CN114558997A - 一种改善高强度灰铸铁加工性的孕育剂及灰铸铁制备方法 - Google Patents

一种改善高强度灰铸铁加工性的孕育剂及灰铸铁制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了本发明提出了一种改善高强度灰铸铁加工性的孕育剂及灰铸铁制备方法，所述孕育剂包括以下重量百分数的成分：Si 55‑65％、Zr 6‑10％、Ca 2‑6％、Al 1‑3％、Ti 5‑8％、其余为Fe。所述高强度灰铸铁的制备方法，包括：采用上述孕育剂对灰铸铁的出炉铁水进行孕育处理。本发明提出的一种改善高强度灰铸铁加工性的孕育剂及灰铸铁制备方法，该孕育剂减轻了灰铸铁的断面敏感性和白口倾向，并有利于获得细小且均匀分布的A型石墨，所得灰铸铁具有较高的强度以及较好的切削加工性。

Description

一种改善高强度灰铸铁加工性的孕育剂及灰铸铁制备方法
技术领域
本发明涉及金属铸造技术领域，尤其涉及一种改善高强度灰铸铁加工性的孕育剂及灰铸铁制备方法。
背景技术
灰铸铁具有良好的铸造成形性、加工性、耐磨性、耐热性、吸震性等性能，是一种传统的金属结构材料，在铸造生产中占有重要的地位。目前灰铸铁铸件占各类铸件重量的首位(约占50-55％)。随着市场竞争的加剧，灰铸铁虽然是传统“量大面广”的金属结构材料，但也面临着材料的质量、性能和价格上的严重挑战。尤其是近年来，随着中外合作交流的加强，在许多中外合资的生产厂中，国内外两种同牌号铸件同线加工，都出现了国产的灰铸件在加工时刀具磨损要比进口铸件大得多的情况，这严重影响了生产效率。
长期以来，对高强度灰铸铁的凝固过程、孕育变质处理和合金元素对灰铸铁组织与性能的影响已进行了大量、系统的研究。然而，研究所用的高强度灰铸铁(σb≥300MPa)为了保证其具有高强度，碳当量一般均在3.8％左右。然而高碳当量的灰铸铁势必导致切削抗力的增加，从而导致刀具磨损加剧。
国内研究者发现：孕育处理可以最大限度地减少铸件的白口倾向，改善铸件的显微组织和性能，细化晶粒，因此，采用孕育处理提高灰铸铁的切削加工性能是一条切实可行的方法。
发明内容
基于背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种改善高强度灰铸铁加工性的孕育剂及灰铸铁制备方法，该孕育剂减轻了灰铸铁的断面敏感性和白口倾向，并有利于获得细小且均匀分布的A型石墨，所得灰铸铁具有较高的强度以及较好的切削加工性。
本发明提出的一种改善高强度灰铸铁加工性的孕育剂，所述孕育剂包括以下重量百分数的成分：Si 55-65％、Zr 6-10％、Ca 2-6％、Al 1-3％、Ti 5-8％、其余为Fe。
本发明所述孕育剂中，Si作为孕育剂的主要成分，可以降低过冷程度，促进石墨形核，改变石墨的形态和细化程度，促进石墨化，降低白口倾向；Ti可以使灰铁组织中的石墨和基体得到显著细化，并且使铸态组织中的数量较多的磷共晶硬质相形成弥散分布，提高灰铸铁强度的同时，这种独特的金相组织还使得车削加工时刀刃部前沿的剪切挤压带变窄，具有了良好的切削性能；Ca是孕育剂中重要的添加元素，对共晶石墨生核有决定性的作用，能明显促进石墨化，增加石墨球数，减小白口倾向；Zr具有脱氧、脱硫、稳定奥氏体和细化珠光体的作用，能减轻灰铸铁的断面敏感性和白口倾向，有利于获得细小均匀分布的A型石墨。
优选地，所述孕育剂是将含硅、锆、钙、铝、钛的铁合金熔炼，冷却，再破碎成颗粒后制得；
优选地，所述孕育剂的颗粒直径为2-6mm。
本发明还提出一种高强度灰铸铁的制备方法，包括：采用上述孕育剂对灰铸铁的出炉铁水进行孕育处理。
优选地，所述孕育剂的加入量是出炉铁水重量的0.2-0.4％。
优选地，所述孕育处理是采用浇包内孕育法进行。
优选地，所述出炉铁水是将生铁、回炉料、废钢、石墨增碳剂、硅铁、锰铁的原料在熔炼炉中熔炼，出炉后制得；
优选地，所述出炉温度为1510-1550℃。
优选地，将孕育处理后的铁水浇注成型；
优选地，浇注时采用硅钡孕育剂进行随流孕育。
优选地，所述硅钡孕育剂为65SiBaFe孕育剂，粒径为0.1-0.5mm，加入为浇注铁水重量的0.01-0.05％。
优选地，所述浇注温度为1380-1430℃。
优选地，所述灰铸铁包括以下重量百分数的成分：C 3.2-3.4％、Si 1.8-2.2％、Mn0.6-1.0％、P 0.18-0.26％、Ti 0.05-0.08％、S≤0.15％、Fe为余量。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明所述改善高强度灰铸铁加工性的孕育剂中含有元素Si、Zr、Ca、Al和Ti，不仅利用了各元素自身的孕育能力，而且各元素之间还具有协同作用，能够减轻灰铁的的断面敏感性和白口倾向，获得形状细小弯曲且分布最均匀的石墨；最终经过该孕育剂孕育后的灰铸铁，在高速旋转的刀具切削作用下，细小、均匀的石墨组织能提高切屑的变形，减小刀具的摩擦作用力和磨损面积，从而提高刀具的切削加工寿命。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但是应该明确，提出这些实施例用于举例说明，但并不解释为限制本发明的范围。
实施例1
一种改善高强度灰铸铁加工性的孕育剂，其化学成分按重量百分比计包括：Si60.5％、Zr 7.8％、Ca 4.4％、Al 2.2％、Ti 6.7％、其余为Fe。
上述孕育剂的制备方法包括：
将硅铁、硅钙、硅锆、硅铝和钛的原料按照所述化学成分计算出各原料加入的比例和重量，投入中频感应电炉中进行熔炼，熔炼温度为1340℃，时间为20min；熔炼至完全熔化后将合金液倒入金属模具中冷却，合金在模具中凝固成为片状合金；将该片状合金经破碎设备破碎成2-6mm粒度的颗粒，即为所述改善高强度灰铸铁加工性的孕育剂。
一种高强度灰铸铁，其制备方法包括如下步骤：
(1)将适量生铁、回炉料、废钢、石墨增碳剂、硅铁、锰铁、磷铁加入熔炼炉中，升温熔炼成铁水，铁水的化学成分按重量百分比计包括：C 3.2-3.4％、Si 1.8-2.2％、Mn 0.6-1.0％、P 0.18-0.26％、S≤0.15％、Fe为余量，继续升温至1530℃后出炉；
(2)在浇注包包底加入上述孕育剂，将出炉铁水倒入该浇注包内进行孕育处理，孕育剂的加入量为所述出炉铁水重量的0.3％；
(3)再将浇注包内的铁水浇入模型内进行浇注，浇注温度为1410℃，浇注时进行随流孕育，随流孕育剂为65SiBaFe，粒度为0.1-0.5mm，加入量为所述铁水重量的0.03％，冷却至室温后，即得到所述高强度灰铸铁。该灰铸铁的化学组成参照下表1所示。
实施例2
一种改善高强度灰铸铁加工性的孕育剂，其化学成分按重量百分比计包括：Si55.4％、Zr 9.7％、Ca 2.2％、Al 2.9％、Ti 5.3％、其余为Fe。
上述孕育剂的制备方法包括：
将硅铁、硅钙、硅锆、硅铝和钛的原料按照所述化学成分计算出各原料加入的比例和重量，投入中频感应电炉中进行熔炼，熔炼温度为1340℃，时间为20min；熔炼至完全熔化后将合金液倒入金属模具中冷却，合金在模具中凝固成为片状合金；将该片状合金经破碎设备破碎成2-6mm粒度的颗粒，即为所述改善高强度灰铸铁加工性的孕育剂。
一种高强度灰铸铁，其制备方法包括如下步骤：
(1)将适量生铁、回炉料、废钢、石墨增碳剂、硅铁、锰铁、磷铁加入熔炼炉中，升温熔炼成铁水，铁水的化学成分按重量百分比计包括：C 3.2-3.4％、Si 1.8-2.2％、Mn 0.6-1.0％、P 0.18-0.26％、S≤0.15％、Fe为余量，继续升温至1510℃后出炉；
(2)在浇注包包底加入上述孕育剂，将出炉铁水倒入该浇注包内进行孕育处理，孕育剂的加入量为所述出炉铁水重量的0.4％；
(3)再将浇注包内的铁水浇入模型内进行浇注，浇注温度为1380℃，浇注时进行随流孕育，随流孕育剂为65SiBaFe，粒度为0.1-0.5mm，加入量为所述铁水重量的0.05％，冷却至室温后，即得到所述高强度灰铸铁。该灰铸铁的化学组成参照下表1所示。
实施例3
一种改善高强度灰铸铁加工性的孕育剂，其化学成分按重量百分比计包括：Si64.5％、Zr 6.1％、Ca 5.8％、Al 1.3％、Ti 7.9％、其余为Fe。
上述孕育剂的制备方法包括：
将硅铁、硅钙、硅锆、硅铝和钛的原料按照所述化学成分计算出各原料加入的比例和重量，投入中频感应电炉中进行熔炼，熔炼温度为1340℃，时间为20min；熔炼至完全熔化后将合金液倒入金属模具中冷却，合金在模具中凝固成为片状合金；将该片状合金经破碎设备破碎成2-6mm粒度的颗粒，即为所述改善高强度灰铸铁加工性的孕育剂。
一种高强度灰铸铁，其制备方法包括如下步骤：
(1)将适量生铁、回炉料、废钢、石墨增碳剂、硅铁、锰铁、磷铁加入熔炼炉中，升温熔炼成铁水，铁水的化学成分按重量百分比计包括：C 3.2-3.4％、Si 1.8-2.2％、Mn 0.6-1.0％、P 0.18-0.26％、S≤0.15％、Fe为余量，继续升温至1550℃后出炉；
(2)在浇注包包底加入上述孕育剂，将出炉铁水倒入该浇注包内进行孕育处理，孕育剂的加入量为所述出炉铁水重量的0.2％；
(3)再将浇注包内的铁水浇入模型内进行浇注，浇注温度为1430℃，浇注时进行随流孕育，随流孕育剂为65SiBaFe，粒度为0.1-0.5mm，加入量为所述铁水重量的0.01％，冷却至室温后，即得到所述高强度灰铸铁。该灰铸铁的化学组成参照下表1所示。
对比例1
一种灰铸铁，其制备方法包括如下步骤：
(1)将适量生铁、回炉料、废钢、石墨增碳剂、硅铁、锰铁、磷铁加入熔炼炉中，升温熔炼成铁水，铁水的化学成分按重量百分比计包括：C 3.2-3.4％、Si 1.8-2.2％、Mn 0.6-1.0％、P 0.18-0.26％、S≤0.15％、Fe为余量，继续升温至1530℃后出炉；
(2)在浇注包包底加入上述孕育剂，将出炉铁水倒入该浇注包内进行孕育处理，孕育剂为75SiFe，粒度为2-6mm，孕育剂的加入量为所述出炉铁水重量的0.3％；
(3)再将浇注包内的铁水浇入模型内进行浇注，浇注温度为1410℃，浇注时进行随流孕育，随流孕育剂为65SiBaFe，粒度为0.1-0.5mm，加入量为所述铁水重量的0.03％，冷却至室温后，即得到所述灰铸铁。该灰铸铁的化学组成参照下表1所示。
对比例2
一种灰铸铁，其制备方法包括如下步骤：
(1)将适量生铁、回炉料、废钢、石墨增碳剂、硅铁、锰铁、磷铁加入熔炼炉中，升温熔炼成铁水，铁水的化学成分按重量百分比计包括：C 3.2-3.4％、Si 1.8-2.2％、Mn 0.6-1.0％、P 0.18-0.26％、S≤0.15％、Fe为余量，继续升温至1530℃后出炉；
(2)在浇注包包底加入上述孕育剂，将出炉铁水倒入该浇注包内进行孕育处理，孕育剂为SrSi(Si 75％、Sr 0.8％、Al 0.2％、其余为Fe)，粒度为2-6mm，孕育剂的加入量为所述出炉铁水重量的0.3％；
(3)再将浇注包内的铁水浇入模型内进行浇注，浇注温度为1410℃，浇注时进行随流孕育，随流孕育剂为65SiBaFe，粒度为0.1-0.5mm，加入量为所述铁水重量的0.03％，冷却至室温后，即得到所述灰铸铁。该灰铸铁的化学组成参照下表1所示。
表1实施例和对比例所述灰铸铁的化学组成(质量百分含量，Fe余量)
Figure BDA0003520687420000071
Figure BDA0003520687420000081
将上述实施例和对比例所得皮带轮进行如下性能测试，灰铸铁试样抗拉强度通过WAW-Y500型万能材料试验机测定，拉伸试样按GB/T 228-2002制备，结果取四根拉伸试样的平均值；灰铸铁试样的硬度通过HB-3000型布氏硬度计测定试样不同厚度处的硬度得到；刀具寿命采样基数OP10车削工序，对比相同刀具材料规格条件下每支刀片车削数量；测试结果如下表2所示。
表2实施例和对比例所述灰铸铁的性能
抗拉强度/MPa 硬度/HB 刀具寿命/件
实施例1 364 234 299
实施例2 356 230 287
实施例3 352 238 292
对比例1 308 203 183
对比例2 317 192 216
参照上表可知，采用本发明孕育剂孕育处理使灰铸铁的强度、硬度和切削加工性都得到了意想不到的提高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改善高强度灰铸铁加工性的孕育剂，其特征在于，所述孕育剂包括以下重量百分数的成分：Si 55-65％、Zr 6-10％、Ca 2-6％、Al 1-3％、Ti 5-8％、其余为Fe。
2.根据权利要求1所述改善高强度灰铸铁加工性的孕育剂，其特征在于，所述孕育剂是将含硅、锆、钙、铝、钛的铁合金熔炼，冷却，再破碎成颗粒后制得；
优选地，所述孕育剂的颗粒直径为2-6mm。
3.一种高强度灰铸铁的制备方法，其特征在于，包括：采用权利要求1或2所述的孕育剂对灰铸铁的出炉铁水进行孕育处理。
4.根据权利要求3所述高强度灰铸铁的制备方法，其特征在于，所述孕育剂的加入量是出炉铁水重量的0.2-0.4％。
5.根据权利要求3或4所述高强度灰铸铁的制备方法，其特征在于，所述孕育处理是采用浇包内孕育法进行。
6.根据权利要求3-5任一项所述高强度灰铸铁的制备方法，其特征在于，所述出炉铁水是将生铁、回炉料、废钢、石墨增碳剂、硅铁、锰铁的原料在熔炼炉中熔炼，出炉后制得；
优选地，所述出炉温度为1510-1550℃。
7.根据权利要求3-6任一项所述高强度灰铸铁的制备方法，其特征在于，还包括：将孕育处理后的铁水浇注成型；
优选地，浇注时采用硅钡孕育剂进行随流孕育。
8.根据权利要求7所述高强度灰铸铁的制备方法，其特征在于，所述硅钡孕育剂为65SiBaFe孕育剂，粒径为0.1-0.5mm，加入为浇注铁水重量的0.01-0.05％。
9.根据权利要求3-8任一项所述高强度灰铸铁的制备方法，其特征在于，所述浇注温度为1380-1430℃。
10.根据权利要求3-9任一项所述高强度灰铸铁的制备方法，其特征在于，所述灰铸铁包括以下重量百分数的成分：C 3.2-3.4％、Si 1.8-2.2％、Mn0.6-1.0％、P 0.18-0.26％、Ti 0.05-0.08％、S≤0.15％、Fe为余量。
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