CN115584430A - 一种高含量珠光体厚大断面灰铸铁及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于冶金冶炼技术领域，具体涉及一种高含量珠光体厚大断面灰铸铁及其制备方法。该高含量珠光体厚大断面灰铸铁的组成成分如下：Fe：92.66～93.88％；C：2.90～3.10％；Si：1.60～1.80％；Mn：0.80～1.00％；P：≤0.050％；S：0.070～0.090％；Cu：0.70～1.10％；Sn：0.05～0.20％。采用合适的合金元素比例，结合简单的制备工艺，经过多次孕育，得到具有良好力学性能和金相组织的灰铸铁，适用于毛坯重量≥3000kg，壁厚100～400mm的厚大断面灰铸铁，且珠光体含量大于90％，A型石墨≥90％。

Description

一种高含量珠光体厚大断面灰铸铁及其制备方法
技术领域
本发明属于冶金冶炼技术领域，具体涉及一种高含量珠光体厚大断面灰铸铁及其制备方法。
背景技术
灰铸铁是指具有片状石墨的铸铁，因断裂时断口呈暗灰色，故称为灰铸铁，主要成分是铁、碳、硅、锰、硫、磷，碳量较高(为2.7％～4.0％)，可看成是碳钢的基体加片状石墨，是应用最广的铸铁，其产量占铸铁总产量80％以上。灰铸铁具有良好的铸造性能、减振性、耐磨性能、切削加工性能和较低的缺口敏感性，在风电、机械加工、机床、汽车等行业，应用广泛。按基体组织的不同，灰铸铁分为三类：铁素体基体灰铸铁、珠光体-铁素体基体灰铸铁和珠光体基体灰铸铁。
灰铸铁的力学性能与基体的组织和石墨的形态有关，铁素体基体灰铸铁的石墨片粗大，强度和硬度最低，故应用较少；珠光体基体灰铸铁的石墨片细小，有较高的强度和硬度，主要用来制造较重要铸件；铁素体-珠光体基体灰铸铁的石墨片较珠光体灰铸铁稍粗大，性能不如珠光体灰铸铁，因此工业上较多使用的是珠光体基体的灰铸铁。同时片状石墨对基体割裂严重，在石墨尖角处易造成应力集中，使灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢，是常用铸铁件中力学性能最差的铸铁。
按GB/T 9439-1988规定，根据直径30mm单铸试棒的抗拉强度，将灰铸铁分为六个牌号：分别是HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350，随着材料的发展，HT400牌号应运而生。然而常规高性能灰铸铁件都是小件，壁厚≤60mm，铸件重量几公斤到几十公斤不等，灰铸铁小件因为壁厚小，冷却快，基体组织和力学性能比较好控制。壁厚超过60-300mm及以上，铸件重量超过3吨以上，本体珠光体含量≥90％，A型石墨≥90％，从工艺角度还是很难保障的。
发明内容
本发明的目的是提供一种高含量珠光体厚大断面灰铸铁，具有良好的力学性能，适用于铸件毛坯重量≥3000㎏，壁厚100～400mm的高性能珠光体灰铸铁。
本发明技术方案中的高含量珠光体厚大断面灰铸铁，其组成成分如下：
Fe：92.66～93.88％；
C：2.90～3.10％；
Si：1.60～1.80％；
Mn：0.80～1.00％；
P：≤0.050％；
S：0.070～0.090％；
Cu：0.70～1.10％；
Sn：0.05～0.20％。
本发明加入增强促进珠光体形成的锰、铜和锡，合金添加量总计1.55～2.30％，可以提高壁厚处的冷却速度，在凝固共析转变时，奥氏体碳向外扩散，与铜锰锡形成稳定的碳化物，从而确保共析转变向珠光体和石墨转变，其中铜是稳定珠光体的元素，偏析性小，通过锰、铜、锡三种元素的结合，可以解决铸件局部应力集中的问题，并防止薄壁件形成过冷石墨。
进一步地，上述高含量珠光体厚大断面灰铸铁为亚共晶成分，碳当量3.4～3.70％。
进一步地，上述高含量珠光体厚大断面灰铸铁的初晶温度为1230～1260℃，共晶温度为1210～1240℃。
进一步地，上述高含量珠光体厚大断面灰铸铁的珠光体含量大于90％，A型石墨≥90％。
本发明还提供上述高含量珠光体厚大断面灰铸铁的制备方法，包括以下步骤：
(1)将废钢、回炉料、硅铁加入到电炉中熔炼；
(2)在铁水包中加入铜和锡，将熔炼好的铁水进行出铁，随流加入硅锶锆孕育剂进行随流孕育，出铁后在铁水包中再次加入硅锶锆孕育剂进行倒包孕育；
(3)铁水起吊转运进行浇注，并加入硅锶锆孕育剂，落砂清理后得到高含量珠光体厚大断面灰铸铁。
随流孕育的目的是提高孕育剂成分的吸收效果及增加形核数量，确保铁水孕育的均匀性，倒包孕育的目的可降低铁水温度，满足浇注温度需求，倒包时孕育是通过多环节孕育，增加石墨形核物质，采用三步孕育增加孕育环节，可以确保铁液中有足够的形核数量，起到增加石墨数量和细化石墨的目的。
进一步地，废钢成分需满足碳≤0.30％、硅≤0.60％、锰≤1.50％、磷≤0.030％、硫≤0.10％、钛≤0.050％、铬≤0.050％、铜≤0.100％、钼≤0.050％。
进一步地，回炉料为HT300回炉料，成分需满足碳≤3.50％、硅≤2.00％、锰≤1.00％、磷≤0.050％、硫≤0.10％、钛≤0.050％、铜≤1.10％、锡≤0.20％。
进一步地，步骤(1)中废钢、回炉料、硅铁的质量百分数分别为59.5～79.5％、20.0～40.0％、0.5～2.0％。
废钢比例越高，熔化后铁水的过冷倾向越大，奥氏体晶粒越多，对奥氏体共析转变成石墨和珠光体有利。
进一步地，步骤(1)中熔炼温度为1380～1450℃。当铁液温度低于液相线温度时，奥氏体形核，随着温度继续降低，铁液生成贫碳树枝晶并沿着液相线改变成分，凝固组织还是保持奥氏体和共晶团组织特征，但枝晶发达，为共析转变准备好条件。
进一步地，步骤(2)中硅锶锆孕育剂的粒度为0.6～3.0mm。
进一步地，步骤(2)中出铁温度为1430～1450℃。
进一步地，步骤(2)和步骤(3)中硅锶锆孕育剂的添加量均为铁水质量的0.10～0.20％。
进一步地，步骤(3)中起吊温度为1360～1370℃，浇注温度为1330～1340℃。浇注温度越高，凝固时间越长，铸件发生粘砂的可能性越大。
进一步地，步骤(3)中硅锶锆孕育剂的粒度为0.2～0.7mm。
进一步地，步骤(3)中铁水起吊转运到浇注结束时间在10min以内。硅锶锆孕育剂是速效孕育剂，铁水滞留时间过长，就会导致孕育衰退，石墨粗大等异常出现。
本发明的技术方案具有如下有益效果：
(1)采用合适的合金元素比例，结合简单的制备工艺，经过多次孕育，得到具有良好力学性能和金相组织的灰铸铁；
(2)通过锰、铜、锡三种元素的结合，解决铸件局部应力集中的问题，并防止薄壁件形成过冷石墨，壁厚处珠光体含量达到90％以上；
(3)废钢比例越高，熔化后铁水的过冷倾向越大，奥氏体晶粒越多，对奥氏体共析转变成石墨和珠光体有利；
(4)采用三步孕育增加孕育环节，可以确保铁液中有足够的形核数量，起到增加石墨数量和细化石墨的目的。
(5)本发明技术方案所得灰铸铁适用于毛坯重量≥3000kg，壁厚100～400mm的厚大断面灰铸铁，且珠光体含量大于90％，A型石墨≥90％。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步描述说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于帮助理解本发明，不用于本发明的具体限制。如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。
实施例1
本实施例高含量珠光体厚大断面灰铸铁的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照质量百分比为60％废钢、39.3％回炉料、0.7％硅铁的用料加入到电炉中熔炼，铁水升温到1380℃，取样分析；
(2)在铁水包中加入铁水质量0.86％的铜和铁水质量的0.08％的锡，升温至1430℃，将熔炼好的铁水进行出铁，随流加入铁水质量0.15％的硅锶锆孕育剂进行随流孕育，出铁后在铁水包中再次加入铁水质量0.15％的硅锶锆孕育剂进行倒包孕育；
(3)铁水在1360℃起吊转运并在1330℃进行浇注，时间控制在10min以内，防止孕育衰退，并加入铁水质量0.15％的硅锶锆孕育剂，造型完毕得到高含量珠光体厚大断面灰铸铁，各组分重量百分比为：铁93.805％、碳3.00％、硅1.80％、锰0.90％、磷0.030％、硫0.085％、铜1.0％、锡0.10％。
实施例2
本实施例高含量珠光体厚大断面灰铸铁的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照质量百分比为65％废钢、34％回炉料、1.0％硅铁的用料加入到电炉中熔炼，铁水升温到1390℃，取样分析；
(2)在铁水包中加入铁水质量0.80％的铜和铁水质量的0.06％的锡，升温至1440℃，将熔炼好的铁水进行出铁，随流加入铁水质量0.18％的硅锶锆孕育剂进行随流孕育，出铁后在铁水包中再次加入铁水质量0.18％的硅锶锆孕育剂进行倒包孕育；
(3)铁水在1365℃起吊转运并在1335℃进行浇注，时间控制在10min以内，防止孕育衰退，并加入铁水质量0.15％的硅锶锆孕育剂，造型完毕得到高含量珠光体厚大断面灰铸铁，各组分重量百分比为：铁93.19％、碳3.05％、硅1.75％、锰0.85％、磷0.032％、硫0.078％、铜0.96％、锡0.09％。
实施例3
本实施例高含量珠光体厚大断面灰铸铁的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照质量百分比为70％废钢、29.1％回炉料、0.9％硅铁的用料加入到电炉中熔炼，铁水升温到1380℃，取样分析；
(2)在铁水包中加入铁水质量0.70％的铜和铁水质量的0.085％的锡，升温至1450℃，将熔炼好的铁水进行出铁，随流加入铁水质量0.16％的硅锶锆孕育剂进行随流孕育，出铁后在铁水包中再次加入铁水质量0.16％的硅锶锆孕育剂进行倒包孕育；
(3)铁水在1365℃起吊转运并在1335℃进行浇注，时间控制在10min以内，防止孕育衰退，并加入铁水质量0.15％的硅锶锆孕育剂，造型完毕得到高含量珠光体厚大断面灰铸铁，各组分重量百分比为：铁93.369％、碳2.96％、硅1.65％、锰0.94％、磷0.033％、硫0.088％、铜0.85％、锡0.11％。
实施例4
本实施例高含量珠光体厚大断面灰铸铁的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照质量百分比为72％废钢、36.9％回炉料、1.1％硅铁的用料加入到电炉中熔炼，铁水升温到1400℃，取样分析；
(2)在铁水包中加入铁水质量0.80％的铜和铁水质量的0.10％的锡，升温至1430℃，将熔炼好的铁水进行出铁，随流加入铁水质量0.17％的硅锶锆孕育剂进行随流孕育，出铁后在铁水包中再次加入铁水质量0.15％的硅锶锆孕育剂进行倒包孕育；
(3)铁水在1370℃起吊转运并在1340℃进行浇注，时间控制在10min以内，防止孕育衰退，并加入铁水质量0.16％的硅锶锆孕育剂，造型完毕得到高含量珠光体厚大断面灰铸铁，各组分重量百分比为：铁92.967％、碳3.10％、硅1.74％、锰1.00％、磷0.032％、硫0.081％、铜0.94％、锡0.14％。
实施例5
本实施例与实施例1的区别仅在于步骤(1)中废钢、回炉料和硅铁的添加量为55％、44％和1.0％。
实施例6
本实施例与实施例1的区别仅在于步骤(1)中废钢、回炉料和硅铁的添加量为82％、17％和1.0％。
实施例7
本实施例高含量珠光体厚大断面灰铸铁的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照质量百分比为60％废钢、40％回炉料、0.7％硅铁的用料加入到电炉中熔炼，铁水升温到1380℃，取样分析；
(2)在铁水包中加入铁水质量0.86％的铜和铁水质量的0.08％的锡，升温至1430℃，将熔炼好的铁水进行出铁，出铁后在铁水包中加入铁水质量0.15％的硅锶锆孕育剂进行倒包孕育；
(3)铁水在1360℃起吊转运并在1330℃进行浇注，时间控制在10min以内，防止孕育衰退，并加入铁水质量0.15％的硅锶锆孕育剂，造型完毕得到高含量珠光体厚大断面灰铸铁，各组分重量百分比为：铁93.805％、碳3.00％、硅1.80％、锰0.90％、磷0.030％、硫0.085％、铜1.0％、锡0.10％。
实施例8
本实施例高含量珠光体厚大断面灰铸铁的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照质量百分比为60％废钢、40％回炉料、0.7％硅铁的用料加入到电炉中熔炼，铁水升温到1380℃，取样分析；
(2)在铁水包中加入铁水质量0.86％的铜和铁水质量的0.08％的锡，升温至1430℃，将熔炼好的铁水进行出铁，随流加入铁水质量0.15％的硅锶锆孕育剂进行随流孕育，出铁后在铁水包中再次加入铁水质量0.15％的硅锶锆孕育剂进行倒包孕育；
(3)铁水在1360℃起吊转运并在1330℃进行浇注，时间控制在10min以内，防止孕育衰退，造型完毕得到高含量珠光体厚大断面灰铸铁，各组分重量百分比为：铁93.805％、碳3.00％、硅1.80％、锰0.90％、磷0.030％、硫0.085％、铜1.0％、锡0.10％。
对比例1
本对比例灰铸铁的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照质量百分比为60％废钢、39.3％回炉料、0.7％硅铁的用料加入到电炉中熔炼，铁水升温到1380℃，取样分析；
(2)在铁水包中加入铁水质量0.4％的铜和铁水质量的0.01％的锡，升温至1430℃，将熔炼好的铁水进行出铁，随流加入铁水质量0.15％的硅锶锆孕育剂进行随流孕育，出铁后在铁水包中再次加入铁水质量0.15％的硅锶锆孕育剂进行倒包孕育；
(3)铁水起吊转运进行浇注，时间控制在10min以内，防止孕育衰退，并加入铁水质量0.15％的硅锶锆孕育剂，造型完毕得到高含量珠光体厚大断面灰铸铁，各组分重量百分比为：铁94.385％、碳3.00％、硅1.80％、锰0.90％、磷0.030％、硫0.085％、铜0.5％、锡0.02％。
对比例2
本对比例灰铸铁的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照质量百分比为60％废钢、39.3％回炉料、0.7％硅铁的用料加入到电炉中熔炼，铁水升温到1380℃，取样分析；
(2)在铁水包中加入铁水质量1.3％的铜和铁水质量的0.40％的锡，升温至1430℃，将熔炼好的铁水进行出铁，随流加入铁水质量0.15％的硅锶锆孕育剂进行随流孕育，出铁后在铁水包中再次加入铁水质量0.15％的硅锶锆孕育剂进行倒包孕育；
(3)铁水起吊转运进行浇注，时间控制在10min以内，防止孕育衰退，并加入铁水质量0.15％的硅锶锆孕育剂，造型完毕得到高含量珠光体厚大断面灰铸铁，各组分重量百分比为：铁92.905％、碳3.00％、硅1.80％、锰0.90％、磷0.030％、硫0.085％、铜1.5％、锡0.50％。
对以上实施例及对比例所得灰铸铁进行力学性能及金相结构测试，所得结果如下表1.
表1以上实施例所得灰铸铁力学性能数据表(
Figure BDA0003822496910000071
附铸试块)
Figure BDA0003822496910000072
Figure BDA0003822496910000081
以上实施例获得的灰铸铁具有较好的力学强度和硬度，A型石墨含量大于90％，珠光体含量大于90％，力学性能和金相都能达到预期要求。实施例5废钢含量过低，实施例6废钢含量过高，所得灰铸铁力学性能较差。对比例1铜含量和锡含量过低，灰铸铁力学性能降低，A性石墨和珠光体的含量都有所下降，对比例2铜含量和锡含量过高，所得灰铸铁A性石墨含量下降，力学性能也变差。由此表明，本申请中珠光体化主要是通过增加铜、锡、锰合金化增加成分动力性过冷，增加铁水过冷度，促进奥氏体向珠光体的快速转化；对于A型石墨的生长主要在亚共晶的成分下，增加形核物质并确保石墨化能够随液态到凝固过程缓慢的进行，避免薄璧处、吃砂量小的位置因为凝固过程过快，导致过冷石墨数量增加。壁薄处利用浇注温度高、吃砂量大降低冷却速度，促进石墨片化；壁厚处利用低温浇注和增加合金量增加冷却速度，促进珠光体的形成。
最后应说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明，而并非对本发明的实施方式的限定。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具有实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，这里无需也无法对所有的实施方式予以全例。而这些属于本发明的实质精神所引申出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种高含量珠光体厚大断面灰铸铁，其特征在于，包括如下质量百分比的组成成分：
Fe：92.66～93.88％；
C：2.90～3.10％；
Si：1.60～1.80％；
Mn：0.80～1.00％；
P：≤0.050％；
S：0.070～0.090％；
Cu：0.70～1.10％；
Sn：0.05～0.20％。
2.根据权利要求1所述的高含量珠光体厚大断面灰铸铁，其特征在于，珠光体含量大于90％。
3.根据权利要求1所述的高含量珠光体厚大断面灰铸铁，其特征在于，所述高含量珠光体厚大断面灰铸铁为亚共晶成分，碳当量3.4～3.70％。
4.根据权利要求1所述的高含量珠光体厚大断面灰铸铁，其特征在于，所述高含量珠光体厚大断面灰铸铁的初晶温度为1230～1260℃，共晶温度为1210～1240℃。
5.一种如权利要求1所述高含量珠光体厚大断面灰铸铁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将废钢、回炉料、硅铁加入到电炉中熔炼；
(2)在铁水包中加入铜和锡，将熔炼好的铁水进行出铁，随流加入硅锶锆孕育剂进行随流孕育，出铁后在铁水包中再次加入硅锶锆孕育剂进行倒包孕育；
(3)铁水起吊转运进行浇注，并加入硅锶锆孕育剂，造型完毕得到高含量珠光体厚大断面灰铸铁。
6.根据权利要求5所述高含量珠光体厚大断面灰铸铁的制备方法，其特征在于，步骤(1)中废钢、回炉料、硅铁的质量百分数分别为59.5～79.5％、20.0～40.0％、0.5～2.0％。
7.根据权利要求5所述高含量珠光体厚大断面灰铸铁的制备方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(3)中硅锶锆孕育剂的添加量均为铁水质量的0.10～0.20％。
8.根据权利要求5所述高含量珠光体厚大断面灰铸铁的制备方法，其特征在于，步骤(3)中硅锶锆孕育剂的粒度为0.2～0.7mm。
9.根据权利要求5所述高含量珠光体厚大断面灰铸铁的制备方法，其特征在于，步骤(3)中起吊温度为1360～1370℃，浇注温度为1330～1340℃。
10.根据权利要求5所述高含量珠光体厚大断面灰铸铁的制备方法，其特征在于，步骤(3)中铁水起吊转运到浇注结束时间在10min以内。
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