CN115058643B - 一种高强度灰铁机床铸件及其制备方法 - Google Patents

一种高强度灰铁机床铸件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种高强度灰铁机床铸件及其制备方法，所述灰铁机床铸件的制备方法包括：将35‑40wt％铁屑、45‑55wt％废钢屑、5‑15wt％回炉铁、3‑5wt％新生铁、1.5‑3wt％增碳剂以及0.15‑0.55wt％铬铁合金、0.45‑0.95wt％铜合金、0.03‑0.06wt％锡锭加入电炉中熔化，调整化学成分后得到铁水；将包内孕育剂加入铁水浇注包内，再将所述铁水倒入所述铁水浇注包内进行孕育处理，得到孕育处理后的铁水；将所述孕育处理后的铁水浇入砂型型腔中，在浇注时随流加入随流孕育剂进行孕育处理，成型后即得到所述灰铁机床铸件。本发明提出的一种高强度灰铁机床铸件及其制备方法，在保证灰铁机床铸件强度和硬度的同时，有效降低了成本，并且提高铸件成分的稳定性。

Description

一种高强度灰铁机床铸件及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属铸造技术领域，尤其涉及一种高强度灰铁机床铸件及其制备方法。
背景技术
由于灰铸铁具有独特的性能特点，因此在机床、机械等行业的应用中占有非常重要的位置。随着机床等行业对铸件质量要求越来越高，高强度灰铸铁的需求量必将急剧增长。
目前灰铁机床铸件的生产加工时，大多使用新生铁、废钢和少量回炉料。通过将新生铁、废钢和回炉料放入中频炉内进行熔炼，再将熔炼得到液态铁水注入砂型中，冷却后得到需要的毛坯铸件。但是一方面，新生铁的固有形态，导致放入中频炉中的生铁之间的间隙过大，消弱了中频炉的磁场，且不同批次新生铁的化学成分不同，增加了熔炼过程中调整化学成分的难度；另一方面，新生铁的价格较高，增加了生产成本。
虽然利用机加工产生的铁屑等熔炼制造灰铁机床铸件时，能够降低熔炼过程中调整化学成分的难度，并减少生产成本，但由于铁屑的特性，目前还无法获得强度、硬度要求高的铸件。
发明内容
基于背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种高强度灰铁机床铸件及其制备方法，在保证灰铁机床铸件强度和硬度的同时，有效降低了成本，并且提高铸件成分的稳定性。
本发明提出的一种高强度灰铁机床铸件的制备方法，包括如下步骤：
(1)将35-40wt％铁屑、45-55wt％废钢屑、5-15wt％回炉铁、3-5wt％新生铁、1.5-3wt％增碳剂以及0.15-0.55wt％铬铁合金、0.45-0.95wt％铜合金、0.03-0.06wt％锡锭加入电炉中熔化，调整化学成分后得到铁水；
(2)将包内孕育剂加入铁水浇注包内，再将所述铁水倒入所述铁水浇注包内进行孕育处理，得到孕育处理后的铁水；
(3)将所述孕育处理后的铁水浇入砂型型腔中，在浇注时随流加入随流孕育剂进行孕育处理，成型后即得到所述灰铁机床铸件。
本发明中，采用低成本的铁屑、废钢屑分别代替新生铁、废钢作为原料，同时通过添加合适的微量合金元素，控制熔炼过程和孕育过程，大大降低成本的同时，还能确保所得铸件的机械力学性能。
优选地，步骤(1)中，先将铁屑加入电炉中，升温至1100-1150℃后加入废钢屑、回炉铁、新生铁和增碳剂，升温至1510-1530℃后保温静置，去渣后再加入铬铁合金、铜合金以及锡锭，熔化后调整化学成分得到铁水。
优选地，步骤(1)中，所述铁水的出铁温度为1480-1500℃。
优选地，步骤(2)中，所述包内孕育剂为硅钡孕育剂和75硅铁孕育剂，所述硅钡孕育剂和75硅铁孕育剂的重量比为3-4:1；
优选地，所述包内孕育剂的加入量是铁水的0.3-0.8wt％。
优选地，步骤(3)中，所述浇注温度为1390-1430℃。
优选地，步骤(3)中，所述随流孕育剂为硅钡孕育剂；
优选地，所述随流孕育剂的加入量是铁水的0.05-0.2wt％。
本发明中，采用硅钡孕育剂分别进行包内及随流孕育处理，不仅可以消除白口，细化粗大石墨，促进A型石墨生长，而且可以降低石墨长宽比，提高断面均匀型，进而改善铸件的机械力学性能。
本发明还提出一种高强度灰铁机床铸件，其是上述制备方法制备而成。
优选地，所述灰铁机床铸件的组成按重量百分比包括：C：3.03-3.26％、Si：1.70-1.95％、Cr：0.12-0.36％、Cu：0.38-0.65％、Sn：0.02-0.05％、S：≤0.1％、P：≤0.1％，其余为Fe和杂质。
本发明中，Cr、Cu、Sn的微量元素添加可以强化铸件的珠光体基体组织，有助于生成细小均匀的A型石墨，从而使铸件的抗拉强度大幅提升。
优选地，0.60≥[Si]/[C]≥0.55，[Si]]、[C]分别为Si、C的重量百分比含量。
本发明中，控制硅碳的配比在0.55-0.60之间，可以有效避免缩松缩孔等铸造缺陷，并进一步提高灰铁机床铸件的抗拉强度。
优选地，0.07≥[Sn]+0.05[Cu]≥0.05，[Sn]、[Cu]分别为Sn、Cu的重量百分比含量。
本发明中，控制[Sn]+0.05[Cu]之和在0.05-0.07之间，可以平衡Sn和Cu的复配改性效果，由此进一步改善改善铸件基体组织中石墨形态及细化程度，从而达到提高铸件强度和硬度的目的。
本发明通过调整铸件原料配比，即采用铁屑、废钢屑等原料代替新生铁和废钢，消除了石墨遗传性的不利影响的同时，大大节约了成本；通过加入适量的合金元素，即采用Cr、Cu、Sn合金元素复合作用，细化了石墨和基体组织，改善了铸件的机械力学性能；通过对制备方法，即采用除渣、孕育等处理，促进了A型石墨生长；上述各环节相互配合，达到了强化珠光体基体组织，促使生成细小均匀A型石墨，进而使铸件抗拉强度得到大幅提升的目的。
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
一种高强度灰铁机床铸件的制备方法，包括如下步骤：
(1)将37wt％铁屑加入中频电炉内，升温至1130℃，待固体熔化后加入46wt％废钢屑、10wt％回炉料、4wt％新生铁以及2.0wt％增碳剂，升温至1520℃后保温静置10min，去渣后再加入0.4wt％铬铁合金、0.56wt％铜合金以及0.04wt％锡锭，熔化成铁水后取样检测并调整化学成分，1490℃时铁水出炉；
(2)将铁水浇注包加热至700℃烘干，再在铁水浇注包内加入包内孕育剂包底，包底为平底，包内孕育剂为重量比3:1的硅钡孕育剂(化学成份：Si:69-72％，Ca:2.1-2.8％，Ba：1.3-2.5％，余量为Fe)和75硅铁孕育剂(化学成份：Si:73-75％，Al≤0.3％，余量为Fe)，其添加量为铁水的0.5wt％，快速将所述铁水倒入铁水浇注包内，搅拌铁液使包内孕育剂融化，除渣后得到孕育处理后的铁水；
(3)将所述孕育处理后的铁水浇入砂型型腔中，在浇注时随流加入随流孕育剂，随流孕育剂为硅钡孕育剂(化学成份：Si:69-72％，Ca:2.1-2.8％，Ba：1.3-2.5％，粒度：0.2-0.7mm，余量为Fe)，其添加量为所述铁水的0.1wt％，浇注温度为1420℃，成型后即得到所述高强度灰铁机床铸件。
上述高强度灰铁机床铸件的组成按重量百分比计包括：C：3.19％、Si：1.77％、Cr：0.24％、Cu：0.50％、Sn：0.036％、S：≤0.1％、P：≤0.1％，其余为Fe和杂质；其中，[Si]/[C]为0.55，[Sn]+0.05[Cu]为0.061。
实施例2
一种高强度灰铁机床铸件的制备方法，包括如下步骤：
(1)将35wt％铁屑加入中频电炉内，升温至1100℃，待固体熔化后加入53wt％废钢屑、5wt％回炉料、4.5wt％新生铁以及1.5wt％增碳剂，升温至1530℃后保温静置10min，去渣后再加入0.24wt％铬铁合金、0.73wt％铜合金以及0.03wt％锡锭，熔化成铁水后取样检测并调整化学成分，1480℃时铁水出炉；
(2)将铁水浇注包加热至700℃烘干，再在铁水浇注包内加入包内孕育剂包底，包底为平底，包内孕育剂为重量比4:1的硅钡孕育剂(化学成份：Si:69-72％，Ca:2.1-2.8％，Ba：1.3-2.5％，余量为Fe)和75硅铁孕育剂(化学成份：Si:73-75％，Al≤0.3％，余量为Fe)，其添加量为铁水的0.8wt％，快速将所述铁水倒入铁水浇注包内，搅拌铁液使包内孕育剂融化，除渣后得到孕育处理后的铁水；
(3)将所述孕育处理后的铁水浇入砂型型腔中，在浇注时随流加入随流孕育剂，随流孕育剂为硅钡孕育剂(化学成份：Si:69-72％，Ca:2.1-2.8％，Ba：1.3-2.5％，粒度：0.2-0.7mm，余量为Fe)，其添加量为所述铁水的的0.05wt％，浇注温度为1430℃，成型后即得到所述高强度灰铁机床铸件。
上述高强度灰铁机床铸件的组成按重量百分比计包括：C：3.13％、Si：1.85％、Cr：0.12％、Cu：0.55％、Sn：0.024％、S：≤0.1％、P：≤0.1％，其余为Fe和杂质；其中，[Si]/[C]为0.59，[Sn]+0.05[Cu]为0.052。
实施例3
一种高强度灰铁机床铸件的制备方法，包括如下步骤：
(1)将40wt％铁屑加入中频电炉内，升温至1150℃，待固体熔化后加入45wt％废钢屑、8wt％回炉料、3wt％新生铁以及3wt％增碳剂，升温至1510℃后保温静置10min，去渣后再加入0.49wt％铬铁合金、0.46wt％铜合金以及0.05wt％锡锭，熔化成铁水后取样检测并调整化学成分，1500℃时铁水出炉；
(2)将铁水浇注包加热至700℃烘干，再在铁水浇注包内加入包内孕育剂包底，包底为平底，包内孕育剂为重量比3:1的硅钡孕育剂(化学成份：Si:69-72％，Ca:2.1-2.8％，Ba：1.3-2.5％，余量为Fe)和75硅铁孕育剂(化学成份：Si:73-75％，Al≤0.3％，余量为Fe)，其添加量为铁水的0.3wt％，快速将所述铁水倒入铁水浇注包内，搅拌铁液使包内孕育剂融化，除渣后得到孕育处理后的铁水；
(3)将所述孕育处理后的铁水浇入砂型型腔中，在浇注时随流加入随流孕育剂，随流孕育剂为硅钡孕育剂(化学成份：Si:69-72％，Ca:2.1-2.8％，Ba：1.3-2.5％，粒度：0.2-0.7mm，余量为Fe)，其添加量为所述铁水的的0.2wt％，浇注温度为1390℃，成型后即得到所述高强度灰铁机床铸件。
上述高强度灰铁机床铸件的组成按重量百分比计包括：C：3.26％、Si：1.80％、Cr：0.36％、Cu：0.41％、Sn：0.043％、S：≤0.1％、P：≤0.1％，其余为Fe和杂质；其中，[Si]/[C]为0.55，[Sn]+0.05[Cu]为0.064。
实施例4
一种高强度灰铁机床铸件的制备方法，包括如下步骤：
(1)将37wt％铁屑加入中频电炉内，升温至1130℃，待固体熔化后加入46.1wt％废钢屑、9.8wt％回炉料、4.2wt％新生铁以及2.0wt％增碳剂，升温至1520℃后保温静置10min，去渣后再加入0.35wt％铬铁合金、0.52wt％铜合金以及0.03wt％锡锭，熔化成铁水后取样检测并调整化学成分，1490℃时铁水出炉；
(2)将铁水浇注包加热至700℃烘干，再在铁水浇注包内加入包内孕育剂包底，包底为平底，包内孕育剂为重量比3:1的硅钡孕育剂(化学成份：Si:69-72％，Ca:2.1-2.8％，Ba：1.3-2.5％，余量为Fe)和75硅铁孕育剂(化学成份：Si:73-75％，Al≤0.3％，余量为Fe)，其添加量为铁水的0.5wt％，快速将所述铁水倒入铁水浇注包内，搅拌铁液使包内孕育剂融化，除渣后得到孕育处理后的铁水；
(3)将所述孕育处理后的铁水浇入砂型型腔中，在浇注时随流加入随流孕育剂，随流孕育剂为硅钡孕育剂(化学成份：Si:69-72％，Ca:2.1-2.8％，Ba：1.3-2.5％，粒度：0.2-0.7mm，余量为Fe)，其添加量为所述铁水的0.1wt％，浇注温度为1420℃，成型后即得到所述高强度灰铁机床铸件。
上述高强度灰铁机床铸件的组成按重量百分比计包括：C：3.20％、Si：1.77％、Cr：0.24％、Cu：0.40％、Sn：0.024％、S：≤0.1％、P：≤0.1％，其余为Fe和杂质；其中，[Si]/[C]为0.55，[Sn]+0.05[Cu]为0.044。
实施例5
一种高强度灰铁机床铸件的制备方法，包括如下步骤：
(1)将38wt％铁屑加入中频电炉内，升温至1130℃，待固体熔化后加入47wt％废钢屑、8wt％回炉料、4wt％新生铁以及2.0wt％增碳剂，升温至1520℃后保温静置10min，去渣后再加入0.35wt％铬铁合金、0.60wt％铜合金以及0.05wt％锡锭，熔化成铁水后取样检测并调整化学成分，1490℃时铁水出炉；
(2)将铁水浇注包加热至700℃烘干，再在铁水浇注包内加入包内孕育剂包底，包底为平底，包内孕育剂为重量比3:1的硅钡孕育剂(化学成份：Si:69-72％，Ca:2.1-2.8％，Ba：1.3-2.5％，余量为Fe)和75硅铁孕育剂(化学成份：Si:73-75％，Al≤0.3％，余量为Fe)，其添加量为铁水的0.5wt％，快速将所述铁水倒入铁水浇注包内，搅拌铁液使包内孕育剂融化，除渣后得到孕育处理后的铁水；
(3)将所述孕育处理后的铁水浇入砂型型腔中，在浇注时随流加入随流孕育剂，随流孕育剂为硅钡孕育剂(化学成份：Si:69-72％，Ca:2.1-2.8％，Ba：1.3-2.5％，粒度：0.2-0.7mm，余量为Fe)，其添加量为所述铁水的0.1wt％，浇注温度为1420℃，成型后即得到所述高强度灰铁机床铸件。
上述高强度灰铁机床铸件的组成按重量百分比计包括：C：3.04％、Si：1.95％、Cr：0.25％、Cu：0.52％、Sn：0.041％、S：≤0.1％、P：≤0.1％，其余为Fe和杂质；其中，[Si]/[C]为0.64，[Sn]+0.05[Cu]为0.067。
对比例1
一种灰铁机床铸件的制备方法，包括如下步骤：
(1)将37wt％铁屑加入中频电炉内，升温至1130℃，待固体熔化后加入46wt％废钢屑、10wt％回炉料、4wt％新生铁以及2.65wt％增碳剂，升温至1510-1530℃后保温静置10min，去渣后再加入0.35wt％铬铁合金，熔化成铁水后取样检测并调整化学成分，1490℃时铁水出炉；
(2)将铁水浇注包加热至700℃烘干，再在铁水浇注包内加入包内孕育剂包底，包底为平底，包内孕育剂为重量比3:1的硅钡孕育剂(化学成份：Si:69-72％，Ca:2.1-2.8％，Ba：1.3-2.5％，余量为Fe)和75硅铁孕育剂(化学成份：Si:73-75％，Al≤0.3％，余量为Fe)，其添加量为铁水的0.5wt％，快速将所述铁水倒入铁水浇注包内，搅拌铁液使包内孕育剂融化，除渣后得到孕育处理后的铁水；
(3)将所述孕育处理后的铁水浇入砂型型腔中，在浇注时随流加入随流孕育剂，随流孕育剂为硅钡孕育剂(化学成份：Si:69-72％，Ca:2.1-2.8％，Ba：1.3-2.5％，粒度：0.2-0.7mm，余量为Fe)，其添加量为所述铁水的的0.1wt％，浇注温度为1420℃，成型后即得到所述灰铁机床铸件。
上述高强度灰铁机床铸件的组成按重量百分比计包括：C：3.19％、Si：1.77％、Cr：0.24％、S：≤0.1％、P：≤0.1％，其余为Fe和杂质。
对比例2
一种高强度灰铁机床铸件的制备方法，包括如下步骤：
(1)将37wt％铁屑加入中频电炉内，升温至1130℃，待固体熔化后加入46wt％废钢屑、10wt％回炉料、4wt％新生铁以及2.65wt％增碳剂，升温至1520℃后保温静置10min，去渣后再加入0.35wt％铬铁合金，熔化成铁水后取样检测并调整化学成分，1490℃时铁水出炉；
(2)将铁水浇注包加热至700℃烘干，快速将所述铁水倒入铁水浇注包内，除渣后，将所述铁水浇入砂型型腔中，在浇注时随流加入随流孕育剂，随流孕育剂为硅钡孕育剂(化学成份：Si:69-72％，Ca:2.1-2.8％，Ba：1.3-2.5％，粒度：0.2-0.7mm，余量为Fe)，粒径为0.2mm，其添加量为所述铁水的0.1wt％，浇注温度为1420℃，成型后即得到所述高强度灰铁机床铸件。
上述高强度灰铁机床铸件的组成按重量百分比计包括：C：3.19％、Si：1.77％、Cr：0.24％、S：≤0.1％、P：≤0.1％，其余为Fe和杂质。
对实施例和对比例所述灰铸铁合金的性能进行检测和对比，抗拉强度通过万能材料试验机测定，硬度通过布氏硬度计测定；测试结果如下表1所示：
表1实施例和对比例所述灰铁机床铸件的性能
由上表可知，实施例的抗拉强度、硬度的机械力学性能要明显优于对比例。
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 (5)

1.一种高强度灰铁机床铸件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将35-40wt%铁屑、45-55wt%废钢屑、5-15wt%回炉铁、3-5wt%新生铁、1.5-3wt%增碳剂以及0.15-0.55wt%铬铁合金、0.45-0.95wt%铜合金、0.03-0.06wt%锡锭加入电炉中熔化，调整化学成分后得到铁水；
（2）将包内孕育剂加入铁水浇注包内，再将所述铁水倒入所述铁水浇注包内进行孕育处理，得到孕育处理后的铁水；
（3）将所述孕育处理后的铁水浇入砂型型腔中，在浇注时随流加入随流孕育剂进行孕育处理，成型后即得到所述灰铁机床铸件；
所述灰铁机床铸件的组成按重量百分比包括：C：3.03-3.26%、Si：1.70-1.95%、Cr：0.12-0.36%、Cu：0.38-0.65%、Sn：0.02-0.05%、S：≤0.1%、P：≤0.1%，其余为Fe和杂质；
0.59≥[Si]/[C]≥0.55， [Si]]、[C]分别为Si、 C的重量百分比含量；
0.07≥[Sn]+0.05[Cu]≥0.05， [Sn]、[Cu]分别为Sn、Cu的重量百分比含量；
步骤（2）中，所述包内孕育剂为硅钡孕育剂和75硅铁孕育剂，所述硅钡孕育剂和75硅铁孕育剂的重量比为3-4:1；所述包内孕育剂的加入量是铁水的0.3-0.8wt%；
步骤（3）中，所述随流孕育剂为硅钡孕育剂；所述随流孕育剂的加入量是铁水的0.05-0.2wt%。
2.根据权利要求1所述的一种高强度灰铁机床铸件的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，先将铁屑加入电炉中，升温至1100-1150℃后加入废钢屑、回炉铁、新生铁和增碳剂，升温至1510-1530℃后保温静置，去渣后再加入铬铁合金、铜合金以及锡锭，熔化后调整化学成分得到铁水。
3.根据权利要求1或2所述的一种高强度灰铁机床铸件的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述铁水的出铁温度为1480-1500℃。
4.根据权利要求1或2所述的一种高强度灰铁机床铸件的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述浇注温度为1390-1430℃。
5.一种高强度灰铁机床铸件，其特征在于，其是权利要求1-4任一项所述的制备方法制备而成；
所述灰铁机床铸件的组成按重量百分比包括：C：3.03-3.26%、Si：1.70-1.95%、Cr：0.12-0.36%、Cu：0.38-0.65%、Sn：0.02-0.05%、S：≤0.1%、P：≤0.1%，其余为Fe和杂质；
0.59≥[Si]/[C]≥0.55， [Si]、[C]分别为Si、 C的重量百分比含量；
0.07≥[Sn]+0.05[Cu]≥0.05， [Sn]、[Cu]分别为Sn、Cu的重量百分比含量。
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