CN1526843A

CN1526843A - 一种低铝低镍中锰奥氏体铸铁及其工艺方法

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Publication number: CN1526843A
Application number: CNA031511805A
Authority: CN
Inventors: 王汝耀; 鲁薇华; 杨涤心; 杨留栓
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: CN1272457C

Abstract

本发明涉及一种奥氏体铸铁及其工艺方法。其特征在于在低铝低镍中锰铸铁熔体中加入75硅铁和/或铝即可获得由A型石墨、奥氏体基体以及数量小于1.5％、均匀分布的粒状碳化物组成的金相组织。其工艺方法是先将炉料用电炉或冲天炉熔化。出炉温度应在1400℃以上。在铁水包内加入75硅铁。然后，浇注时随铁水流加入75硅铁和/或铝丝。本发明所述奥氏体铸铁化学成分为：C3.0－4.0％、Si2.0－3.0％、Mn8.0－10.0％、Ni 1.1.0－4.0％、Cu＜3.0％、Al≤0.3％。本发明适合用于工作温度低于500℃的电气设备零件以及发动机活塞镶环和缸套。

Description

一种低铝低镍中锰奥氏体铸铁及其工艺方法

技术领域

本发明涉及一种奥氏体铸铁及其工艺方法。更确切地说涉及一种低铝低镍中锰奥氏体铸铁及其工艺方法。

背景技术

高合金奥氏体铸铁具有良好的高温机械性能和耐蚀性，可用于制造发动机增压器零件以及排气管等。这种合金无磁性适于生产各种电气设备零件。它的膨胀系数又与铝硅活塞合金接近，是发动机活塞镶环和缸套首选材料。奥氏体铸铁大致分为高镍系列和高锰系列。常用高镍奥氏体铸铁含镍量在13.5-36％范围内(ASTM A435-84。BS 3468：1986。中国机械工程学会铸造专业学会编：铸造手册第一册1993 3。)镍价格贵，稀缺。锰促进奥氏体的生成，可用锰代替镍，降低成本(S.Vasudevan etal：″A study on the influence of manganese additions on austeniticductile iron″The British Foundryman 78(1985)243-251)。目前，已形成Ni-Mn系列奥氏体铸铁，通常含镍12.0-14.0％，Mn6.0-7.0％(葛晨光，张允华，朱文高编辑：最新国际铸造标准。全国铸造标准化技术委员会秘书处编译机械工业出版社19981)。有些Ni-Mn奥氏体球墨铸铁含镍量降到5.0-7.0％，锰只增到2.0-7.0％。(谭桂芳等：″中镍无磁奥氏体球墨铸铁的研究″铸造1990(3)11-14)。铜也可以稳定奥氏体的生成，这样就出现Ni-Cu系奥氏体铸铁和Ni-Mn-Cu系奥氏体铸铁。例如，用于生产发动机活塞镶环的Ni-Cu系奥氏体铸铁(Niresist铸铁)含镍15.0-18.0％，铜5.5-7.5％(C.Gheorghiu et al：″Herstellung von leichtmetalkoben mit Niresist-Ringtrager imverbundgiessverfahren″Giesserei-Technik 26(1980)(6)176-178。葛晨光，张允华，朱文高编辑：最新国际铸造标准。全国铸造标准化技术委员会秘书处编译机械工业出版社19981)。Ni-Mn-Cu系奥氏体铸铁含镍9.5％，铜3.4％，锰3.2％(G.J.Cox：″Austenitic Cast Iron″British Patent 1297151，1972 11 22)。不过，这类奥氏体铸铁含锰量不高。

上世纪七十年代以后，对高锰铸铁进行了许多研究(Д.Г.Громаковский Иэоносотойкий марганцевый чугун Литейное проиэводcтво1975(2)17。初福民，李長龙，李明弟：″锰系无磁铸铁的研制″热加工工艺。2002(6)48-49。S.Vasudevan et al：″A study onthe influence of manganese additions on austenitic ductile iron″The British Foundryman 78(1985)243-251)。通常厚大铸件锰量在12.0％左右，小件在7.0-9.0％之间。但高锰铸铁应力大，易开裂，还容易出现网状(Fe、Mn)₃C碳化物，数量高达20-25％，切削加工困难。如何消除或降低碳化物数量或改变它的形态就成为能否应用廉价、优质奥氏体铸铁的瓶颈。

通常采用加入石墨化元素和强化孕育的工艺措施来降低或消除碳化物或改变它的形态。提高硅含量或用硅铁进行孕育是常用的工艺。但硅量高易于生成铁素体，降低了奥氏体稳定性。碳当量超过4.3％，还容易出现石墨漂浮。例如，德国专利683699报道，当Mn-Ni-Cu奥氏体铸铁含C2.5-3.5％Si2.0-5.0％、Mn4.0-12.0％、Ni1.5-8.0％、Cu0-10.0％时，虽然保留相当多的镍，又将硅量提高到5％，碳化物数量仍高达5％以上，以致合金硬度高(170-220HB)，切削较困难。另一种有效降低碳化物数量的工艺是利用铝量增至4％时，其石墨化作用逐渐增强的特性，将铝含量提高到2％，甚至高达4％。例如，美国专利(US 4129309，1978.12.12)介绍的Ni-Mn-Cu-Al奥氏体合金含C1.8-4.0％、Si1.0-3.0％、Mn6.0-12.0％、Ni2.0-6.0％、Cu5.0-7.0％、Al0.3-2.0％。生产时在炉内加入铝锭2％，并在浇包内加入75硅铁0.5％进行包内孕育。然后，用离心机浇注筒形铸件。此时尽管冷却速度很快，仍然出现碳化物(＜1.5％)。此外，这类合金在炉内加入铝锭太多，1500℃高温下容易氧化，产生夹渣，形成硬质点，恶化合金加工性能，还引起石墨漂浮，影响铸件质量。

由此看来(1)锰量不可多，应保留少量镍以减少碳化物数量；(2)铝量不可多；(3)必须采用新的强化孕育工艺提高硅铁和铝的孕育能力，尽量降低铝的加入量。

发明内容

基于以上认识，本发明目的在于开发低铝低镍少铜中锰奥氏体铸铁及其工艺方法。本发明的特点在于：

(1)选用中锰(8.0-10.0％)、少镍(1.0-4.0％)、少铜(＜3.0％)的化学成份；

(2)除用硅铁进行包内和/或瞬时孕育外，采用瞬时孕育工艺方法加入铝，强化铝的孕育作用，将碳化物数量降至1.5％以下。

(3)铝加入量降至0.5％以下。

这样，就可以开发出一种廉价、优质的中锰、少镍、少铜、低铝的新型奥氏体铸铁。

本发明的目的通过以下方式实现：

所述奥氏体铸铁的化学成份为(wt％)：C3.0-4.0、Si2.0-3.0、Mn8.0-10.0、Ni1.0-4.0、Cu＜3.0、Al≤0.3。

本发明所述奥氏体铸铁所用的炉料包括普通生铁、废钢(屑)，回炉料、高碳锰铁、电解镍、75硅铁和铝丝。用电炉或冲天炉熔化炉料。出炉温度应在1400℃以上。在浇包内加入75硅铁和/或铝丝。浇注时随铁水流冲入75硅铁和/或铝丝。可采用干或湿砂型浇注。700℃左右打箱，冷却。合金铸态组织由A型细小石墨、奥氏体基体以及数量小于1.5％、均匀分布的粒状碳化物组成。这种奥氏体热稳定性较好，500℃下長期加热不分解。

本发明75硅铁加入量为0.5-0.75wt％，铝加入量＜0.5％。

本发明的优点是：

(1)对含少镍(1.0-4.0％)、中锰(8.0-10.0％)、少铜(＜3.0％)的铸铁用75硅铁和/或铝丝进行瞬时孕育抑止住碳化物的析出，获得完全或有少量(＜1.5％＝均匀分布的粒状碳化物的奥氏体铸铁。

(2)显著节约了镍、锰和铜用量。与Ni-Cu奥氏体铸铁相比(C.Gheorghiu et al：Herstellung von leichtmetlkoben mitNiresist-Ringtrager im verbundgiessverfahren Giesserei-Technik 26(1980)(6)176-178。)，镍含量降至4％以下，节省了10-13个百分点，铜量下降2-4亇百分点。

(3)与Mn-Ni-Cu-Al奥氏体铸铁相比(美国专利US 4129309，1978.12.12)，锰量相当于中限值，铝量由(0.3-2.0％)减少到0.3％以下。

(4)所用铝的瞬时孕育工艺充分发挥了铝的孕育能力，消除了由于锰、镍和铜量低，容易生成碳化物的关键缺陷。

(5)所用铝加入量低，减少了夹杂铸造缺陷。

(6)硬度不高，容易加工。

(7)奥氏体热稳定性好。

(8)本发明无磁性奥氏体铸铁适用于工作温度低于500℃的电气装置零件以及发动机活塞镶环和缸套。

附图说明

图1低镍、中锰奥氏体铸铁铸态显微组织。化学成份：C3.70％、Si2.6％、Ni1.5％、Mn10.0％、Cu2.5％、Al0.3％。浇包内加入0.7％75硅铁和0.25％铝丝。金相组织由尺寸较大的A型石墨、奥氏体基体和白色碳化物组成。碳化物尺寸较大，分布在晶间，呈弯曲片状，数量在6％左右。说明孕育不足，出现数量较多，尺寸较大的碳化物。100X

图2低镍，中锰无磁性奥氏体铸铁铸态显微组织。铝含量0.3％，其它化学成份同图1。浇包内加入0.7％75硅铁和0.4％铝丝。金相组织由尺寸较小、弯曲的A型石墨、奥氏体基体和白色碳化物组成。碳化物尺寸较小，呈弯曲状，数量约为2.5％。说明提高浇包铝丝加入量可以增强孕育效果。100X

图3低镍，中锰无磁性奥氏体铸铁铸态显微组织。化学成份为C3.3％、Si2.5％、Mn8.3％、Ni4.0％、Cu2.7％、Al0.3％。浇包加入0.5％75硅铁，随铁水流冲入0.5％铝丝和75硅铁进行瞬时孕育。铸态金相组织为奥氏体基体、细小A型石墨片以及细小粒状碳化物。碳化物数量在1.5％以下。说明联合使用浇包75硅铁孕育和铝丝瞬时孕育具有很强的孕育效果。100X

具体实施方式

下面通过具体实施例子进一步阐述本发明的实质特点和显著的进步。但本发明决非仅局限于实施举例。

实施例1

低镍，中锰奥氏体铸铁的熔制。化学成份为：C3.70％、Si2.6％、Ni1.5％、Mn10.0％、Cu2.5％。炉料包括普通生铁、废钢(屑)、回炉料、高碳锰铁、电解镍、75硅铁和铝丝。用工频电炉熔化炉料。升温至1420℃出炉。浇包内加入0.7％75硅铁和0.25％铝丝，搅拌均匀。用砂型浇注标准抗弯试棒和园筒形铸件130(外径)×68(内径)×200(高)mm。冷却到700℃以下落砂，冷却。铸态金相显微组织见图1。A型石墨片均匀分布在奥氏体基体上。碳化物尺寸较大，呈弯曲片状，分布在奥氏体晶粒晶间，数量在6％左右。说明包内孕育剂量少，不足以抑止碳化物的析出。这种奥氏体铸铁带有微弱磁性，机加工较困难。

表1给出合金的机械性能和奥氏体的热稳定性。在箱式电炉中将奥氏体铸铁加热至500℃，保温13小时，奥氏体未出现分解。600℃下保温7小时后，石墨周围有少量奥氏体分解成索氏体。

说明本发明的奥氏体热稳定性达到用于生产发动机活塞镶环的要求(US专利4129309)**。

表1

抗弯强度(Mpa)	硬度(HB)	奥氏体铸铁热稳定性
		奥氏体铸铁热稳定性		500℃加热13小时	600℃加热7小时
		397 317 381(363)*	144 146 158(150)*	500℃加热13小时	600℃加热7小时	奥氏体不分解	亇别石墨片周围出现少量索氏体

*：平均值

**：生产镶环发动机活塞时，要求奥氏体在500℃加热8小时后不分解(US专利4129309)

实施例2

低镍，中锰奥氏体铸铁的熔制。铝含量0.3％，其他化学成份和熔化工艺同实施例1。在包内加入0.7％75硅铁和0.4％铝丝。铸态金相组织(见图2)由细小A型石墨片、奥氏体基体和细小粒状碳化物组成。碳化物数量在2.5％。说明提高包内铝的加入量，可以有效地强化孕育作用，大幅度降低碳化物数量。表2列举合金机械性能、热膨胀系数以及奥氏体热稳定性。热膨胀系数为18×10^-6/℃，与ISO2896相当。抗拉强度和硬度也达到ISO2896的规定(葛晨光，张允华，朱文高编辑：最新国际铸造标准。全国铸造标准化技术委员会秘书处编译机械工业出版社 1998 1)。奥氏体热稳定性与实施例1相同。

表2**

抗弯强度(Mpa)	抗拉强度(Mpa)	硬度(HB)	热膨胀系数(×10^-6/℃)	奥氏体热稳定性
				奥氏体热稳定性		500℃加热13小时	600℃加热7小时
				383 327351 419(369)	177182 180(180)	500℃加热13小时	600℃加热7小时	144 146156(149)	α_20-400C＝18.35α_20-300C＝18.10α_20-200C＝18.00	奥氏体不分解	亇别石墨片周围出现少量索氏体

*：平均值

**：ISO 2892规定L-NiMn137奥氏体铸铁抗拉强度为140-220MPa，硬度为120-150HB，α_20-200C为17.7×10^-6/℃。

实施例3

低镍，中锰奥氏体铸铁的熔制。化学成份为：C3.3％、Si2.5％、Mn8.3％、Ni4.0％、Cu2.7％、Al0.3％。熔化工艺同实施例1。先在浇包内加入05％75硅铁。然后，再随铁水流冲入0.5％铝丝和75硅铁进行瞬时孕育。用砂型浇注标准抗弯试棒和园筒形铸件130(外径)×68(内径)×200(高)mm。冷却到700℃以下落砂，空冷。铸件断口细、密、无夹杂、无磁性。铸态金相组织(见图3)由细小弯曲A型石墨片、奥氏体基体和细小粒状碳化物组成。碳化物数量在1.5％以下，均匀分布在基体上，达到发动机活塞镶环的要求。表3给出合金机械性能和热稳定性。这种铸铁在580℃下保温15小时，未观察到奥氏体分解。然后，浸入800℃的铝液中3分钟，也未发现奥氏体分解，完全符合镶环活塞生产工艺过程的要求。

筒形铸件退火后，加工成212活塞镶环，未发现铸造缺陷。镶环活塞质量达到原设计要求。发动机装车效果良好。

表3

抗弯强度MPa	500℃加热15小时	500℃加热15小时+740℃铝液中保温5分钟	500℃加热15小时+800℃锌合金熔体中保温5分钟
抗弯强度MPa	500℃加热15小时	500℃加热15小时+740℃铝液中保温5分钟	500℃加热15小时+800℃锌合金熔体中保温5分钟	388 393 383(388)*	奥氏体不分解，未出现磁性。	奥氏体不分解，未出现磁性。	奥氏体不分解，未出现磁性。

*平均值

Claims

1.一种低铝低镍中锰奥氏体基体的铸铁，其特征在于：

1)化学成份(wt％)为C 3.0-4.0、Si 2.0-3.0、Mn 8.0-10.0、Ni1.0-4.0、Cu＜3.0、Al≤0.3；

2)合金金相组织为A型石墨、奥氏体基体以及数量小于1.5％、均匀分布的粒状碳化物；

3)在500℃以下長期服役奥氏体不分解。

2.按权利要求1所述的低铝低镍中锰奥氏体基体的铸铁，其特征在于铸铁化学成份(wt％)为

C 3.70、Si 2.6、Mn10.0、Ni 2.5、Cu 2.5、Al 0.3。

3.按权利要求2所述的低铝低镍中锰奥氏体基体的铸铁，其特征在于铸铁化学成份(wt％)为

C 3.3、Si 2.5、Mn 8.3 Ni 4.0、Cu 2.7、Al 0.3。

4.一种低铝低镍中锰奥氏体基体的铸铁的工艺方法，其特征在于：

1)所用炉料包括普通生铁、废钢、回炉料、锰铁、纯镍、硅铁以及铝丝；

2)炉料的出炉温度在1400℃以上；

3)包内加入硅铁进行孕育处理。浇注时随铁水流加入硅铁和铝丝进行瞬时孕育处理。

5.按权利要求4所述工艺方法，其特征在于：

1)所用的硅铁为75硅铁，加入量为0.5-0.75％；

2)铝丝加入量在0.5％以下。

6.按权利要求4或5所述工艺方法，其特征在于用电炉或冲天炉熔化炉料。