CN1554794A

CN1554794A - 一种高硅耐蚀铸铁的制备方法

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Publication number: CN1554794A
Application number: CNA2003101234802A
Authority: CN
Inventors: 滨杨; 杨滨; 陈国香; 曾效舒; 危仁杰; 张济山
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2003-12-29
Filing date: 2003-12-29
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2023-12-29
Also published as: CN1291055C

Abstract

本发明提供了一种高硅耐蚀铸铁的制备方法，其特征在于：采用Cu合金化、过热保温和孕育处理措施，改善材料的性能；具体方法为：Cu合金化：将化学成分为C0.5～1.4重量％,Si13～16重量％，Mn0.3～0.8重量％，P和S小于0.03重量％，其余为Fe的高硅铸铁，用中频或高频感应炉熔化后，加入占铁水重量2～8％的Cu进行合金化处理；过热保温处理：将上述铁液过热100～350℃、保温5～30分钟进行过热保温处理；孕育处理：选用Si－Ba或Re－Ca－Ba孕育剂进行孕育处理，加入量为占铁水0.2～0.4重量％，浇注温度为1250～1350℃。优点在于：解决了现行高硅铸铁强度低、硬度高、脆性大和成品率低的问题。提高了材料的综合性能，降低了成本。

Description

一种高硅耐蚀铸铁的制备方法

技术领域

本发明属于特种铸铁制备技术领域，特别是提供了一种高硅耐蚀铸铁的制备方法，解决了现行高硅铸铁强度低、硬度高、脆性大和成品率低的问题。

背景技术

硅对铸铁组织的影响主要表现为两方面：一方面它是强石墨化元素，促使铸铁形成灰口组织。另一方面硅又是铁素体形成元素，能扩大铁碳合金中铁素体相区，促使铸铁形成铁素体基体。硅在铸铁件表面形成以SiO₂为主要组成的氧化膜，起到抵御氧化性气体和酸类介质对铸铁的氧化和腐蚀作用。高硅特种铸铁(含Si13～16重量％)耐腐蚀性能好，特别适合制作承受静载荷、与各种强腐蚀介质(包括硝酸、硫酸、铬酸、有机酸和一系列盐溶液)接触的结构部件。而且，高硅铸铁生产工艺简单，成本低，用其代替不锈钢在一些介质中的应用具有显著的经济效益。但是，这种铸铁强度低(只有60～80MPa)、而且由于硅对铁素体有很强的固溶强化作用，使得高硅铸铁中的铁素体高度强化，其结果是形成了硬而脆的硅铁素体相，导致材料硬度高、脆性大，限制了其使用范围。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种高硅耐蚀铸铁的制备方法，解决现行高硅铸铁强度低、硬度高、脆性大和成品率低的问题。在不影响高硅铸铁耐蚀性能的前提下，不需要附加设备，材料中不含昂贵的Cr、Mo合金元素，仅通过采用Cu合金化、过热保温和孕育处理措施，可以有效地改善材料的性能。

本发明采用Cu合金化、过热保温和孕育处理措施，改善材料的性能；具体方法如下：

a、Cu合金化：将主要化学成分为C0.5～1.4重量％，Si13～16重量％，Mn0.3～0.8重量％，P和S小于0.03重量％，其余为Fe的高硅铸铁，用中频或高频感应炉熔化后，加入占铁水重量2～8％的Cu进行合金化处理；

b、过热保温处理：将上述铁液过热100～350℃、保温5～30分钟进行过热保温处理；

c、孕育处理：选用Si-Ba(孕育剂组成：Si60～65重量％，Ca0.8～2.2重量％，Al1～2重量％，Ba2～6重量％，其余为Fe)或Re-Ca-Ba(孕育剂组成：Si45～60重量％，Ca0.8～3重量％，Al1～2重量％，Ba1.5～4重量％，Re3～5重量％，其余为Fe)孕育剂进行孕育处理，加入量为占铁水0.2～0.4重量％，浇注温度为1250～1350℃。

1、Cu合金化

金属材料在化学腐蚀性液体介质中受到的腐蚀作用可分为两个方面，即化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是材料中的元素与介质相化合或被介质所溶解而造成的；电化学腐蚀是由于材料中不同的相有不同的电极电位，因而在具有电解质溶液性质的介质中，产生化学原电池作用而造成的。在铸铁组织中，石墨的电极电位高于渗碳体，而渗碳体的电极电位又高于铁素体。因此当铸铁处于电解液中时，会形成原电池而发生化学腐蚀，使电位低的相受到腐蚀。当往铸铁中加入合金元素如Cr、Mo时，可同时提高其耐化学腐蚀和耐电化学腐蚀的性能。同时，这些合金元素又都是电极电位高于铁的金属，当其溶于铸铁中时，能够提高铁素体的电极电位，从而减轻相间的电化学腐蚀过程。秦紫瑞等(石油机械，1997，25(9)：13-18；上海金属，1995，23(6)：23-30)在高硅铸铁中添加4.45重量％的Cr，观察到石墨数量减少，石墨形态和分布得到改善，并在晶界上观察到有Cr₇C₃、Cr₃C型碳化物析出，对铁素体组织有一定的细化效果。而且，Cr的加入可提高高硅铸铁的钝性、自然电位和点蚀击穿电位，增强其抗电化学腐蚀和抗点蚀的能力。他们还研究了Mo对高硅铸铁耐蚀性能的影响(材料工程，1998，6：29-32)，发现含钼高硅铸铁在50℃、36重量％的HCl介质条件下具有良好的耐蚀性能、抗电化学腐蚀性能和抗点蚀性能。但是为了显著提高铁素体的电极电位，合金元素Cr、Mo需要达到一定的含量。根据电化学中的相关定律可知，固溶体的电极电位随合金元素含量增加而呈现突变式增长，即所谓n/8摩尔规律。例如在铁铬合金中，当含铬量与含铁量的原子数比值达到1/8、2/8、3/8...n/8，亦即达到12.5％、25％、37.55％...时，固溶体的电极电位有显著的提高，材料的耐腐蚀性能也相应有显著的提高。然而，这需要加入大量昂贵的战略物质Cr、Mo合金元素等，这对于批量制备高性能低成本高硅耐蚀铸铁显然是不适宜的。

在高硅铸铁中加入2.0～6.0重量％的Cu合金元素，可以明显改善石墨的形态和分布，减小白口倾向，提高强度。含Cu量小于2重量％时，对高硅铸铁硬度的影响不大；大于2重量％时，铸铁硬度明显降低。含Cu量为4～6重量％时，硬度比未加Cu时降低24％。因此含Cu量优先选择范围为4～6重量％。此时，石墨形态由长片状逐渐发展为弯曲、断续的短片状和点状，并使Si的分布更均匀。铸铁极限抗拉强度比未加Cu时可增加30％以上(如图1所示)，耐蚀性能好。含Cu量大于6重量％时，高硅铸铁硬度增加。含Cu量大于8重量％后，材料硬度比未加Cu时还高。同时，材料的极限抗拉强度和抗弯强度下降。

2、过热保温处理

孕育处理前，对高硅铁液经过适当的过热和静置，可以使铁液中残存的石墨晶芽得以消除，也可使悬浮在铁液中的一些可能作为石墨形核基底的夹杂物从铁液中上浮而去除，提高铁水的流动性。

对目前常用的含硅量为13～16重量％的高硅铸铁，用中频或高频感应炉熔化并经过热100～350℃、保温5～30分钟处理，试样中气孔和夹杂物数量明显减少，铸铁极限抗拉强度可提高10～20％，而硬度变化不大(2～3HRC)。

3、孕育处理

铸铁生产中广泛采用孕育处理以达到改善材料组织和性能的目的。孕育处理的主要目的可归纳为以下三方面：(1)通过加入孕育剂，在铁液中形成大量的非均质石墨晶核，消除低共晶度铸铁在共晶转变过程中的白口倾向，使其结晶成为具有良好石墨形态的铸铁；(2)改善石墨形态，使过冷石墨转变为均匀分布无方向型石墨，并获得细片状珠光体基体，从而提高铸铁的强度；(3)减少铸件薄壁与厚壁之间由于冷却速率不同而产生的组织与性能上的差别，消除壁厚敏感性，提高铸铁组织均一性。李隆盛等(钢铁研究，1996，91(4)：20-25)利用包头1#合金(含20.53重量％Re、40.95重量％Si、3.84重量％Ca、1.05重量％Ti、微量Mg、其余为Fe)对高硅铸铁进行孕育处理，达到了除气、净化铁水和细化铁素体晶粒的目的，但孕育后铸铁硬度大幅度提高(从40HRC增加到50HRC)，使加工性能本来就差的高硅铸铁更难以加工。

采用Si-Ba，Re-Ca-Ba孕育剂可以提高高硅铸铁的强度，与未孕育高硅铸铁极限抗拉强度102.65MPa相比，Re-Ca-Ba加入量为0.4重量％时极限抗拉强度为119.85MPa，比未孕育高硅铸铁提高了16.7％。Si-Ba孕育剂在加入量为0.3重量％时，铸铁极限抗拉强度为115.67MPa，比未孕育高硅铸铁提高了12.7％，而这两种孕育剂孕育前、后铸铁硬度基本上保持不变。研究表明，Si-Ba孕育剂更适合于碳量较低或铸件壁厚较薄的铸件。碳量相对较高或壁厚较厚时，用Re-Ca-Ba孕育剂更为合适。值得指出的是，这类新型孕育剂具有延长孕育衰退时间的特点，对高硅铸铁的生产具有重要意义。

对于要求良好加工性能的高硅铸铁结构部件，Cu合金化、过热保温和孕育处理应同时进行。

本发明的优点在于：不需要添加设备，材料中不含昂贵的Cr、Mo合金元素，仅通过采用Cu合金化、过热保温和孕育处理措施，可以有效地改善材料的性能。解决了现行高硅铸铁强度低、硬度高、脆性大和成品率低的问题，提高了材料的综合性能，降低了成本。

附图说明

图1是本发明中Cu对高硅铸铁极限拉伸强度影响的实验数据图。横坐标为Cu含量、重量百分比；纵坐标为极限拉伸强度，单位为MPa。

具体实施方式

实施例1

用10公斤高频感应炉熔化铁水，铁水主要化学成分为：C0.68重量％；Si14.6重量％；Mn0.4重量％；P和S小于0.03重量％。加入占铁水2重量％的Cu进行合金化处理。铁水过热至1520℃，保持10分钟去除杂质后于1410℃出炉进行孕育。孕育处理采用包内冲入法。将占铁水0.3重量％的Si-Ba孕育剂破碎成5～10mm小块，放入包底凹坑内进行孕育处理。孕育处理后在1320℃进行浇注。材料硬度为37.8HRC，极限抗拉强度为109.4MPa，抗弯强度为197.2MPa。在94重量％H₂SO₄中材料失重率为0.0988g/m²·h(未加Cu时材料的失重率为0.1665g/m²·h)。

实施例2

用150公斤中频感应炉熔化铁水，铁水主要化学成分为：C0.73重量％；Si14.9重量％；Mn0.41重量％；P和S小于0.03重量％；加入占铁水3重量％的Cu进行合金化处理。铁水过热至1510℃，保持16分钟去除杂质后于1410℃出炉进行孕育。孕育处理采用包内冲入法。将占铁水0.4重量％的Re-Ca-Ba孕育剂破碎成5～10mm小块，放入包底凹坑内进行孕育处理。孕育处理后在1300℃进行浇注。材料极限抗拉强度为110.3MPa，抗弯强度为198.6MPa。

实施例3

用150公斤中频感应炉熔化铁水，铁水主要化学成分为：C0.8重量％；Si14.8重量％；Mn0.42重量％；P和S小于0.03重量％；加入占铁水4重量％的Cu进行合金化处理。铁水过热至1500℃，保持12分钟去除杂质后于1400℃出炉进行孕育。孕育处理采用包内冲入法。将占铁水0.4重量％的Re-Ca-Ba孕育剂破碎成5～10mm小块，放入包底凹坑内进行孕育处理。孕育处理后在1280℃进行浇注。材料硬度为26.7HRC，极限抗拉强度为115.67MPa，抗弯强度为201.4MPa。在94重量％H₂SO₄中材料失重率为0.0371g/m²·h。

实施例4

用150公斤中频感应炉熔化铁水，铁水主要化学成分为：C0.75重量％；Si15.2重量％；Mn0.39重量％；P和S小于0.03重量％；加入占铁水5重量％的Cu进行合金化处理。铁水过热至1490℃，保持15分钟去除杂质后于1400℃出炉进行孕育。孕育处理采用包内冲入法。将占铁水0.4重量％的Re-Ca-Ba孕育剂破碎成5～10mm小块，放入包底凹坑内进行孕育处理。孕育处理后在1310℃进行浇注。材料硬度为27.8HRC，极限抗拉强度为117.45MPa，抗弯强度为202.6MPa。

实施例5

用150公斤中频感应炉熔化铁水，铁水主要化学成分为：C0.67重量％；Si15重量％；Mn0.47重量％；P和S小于0.03重量％；加入占铁水6重量％的Cu进行合金化处理。铁水过热至1500℃，保持15分钟去除杂质后于1400℃出炉进行孕育。孕育处理采用包内冲入法。将占铁水0.35重量％的Si-Ba孕育剂破碎成5～10mm小块，放入包底凹坑内进行孕育处理。孕育处理后在1300℃进行浇注。材料硬度为28HRC，极限抗拉强度为119.85MPa，抗弯强度为204.2MPa。在94重量％H₂SO₄中材料失重率为0.0542g/m²·h。

实施例6

用150公斤中频感应炉熔化铁水，铁水主要化学成分为：C0.8重量％；Si14.7重量％；Mn0.5重量％；P和S小于0.03重量％；加入占铁水8重量％的Cu进行合金化处理。铁水过热至1480℃，保持10分钟去除杂质后于1410℃出炉进行孕育。孕育处理采用包内冲入法。将占铁水0.4重量％的Re-Ca-Ba孕育剂破碎成5～10mm小块，放入包底凹坑内进行孕育处理。孕育处理后在1310℃进行浇注。材料硬度为37.5HRC。

Claims

1、一种高硅耐蚀铸铁的制备方法，其特征在于：采用Cu合金化、过热保温和孕育处理措施，改善材料的性能；具体方法如下：

a、Cu合金化：将化学成分为C0.5～1.4重量％，Si13～16重量％，Mn：0.3～0.8重量％，P和S小于0.03重量％，其余为Fe的高硅铸铁，用中频或高频感应炉熔化后，加入占铁水重量2～8％的Cu进行合金化处理；

c、孕育处理：选用Si-Ba或Re-Ca-Ba孕育剂进行孕育处理，加入量为占铁水0.2～0.4重量％，浇注温度为1250～1350℃。

2、按照权利要求1所述的高硅耐蚀铸铁的制备方法，其特征在于：选用的Si-Ba组成为：Si60～65重量％，Ca0.8～2.2重量％，Al1～2重量％，Ba2～6重量％，其余为Fe；Re-Ca-Ba组成为：Si45～60重量％，Ca0.8～3重量％，Al1～2重量％，Ba1.5～4重量％，Re3～5重量％，其余为Fe。