CN115608917B - 一种高碳当量非合金化灰铸铁铸件制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高碳当量非合金化灰铸铁铸件制备工艺，包括以下步骤：确定铸件成分及配料；熔炼，将准备好的原材料投入熔炼炉并熔炼获得所需铁水；孕育处理及浇注，将铁水孕育后倒进浇包或将铁水转运至浇注炉并进行喂丝孕育，随后将浇包或浇注炉内的铁水浇注至砂模型腔内，并同时进行随流孕育；冷却及落砂，浇注后的铁水在砂模型腔内冷却形成毛坯，冷却时间为t，满足：40≤t≤50min，随后进行开箱落砂，落砂后毛坯的表面温度为T1，满足：590≤T1≤630℃，获得毛坯铸件。本发明灰铸铁铸件制备工艺，可降低生产成本，且能够生产与合金化铸件的性能相当的铸件，兼顾了铸件的性能和生产成本。

Description

一种高碳当量非合金化灰铸铁铸件制备工艺
技术领域
本发明涉及铸造工艺技术领域，尤其是涉及一种高碳当量非合金化灰铸铁铸件制备工艺。
背景技术
铸铁在凝固完毕时形成的一次结晶组织中，最基本的组成相是奥氏体和高碳相(石墨或渗碳体)。在固态下继续冷却到室温的过程中，铸铁的组织还要发生一系列的相变，也就是二次结晶过程。二次结晶的结果使铸铁最后形成一定的金属基体组织。由铸件壁厚、浇注温度及造型材料等影响的冷却速度、化学成分以及和铁水中预存石墨晶核是铸铁组织研究的三大工艺因素。传统工艺中，提高灰铸铁的强度性能有两条途径，首先是改变石墨的数量、大小、分布及形状；其次是在改变石墨特性的基础上控制基体组织，在石墨的影响减小到最小之后，充分发挥金属基体的作用，即孕育处理与低合金化这两条途径。
在实际生产中常采用下列几种与之对应的具体措施：选择合理的化学成分；改变炉料组成；铁液过热处理；孕育处理；微量或低合金化等。其中，化学成分(实际体现在碳当量上)的限制会对其铸造特性产生不利影响，如收缩倾向增大；调整炉料组成会增加配料操作难度；合金化会带来铸件生产成本的增加等等。因此，传统工艺在追求铸件的高性能时，会造成铸件的生产成本增加，即无法同时兼顾铸件的性能与生产成本。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种高碳当量非合金化灰铸铁铸件制备工艺，可降低生产成本，且能够生产与合金化铸件的性能相当的铸件，兼顾了铸件的性能和生产成本。
根据本发明实施例的一种高碳当量非合金化灰铸铁铸件制备工艺，包括以下步骤：确定铸件成分及配料，按化学成分质量百分比为：C：3.40～3.50％，Si：1.60～1.90％，Mn：0.40～0.50％，Cr：0.25～0.35％，P：＜0.060％，S：0.08～0.10％，其余为Fe，并按比例配备原材料；熔炼，将准备好的原材料投入熔炼炉并熔炼获得所需铁水；孕育处理及浇注，将铁水孕育后倒进浇包或将铁水转运至浇注炉并进行喂丝孕育，随后将浇包或浇注炉内的铁水浇注至砂模型腔内，并同时进行随流孕育；冷却及落砂，浇注后的铁水在砂模型腔内冷却形成毛坯，冷却时间为t，满足：40≤t≤50min，随后进行开箱落砂，落砂后毛坯的表面温度为T1，满足：590≤T1≤630℃，获得毛坯铸件。
上述技术方案至少具有如下有益效果：通过增加碳和硅的含量，并降低常规的锰、铬的含量，同时取消锡、铜、钼等合金化元素，能够降低生产成本，并提高碳当量，在一次结晶阶段，增加了石墨化元素碳含量，且无合金化元素对石墨化程度的阻碍作用，共晶团数得到增加，改善了石墨形态及均匀了一次结晶的组织等，强化了石墨化效果；在二次结晶阶段，通过严格控制铸件在型内的冷却时间来控制落砂后的铸件表面温度，并提高落砂后的逐渐表面温度，从而加大了共析转变后铸件冷却速度，极大程度地细化了共析转变组织(珠光体)中渗碳体与铁素体的片间距，得到细片珠光体与索氏体组织，即通过控制冷却速度来取代传统的常用合金元素锰与铬及合金化元素在二次结晶过程中的稳定与细化基体组织的作用，进而使通过该工艺生产的铸件的性能达到合金化条件下生产的铸件的性能，兼顾了铸件的性能和生产成本。
根据本发明的一些实施例，还包括以下步骤：落砂后处理，将落砂后的毛坯隔开放置并进行空气冷却，直至毛坯的表面温度低于100℃。
根据本发明的一些实施例，在所述落砂后处理的步骤中，通过悬挂链、鳞板或滚筒输送链将落砂后的毛坯进行排列放置。
根据本发明的一些实施例，在所述熔炼的步骤中，熔炼时的过热温度为T2，满足：1500≤T2≤1530℃。
根据本发明的一些实施例，在所述孕育处理及浇注的步骤中，浇注温度为T3，满足：1380≤T3≤1400℃。
根据本发明的一些实施例，在所述孕育处理及浇注的步骤中，记录浇注开始的时间，并在10min内完成浇注。
根据本发明的一些实施例，在所述冷却及落砂的步骤中，按照浇注顺序进行开箱落砂。
根据本发明的一些实施例，在所述冷却及落砂的步骤中，落砂后，采用红外线测温仪对毛坯的表面温度进行监测。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例中灰铸铁铸件制备工艺的流程图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1，本发明的实施例提供一种高碳当量非合金化灰铸铁铸件制备工艺，包括以下步骤：
S100：确定铸件成分及配料，按化学成分质量百分比为：C：3.40～3.50％，Si：1.60～1.90％，Mn：0.40～0.50％，Cr：0.25～0.35％，P：＜0.060％，S：0.08～0.10％，其余为Fe，并按比例配备原材料。
可以理解的是，根据生产需求，将铸件中的各种成分按照化学成分质量百分比定为：C：3.40～3.50％，Si：1.60～1.90％，Mn：0.40～0.50％，Cr：0.25～0.35％，P：＜0.060％，S：0.08～0.10％，其余为Fe。并进行配料，将生铁、废钢、回炉料按照2:4:4的比例分批投入熔炼炉。
S200：熔炼，将准备好的原材料投入熔炼炉并熔炼获得所需铁水。
可以理解的是，将准备好的原材料投入熔炼炉内，熔炼炉可以是冲天炉或中频感应电炉，通常而言，采用中频感应电炉对原材料进行加热熔化，以将原材料熔炼为铁水。其中，铁水的过热温度T2满足：1500≤T2≤1530℃，过热时间通常为15min。
S300：孕育处理及浇注，将铁水孕育后倒进浇包或将铁水转运至浇注炉并进行喂丝孕育，随后将浇包或浇注炉内的铁水浇注至砂模型腔内，并同时进行随流孕育。
可以理解的是，将中频感应电炉内熔炼好的铁水孕育后倒进浇包内，或者将熔炼好的铁水转运至浇注炉内，并在浇注时进行喂丝孕育，其中，从中频感应电炉中输出铁水时，铁水温度通常为1500℃左右。
可以理解的是，为保证孕育效果，采用将熔炼好的铁水转运至浇注炉内再进行浇注的方式。浇注时，在浇注炉的出水槽中进行喂丝孕育，喂丝孕育的线芯料主要成分Si：70～78％，Ca：0.8～1.2％，Al：0.8～1.2％，剩余的为铁。加入量通过线芯料的长度来控制，根据铁水牌号的不同，通常而言，每吨铁水加入量约为12～16米，质量百分比约为0.3～0.5％。
随后，将浇注炉内的铁水浇注至砂模型腔内，同时进行随流孕育，其中，随流孕育剂呈粉末状，粒度0.1～0.5mm，随流孕育剂的主要成分为Si：70～75％，Ca：0.4～0.5％，Ba：0.1～0.2％，剩余的为铁。随流孕育剂自动加料装置的空心钢管对准浇注的铁水流，流量为120g/10s，质量百分比约为0.05～0.08％。
可以理解的是，从熔炼炉将铁水倒进浇包或浇注炉后，铁水温度会有所降低，且浇注时铁水的浇注温度为T3，满足：1380≤T3≤1400℃。
孕育后，铁水的成分按照化学成分质量百分比满足：C：3.40～3.50％，Si：1.60～1.90％，Mn：0.40～0.50％，Cr：0.25～0.35％，P：＜0.060％，S：0.08～0.10％，其余为Fe。
S400：冷却及落砂，浇注后的铁水在砂模型腔内冷却形成毛坯，冷却时间为t，满足：40≤t≤50min，随后进行开箱落砂，落砂后毛坯的表面温度为T1，满足：590≤T1≤630℃，获得毛坯铸件。
可以理解的是，浇注后，铁水在砂模型腔内冷却形成毛坯，其中，冷却时间为t，满足：40≤t≤50min，随后进行开箱落砂，使落砂后铸件的表面温度严格控制为T1，满足：590≤T1≤630℃。容易理解的是，即通过控制冷却时间来保证落砂后铸件的表面温度，一般而言，冷却时间越长，表面温度越低。同时，表面温度也与产品的具体结构和大小有关。
S500：落砂后处理，将落砂后的毛坯隔开放置并进行空气冷却，直至毛坯的表面温度低于100℃。
可以理解的是，开箱落砂后，将落砂后的毛坯逐个隔开放置，以便毛坯进行空气冷却，直至毛坯的表面温度低于100℃，即可流通进行后续处理，可进行进一步后处理，以形成最终产品。
通过上述工艺生产铸件，主要通过控制冷却时间来严格控制落砂后毛坯的表面温度，以获得性能优异的铸件。通过增加碳和硅的含量，并降低常规的锰、铬的含量，同时取消锡、铜、钼等合金化元素，能够降低生产成本，并提高碳当量，在一次结晶阶段，增加了石墨化元素碳含量，且无合金化元素对石墨化程度的阻碍作用，共晶团数得到增加，改善了石墨形态及均匀了一次结晶的组织等，强化了石墨化效果；在二次结晶阶段，通过严格控制铸件在型内的冷却时间来控制落砂后的表面温度，并提高了落砂后的表面温度，从而加大了共析转变后铸件冷却速度，极大程度地细化了共析转变组织(珠光体)中渗碳体与铁素体的片间距，得到细片珠光体与索氏体组织，即通过控制冷却速度来取代传统的常用合金元素锰与铬及合金化元素在二次结晶过程中的稳定与细化基体组织的作用，进而使通过该工艺生产的铸件的性能达到合金化条件下生产的铸件的性能，兼顾了铸件的性能和生产成本。
可以理解的是，在步骤S500中，通过悬挂链、鳞板或滚筒输送链将落砂后的多个铸件进行排列放置，一方面能够使多个铸件分隔开，以便铸件充分进行空气冷却，避免铸件堆放而影响进一步冷却，另一方面，同时可对铸件进行运输，以便输送至下一个加工工位。
可以理解的是，在步骤S300中，当开始浇注时，记录下浇注的开始时间，以便控制浇注时间，并确保在10min内完成浇注，以保证孕育效果，避免因孕育衰退而影响铸件的性能。
可以理解的是，在步骤S400中，按照浇注顺序进行开箱落砂。通常而言，一次浇注会浇注多个铸件，也就是说，先开始浇注的铸件先进行开箱落砂，以保证开箱时铸件已冷却至工艺要求的温度。
可以理解的是，在步骤S400中，落砂后，通过红外线测温仪对铸件的表面温度进行监测，测量精准，且操作方便、安全，工人无需靠近铸件进行温度测量，避免烫伤。
以下通过具体实施例来说明通过本发明的制备工艺制备的铸件和通过传统的制备工艺来制备的铸件的性能差异。
实施例一：通过本发明的制备工艺来制备的铸件。
熔炼时铁水的过热温度为1530℃，过热时间为15min，铁水从熔炼炉输出至浇注炉时的温度为1499℃，浇注时铁水的温度为1395℃，孕育后铁水的成分按化学成分质量百分比分别为：C：3.43％，Si：1.84％，Mn：0.448％，Cr：0.313％，其余为Fe，砂模型腔内冷却时间为40min，落砂后铸件的表面温度约为600℃。
经检测，铸件的抗拉强度为359.5MPa，伸长率为3.15％，硬度为218HBW。
实施例二：通过本发明的制备工艺来制备的铸件。
熔炼时铁水的过热温度为1530℃，过热时间为15min，铁水从熔炼炉输出至浇注炉时的温度为1493℃，浇注时铁水的温度为1394℃，孕育后铁水的成分按化学成分质量百分比分别为：C：3.41％，Si：1.85％，Mn：0.48％，Cr：0.29％，其余为Fe，砂模型腔内冷却时间为40min，落砂后铸件的表面温度约为610℃。
经检测，铸件的抗拉强度为341.7MPa，伸长率为3.19％，硬度为215HBW。
实施例三：通过传统制备工艺来制备的铸件。
熔炼时铁水的过热温度为1527℃，过热时间为15min，铁水从熔炼炉输出至浇注炉时的温度为1490℃，浇注时铁水的温度为1389℃，孕育后铁水的成分按化学成分质量百分比分别为：C：3.42％，Si：1.80％，Mn：0.95％，Cr：0.35％，Sn：0.028％，其余为Fe，砂模型腔内冷却时间为160min，落砂后铸件的表面温度约为260℃。
经检测，铸件的抗拉强度为268.3MPa，伸长率为0％，硬度为210HBW。
实施例四：通过传统制备工艺来制备的铸件(加入合金化元素)。
熔炼时铁水的过热温度为1528℃，过热时间为15min，铁水从熔炼炉输出至浇注炉时的温度为1490℃，浇注时铁水的温度为1391℃，孕育后铁水的成分按化学成分质量百分比分别为：C：3.44％，Si：1.88％，Mn：0.98％，Cr：0.35％，Sn：0.021％，Cu：0.42％，Mo：0.36％，其余为Fe，砂模型腔内冷却时间为160min，落砂后铸件的表面温度约为260℃。
经检测，铸件的抗拉强度为327.4MPa，伸长率为3.5％，硬度为210HBW。
实施例五：通过本发明的制备工艺来制备的铸件，但落砂后铸件的表面温度过低。
熔炼时铁水的过热温度为1532℃，过热时间为15min，铁水从熔炼炉输出至浇注炉时的温度为1491℃，浇注时铁水的温度为1386℃，孕育后铁水的成分按化学成分质量百分比分别为：C：3.41％，Si：1.77％，Mn：0.43％，Cr：0.29％，其余为Fe，砂模型腔内冷却时间为45min，但由于产品的具体结构和大小关系，落砂后铸件的表面温度约为550℃。
经检测，铸件的抗拉强度为266.5MPa，伸长率为2.59％，硬度为210HBW。
将实施例一和实施例二分别与实施例四对比，可知，通过本发明的制备工艺来制备的铸件，在取消合金化元素的前提下，依然具备与通过加入合金化元素的方式来制备的铸件相当的性能，且可降低生产成本。
将实施例一和实施例二分别与实施例三对比，可知，传统工艺制备铸铁时，冷却时间过长，导致落砂后铸件的表面温度过低，铸铁的性能明显变差。
将实施例一和实施例二分别与实施例五对比，可知，通过本发明的制备工艺来制备的铸件时，对于落砂后铸件的表面温度的控制，由于温度过低，同样导致铸件的性能变差。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.一种高碳当量非合金化灰铸铁铸件制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
确定铸件成分及配料，按化学成分质量百分比为：C：3.40～3.50％，Si：1.60～1.90％，Mn：0.40～0.50％，Cr：0.25～0.35％，P：＜0.060％，S：0.08～0.10％，其余为Fe，并按比例配备原材料；
熔炼，将准备好的原材料投入熔炼炉并熔炼获得所需铁水；
孕育处理及浇注，将铁水孕育后倒进浇包或将铁水转运至浇注炉并进行喂丝孕育，随后将浇包或浇注炉内的铁水浇注至砂模型腔内，并同时进行随流孕育；
冷却及落砂，浇注后的铁水在砂模型腔内冷却形成毛坯，冷却时间为t，满足：40≤t≤50min，随后进行开箱落砂，落砂后毛坯的表面温度为T1，满足：590≤T1≤630℃，获得毛坯铸件。
2.根据权利要求1所述的一种高碳当量非合金化灰铸铁铸件制备工艺，其特征在于，还包括以下步骤：落砂后处理，将落砂后的毛坯隔开放置并进行空气冷却，直至毛坯的表面温度低于100℃。
3.根据权利要求2所述的一种高碳当量非合金化灰铸铁铸件制备工艺，其特征在于：在所述落砂后处理的步骤中，通过悬挂链、鳞板或滚筒输送链将落砂后的毛坯进行排列放置。
4.根据权利要求1所述的一种高碳当量非合金化灰铸铁铸件制备工艺，其特征在于：在所述熔炼的步骤中，熔炼时的过热温度为T2，满足：1500≤T2≤1530℃。
5.根据权利要求1所述的一种高碳当量非合金化灰铸铁铸件制备工艺，其特征在于：在所述孕育处理及浇注的步骤中，浇注温度为T3，满足：1380≤T3≤1400℃。
6.根据权利要求1或5所述的一种高碳当量非合金化灰铸铁铸件制备工艺，其特征在于：在所述孕育处理及浇注的步骤中，记录浇注开始的时间，并在10min内完成浇注。
7.根据权利要求1所述的一种高碳当量非合金化灰铸铁铸件制备工艺，其特征在于：在所述冷却及落砂的步骤中，按照浇注顺序进行开箱落砂。
8.根据权利要求1或7所述的一种高碳当量非合金化灰铸铁铸件制备工艺，其特征在于：在所述冷却及落砂的步骤中，落砂后，采用红外线测温仪对毛坯的表面温度进行监测。
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