CN114250405A - 灰铸铁孕育剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种灰铸铁孕育剂的制备方法，包括：配比好的原料熔炼，发泡冷却后得到发泡料；将发泡料破碎为1～2mm的颗粒，然后至于密闭容器中；抽出密闭容器中空气，然后充入惰性气体并加压至0.2MPa以上；向密闭容器注入熔融成膜剂，使得发泡料颗粒表面包覆成膜剂，成膜剂固化后得到固化料；将固化料破碎得到2～6mm颗粒大小的灰铸铁孕育剂。本发明的制备方法中，发泡料颗粒具有更薄的壁型和中空的内部结构，当投入到熔融铁水中作为孕育剂使用时，能够更快速的融入至铁水中，而取得更长的孕育时间，中空结构内部的气体的释放可以驱动孕育剂快速在铁水中分散，混合均匀度提高，铸件的质量提升。

Description

灰铸铁孕育剂的制备方法
技术领域
本发明属于灰铸铁技术领域，更具体地说，本发明涉及一种灰铸铁孕育剂的制备方法。
背景技术
已有孕育剂制备工艺中，通常是直接将原料熔炼后浇注成型，然后粉碎得到孕育剂颗粒，孕育剂颗粒添加到铸铁中能够显著提高灰铸铁的强度性能和铸造性能，但在应用过程中，存在孕育剂在铁液中分散性不佳，与铁液混合均匀度较低的问题，影响铸件质量。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明的另一个目的是提供一种灰铸铁孕育剂的制备方法，其将原料熔融后发泡冷却塑性得到发泡料，具有更薄的壁型和中空的内部结构，投入到铁水中使用时快速溶解分散而提高均匀度，且发泡料使用成膜剂包裹而将惰性气体包覆其中，当惰性气体释放时可以驱动孕育剂在铁水中快速运动而提高分散性。
为了实现本发明的这些目的和其它优点，本发明提供一种灰铸铁孕育剂的制备方法，包括：
配比好的原料熔炼，发泡冷却后得到发泡料；
将发泡料破碎为1～2mm的颗粒，然后至于密闭容器中；
抽出密闭容器中空气，然后充入惰性气体并加压至0.2MPa以上；
向密闭容器注入熔融成膜剂，使得发泡料颗粒表面包覆成膜剂，成膜剂固化后得到固化料；
将固化料破碎得到2～6mm颗粒大小的灰铸铁孕育剂。
上述技术方案中，发泡料颗粒具有更薄的壁型和中空的内部结构，当投入到熔融铁水中作为孕育剂使用时，能够更快速的融入至铁水中，而取得更长的孕育时间，中空结构内部的气体的释放可以驱动孕育剂快速在铁水中分散，混合均匀度提高，铸件的质量提升。
优选的是，所述的灰铸铁孕育剂的制备方法中，所述孕育剂的化学成分质量百分比为：
Si 25-35％，Mn 10-20％，Cr 15-25％，C＜0.10％，Ca 0.5-1.5％，Ba 0.8-1.5％，N 0.8-1.2％，P＜0.05％，S＜0.02％，其余为Fe；
原料包括：铬金属或铬合金、硅钙、磷化物、锰金属或锰化物、钒铁合金或钒化物、硅钡合金。
上述原料组成能够使得灰铸铁的石墨会变短、尾部变圆顿，减小集中应力；能够增加共晶过冷度，细化共晶团；能够促使石墨形核，强化珠光体基体，改善材质性能，显著提高灰铸铁的强度性能和铸造性能。具体的，通过往灰铸铁中添加氮元素可以减少贵金属元素的添加量，同时提高材料的机械性能和铸造性能；利用锰铬钒氮化物作为孕育剂的添氮剂，既能避免氮气孔的出现，又能增强氮的吸收效果；氮元素较为廉价且容易获得，加入氮元素可以减少甚至是替代合金元素，不仅避免了加入合金元素铸造性能差的缺点，还降低生产成本，带来可观的经济效益；通过该孕育剂孕育处理后的铸件，经过拉伸检测，抗拉强度可提高45MPa～85MPa。
优选的是，所述的灰铸铁孕育剂的制备方法中，具体的，发泡料通过以下方法得到：
1500℃～1900℃条件下将混合的原料熔炼5分钟，对熔炼原料进行超声处理，并同时通入惰性气体使得熔炼原料发泡并冷却得到发泡料。
上述技术方案中，在原料熔融状态下，进行超声处理可以产生空化效果而泡沫化，通入的惰性气体蕴含在泡沫中，当发泡料投入到铁水中使用时，孕育剂的壁快速熔融，惰性气体释放驱动孕育剂在铁水中快速分散，相比传统粉粒，提高了分散效率和分散均匀度，因此铸铁的质量提升。
优选的是，所述的灰铸铁孕育剂的制备方法中，超声处理的超声功率为50～80KHz，惰性气体通过喷雾阀喷入熔炼原料中，且喷雾阀的喷射频率在100Hz以上，单次喷射量0.1uL以下。
上述技术方案中，喷雾阀的高频率和低喷射量下，惰性气体被喷成微气粒而在熔融原料中形成微气泡或微孔结构，有效使得孕育剂发泡。
优选的是，所述的灰铸铁孕育剂的制备方法中，惰性气体的喷入点设置有多个。
优选的是，所述的灰铸铁孕育剂的制备方法中，惰性气体为氮或氩气。
优选的是，所述的灰铸铁孕育剂的制备方法中，通过以下发泡设备进行发泡，所述发泡设备包括：
罐体，内部具有空腔；根据工艺需要，可以被抽成真空或填充惰性气体；
超声槽，其位于罐体内，超声槽末端设置有超声部和惰性气体喷射部，熔炼原料从超声槽头端注入，流经末端时经超声部超声和惰性气体喷射后，然后从末端向下掉落；
托盘，其位于罐体内并位于超声槽下方用于接收掉落的原料。
上述技术方案中，为保证熔炼原料的发泡效果而设计了该发泡设备，该发泡设备中，罐体内空腔提供发泡空间，发泡空间可以抽成真空或是填充惰性气体，熔炼原料导入超声槽后，沿超声槽流动，在流经超声槽上的超声部时，被超声作用而发泡，同时惰性气体的喷入促进发泡，使得更多的惰性气体包含在发泡原料中，且能够使得熔炼原料快速冷却凝固定型，从而制得内部包含惰性气体的发泡料，发泡料被托盘在底部接收。
优选的是，所述的灰铸铁孕育剂的制备方法中，所述超声槽的末端设置有向下倾斜的坡面，超声部和惰性气体喷射部依次设置在坡面上，使得熔炼原料沿坡面向下流动时被超声和惰性气体喷射。
上述技术方案中，在向下倾斜坡面上进行超声和喷射可以使得熔炼原料快速冷却并向下掉落，减少原料在超声槽上凝固而影响作业。
优选的是，所述的灰铸铁孕育剂的制备方法中，选择液氮作为惰性气体而使得熔炼原料被喷射时快速冷却凝固。
优选的是，所述的灰铸铁孕育剂的制备方法中，所述成膜剂为石蜡、硅胶和树脂中任意一种或多种；
或为熔融铜金属或熔融锰金属。
上述技术方案中，孕育剂在发泡后会影响在铁水中的上浮速度，当铁水较多较深时，需要孕育剂具有较快的上浮速度，在上浮过程中，孕育剂不断熔融而提高分散均匀度，此时可以选用石蜡、硅胶和树脂等作为成膜剂，这些成膜剂可以包覆在孕育剂表面，在铁水中可以快速分解，结合孕育剂内部释放的惰性气体，可以驱动孕育剂在铁水中快速分散，均匀度提高。当铁水较少或不太深时，需要孕育剂较慢上浮，此时可以选用铜、锰等金属作为孕育剂的外部包膜，铜、锰的密度都比铁水的高，因此可以调节孕育剂在铁水中上浮速度，且熔点都比铁水低，因此可以在铁水中快速熔融而将孕育剂释放。本案的孕育剂特别适合配合铁水包使用，具有传统孕育剂颗粒不具有的分散效果。
本案的孕育剂使用方法为：将孕育剂投入到铁水包中，然后使用可以打开的盖板盖住，或使用覆盖材料如废铁、废钢、铁屑、其他孕育剂、或砂子等覆盖剂盖住，防止孕育剂被铁水直接冲击上浮，铁水注入完成后，将盖板打开使得孕育剂上浮扩散，或铁水将覆盖材料熔融后，孕育剂上浮扩散，进行孕育即可。为提高均匀度，孕育剂均匀撒在铁水包底部，然后盖板或覆盖材料盖住，也可以在铁水包底部设置若干浅槽，用于投放孕育剂，方便盖板或覆盖材料覆盖。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明的孕育剂先对原料进行发泡处理，发泡料颗粒具有更薄的壁型和中空的内部结构，当投入到熔融铁水中作为孕育剂使用时，能够更快速的融入至铁水中，而取得更长的孕育时间，中空结构内部的气体的释放可以驱动孕育剂快速在铁水中分散，混合均匀度提高，铸件的质量提升。
本发明的制备方法在原料熔融状态下进行超声处理，可以产生空化效果而泡沫化，通入的惰性气体蕴含在泡沫中，当发泡料投入到铁水中使用时，孕育剂的壁快速熔融，惰性气体释放驱动孕育剂在铁水中快速分散，相比传统粉粒，提高了分散效率和分散均匀度，因此铸铁的质量提升。
本发明为保证熔炼原料的发泡效果而设计了该发泡设备，该发泡设备中，罐体内空腔提供发泡空间，发泡空间可以抽成真空或是填充惰性气体，熔炼原料导入超声槽后，沿超声槽流动，在流经超声槽上的超声部时，被超声作用而发泡，同时惰性气体的喷入促进发泡，使得更多的惰性气体包含在发泡原料中，且能够使得熔炼原料快速冷却凝固定型，从而制得内部包含惰性气体的发泡料，发泡料被托盘在底部接收。
本发明通过对发泡料进行成膜包覆处理，不但能够将惰性气体包裹其中，且根据需要选择合适成膜剂，调节孕育剂在铁水中的上浮速度，避免孕育剂无法上浮发散。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述发泡设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
实施例1
一种灰铸铁孕育剂的制备方法，包括：
使用铬金属、铬合金、硅钙、磷化物、锰金属、锰化物、钒铁合金、钒化物、硅钡合金作为原料，原料中化学成分质量百分比为：Si 25％，Mn 20％，Cr 25％，C＜0.10％，Ca1.5％，Ba 1.5％，N 1.2％，P＜0.05％，S＜0.02％，其余为Fe；
配比好的原料在1500℃以上熔炼，充入氮气作为惰性气体发泡，发泡冷却后得到发泡料；
将发泡料破碎为1～2mm的颗粒，然后至于密闭容器中；
抽出密闭容器中空气，然后充入氮气作为惰性气体并加压至0.5MPa；
向密闭容器注入熔融成膜剂，使得发泡料颗粒表面包覆成膜剂，成膜剂固化后得到固化料；成膜剂可以选用石蜡、硅胶、树脂或各种金属，本实施例选用石蜡作为成膜剂。
将固化料破碎得到2mm颗粒大小的灰铸铁孕育剂。
本实施例的发泡料颗粒具有更薄的壁型和中空的内部结构，当投入到熔融铁水中作为孕育剂使用时，能够更快速的融入至铁水中，而取得更长的孕育时间，中空结构内部的气体的释放可以驱动孕育剂快速在铁水中分散，混合均匀度提高，铸件的质量提升。
实施例2
一种灰铸铁孕育剂的制备方法，包括：
使用铬金属、铬合金、硅钙、磷化物、锰金属、锰化物、钒铁合金、钒化物、硅钡合金作为原料，原料中化学成分质量百分比为：Si 35％，Mn 10％，Cr 15％，C＜0.10％，Ca1.5％，Ba 1.5％，N 0.8％，P＜0.05％，S＜0.02％，其余为Fe；
配比好的原料在1500℃以上熔炼，充入氮气作为惰性气体发泡，发泡冷却后得到发泡料；
将发泡料破碎为1～2mm的颗粒，然后至于密闭容器中；
抽出密闭容器中空气，然后充入氮气作为惰性气体并加压至0.2MPa；
向密闭容器注入熔融成膜剂，使得发泡料颗粒表面包覆成膜剂，成膜剂固化后得到固化料；成膜剂可以选用石蜡、硅胶、树脂或各种金属，本实施例选用石蜡作为成膜剂。
将固化料破碎得到2mm颗粒大小的灰铸铁孕育剂。
本实施例的发泡料颗粒具有更薄的壁型和中空的内部结构，当投入到熔融铁水中作为孕育剂使用时，能够更快速的融入至铁水中，而取得更长的孕育时间，中空结构内部的气体的释放可以驱动孕育剂快速在铁水中分散，混合均匀度提高，铸件的质量提升。
实施例3
和实施例1的区别在于：发泡过程使用超声处理进行发泡而常规的充入气体进行发泡，其他步骤一致。区别具体为：
1500℃以上条件下将混合的原料熔炼5分钟，在保护措施下，使用超声设备直接对熔炼原料进行超声处理，并同时通入氮气作为惰性气体使得熔炼原料发泡，直至冷却固化得到发泡料。超声处理的超声功率为50～80KHz，惰性气体通过喷雾阀喷入熔炼原料中，且喷雾阀的喷射频率在100Hz以上，单次喷射量0.1uL以下。
本实施例在原料熔融状态下，进行超声处理可以产生空化效果而泡沫化，通入的惰性气体蕴含在泡沫中，当发泡料投入到铁水中使用时，孕育剂的壁快速熔融，惰性气体释放驱动孕育剂在铁水中快速分散，相比传统粉粒，提高了分散效率和分散均匀度，因此铸铁的质量提升。喷雾阀的高频率和低喷射量下，惰性气体被喷成微气粒而在熔融原料中形成微气泡或微孔结构，有效使得孕育剂发泡。惰性气体的喷入点可以设置有多个。
实施例4
和实施例2的区别在于，通过以下发泡设备进行发泡，其他步骤与实施例2一致。
如图1所示，所述发泡设备包括：
罐体1，内部具有空腔；罐体设置有气体入口102和气体出口101，根据工艺需要，可以被抽成真空或填充惰性气体，即在超声槽注入熔炼原料之前，将罐体抽成真空，或抽成真空后，注入氮气作为惰性气体填充罐体内部，并可以设置填充压力，如0.2～0.5MPa，罐体1上设置泄压阀103保证压力稳定。
超声槽2，其位于罐体内，超声槽2末端设置有超声部4和惰性气体喷射部5，熔炼原料从超声槽头端201注入，流经末端时经超声和惰性气体喷射后，然后从末端向下掉落；超声部可以超声设备成品，也可以选用超声换能器；惰性气体喷射部可以选用喷嘴、喷射阀、喷雾阀、喷孔等。具体的，所述超声槽2的末端设置有向下倾斜的坡面202，超声部4和惰性气体喷射部5依次设置在坡面202上，使得熔炼原料沿坡面向下流动时被超声和惰性气体喷射，然后向下掉落。
托盘3，其位于罐体1内并位于超声槽2下方用于接收掉落的原料，托盘被支架301支撑。
使用时，罐体1先抽成真空，然后注入氮气至0.5MPa压力，通过泄压阀或循环泵保持罐体内部压力，向超声槽2注入熔炼原料，开启超声部4进行超声处理，液氮作为惰性气体喷射，熔炼原料被超声发泡喷射冷却定型而向下落下托盘3。
本实施例为保证熔炼原料的发泡效果而设计了该发泡设备，该发泡设备中，罐体内空腔提供发泡空间，发泡空间可以抽成真空或是填充惰性气体，熔炼原料导入超声槽后，沿超声槽流动，在流经超声槽上的超声部时，被超声作用而发泡，同时惰性气体的喷入促进发泡，使得更多的惰性气体包含在发泡原料中，且能够使得熔炼原料快速冷却凝固定型，从而制得内部包含惰性气体的发泡料，发泡料被托盘在底部接收。在向下倾斜坡面上进行超声和喷射可以使得熔炼原料快速冷却并向下掉落，减少原料在超声槽上凝固而影响作业。
实施例5
以实施例3为基础，成膜剂选用熔融铜，而非选用实施例1中的石蜡，其他步骤与实施例3一致。区别具体为：
将发泡料破碎为1～2mm的颗粒，然后至于密闭容器中；
抽出密闭容器中空气，然后充入氮气作为惰性气体并加压至0.5MPa；
向密闭容器注入熔融的铜金属，搅拌使得发泡料颗粒表面包覆铜液，铜冷却固化后得到固化料；然后将固化料粉碎成孕育剂即可。
实施例6
取实施例4制得的孕育剂，撒在铁水包底部，然后使用废钢作为覆盖材料对孕育剂进行覆盖，注入铁水进入孕育，铁水将废铁熔融，使得孕育剂开始上浮融化而分散至铁水中完成孕育。
实施例7
取实施例1制得的孕育剂，投入到铁水包中，铁水包底部和侧部设置由浅槽，孕育剂放置在浅槽内，浅槽由盖板封闭，注入铁水后，打开盖板，使得孕育剂释放，上浮融化而分散至铁水中完成孕育。
实施例8
取实施例4制得的孕育剂，撒在铁水包底部，然后使用铁屑作为覆盖材料对孕育剂进行覆盖，注入铁水进入孕育，铁水将废铁熔融，使得孕育剂开始上浮融化而分散至铁水中完成孕育。
实施例9
取实施例1～5的孕育剂投入球铁包的铁水中进行孕育，球铁包高2.4米，铁水深度为1.9米，采用底部投料的方法进行孕育剂投料，其中，孕育剂投入包铁水中的一侧，该侧不能被注入的铁水冲到，采用废铁盖住孕育剂，快速注满铁水，孕育剂在高温铁水的条件下分解，发泡型的孕育剂内部蕴含气体，可以得到快速溶解并被铁水吸收，然后浇注形成铸件。
在本案中，不同的成膜剂针对不同的上浮速度需求而进行选择，因为孕育剂在发泡后会影响在铁水中的上浮速度，当铁水较多较深时，需要孕育剂具有较快的上浮速度，在上浮过程中，孕育剂不断熔融而提高分散均匀度，此时可以选用石蜡、硅胶和树脂等作为成膜剂，这些成膜剂可以包覆在孕育剂表面，在铁水中可以快速分解，结合孕育剂内部释放的惰性气体，可以驱动孕育剂在铁水中快速分散，均匀度提高。当铁水较少或不太深时，需要孕育剂较慢上浮，此时可以选用铜、锰等金属作为孕育剂的外部包膜，铜、锰的密度都比铁水的高，因此可以调节孕育剂在铁水中上浮速度，且熔点都比铁水低，因此可以在铁水中快速熔融而将孕育剂释放。
本案的孕育剂特别适合配合铁水包使用，具有传统孕育剂颗粒不具有的分散效果。
对比例
和实施例1的区别在于，原料熔炼后直接浇注成型，然后粉碎得到孕育剂，其他步骤一致。
试验分析
按照常规方法，将实施例1～5的孕育剂和对比例的孕育剂，投入球铁包的铁水中进行孕育，球铁包高2.4米，铁水深度为1.9米，采用底部投料的方法进行孕育剂投料，其中，孕育剂投入包铁水中的一侧，该侧不能被注入的铁水冲到，采用废铁盖住孕育剂，快速注满铁水，孕育剂在高温铁水的条件下分解，内部蕴含气体的孕育剂，可以得到快速溶解并被铁水吸收，然后浇注形成铸件，在铸件上截取拉伸试样并编号，依据GB/T 228.1—2010制成d0＝10mm，L＝5d0的标准拉伸试样。在WDW 3100拉伸试验机上测定10根拉伸试样的抗拉强度，拉伸速度为2mm/min，取其平均抗拉强度作为检测结果。检测结果如下表所示：
表1各铸件抗拉强度对比
样例 抗拉强度/MPa
实施例1 361
实施例2 378
实施例3 375
实施例4 386
实施例5 395
对比例 295
从上表可以看到，相比对比例中传统方法制得孕育剂，本案方法制备的孕育剂可以明显提高铸件的抗拉强度，且使用不同的发泡方法和设备，铸件的抗拉强度性能也会不同。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。

Claims (10)

1.灰铸铁孕育剂的制备方法，其特征在于，包括：
配比好的原料熔炼，发泡冷却后得到发泡料；
将发泡料破碎为1～2mm的颗粒，然后至于密闭容器中；
抽出密闭容器中空气，然后注入惰性气体并加压至0.2MPa以上；
向密闭容器注入熔融成膜剂，使得发泡料颗粒表面包覆成膜剂，成膜剂固化后得到固化料；
将固化料破碎得到2～6mm颗粒大小的灰铸铁孕育剂。
2.如权利要求1所述的灰铸铁孕育剂的制备方法，其特征在于，所述孕育剂的化学成分质量百分比为：
Si 25-35％，Mn 10-20％，Cr 15-25％，C＜0.10％，Ca 0.5-1.5％，Ba 0.8-1.5％，N0.8-1.2％，P＜0.05％，S＜0.02％，其余为Fe；
原料包括：铬金属或铬合金、硅钙、磷化物、锰金属或锰化物、钒铁合金或钒化物、硅钡合金。
3.如权利要求1所述的灰铸铁孕育剂的制备方法，其特征在于，具体的，发泡料通过以下方法得到：
1500℃～1900℃条件下将混合的原料熔炼5分钟，对熔炼原料进行超声处理，并同时通入惰性气体使得熔炼原料发泡并冷却得到发泡料。
4.如权利要求3所述的灰铸铁孕育剂的制备方法，其特征在于，超声处理的超声功率为50～80KHz，惰性气体通过喷雾阀喷入熔炼原料中，且喷雾阀的喷射频率在100Hz以上，单次喷射量0.1uL以下。
5.如权利要求4所述的灰铸铁孕育剂的制备方法，其特征在于，惰性气体的喷入点设置有多个。
6.如权利要求5所述的灰铸铁孕育剂的制备方法，其特征在于，惰性气体为氮或氩气。
7.如权利要求5所述的灰铸铁孕育剂的制备方法，其特征在于，通过以下发泡设备进行发泡：
罐体，内部具有空腔；
超声槽，其位于罐体内，超声槽末端设置有超声部和惰性气体喷射部，熔炼原料从超声槽头端注入，流经末端时经超声部超声和惰性气体喷射后，然后从末端向下掉落；
托盘，其位于罐体内并位于超声槽下方用于接收掉落的原料。
8.如权利要求7所述的灰铸铁孕育剂的制备方法，其特征在于，所述超声槽的末端设置有向下倾斜的坡面，超声部和惰性气体喷射部依次设置在坡面上，使得熔炼原料沿坡面向下流动时被超声和惰性气体喷射。
9.如权利要求8所述的灰铸铁孕育剂的制备方法，其特征在于，选择液氮作为惰性气体而使得熔炼原料被喷射时快速冷却凝固。
10.如权利要求1所述的灰铸铁孕育剂的制备方法，其特征在于，所述成膜剂为石蜡、硅胶或树脂中任意一种或多种；
或为熔融铜金属或熔融锰金属。
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