤：
①将金属铝、碳化硅、氮化硅和氧化镁按照质量比3～6：2～8：16～20：3～6混合均匀，得到孕育剂；
②炉前孕育：准备冲天炉，熔炼时，加入铸造生铁，在炉前铁水包里加入冷铁，然后加入步骤①的孕育剂；其中铸造生铁、冷铁和孕育剂的质量比为15～25：3～10：0.5～1；
③二次孕育：将炉前铁水包里的铁水放入铁水包，并且当铁水包里的铁水达到65～75％时，再次加入步骤①的孕育剂；
其中再次加入步骤①的孕育剂的质量与步骤②中的铸造生铁的质量的比值为0.6～1.1：15～25；
④将铁水进行浇铸。
优选的，冲天炉用富氧送风，在冲天炉开炉中期，出炉温度1550以上。
优选的，铸造生铁、冷铁和孕育剂的质量比为20：6：0.8。
优选的，孕育剂由金属铝、碳化硅、氮化硅和氧化镁按照质量比4：6：18：5组成。
优选的，其中再次加入步骤①的孕育剂的质量与步骤②中的铸造生铁的质量的比值为0.9：20。
优选的，步骤③将铁水进行浇铸后，铸件的白口组织细密，金相观察没有大的板块状渗碳体后，对铸件进行退火处理。
优选的退火处理步骤具体为：升温10～12小时达到930℃、在此温度保温8～10小时、经过12～15小时降温到800℃，然后再经过8～10小时降温到600℃出退火炉出炉空冷，整个退火过程中不能急升温、急降温，最高温不能超过950℃。
进一步优选的退火处理步骤具体为：升温12小时达到930℃、在此温度保温8小时、经过15小时降温到800℃，然后再经过8小时降温到600℃出退火炉出炉空冷，整个退火过程中不能急升温、急降温，最高温不能超过950℃。
优选的生产工艺，降温速度不能超过为15℃/小时。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明的玛钢黑心可锻铸铁金属材料，是一种新型的玛钢材质的材料，牌号KTH400-8，即最低抗拉强度为400MPa、最低断后伸长率为8％的黑心可锻铸铁；本发明的玛钢黑心可锻铸铁金属材料，是一种铁素体可铸造铁，组分新颖，制作过程合理清晰，石墨分布均匀，表面没有片状石墨斑点，机械强度大。
本发明的玛钢黑心可锻铸铁金属材料的生产工艺，通过使用冲天炉通过两次孕育过程，铸造出来的产品较电炉铸造出来的产品强度大，延展率高，整体性能优于电炉，并且冲天炉经过两次孕育后的铁水比电炉铸造出来的产品缩松倾向小，产品内应力小；本发明的玛钢黑心可锻铸铁金属材料的生产工艺，能够大幅度缩短石墨化时间，降低生产成本。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料及其生产工艺，通过以下技术方案实现：
一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料，包括以下质量百分比原料：炭2.4-2.6％，硅1.6-1.8％，钡0.01-0.06％，钙0.12-0.14％，铝0.2-0.5％，锰0.6-0.8％，硫＜0.15％，磷＜0.06％，铬＜0.06％，余量为铁。
本发明还包括一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料的生产工艺，包括以下步骤：
①将金属铝、碳化硅、氮化硅和氧化镁按照质量比3～6：2～8：16～20：3～6混合均匀，得到孕育剂；
②炉前孕育：准备冲天炉，熔炼时，加入铸造生铁，在炉前铁水包里加入冷铁，然后加入步骤①的孕育剂；其中铸造生铁、冷铁和孕育剂的质量比为15～25：3～10：0.5～1；
本步骤中加入的冷铁尽量为抛丸后干净，无尘的，这样通过加入生铁的步骤，可以将铁水中的炭由2.5～2.7％，降低至2.4～2.6％；
通过本发明新型的孕育剂，能够增加石墨化核心，有效细化石墨，提高铸件的强度，并且能有效降低加入冷铁后铁水过度冷，促进石墨的析出，显得减少白口倾向，降低相对硬度，提高铸件切削加工性能，本发明的孕育剂在加入后很快被金属液吸收，发挥其孕育剂的作用。
③二次孕育：将炉前铁水包里的铁水放入铁水包，并且当铁水包里的铁水达到65～75％时，再次加入步骤①的孕育剂；
其中再次加入步骤①的孕育剂的质量与步骤②中的铸造生铁的质量的比值为0.6～1.1：15～25；
通过两次孕育的过程可以将硅含量由原来的1.30～1.50％提高到1.65～1.8％；并且在二次孕育中，加入了铝金属、氮化硅和氧化镁等成分组成的孕育剂，最终使得得到的铸件结构致密，冲击性强，耐磨性能优良。
通过使用冲天炉铸造出来的产品较电炉铸造出来的产品强度大，延展率高，整体性能优于电炉，并且冲天炉经过两次孕育后的铁水比电炉铸造出来的产品缩松倾向小，产品内应力小。
④将铁水进行浇铸。
优选的，冲天炉用富氧送风，在冲天炉开炉中期，出炉温度1550以上；通过高温出炉，低温铸造，能够对铁水进行进化处理，提高铸造产品的致密性。
优选的，铸造生铁、冷铁和孕育剂的质量比为20：6：0.8。
优选的，孕育剂由金属铝、碳化硅、氮化硅和氧化镁按照质量比4：6：18：5组成，优选成分的孕育剂更容易在铁水中混溶和分散。
优选的，再次加入步骤①的孕育剂的质量与步骤②中的铸造生铁的质量的比值为0.9：20。
优选的，步骤③将铁水进行浇铸后，铸件的白口组织细密，金相观察没有大的板块状渗碳体后，对铸件进行退火处理。
优选的，退火处理步骤具体为：升温10～12小时达到930℃、在此温度保温8～10小时、经过12～15小时降温到800℃，然后再经过8～10小时降温到600℃出退火炉出炉空冷，整个退火过程中不能急升温、急降温，最高温不能超过950℃。
采用本发明的工艺制备的玛钢黑心可锻铸铁金属材料铸造成试棒，进行拉力试验，试验结果中拉伸强度在408～428MPa，拉伸率在8.10～8.70％之间，能够极大的提高产品的使用性能，提高配件的寿命，提高生产效率。
进一步优选的退火处理步骤具体为：先在400℃保温3小时，然后在715℃下保温20小时，降温至660℃，出炉空冷；铸造成试棒拉伸强度在415～420MPa，拉伸率在8.30～8.50％之间。
优选的生产工艺，降温速度不能超过为15℃/小时；铸造成试棒拉伸强度在420～428MPa，拉伸率在8.50～8.70％之间。
本发明中的急升温是指升温速度超过为50℃/小时，急降温是指降温速度超过为50℃/小时。
以下结合具体实施例来对本发明作进一步的描述。
实施例1
一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料，包括以下质量百分比原料：炭2.4％，硅1.8％，钡0.01％，钙0.12％，铝0.2％，锰0.6％，硫＜0.15％，磷＜0.06％，铬＜0.06％，余量为铁。
实施例2
一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料，包括以下质量百分比原料：炭2.6％，硅1.6％，钡0.06％，钙0.14％，铝0.5％，锰0.8％，硫＜0.15％，磷＜0.06％，铬＜0.06％，余量为铁。
实施例3
一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料，包括以下质量百分比原料：炭2.5％，硅1.7％，钡0.05％，钙0.13％，铝0.3％，锰0.7％，硫＜0.15％，磷＜0.06％，铬＜0.06％，余量为铁。
实施例4
实施例1所述玛钢黑心可锻铸铁金属材料的生产工艺，包括以下步骤：
①将金属铝、碳化硅、氮化硅和氧化镁按照质量比3：2：16：3混合均匀，得到孕育剂；
②炉前孕育：准备冲天炉，熔炼时，加入铸造生铁，在炉前铁水包里加入冷铁，然后加入步骤①的孕育剂；其中铸造生铁、冷铁和孕育剂的质量比为15：3：0.5；
③二次孕育：将炉前铁水包里的铁水放入铁水包，并且当铁水包里的铁水达到65～75％时，再次加入步骤①的孕育剂；
其中再次加入步骤①的孕育剂的质量与步骤②中的铸造生铁的质量的比值为0.6：15；
④将铁水进行浇铸。
实施例5
实施例2所述玛钢黑心可锻铸铁金属材料的生产工艺，包括以下步骤：
①将金属铝、碳化硅、氮化硅和氧化镁按照质量比6：8：20：6混合均匀，得到孕育剂；
②炉前孕育：准备冲天炉，熔炼时，加入铸造生铁，在炉前铁水包里加入冷铁，然后加入步骤①的孕育剂；其中铸造生铁、冷铁和孕育剂的质量比为25：10：1；
③二次孕育：将炉前铁水包里的铁水放入铁水包，并且当铁水包里的铁水达到65～75％时，再次加入步骤①的孕育剂；
其中再次加入步骤①的孕育剂的质量与步骤②中的铸造生铁的质量的比值为1.1：25；
④将铁水进行浇铸。
实施例6
实施例3所述玛钢黑心可锻铸铁金属材料的生产工艺，包括以下步骤：
①将金属铝、碳化硅、氮化硅和氧化镁按照质量比3～6：2～8：16～20：3～6混合均匀，得到孕育剂；
②炉前孕育：准备冲天炉，熔炼时，加入铸造生铁，在炉前铁水包里加入冷铁，然后加入步骤①的孕育剂；其中铸造生铁、冷铁和孕育剂的质量比为20：6：0.8；
冲天炉用富氧送风，在冲天炉开炉中期，出炉温度1550以上；
②二次孕育：将炉前铁水包里的铁水放入铁水包，并且当铁水包里的铁水达到65～75％时，加入步骤①的孕育剂；
其中再次加入步骤①的孕育剂的质量与步骤②中的铸造生铁的质量的比值为0.9：20；
③将铁水进行浇铸，当铸件的白口组织细密，金相观察没有大的板块状渗碳体后，对铸件进行退火处理；
退火处理步骤具体为：升温10～12小时达到930℃、在此温度保温8～10小时、经过12～15小时降温到800℃，然后再经过8～10小时降温到600℃出退火炉出炉空冷，整个退火过程中不能急升温、急降温，最高温不能超过950℃。
采用本发明的工艺制备的玛钢黑心可锻铸铁金属材料铸造成试棒，进行拉力试验，试验结果中拉伸强度在408～428MPa，拉伸率在8.10～8.70％之间，能够极大的提高产品的使用性能，提高配件的寿命，提高生产效率。
经过工艺优化后，退火的步骤为：升温12小时达到930℃、在此温度保温8小时、经过15小时降温到800℃，然后再经过8小时降温到600℃出退火炉出炉空冷，整个退火过程中不能急升温、急降温，最高温不能超过950℃；优选的工艺铸造成试棒拉伸强度在415～420MPa，拉伸率在8.30～8.50％之间。
最优的工艺为降温速度不能超过为15℃/小时，铸造成试棒拉伸强度在420～428MPa，拉伸率在8.50～8.70％之间。
Claims (10)
1.一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料，其特征在于：包括以下质量百分比原料：炭2.4-2.6％，硅1.6-1.8％，钡0.01-0.06％，钙0.12-0.14％，铝0.2-0.5％，锰0.6-0.8％，硫＜0.15％，磷＜0.06％，铬＜0.06％，余量为铁。
2.权利要求1所述一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料的生产工艺，其特征在于：包括以下步骤：
①将金属铝、碳化硅、氮化硅和氧化镁按照质量比3～6：2～8：16～20：3～6混合均匀，得到孕育剂；
②炉前孕育：准备冲天炉，熔炼时，加入铸造生铁，在炉前铁水包里加入冷铁，然后加入步骤①的孕育剂；其中铸造生铁、冷铁和孕育剂的质量比为15～25：3～10：0.5～1；
③二次孕育：将炉前铁水包里的铁水放入铁水包，并且当铁水包里的铁水达到65～75％时，再次加入步骤①的孕育剂；
其中再次加入步骤①的孕育剂的质量与步骤②中的铸造生铁的质量的比值为0.6～1.1：15～25；
④将铁水进行浇铸。
3.根据权利要求2所述一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料的生产工艺，其特征在于：冲天炉用富氧送风，在冲天炉开炉中期，出炉温度1550以上。
4.根据权利要求2所述一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料的生产工艺，其特征在于：铸造生铁、冷铁和孕育剂的质量比为20：6：0.8。
5.根据权利要求2所述一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料的生产工艺，其特征在于：孕育剂由金属铝、碳化硅、氮化硅和氧化镁按照质量比4：6：18：5组成。
6.根据权利要求2所述一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料的生产工艺，其特征在于：其中再次加入步骤①的孕育剂的质量与步骤②中的铸造生铁的质量的比值为0.9：20。
7.根据权利要求2所述一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料的生产工艺，其特征在于：步骤③将铁水进行浇铸后，铸件的白口组织细密，金相观察没有大的板块状渗碳体后，对铸件进行退火处理。
8.根据权利要求7所述一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料的生产工艺，其特征在于：退火处理步骤具体为：升温10～12小时达到930℃、在此温度保温8～10小时、经过12～15小时降温到800℃，然后再经过8～10小时降温到600℃出退火炉出炉空冷，最高温不能超过950℃。
9.根据权利要求8所述一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料的生产工艺，其特征在于：退火处理步骤具体为：升温12小时达到930℃、在此温度保温8小时、经过15小时降温到800℃，然后再经过8小时降温到600℃出退火炉出炉空冷，最高温不能超过950℃。
10.根据权利要求8所述一种玛钢黑心可锻铸铁金属材料的生产工艺，其特征在于：降温速度不能超过为15℃/小时。
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