CN1390971A - 耐酸性优良的高硅铸铁及其制造方法 - Google Patents

耐酸性优良的高硅铸铁及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供不需要附加设备，而通过改善制造工艺的方法，来制造比现有高硅铸铁不仅抗拉强度高，而且能便宜地进行批量生产的、耐酸性优良的高硅铸铁及其制造方法。采用高硅铸铁成分由硅(Si)13.5～15.5％(重量)、碳(C)0.7～1.1％(重量)、锰(Mn)2.2％(重量)以下，以及铬(Cr)1～5％(重量)和钼(Mo)1～5％(重量)中至少一种元素，其余为不可避免的杂质和Fe组成。把上述组成物熔解的铁水加热到1650℃去除杂质后，浇入添加了铁水重量的0.1～0.4％(重量)铈镧合金的铁水包中，控制铁水的温度为可铸造的最低温度即1270～1350℃进行铸造。

Description

耐酸性优良的高硅铸铁及其制造方法
技术领域
本发明涉及耐酸性优良的高硅铸铁，特别是通过简化制造工序和稳定化学成分，改善强度和脆性的耐酸性优良的高硅铸铁。
背景技术
伴随化学工业的发展，对可以用于暴露在强腐蚀环境的设备上的材料需求越来越高。高硅铸铁就是根据这种需求开发的材料之一。由于这种高硅铸铁对几乎各种酸都具有优良的抵抗能力，主要用于腐蚀性流体环境的配管和连接装置，几乎可以应用于酸、漂白剂、洗净剂或腐蚀性流体的排放或抽取的所有部位。
高硅铸铁尽管有这样优良的性质，但是由于制造方法非常严格，非常脆，即使小的冲击也要开裂的缺点，工业用途非常有限。为了克服这样的缺点进行了很多的研究。
一般高硅铸铁因氢气造成的气体缺陷、以及因含在硅(Si)原料中杂质形成的夹杂使机械性能降低是最大的问题。这样的问题由于是Si原料本身含的水分、铸造后凝固时吸收的氢气、Si原料本身材质不均匀引起的，为了提高高硅铸铁的机械性能，必须解决这些问题。
现有制造高硅铸铁的方法有利用一次熔解制造母合金后，利用二次熔解把母合金快速熔解，防止吸收氢气的方法；把搅拌器插入铁水中，使熔解时间缩短，防止吸收氢气的方法；向铁水中吹入惰性气体进行脱氢处理的方法等。由于这些方法需要二次熔解和附加设备，所以存在有生产成本提高，而且不容易适用于现有生产工序的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供不需要附加设备，而通过改善制造工艺的方法，来制造比现有高硅铸铁不仅抗拉强度高，而且能便宜地进行批量生产的、耐酸性优良的高硅铸铁以及它的制造方法。
为了达到上述目的，本发明提供耐酸性优良的高硅铸铁，其成分由硅(Si)13.5～15.5％(重量)、碳(C)0.7～1.1％(重量)、锰(Mn)2.2％(重量)以下，以及铬(Cr)1～5％(重量)和钼(Mo)1～5％(重量)中至少一种元素，其余为不可避免的杂质和Fe组成。
本发明提供的高硅铸铁制造方法是：把上述高硅铸铁的组成物熔解的铁水加热到1650℃去除杂质后，浇入添加了0.1～0.4％(重量)铈镧合金(misch metal)的铁水包中，控制铁水的温度为可铸造的最低温度1270～1350℃进行铸造。
本发明的耐酸性优良的高硅铸铁和它的制造方法无需附加装置，通过改变工艺，其效果是与现有高硅铸铁相比，不但有高的抗拉强度，而且可以便宜地批量生产耐酸性优良的高硅铸铁。
附图简要说明
下面结合附图说明本发明。附图中：
图1铁(Fe)-硅(Si)二元平衡相图。
图2是表示在本发明的耐酸性优良的高硅铸铁中，添加的铬(Cr)和钼(Mo)是含量造成腐蚀减少量的曲线。
图3a是本发明耐酸性优良的高硅铸铁中，熔解温度1400℃-铸造时浇注温度1350℃的对比材料断面的组织照片。
图3b是本发明耐酸性优良的高硅铸铁中，熔解温度1650℃-铸造时浇注温度1350℃的本发明材料断面的组织照片。
图3c是本发明耐酸性优良的高硅铸铁中，熔解温度1650℃-铸造时浇注温度1450℃的对比材料断面的组织照片。
发明的实施方式
下面对本发明中合金组成的数值限定的原因做详细的说明。
(1)硅(Si)：13.5～15.5％(重量)
硅在13.5％(重量)以下的情况下，使强度增加，但是使耐蚀性降低。与此相反，硅在15.5％(重量)以上的情况下，使耐蚀性提高，但如图1的状态图所示，出现脆弱的η相(Fe5Si3)，使合金的脆性增加，所以要限制在15.5％以下。
(2)碳(C)：0.7～1.1％(重量)
碳含量小于0.7％情况下，铁水凝固时横向收缩大，制品形状复杂的话，容易出现裂纹这样的缺陷。与此相反，碳含量大于1.1％(重量)情况下，结晶出初生石墨等粗大的片状石墨，产生铸造物的缺陷而变脆。因此由于难以回避碳在铸造时造成的收缩产生的缺陷和处理的难度，因此对碳含量限定为0.7～1.1％(重量)。
(3)锰(Mn)：2.2％(重量)以下
在碳和锰的比例为1∶2的情况下，延展性转变温度变低，能改善常温下的脆性。锰含量增加时由于碳化物过多地析出，使脆性增加，所以限制锰含量为碳含量的2倍，即限制在2.2％(重量)以下。
(4)铬(Cr)、钼(Mo)：1～5％(重量)
高硅铸铁几乎对各种酸有耐酸性，为了提高耐酸性添加铬和钼，这是为了改善高硅铸铁对盐酸的耐酸性差的缺点。从图2所示的结果可以看出，铬和钼的加入量在1％(重量)以上情况下，对盐酸的耐酸性明显改善，加入5％以上的情况下由于没有更大的改善效果，而且合金碳化物大量析出，所以限定在5％(重量)以下。
下面对在本发明的耐酸性优良的高硅铸铁制造方法中，熔解条件和铈镧合金的变质处理、铸造的浇注温度的限定原因做详细说明。
(1)这是熔解了上述组成物的铁水被加热到1650℃以上阶段，是为了完全去除含在硅(Si)原料中的杂质，控制铸造凝固后夹杂物的形成，是在1650℃以上的高温保持足够的时间，完全去除铁水内杂质的阶段。
(2)这是把加热到1650℃以上的铁水浇入添加了铁水重量的0.1～0.4％(重量)的铈镧合金的铁水包中的阶段，由于一般高硅铸铁组织是由低强度的片状石墨和硬而脆的硅铁素体(silico-ferrite)构成，所以为了控制石墨的形状，提高抗拉强度，使铁和非铁元素合金化的、添加铁水重量的0.1～0.4％(重量)的铈镧合金的阶段。
(3)这是把添加上述铈镧合金的铁水温度控制到可以铸造的最低温度1270～1350℃的阶段，与浇入1350℃以上高温状态铁水相比，相对减少凝固时混入的氢气，减少凝固后的气体缺陷，来控制铁水温度的阶段。
下面用适当的实施例对本发明进行更详细的说明。
[实施例]
一般高硅铸铁存在有浇注后凝固时混入氢气产生气体缺陷，造成抗拉强度非常低的缺点。为了改善这一点，现在采用利用1次熔解制成母合金后，再进行2次熔解，或在1400℃左右温度下快速熔解浇注的方法。可是采用这样方法的情况下，得不到10kgf/mm2以上的抗拉强度。这是由于含在硅原料中的杂质不能完全去除，铸造后形成夹杂物的原因。
因此在本发明中为了去除含在硅原料中的杂质，采用在1650℃以上进行充分去除杂质的方法。在表1中熔解温度在1650℃以下情况下，即对比材料1至9中，如图3a所示，可以观察到断面上存在夹杂物，熔解温度在1650℃以上情况下，即对比材料10至18、本发明材料1至9中，如图3b所示，可以得到没有夹杂物的致密的组织，这样致密的组织可以得到提高抗拉强度值的效果。也就是利用使熔解温度在1650℃以上充分去除夹杂物，可以得到没有夹杂物的致密组织。
把铁水在1650℃放置足够的时间，把杂质从铁水中去除后，控制铁水温度在1270～1350℃范围进行浇注，浇注温度在1250℃以下时，浇注本身就不可能。与此相反，浇注温度在1350℃以上时，即对比材料10至12中，凝固后从断面上观察不到夹杂物，如图3c所示，断面上存在气体缺陷，抗拉强度值显著降低。这是由于浇注温度高，氢气混入量相对较多，凝固后气体缺陷增加，带来强度降低的结果。
另一方面浇注温度比1350℃低的情况下，在对比材料13至18和本发明材料1至9中，凝固后在断面上观察不到夹杂物和气体缺陷，抗拉强度大幅度提高。
[表1]本发明的高硅铸铁和对比材料、现有材料的熔解条件和抗拉强度
项目 No.                   熔解条件 有无夹杂物 抗拉强度(kgf/mm2)
熔解温度(℃) 浇注温度(℃)   铈镧合金的加入量(重量％)
对比材料     1     1400     1350     -     ○     4.8
    2     1400     1300     -     ○     5.7
    3     1400     1270     -     ○     5.8
    4     1400     1250     -     不能铸造
    5     1500     1400     -     ○     5.6
    6     1500     1350     -     ○     6.2
    7     1500     1300     -     ○     6.1
    8     1500     1270     -     ○     6.5
    9     1500     1250     -     不能铸造
    10     1650以上     1500     -     ×     8.1
    11     1650以上     1450     -     ×     8.3
    12     1650以上     1400     -     ×     8.8
    13 1650以上 1350     -     ×     9.8
    14     0.6     ×     13.6
    15 1650以上 1300     -     ×     10.5
    16     0.6     ×     14.8
    17 1650以上 1270     -     ×     10.6
    18     0.6     ×     14.5
本发明材料     1 1650以上 1350     0.1     ×     12.8
    2     0.2     ×     13.5
    3     0.4     ×     14.5
    4 1650以上 1300     0.1     ×     13.8
    5     0.2     ×     14.3
    6     0.4     ×     15.5
    7 1650以上 1270     0.1     ×     14.2
    8     0.2     ×     15.1
    9     0.4     ×     15.8
  现有材料              制造母合金后的2次熔解     ×     10～11
注：表中“○”表示有夹杂物，“×”表示无夹杂物。
本发明的高硅铸铁为了控制石墨结构使强度提高，在铁水包中添加了铁水重量的0.1～0.4％的进行变质处理的铈镧合金，把经过1650℃充分去除杂质阶段的铁水浇注到铁水包中时(对比材料14、16、18和本发明材料1至9)，与在铁水包中不添加铈镧合金时(对比材料13、15、17)相比，显示出抗拉强度值显著增加。
这样的铈镧合金是与铁(Fe)和非铁元素组合进行合金化制造的，所以可以作为脱氧剂、变质处理剂、石墨球化剂使用，采用它是因为本发明合金中的碳变成针状，是为了把对加工性能有害的微细片状石墨改变成伪片状或共晶状，以提高加工性能和强度。这样的铈镧合金其组成是铁合金而且加入量少，对合金成分没什么影响。可是大量添加情况下，会使合金成分改变，同时带来不好的影响。
因此添加这样的铈镧合金情况下，要限制它的加入量。也就是铈镧合金加入量为0.6％(重量)时，即对比材料14、16和18情况下，与加入量为0.4％(重量)时，即本发明材料3、6、9情况下相比较，看不出强度改善的效果。因此把铈镧合金加入量限制在0.4％(重量)以下。另一方面与不进行铈镧合金变质处理的现有材料相比，可以看出在抗拉强度方面有显著改善。
因此本发明采用高硅铸铁成分由硅(Si)13.5～15.5％(重量)、碳(C)0.7～1.1％(重量)、锰(Mn)2.2％(重量)以下，以及铬(Cr)1～5％(重量)和钼(Mo)1～5％(重量)中至少一种元素，其余为不可避免的杂质和Fe组成。把上述组成物熔解的铁水加热到1650℃去除杂质后，浇入添加了铁水重量的0.1～0.4％(重量)铈镧合金的铁水包中，控制铁水的温度为可铸造的最低温度1270～1350℃进行铸造。由于能够得到没有气体缺陷和夹杂物的致密微细组织，所以可以制造机械性能高的、耐酸性优良的高硅铸铁。

Claims (2)

1.一种耐酸性优良的高硅铸铁，其重量百分比组成为：硅(Si)13.5～15.5％、碳(C)0.7～1.1％、锰(Mn)2.2％以下，以及铬(Cr)1～5％和钼(Mo)1～5％中至少一种元素，其余为不可避免的杂质和Fe。
2.一种高硅铸铁的制造方法，其含有以下步骤：
把由重量百分比为硅(Si)13.5～15.5％、碳(C)0.7～1.1％、锰(Mn)2.2％以下，以及铬(Cr)1～5％和钼(Mo)1～5％中至少一种元素，其余为不可避免的杂质和Fe的组成物熔解的铁水加热到1650℃以上；把上述加热到1650℃以上的铁水浇入添加了铁水重量的0.1～0.4％的铈镧合金的铁水包中；把添加了上述铈镧合金的铁水温度控制到可以铸造的最低温度1270～1350℃；以及把控制在上述1270～1350℃的铁水进行浇注。
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