CN112853197A - 一种高性能球墨铸铁及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高性能球墨铸铁，成分为：2.8～3.5wt％的碳；2.0～3.0wt％的硅；2.0～3.0wt％的锰；0～0.2wt％的铬；≤0.05wt％的镍、硫和磷；余量为铁。本发明提供的球墨铸铁中，锰的最大添加量为3wt％，铬的最大添加量为0.2wt％，也可以不添加铬，与现有的高铬铸铁相比，其含铬量更低；并且，本发明提供的球墨铸铁的硬度与高铬铸铁基本相同，从而达到了在保证球墨铸铁硬度的前提下降低成本。本发明还提供了一种球墨铸铁的制备方法。

Description

一种高性能球墨铸铁及其制备方法
技术领域
本发明属于球墨铸铁技术领域，尤其涉及一种高性能球墨铸铁及其制备方法。
背景技术
我国矿产资源丰富，选矿行业的规模也越来越大，在选矿破碎粉磨工序中会大量使用各种铬系耐磨球。在矿山行业湿法磨中，其选矿的最佳粒度是48～76μm，这些铬系耐磨球的磨屑不会进入精矿粉，而是随废水排出，渗入矿区土壤中。日积月累，土壤中的铬含量就会增加，造成土壤的铬污染。土壤污染不但会影响农作物的产量和品质，还会通过食物链危害人类的健康和生命，对土壤中重金属污染的有效控制已经成为我国环境保护工作十分重要和紧迫的任务。因此，在矿山湿法磨中少用或者不用铬系耐磨球已经成为选矿行业在耐磨材料选择方面的一个重要原则。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高性能球墨铸铁及其制备方法，本发明提供的球墨铸铁在不含铬或少量铬的情况下，达到了高铬磨球的硬度。
本发明提供了一种高性能球墨铸铁，成分为：
2.8～3.5wt％的碳；
2.0～3.0wt％的硅；
2.0～3.0wt％的锰；
0～0.2wt％的铬；
≤0.05wt％的镍、硫和磷；
余量为铁。
优选的，所述球墨铸铁的微观组织包括：石墨、贝氏体、渗碳体和残余奥氏体。
优选的，所述石墨的石墨化等级为三级。
本发明提供了一种上述技术方案所述的高性能球墨铸铁的制备方法，包括：
将合金原料进行熔炼，得到铁水；
将所述铁水进行球化孕育处理，得到金属液；
将所述金属液进行浇铸，得到铸铁；
将所述铸铁升温后进行淬火处理，得到高性能球磨铸铁。
优选的，所述熔炼的温度为1480～1520℃。
优选的，所述球化孕育处理过程中的球化剂为稀土硅铁合金，孕育剂为铁硅合金。
优选的，所述浇铸的温度为1380～1420℃。
优选的，所述升温的温度为900～950℃。
优选的，所述淬火处理的温度为250～350℃。
优选的，所述淬火处理的冷却方式为空冷至室温。
本发明提供的高性能球墨铸铁与现有的高铬铸铁相比，其含铬量更低。并且，通过硬度测试可以得出，本发明成分的球墨铸铁的硬度与高铬铸铁基本相同，从而达到了在保证球墨铸铁硬度的前提下实现低成本。
附图说明
图1为本发明实施例2制备的高性能球墨铸铁的金相图；
图2为本发明实施例2制备的高性能球墨铸铁的X射线衍射谱；
图3为本发明实施例2制备的高性能球墨铸铁的衍射带衬度图；
图4为本发明实施例2制备的高性能球墨铸铁的相分布图；
图5为本发明实施例提供的高性能球墨铸铁的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员经改进或润饰的所有其它实例，都属于本发明保护的范围。应理解，本发明实施例仅用于说明本发明的技术效果，而非用于限制本发明的保护范围。实施例中，所用方法如无特别说明，均为常规方法。
本发明提供了一种高性能球墨铸铁，成分为：
2.8～3.5wt％的碳；
2.0～3.0wt％的硅；
2.0～3.0wt％的锰；
0～0.2wt％的铬；
≤0.05wt％的镍、硫和磷；
余量为铁。
在本发明中，所述碳的质量含量优选为3～3.4％，更优选为3.1～3.3％，最优选为3.2％；硅的质量含量优选为2.2～2.8％，更优选为2.4～2.6％，最优选为2.5％；锰的质量含量优选为2.2～2.8％，更优选为2.4～2.6％，最优选为2.5％；铬的质量含量优选为0.1～0.2％，更优选为0.15％；镍、硫和磷总的质量含量优选为0.01～0.05％，更优选为0.02～0.04％，最优选为0.03％；镍的质量含量优选为0.03～0.04％，更优选为0.034～0.035％；硫的质量含量优选为0.04～0.05％，更优选为0.041％；磷的质量含量优选为0.03～0.05％，更优选为0.037～0.04％。
在本发明中，所述球墨铸铁的微观组织包括：石墨、贝氏体、渗碳体和残余奥氏体。
在本发明中，所述石墨优选为团絮状，石墨化等级优选为3级；所述渗碳体优选包括块状渗碳体和纳米尺寸渗碳体；所述微观组织为非均相组织。
本发明实施例提供的高性能球墨铸铁的制备方法的流程图如图5所示，本发明提供了一种上述技术方案所述的高性能球墨铸铁的制备方法，包括：
将合金原料进行熔炼，得到铁水；
将所述铁水进行球化孕育处理，得到金属液；
将所述金属液进行浇铸，得到铸铁；
将所述铸铁升温后进行淬火处理，得到高性能球磨铸铁。
本发明对所述合金原料的种类和来源没有特殊的限制，本领域技术人员可根据上述高性能球墨铸铁的成分选择合适成分的金属或单质获得上述成分的高性能球墨铸铁。在本发明中，所述合金原料优选包括铁源、硅源、锰源、镍源和碳源。在本发明中，所述铁源优选包括生铁、废钢和回炉料中的一种或几种，所述生铁优选为铸造生铁，更优选为18号铸造生铁；所述硅源优选为硅铁合金；所述锰源优选为锰铁合金；所述镍源优选为金属镍；所述碳源优选为增碳剂。
在本发明中，所述熔炼的温度优选为1480～1520℃，更优选为1490～1510℃，最优选为1500℃。在本发明中，所述熔炼优选采用中频感应炉进行熔炼。在本发明中，所述熔炼的方法优选包括：
将废钢进行熔化，所述废钢熔化成铁水后升温至1480～1520℃，然后向所述铁水中依次加入增碳剂、铸造生铁、锰铁合金、硅铁合金、回炉料和金属镍，熔化后得到混合铁水。
在本发明中，所述球化孕育处理的温度优选为1480～1520℃，更优选为1490～1510℃，最优选为1500℃。在本发明中，所述球化孕育处理采用的球化剂优选为稀土硅铁合金，所述球化剂的用量优选为铁水质量的1.5～1.7％，更优选为1.6％；孕育剂优选为铁硅合金，更优选为FeSi75，所述孕育剂的用量优选为铁水质量的1.5～1.7％，更优选为1.6％。在本发明中，所述球化孕育处理优选为将熔炼后得到的铁水转移至球化包进行球化孕育处理，所述球化孕育处理过程中球化剂和孕育剂优选采用冲入法处理。
在本发明中，所述浇铸采用模具优选为金属覆砂模具，更优选为复砂金属覆砂模具，所述浇铸的温度优选为1380～1420℃，更优选为1390～1410℃，最优选为1400℃；所述浇铸的时间优选＜15分钟，更优选为1～15分钟，更优选为3～10分钟，最优选为6～8分钟。
在本发明中，优选将浇铸后得到的铸铁磨球冷却至室温放入马弗炉中升温，所述升温的温度优选为900～950℃，更优选为910～940℃，最优选为920～930℃；所述升温完成后优选进行保温，所述保温的时间优选为1～4小时，更优选为2～3小时，实现完全奥氏体化。
在本发明中，所述淬火处理的介质优选为盐浴；所述淬火处理的温度优选为250～350℃，更优选为280～320℃，最优选为300℃；所述淬火处理的保温时间优选为0.5～2小时，更优选为1～1.5小时；所述淬火处理的冷却方式优选为空冷至室温，所述室温优选为20～30℃，更优选为25℃。
本发明提供的球墨铸铁中，锰的最大添加量为3wt％，铬的最大添加量为0.2wt％，也可以不添加铬，与现有的高铬铸铁相比，其含铬量更低；并且，本发明提供的球墨铸铁的硬度与高铬铸铁基本相同，从而达到了在保证球墨铸铁硬度的前提下降低成本。
本发明以下实施例所用原料均为市售商品。
实施例1
将废钢投入炉中进行熔化，当废钢熔化为铁水后，升温至1500℃，然后依次加入增碳剂、铸造生铁、锰铁合金、硅铁合金、回炉料和金属镍，所有原料熔化后获得混合铁水；
确保炉内混合铁水温度达到1500℃，将混合铁水转移至球化包进行球化处理，球化剂采用稀土硅铁合金，球化剂的用量为混合铁水质量的1.6％，孕育剂采用FeSi75，孕育剂的用量为混合铁水质量的1.6％，采用冲入法处理；
采用金属覆砂模铸造，浇铸温度1400℃，浇铸在15分钟内完成，得到铸铁磨球；
将冷却到室温的铸铁磨球放入马弗炉中，随炉升温到920℃，保温2小时，实现完全奥氏体化，然后在盐浴中进行淬火处理，淬火温度控制在280℃，保温时间1小时，然后空冷至室温，得到高性能球墨铸铁。
采用火花源原子发射光谱仪按照GB/T4336-2002《碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法(常规法)》对本发明实施例1制备的高性能球墨铸铁进行化学成分检测，检测结果为：碳2.91wt％，硅2.32wt％，锰1.84wt％，铬0.09wt％，镍0.034wt％，硫0.05wt％，磷0.05wt％，余量为铁。
采用洛氏硬度计按照GB/T230.1-2018《金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法》对本发明实施例1制备的高性能球墨铸铁磨球进行硬度测试，测试结果为：洛氏硬度可以达到60HRC。
采用扫描电镜并结合电子背散射衍射技术，对本发明实施例1制备的高性能球墨铸铁进行微观结构分析，结果表明：球墨铸铁中含有由团絮状石墨、贝氏体、块状渗碳体、纳米尺寸渗碳体和残余奥氏体组成的非均相组织，残余奥氏体的含量约为10wt％。
实施例2
将废钢投入炉中进行熔化，当废钢熔化为铁水后，升温至1500℃，然后依次加入增碳剂、铸造生铁、锰铁、硅铁、回炉料和金属镍，所有原料熔化后获得混合铁水；
确保炉内混合铁水温度达到1500℃，将铁水转移至球化包进行球化处理，球化剂采用稀土硅铁合金，球化剂的用量为混合铁水质量的1.6％，孕育剂采用FeSi75，孕育剂的用量为混合铁水质量的1.6％，采用冲入法处理；
采用金属覆砂模铸造，浇铸温度1400℃，浇铸在15分钟内完成，得到铸铁磨球；
将冷却到室温的铸铁磨球放入马弗炉中，随炉升温到925℃，保温2小时，实现完全奥氏体化，然后在盐浴中进行淬火处理，淬火温度控制在300℃，保温时间1小时，然后空冷至室温，得到高性能球墨铸铁。
按照实施例1的方法对本发明实施例2制备的高性能球墨铸铁的化学成分进行检测，检测结果为：碳3.01wt％，硅2.52wt％，锰2.70wt％，铬0.183wt％，镍0.035wt％，硫0.041wt％，磷0.037wt％，余量为铁。
按照实施例1的方法对本发明实施例2制备的高性能球墨铸铁磨球进行硬度测试，检测结果为：洛氏硬度可以达到58HRC。
按照实施例1的方法对本发明实施例2制备的高性能球墨铸铁进行微观结构分析，结果表明：球墨铸铁中含有由团絮状石墨、贝氏体、块状渗碳体、纳米尺寸渗碳体和残余奥氏体组成的非均相组织，残余奥氏体的含量约为25％(如图1～图4所示)。
对本发明实施例2制备的高性能球墨铸铁进行金相检测，检测结果如图1所示，由图1可知，铸铁中含有石墨、块状渗碳体和一些细小的组织。
对本发明实施例2制备的高性能球墨铸铁进行X射线衍射检测，检测结果如图2所示，由图2可知，铸铁主要由铁素体、奥氏体和渗碳体组成。
对本发明实施例2制备的高性能球墨铸铁进行电子背散射衍射检测，检测结果如图3所示，由图3可知，细小组织呈枣核状，长度2～10微米，宽度1～2微米。
对本发明实施例2制备的高性能球墨铸铁进行电子背散射衍射检测，检测结果如图4所示，由图4可知，细小组织主要由贝氏体、残余奥氏体和纳米尺寸的渗碳体组成。
本发明提供的球墨铸铁中，锰的最大添加量为3wt％，铬的最大添加量为0.2wt％，也可以不添加铬，与现有的高铬铸铁相比，其含铬量更低；并且，本发明提供的球墨铸铁的硬度与高铬铸铁基本相同，从而达到了在保证球墨铸铁硬度的前提下降低成本。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高性能球墨铸铁，成分为：
2.8～3.5wt％的碳；
2.0～3.0wt％的硅；
2.0～3.0wt％的锰；
0～0.2wt％的铬；
≤0.05wt％的镍、硫和磷；
余量为铁。
2.根据权利要求1所述的高性能球墨铸铁，其特征在于，所述球墨铸铁的微观组织包括：石墨、贝氏体、渗碳体和残余奥氏体。
3.根据权利要求2所述的高性能球墨铸铁，其特征在于，所述石墨的石墨化等级为三级。
4.一种权利要求1所述的高性能球墨铸铁的制备方法，包括：
将合金原料进行熔炼，得到铁水；
将所述铁水进行球化孕育处理，得到金属液；
将所述金属液进行浇铸，得到铸铁；
将所述铸铁升温后进行淬火处理，得到高性能球磨铸铁。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述熔炼的温度为1480～1520℃。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述球化孕育处理过程中的球化剂为稀土硅铁合金，孕育剂为铁硅合金。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述浇铸的温度为1380～1420℃。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述升温的温度为900～950℃。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述淬火处理的温度为250～350℃。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述淬火处理的冷却方式为空冷至室温。
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