CN113862553B - 一种等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2及其制备方法 - Google Patents

一种等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高性能金属材料的技术领域，具体涉及一种等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000‑2及其制备方法，由按质量百分比计的以下元素组成：C：3.6％～3.9％、Si：2.4％～2.7％、Mn：0.3％～0.5％、P≤0.02％、S≤0.02％、Cu：0.75％～0.85％，Sn:0.05％～0.08％，余量为Fe以及微量元素。本发明的等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000‑2的抗拉强度为1000MPa以上，伸长率为2％以上，蠕化效果良好，蠕化率为85％以上，材质均匀，各项性能优良，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。

Description

一种等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2及其制备方法
技术领域
本发明涉及高性能金属材料的技术领域，具体涉及一种等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2及其制备方法。
背景技术
蠕墨铸铁具有良好的耐磨、导热、减震、抗热疲劳等性能，被广泛应用于大功率发动机、车床机身、汽车尾气管、汽车制动盘等零部件的制备。近年来，随着蠕墨铸铁的应用越来越广泛，对蠕墨铸铁的性能要求也越来越高。目前实施的GB/T26655-2011《蠕墨铸铁件》中，要求蠕墨铸铁的蠕化率≥80％，力学性能要求有了明显的提高。标准中牌号力学性能最高为RuT500，其力学性能指标为抗拉强度Rm≥500MPa，伸长率A≥0.5％，硬度HBW范围为220～260，主要基体为珠光体。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。相对于传统蠕墨铸铁及其制备方法而言，等温淬火合成蠕墨铸铁的优势明显，具体表现在于，生产铸态合成蠕墨铸铁的主要炉料废钢、高纯生铁等材料的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蠕墨铸铁，且性能波动范围不大，铸造性能好，材质均匀，加工性好。因此，用废钢增碳的方法合成蠕铁，变废为宝，可实现资源的循环利用，大量节约资源，降低合成蠕墨铸铁的生产成本。
众所周知，球墨铸铁的等温淬火极大地提升了铸态球铁的力学性能。而蠕墨铸铁是介于球铁和灰铸铁之间的一种材料。若对其实施等温淬火处理也会提升铸态蠕铁的力学性能，从而满足更高生产技术的要求。加之采用铸态合成蠕墨铸铁进行等温淬火，因而，有望获得综合力学性能更高的新材料，扩大蠕墨铸铁的应用范围。
中国专利CN 1067564522 A公开了一种等温淬火蠕墨铸铁及其制备方法，属于蠕墨铸铁领域，所述蠕墨铸铁为RuT900，各元素质量百分比为：C：3.55％～3.65％，Si：2.35％～2.5％，Mn：0.7％～0.9％，Sn：0.055％～0.062％，P：0.01％～0.02％，S：0.01％～0.02％，余量为Fe。尽管该发明的生产方法所制备的RuT900强度较高，但是，该材料不适宜更高强度之要求。类似的，中国专利CN106544477 A公开了一种高强度等温淬火蠕墨铸铁的生产工艺。该方法生产的球墨铸铁抗拉强度达到了RuT800-1，也没有达到RuT1000-2。至于公开的中国发明专利CN 111690868 A，未涉及具体力学性能。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2，该材料的强度、硬度较高，且具有一定的塑性，综合性能优良。
本发明的目的之二在于提供一种等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2及其制备方法，制备工艺简便，易于调节。
本发明实现目的之一所采用的方案是：一种等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2，由按质量百分比计的以下元素组成：C：3.6％～3.9％、Si：2.4％～2.7％、Mn：0.3％～0.5％、P≤0.02％、S≤0.02％、Cu：0.75％～0.85％，Sn:0.05％～0.08％，余量为Fe以及微量元素。
本发明实现目的之二所采用的方案是：一种等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)采用废钢、高纯生铁、增碳剂、硅铁、锰铁、阴极铜、工业纯锡为原材料进行熔炼得到铁水，再在一定温度下采用钟罩插入法对铁水进行预处理，再采用包底冲入法进行孕育和蠕化处理，蠕化处理后，搅拌铁液后静置；撇渣、浇注树脂砂铸型后自然冷却，得到铸态合成蠕墨铸铁试块；
(2)将铸态合成蠕墨铸铁试块加热至奥氏体化温度880～900℃，保温1.5～2h之后取出；
(3)取出试块并将其在一定温度下进行盐浴处理；最后取出试块空冷，得到所述等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2。
优选地，所述步骤(1)中，原材料的质量百分比为：废钢50％～60％、高纯生铁35％～40％、增碳剂2.2％～2.6％、硅铁2.0％～2.4％、锰铁0.15％～0.25％、阴极铜0.75％～0.85％、工业纯锡0.05％～0.08％。
优选地，所述步骤(1)中，增碳剂的加入方式为压底加入法，增碳剂为石油焦型石墨，粒度为3～5mm、碳含量为99.29％以上。
优选地，所述步骤(1)中，废钢与高纯生铁的质量比为6：4，废钢为Q235碳素钢废料，高纯生铁按照质量百分数计主要组成为Mn≤0.01％Mn、S≤0.007％、P≤0.006％P、余量为Fe和微量元素。
优选地，所述步骤(1)中，钟罩插入法对铁水进行预处理的温度为1500-1550℃，预处理剂的用量为原料总量的0.3％～0.4％，预处理剂为高钡孕育剂。
优选地，所述步骤(1)中，包底冲入法的具体操作为，在浇包底部中间筑一个堤坝，一侧底部放入为原料总量0.39％-0.41％的蠕化剂，再盖上一层薄铁皮，在铁皮上铺上为原料总量0.34％-0.36％的孕育剂，孕育、蠕化处理温度为1450～1500℃，孕育剂为高钡孕育剂。
优选地，所述步骤(3)中，盐浴处理的盐浴介质为50％KNO3和50％NaNO3，盐浴处理的温度为280-300℃保温，保温时间为1.5-2h。
由于蠕墨铸铁中碳对其强度、韧性影响较小，本发明将碳含量控制在3.6％～3.9％之间。
硅的含量影响珠光体的含量，本发明为获得较高含量的珠光体，硅的含量保持在2.4％～2.7％。
锰主要影响蠕铁的强度与韧性，同时起到稳定珠光体和渗碳体的作用，含量不宜过高，过高的锰含量会使力学性能严重下降，同时增加铸铁的缩孔缩松倾向，本发明将锰的含量保持在0.3％～0.5％。
磷是铸铁中的有害杂质，磷过高时会出现磷共晶，严重影响铸铁的力学性能，因此本发明控制磷的含量在0.02％以下。
硫元素易于与蠕化剂中镁元素与稀土元素发生反应，形成的硫化物可以作为异质核心促进形核，但过高的硫含量会极大消耗蠕化剂形成大量硫化物，严重影响蠕铁的力学性能，本发明中使硫的含量保持不大于0.02％。
铸铁中添加合金元素可改善组织与力学性能。锡是促进珠光体元素，从而提高蠕铁的力学性能；铜是促进石墨化元素，影响蠕墨铸铁的硬度，与其他元素混合使用时，可以改变石墨形态，从而影响蠕墨铸铁性能。
本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明的等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2的抗拉强度为1000MPa以上，伸长率为2％以上，蠕化效果良好，蠕化率为85％以上，材质均匀，各项性能优良，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。
2、本发明等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2的主要组织为贝氏体与残余奥氏体。
3、本发明的制备方法中，制备等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2原料包括低硫低磷的高纯生铁和废钢，以保证其他炉料加入后，最终仍为低硫低磷的材质。通过对铁液进行预处理，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,从而为提高蠕化率提供良好的条件。
4、本发明的制备方法，采用废钢和高纯生铁增碳，制备出铸态合成蠕墨铸铁，充分利用废钢资源，提高经济效益；通过一定量合金元素铜、锡等的共同合金化作用，提高了材料的力学性能；蠕化处理前进行预处理，促进蠕化，提高了蠕化率。将铸态蠕墨铸铁样品加热到880～900℃、保温1.5～2h进行完全奥氏体化，然后在一定温度下进行盐浴处理；最后将试件取出空冷至室温，能够稳定获得抗拉强度在1000MPa以上、断后伸长率超过2％的等温淬火合成蠕墨铸铁。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的铸态合成球墨铸铁的石墨金相图；
图2为本发明实施例1制备的铸态合成球墨铸铁的基体金相图；
图3为本发明实施例2的产物的石墨金相图；
图4为本发明实施例3的产物的基体金相图。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
(1)采用100kg中频感应炉熔炼制备铸态合成球墨铸铁，作为等温淬火的原始材料。铸态合成蠕墨铸铁由按质量百分比计的以下元素组成：C：3.677％、Si：2.514％、Mn：0.347％、P:0.018％、S：0.006％、Cu：0.795％、Sn：0.05％，余量为Fe以及微量元素。
(2)铸态合成蠕墨铸铁的制备。
1)配料及熔炼：在中频感应炉中加入增碳剂、废钢、高纯生铁，废钢与高纯生铁比例为6：4，升温至1550℃左右，将所加入的原材料熔化。
2)合金化：向步骤(1)所得铁水中加入适量75硅铁、锰铁、阴极铜，纯锡继续熔炼，得到铁水。
其中，质量百分比为：废钢50％～60％、高纯生铁35％～40％、增碳剂2.2％～2.6％、硅铁2.0％～2.4％、锰铁0.15％～0.25％、阴极铜0.75％～0.85％、工业纯锡0.05％～0.08％。
3)预处理：待材料全部熔化，铁液温度达到1500℃时，采用钟罩法对步骤(2)得到的铁水进行预处理，其中预处理剂的用量为处理铁水质量的0.3％～0.4％，预处理剂为高钡孕育剂。
4)孕育、蠕化处理及浇注：采用包底冲入法进行孕育和蠕化处理，即在浇包底部中间筑一个堤坝，以防止铁液冲入包底时与孕育剂和蠕化剂过早反应，在堤坝的一侧底部放入用量为0.4％的蠕化剂，再盖上一层薄铁皮，以防在铁液冲入包底时蠕化剂过早反应。在铁皮上铺上用量为0.35％的孕育剂，孕育、蠕化处理温度为1450～1500℃。蠕化处理后的铁液进行适当搅拌，静置1～2分钟；撇渣浇注树脂砂制Y块铸型后自然冷却，即可得到铸态合成球墨铸铁。孕育剂为高钡孕育剂。
步骤(3)和(4)中的高钡孕育剂为FOSECO公司生产INOCULIN 390高钡孕育剂，其组成按照质量百分比计为64.69％Si、1.39％Ca、9.11％Ba，余量为Fe，粒度为2～6mm，蠕化剂为Elkem公司生产的COMPACTMAG ALLOY蠕化剂，按照质量百分比计组成为5.0％～6.6％Mg、44％～48％Si、1.8％～2.3％Ca、5.5％～6.5％RE，≤1.0％Al，余量为Fe，粒度为4～25mm。
(3)铸态合成球墨铸铁的组织与力学性能，见表1。
表1实施例1制备的铸态合成球墨铸铁的组织与力学性能
Figure BDA0003248158880000041
Figure BDA0003248158880000051
由表1可知：蠕墨铸铁中的石墨蠕化率为85％，石墨形状较细小，平均单个石墨面积为137μm2；基体组织主要为珠光体，含少量铁素体，具体为95％P+5％F。蠕墨铸铁的铸态抗拉强度、伸长率、布氏硬度HBW分别为572MPa、0.7％、256，达到国标对RuT500的性能要求。
图1为本实施例1制备的铸态合成球墨铸铁的石墨金相图，由图中可知：铸态合成蠕墨铸铁中的石墨大部分呈孤立存在，以蠕虫状为主，无片状，石墨形状较细小，有少量团球状石墨。蠕化率为85％，达到蠕墨铸铁石墨金相要求。
图2为本实施例1制备的铸态合成球墨铸铁的基体金相图，由图中可知：铸态合成蠕墨铸铁的基体组织主要由白色区域的铁素体和暗色区域的珠光体两部分组成。其中铁素体主要分布在石墨周围。基体组织中珠光体+铁素体的含量为95％P+5％F。
实施例2：
(1)将实施例1制备的铸态合成蠕墨铸铁试样放入智能控制电炉中加热至奥氏体化温度900℃，保温1.5h之后，使用坩埚钳将试块取出；
(2)取出试块并将其快速置于介质为50％KNO3+50％NaNO3盐浴坩埚内进行盐浴处理；
(3)而后将装有铸态试块的盐浴坩埚放入坩埚电阻炉中进行280℃保温，保温时间为1.5h。最后取出试样进行空冷。
图3为本发明实施例2制备的等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2的石墨金相图，由图中可知：等温淬火处理后的蠕墨铸铁石墨形态仍以蠕虫状为主，同时存在少量团絮状石墨。
实施例3：
(1)将实施例1制备的铸态合成蠕墨铸铁试样放入智能控制电炉中加热至奥氏体化温度880℃，保温2h之后，使用坩埚钳将试块取出；
(2)取出试块并将其快速置于介质为50％KNO3+50％NaNO3盐浴坩埚内进行盐浴处理；
(3)而后将装有铸态试块的盐浴坩埚放入坩埚电阻炉中进行280℃保温，保温时间为1.5h。最后取出试样进行空冷。
图4为本实施例3制备的等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2的基体金相图，由图中可知：等温淬火合成蠕墨铸铁的基体组织主要为上贝氏体与残余奥氏体。
检测结果：
本发明实施例2-3的基体组织和力学性能的检测结果见表2。
表2实施例2-3的基体组织和力学性能
Figure BDA0003248158880000061
由表2可知：等温淬火合成蠕墨铸铁的显微组织主要为下贝氏体残余奥氏体，实施例2和实施例3的蠕化率分别为81％和82％；平均单个石墨面积分别为130和128μm2。等温淬火处理后的蠕墨铸铁石墨形态仍以蠕虫状为主，同时存在少量团絮状石墨。与铸态试样的蠕化率基本相同。等温淬火合成蠕墨铸铁的抗拉强度Rm、断后伸长率、硬度HBW分别为1047MPa、2.8％、411和1052MPa、2.4％、420。结果表明，等温淬火不会影响蠕墨铸铁的蠕化率和形态，但显著改变蠕墨铸铁的基体组织。相对原始铸态合金而言，等温淬火合成蠕墨铸铁显著提高了其力学性能。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，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变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
（1）采用废钢、高纯生铁、增碳剂、硅铁、锰铁、阴极铜、工业纯锡为原材料进行熔炼得到铁水，再在一定温度下采用钟罩插入法对铁水进行预处理，再采用包底冲入法进行孕育和蠕化处理，蠕化处理后，搅拌铁液后静置；撇渣、浇注树脂砂铸型后自然冷却，得到铸态合成蠕墨铸铁试块；
（2）将铸态合成蠕墨铸铁试块加热至奥氏体化温度880～900℃，保温1.5～2h之后取出；
（3）取出试块并将其在一定温度下进行盐浴处理；最后取出试块空冷，得到所述等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2；
采用中频感应炉熔炼制备铸态合成蠕墨铸铁；
所述蠕墨铸铁RuT1000-2由按质量百分比计的以下元素组成： C：3.6%~3.9%、Si：2.4%~2.7%、Mn：0.3%~0.5%、P≤0.02%、S≤0.02%、Cu：0.75%~0.85%，Sn:0.05%~0.08%，余量为Fe以及微量元素。
2.根据权利要求1所述的等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，原材料的质量百分比为：废钢50%～60%、高纯生铁35%～40%、增碳剂2.2%～2.6%、硅铁2.0%～2.4%、锰铁0.15%～0.25%、阴极铜0.75%～0.85%、工业纯锡0.05%～0.08%。
3.根据权利要求1所述的等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2的制备方法，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，增碳剂为石油焦型石墨，粒度为3~5mm、碳含量为99.29%以上。
4.根据权利要求1所述的等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，废钢与高纯生铁的质量比为6：4，废钢为Q235碳素钢废料，高纯生铁按照质量百分数计主要组成为 Mn ≤0.01%Mn 、S ≤0.007% 、P≤ 0.006%P、余量为Fe和微量元素。
5.根据权利要求1所述的等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，钟罩插入法对铁水进行预处理的温度为1500-1550℃，预处理剂的用量为原料总量的0.3%~0.4%，预处理剂为高钡孕育剂。
6.根据权利要求1所述的等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，包底冲入法的具体操作为，在浇包底部中间筑一个堤坝，一侧底部放入为原料总量0.39%-0.41%的蠕化剂，再盖上一层薄铁皮，在铁皮上铺上为原料总量0.34%-0.36%的孕育剂，孕育、蠕化处理温度为1450～1500℃，孕育剂为高钡孕育剂。
7.根据权利要求1所述的等温淬火合成蠕墨铸铁RuT1000-2的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，盐浴处理的盐浴介质为50%KNO3和50%NaNO3，盐浴处理的温度为280-300℃保温，保温时间为1.5-2h。
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