一種高強韌球墨鑄鐵的製備方法
2023-04-24 01:19:06
一種高強韌球墨鑄鐵的製備方法
【專利摘要】本發明提供一種高強韌球墨鑄鐵的製備方法，它是一種利用中頻電爐、通過選用含硫、磷和錳量低的生鐵、廢鋼等原材料熔煉鐵液生產高強韌球墨鑄鐵鑄件的方法，主要包括化學成分設計、爐料選擇及中頻爐熔煉、球化劑選擇及球化處理方法、孕育劑選擇及孕育處理方法等。本方法不需熱處理和脫硫處理，工序少，採用溼型砂生產線製造QT600-10鑄件，比覆砂鐵型鑄造效率高、成本低；生產的球墨鑄鐵強度高、塑性和韌性好，可用於汽車、拖拉機底盤用傳動軸、後橋殼體、差速器殼、支架等零部件。
【專利說明】一種高強韌球墨鑄鐵的製備方法
【技術領域】:
[0001]本發明屬於金屬材料領域，涉及一種利用中頻電爐製備高強韌球墨鑄鐵的方法，特別是一種聞強朝球墨鑄鐵的製備方法。
【背景技術】:
[0002]球墨鑄鐵因其製造和經濟方面的優勢，同時具有強度較高、韌性好、耐磨性能好等優良的綜合性能，用它代替碳鋼、合金鋼等作為一種優良的工程材料，廣泛用於內燃機曲軸、齒輪、連杆、殼體，以及鑄管等重要零部件上。
[0003]隨著發動機功率的不斷提高，對相關設備、零件的性能要求越來越高，一些在高速、高壓、高溫、重載、腐蝕等特殊環境下工作的零件，往往因其快速或異常損壞使整個設備報廢，造成巨大的損失。傳統的汽車、拖拉機底盤用傳動軸、後橋殼體、差速器殼、支架等，在國內主要採用QT450-10或QT600-3，在國外如俄羅斯多採用QT500-7。隨著功率的不斷提高，在動力傳動過程中，特別是變速和剎車時，由於承受強烈的扭矩和迴轉疲勞應力的作用，仍採用裝配小功率的QT450-10、QT600-3或QT500-7標準牌號的球鐵材料，相關零部件容易出現開裂現象，因此提高這些零部件材料強度的同時兼顧高的韌塑性，顯得非常必要。
[0004]目前，各個國家等效採用國際標準IS01083_87(球墨鑄鐵分級)，常用的有:QT400-18, QT450-10, QT500-7, QT600-3, QT700-2等，某大功率拖拉機驅動橋的行星架和錐傳動支座對材質的性能要求超過了此標準。其難點是:在要求高強度(抗拉強度不低於600MPa)的同時，還要求高的韌塑性(伸長率不低於10% )，同時滿足高強度和高韌性，通常需進行適當熱處理(如等溫淬火)等方法才能達到，因此，在鑄態條件下有很大的難度。
[0005]國內外類似研究應用的報導很少。2007/6現代鑄鐵公開了廣州柴油機廠生產的筒式柴油打樁機上的活塞，其鑄態性能要求達到QT600-10，採用如下技術措施:(1)採用沖天爐電爐雙聯熔煉，吹氮氣攪拌脫硫，確保原鐵液W(Sig) ^ 0.020% ；(2)採用覆砂鐵型鑄造，並適當控制W(Mg)和《(RE)含量，以獲得較高的球化率；(3)採用含銅球化劑，並強化孕育，以獲得恰當的珠光體和鐵素體比例。礦山機械第34卷2006年第4期公開鄭州大學研究者採用沖天爐與電爐雙聯的熔煉工藝，並進行二次脫硫處理成功生產QT600-10高強韌球墨鑄鐵。但這兩處報導的方法均要採用脫硫處理，工序較為複雜。
【發明內容】
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[0006]綜上所述，為了克服現有技術問題的不足，本發明提供一種利用中頻電爐、通過選用低硫生鐵、廢鋼等原材料熔煉鐵液生產高強韌球墨鑄鐵鑄件的方法，主要包括化學成分設計、爐料選擇及中頻爐熔煉、球化劑選擇及球化處理方法、孕育劑選擇及孕育處理方法等。本方法不需熱處理和脫硫處理，工序少，採用溼型砂生產線製造QT600-10鑄件，比覆砂鐵型鑄造效率高、成本低；生產的球墨鑄鐵強度高、塑性和韌性好，可用於汽車、拖拉機底盤用傳動軸、後橋殼體、差速器殼、支架等零部件。
[0007]為達到上述目的，本發明採用的技術方案為:[0008]一種高強韌球墨鑄鐵，其材料化學成分的質量百分比為:
[0009]C:3.60 % ~3.80 %，S1:2.50 % ~2.80 %，Mn:0.30 % ~0.50 %，P ≤ 0.05 %，S ≤ 0.02%,Mg:0.030%~0.050%, RE:0.020%~0.040%, Cu:0.50%~0.70%，餘量為Fe。
[0010]—種1?強朝球墨鑄鐵的製備方法，包括以下步驟:
[0011]第一步、化學成分設計，材料最終化學成分按質量百分比為:
[0012]C:3.60% ~3.80%，Si:2.50 % ~2.80 %，Mn:0.30 % ~0.50 %，P ≤ 0.05 %，
5≤ 0.02%,Mg:0.030%~0.050%, RE:0.020%~0.040%, Cu:0.50%~0.70%，餘量為
Fe ；
[0013]第二步、爐料選擇及中頻爐熔煉:採用中頻感應電爐熔煉鐵液，爐前原鐵液的配料化學成份為 C:3.60% ~3.80%，S1:1.00% ~1.60%，Mn:≤ 0.20 %, P ≤ 0.05%,S≤0.03%，餘量為Fe;選用含硫、磷、錳量低的生鐵、廢鋼和回爐料，沒有脫硫工序，配比(質量百分比)為:生鐵:廢鋼:回爐料=30%~60%: 10%~30%:餘量回爐料，將稱量好的爐料加入爐內熔煉，保證處理前的原鐵液化學成分要求，鐵液出爐溫度1450~14800C ;採用蓋包球化處理，球化劑加入量按包鐵液重量的1.0%，採用衝入法，球化劑加入量通常為1.2%~1.4%或更高；
[0014]第三步、球化劑選擇及球化處理方法:球化劑是採用FeSiRE3Mg8球化劑，其中含Ca2.5%~3.5%，MgO < 0.7% ;球化處理方法是採用蓋包方法進行球化處理；
[0015]第四步、孕育劑選擇及孕育處理:採用二次孕育:首先,鐵水包內採用含鋇4%~
6%的WL孕育劑，加入量為0.2 %~0.25 %，粒度為3~10mm，其餘為75SiFe孕育劑補充矽量，以保證材料最終矽含量，同時補加材料最終化學成分要求的錳鐵和電解銅；二次隨流孕育採用75SiFe孕育劑，加入量為0.1 %，粒度0.5~1.5mm ;澆注溫度為1340~1380°C，生產線澆注鑄件的同時澆注基爾試塊；
[0016]第五步、熔煉得到的球墨鑄鐵經檢測，石墨球化級別I~3級，基體組織為40 %~60%鐵素體+珠光體，抗拉強度≤600MPa，伸長率≤10.0%，硬度190~250HB。
[0017]進一步,所述的生鐵為含硫、磷、猛量低的QlO或Q12生鐵。
[0018]合適的化學成分是保證生產出優良性能鑄件的前提。獲得鑄態高強度高韌塑性混合基體球鐵的方法與珠光體基體和鐵素體基體球體有明顯區別，化學成分選定時要保證基體中合適的珠光體和鐵素體量，通常最少相的含量不低於30 %，特別是有一定量的鐵素體(在40 %~60 %為宜)，以保證較高的韌塑性，在此基礎上進行合金化，如加入一定量的Cu、Mn，及較高的Si對鐵素體進行強化，從而得到較高的強度。
[0019]本發明中選用的化學成分作用如下:
[0020]碳和矽:製造球墨鑄鐵時，由於加入球化劑進行球化處理，使相圖中共晶點右移至碳當量4.6%~4.8%或更高，為保持好的鑄造工藝性，提高鐵液的流動性，減小白口傾向和鑄件的縮松缺陷，碳量通常比灰鑄鐵高得多；但碳量也不可過高，碳過高易產生石墨飄浮，降低鑄件力學性能。因此將碳控制為3.60%~3.80%。矽促進石墨化，起孕育作用，降低球化處理過程中的白口傾向、元素偏析和結晶過冷傾向；矽在一定範圍時，矽量增加，基體中鐵素體含量增加，珠光體減少，球墨鑄鐵的韌性塑性有所提高，但矽增加到一定含量後，顯著提高球鐵韌-脆轉變溫度；Si量的控制範圍為2.50%~2.80%。[0021]錳:穩定珠光體元素，一部分錳可溶入鐵素體中提高球墨鑄鐵強度和硬度，但降低它的塑性和韌性；同時形成少量碳化物偏析在晶界上，降低鑄件的力學性能；因此，將錳量控制為0.30%~0.50%。
[0022]硫:硫與球化元素鎂及稀土元素有很強的化合能力，生成硫化物或硫氧化物，不僅消耗球化劑，使球化效果不穩定，且生成的夾雜物顯著降低球鐵的強度、塑性和韌性；控制原鐵液s< 0.030%，球化後SS 0.020%，以保證球化質量。
[0023]磷:磷含量過高時，易偏析於共晶團邊界形成磷共晶，降低球鐵的強度、塑性和韌性；控制PS 0.06%或更低。[0024]鎂和稀土:鎂和稀土都有球化作用，國外大多採用純鎂生產球墨鑄鐵，我國通常採用稀土鎂球化劑生產球鐵，其中鎂起主要球化作用，但鎂的活性很強，純鎂處理的鐵液反應劇烈，加入一定量的稀土可降低鐵液球化反應時的飛濺現象，稀土也起輔助球化作用，並起到淨化鐵液、抗球化幹擾元素的作用。但稀土含量超過一定數值後，石墨形狀會受到破壞，產生石墨畸變；當鐵液中殘留稀土量增多時，球化級別逐漸變差，抗拉強度和韌性也逐漸降低；鎂和稀土的殘留量控制為Mg0.030%~0.050%, RE0.020%~0.040%。
[0025]銅:促進共晶石墨化，可減少或消除游離滲碳體的形成；在共析轉變時，促進基體中珠光體的形成，減少鐵素體含量；隨著銅量的增加，球墨鑄鐵抗拉強度增加，但伸長率有所下降。
[0026]本發明的有益效果為:
[0027]製備的高強韌球墨鑄鐵抗拉強度大於600MPa，伸長率大於10%，性能指標超過國際標準和中國標準，用於汽車、拖拉機等驅動橋底盤等零部件，可以防止使用傳統材料因汽車、拖拉機等功率增大引起的鑄件斷裂問題。本方法不需熱處理和脫硫處理，工序少，採用溼型砂生產線製造QT600-10鑄件，比覆砂鐵型鑄造效率高、成本低；蓋包球化處理方法密封性好，在球化反應過程中，與普通衝入法球化相比球化元素氧化燒損減少，吸收率提高，球化劑消耗量少，且鎂光和煙霧明顯減少，汙染排放量少，改善了生產作業環境；隨流孕育處理效果穩定可靠，孕育劑加入量少，原材料成本大幅度降低，推廣應用將具有更大的社會經濟效益。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0028]圖1是本發明實施例2的金相組織照片；
[0029]圖2是本發明實施例2的拉伸斷口掃描電鏡照片。
【具體實施方式】:
[0030]以下結合實施例對本發明作詳細說明。
[0031]實施例1 (本實施例採用3t中頻感應電爐熔煉鐵液)
[0032]一種聞強朝球墨鑄鐵的製備方法，包括以下步驟:
[0033]第一步、化學成分設計，材料按質量百分比取C:3.63%，S1:2.59%，Mn:0.42%,P ≤0.05%, S ≤ 0.02%, Mg:0.041%, RE:0.025%, Cu:0.62%，餘量為 Fe ；
[0034]第二步、爐料選擇及中頻爐熔煉:採用3t中頻感應電爐熔煉鐵液，按質量百分比生鐵:廢鋼:回爐料=30%: 30%: 40%的爐料加入爐內熔煉，保證處理前的原鐵液化學成分要求，由於採用蓋包球化處理，鐵液溫度降低較少，出爐溫度控制在1450~1480°C ；
[0035]第三步、球化劑選擇及球化處理方法:採用蓋包球化處理，球化劑加入量按包鐵液重量的1.0%，同時補加爐後成分要求的錳鐵和電解銅；球化劑是採用FeSiRE3Mg8球化劑，其中含2.5%~3.5% Ca7MgO ( 0.7%;球化處理方法是採用蓋包方法進行球化處理；國內大多數工廠選用含稀土量高的球化劑如FeSiRE7Mg8，鑄件白口傾向大，易出現游離碳化物，還易出現夾雜物，降低鑄件力學性能；球化處理方法對球鐵組織性能影響很大，國內多採用衝入法進行球化處理，不僅煙霧大，球化劑消耗量大，而且製造的球墨鑄鐵性能較低；
[0036]第四步、孕育劑選擇及孕育處理:採用二次孕育方式:即WL孕育劑和75SiFe孕育劑的一次孕育+粒度0.5~1.5mm的75SiFe孕育劑二次隨流孕育；澆注溫度為1340~1380°C，生產線澆注鑄件的同時澆注基爾試塊；
[0037]第五步、熔煉得到的球墨鑄鐵經檢測，石墨球化級別2級，基體組織為40 %鐵素體+60%珠光體，抗拉強度656MPa，伸長率11.6%，硬度219HB。
[0038]實施例2 (本實施例採用3t中頻感應電爐熔煉鐵液)
[0039]—種聞強朝球墨鑄鐵的製備方法，包括以下步驟:
[0040]第一步、化學成分設計，材料按質量百分比取:C:3.65%，Si:2.58%, Mn:0.31%,P ^ 0.04%, S ^ 0.02%, Mg:0.046%, RE:0.023%, Cu:0.51%，餘量為 Fe ；
[0041]第二步、爐料選擇及中頻爐熔煉:採用3t中頻感應電爐熔煉鐵液，按質量百分比生鐵:廢鋼:回爐料=60%: 10%: 30%的爐料加入爐內熔煉，保證處理前的原鐵液化學成分要求，鐵液出爐溫度控制在1450~1480°C ；
[0042]第三步、球化劑選擇及球化處理方法:球化劑是採用FeSiRE3Mg8球化劑，其中含
2.5%~3.5% Ca, MgO ^ 0.7% ;採用蓋包球化處理，球化劑加入量按包鐵液重量的1.0% ;
[0043]第四步、孕育劑選擇及孕育處理，採用二次孕育方式:即WL孕育劑和75SiFe孕育劑的一次孕育+75% SiFe孕育劑二次隨流孕育；澆注溫度為1340~1380°C，生產線澆注鑄件的同時澆注基爾試塊；
[0044]第五步、熔煉得到的球墨鑄鐵經檢測，石墨球化級別2級，基體組織約為45 %鐵素體+55%珠光體，參見圖1的金相組織照片，抗拉強度625.6MPa，伸長率10.8%，硬度197HB ;參見圖2的拉伸斷口掃描電鏡照片，主要表現為韌性斷裂，右下有少量解理河流花樣，韌窩較多且較深。
[0045]實施例3 (本實施例採用3t中頻感應電爐熔煉鐵液)
[0046]一種高強韌球墨鑄鐵的製備方法，包括以下步驟:
[0047]第一步、化學成分設計，材料按質量百分比取:C:3.72%, S1:2.55%, Mn:0.39%,P ≤ 0.05%, S ≤ 0.02%, Mg:0.044%, RE:0.034%, Cu:0.50%，餘量為 Fe ；
[0048]第二步、爐料選擇及中頻爐熔煉:採用3t中頻感應電爐熔煉鐵液，按質量百分比生鐵:廢鋼:回爐料=40%: 20%: 40%的爐料加入爐內熔煉，保證處理前的原鐵液化學成分要求，鐵液出爐溫度1450~1480°C ；
[0049]第三步、球化劑選擇及球化處理方法:球化劑是採用FeSiRE3Mg8球化劑，其中含
2.5%~3.5% Ca, MgO ^ 0.7% ;採用蓋包球化處理，球化劑加入量按包鐵液重量的1.0% ;
[0050]第四步、孕育劑選擇及孕育處理:採用二次孕育方式:即WL孕育劑和75SiFe孕育劑的一次孕育+75SiFe孕育劑二次隨流孕育；澆注溫度為1340~1380°C，生產線澆注鑄件的同時澆注基爾試塊；
[0051 ] 第五步、熔煉得到的球墨鑄鐵經檢測，石墨球化級別2級，基體組織為60 %鐵素體+40%珠光體，抗拉 強度637.4MPa，伸長率11.0%，硬度209HB。
【權利要求】
1.一種高強韌球墨鑄鐵，其特徵在於，其材料化學成分的質量百分比為:
C:3.60 % ~3.80 %，Si:2.50 % ~2.80 %，Mn:0.30 % ~0.50 %，P ≤ 0.05 %，S ≤ 0.02%,Mg:0.030%~0.050%, RE:0.020%~0.040%, Cu:0.50%~0.70%，餘量為Fe。
2.根據權利要求1所述的一種高強韌球墨鑄鐵的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟: 第一步、化學成分設計，材料最終化學成分按質量百分比為:
C:3.60 % ~3.80 %，Si:2.50 % ~2.80 %，Mn:0.30 % ~0.50 %，P ≤ 0.05 %，S≤ 0.02%,Mg:0.030%~0.050%, RE:0.020%~0.040%, Cu:0.50%~0.70%，餘量為Fe ； 第二步、爐料選擇及中頻爐熔煉:採用中頻感應電爐熔煉鐵液，爐前原鐵液的配料化學成份為 C:3.60%~3.80%，S1:1.00%~1.60%，Mn:≤ 0.20%，P ≤ 0.05%，S ≤ 0.02%，，餘量為Fe ;選用含硫、磷、錳量低的生鐵、廢鋼和回爐料，沒有脫硫工序，按質量百分比配比為，生鐵:廢鋼:回爐料=30~60: 10~30:餘量回爐料，將稱量好的爐料加入爐內熔煉，保證處理前的原鐵液化學成分要求，鐵液出爐溫度1450~1480°C ;採用蓋包球化處理，球化劑加入量按包鐵液重量的1.0%，採用衝入法，球化劑加入量通常為1.2%~1.4%或更聞; 第三步、球化劑選擇及球化處理方法:球化劑是採用FeSiRE3Mg8球化劑，其中含Ca2.5%~3.5%，MgO < 0.7% ;球化處理方法是採用蓋包方法進行球化處理； 第四步、孕育劑選擇及孕育處理:採用二次孕育:首先，鐵水包內採用含鋇4%~6%的WL孕育劑，加入量為0.2%~0.25%，粒度為3~10mm，其餘為75SiFe孕育劑補充矽量，同時補加材料最終化學成分要求的錳鐵和電解銅；二次隨流孕育採用75SiFe孕育劑，加入量為0.1%，粒度0.5~1.5mm;澆注溫度為1340~1380°C，生產線澆注鑄件的同時澆注基爾試塊； 第五步、熔煉得到的球墨鑄鐵經檢測，石墨球化級別I~3級，基體組織為40%~60%鐵素體+珠光體，抗拉強度≤600MPa，伸長率≤10.0%，硬度190~250HB。
3.根據權利要求2所述的一種高強韌球墨鑄鐵的製備方法，其特徵在於，所述的生鐵為含硫、磷、錳量低的QlO或Q12生鐵。
【文檔編號】B22D1/00GK103981434SQ201410230659
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月28日 優先權日:2014年5月28日
【發明者】李平, 李鋒軍, 韓建普, 徐治新, 蘇莉, 彭保中, 歐陽維強, 甄豔君, 湯明健, 範隨長 申請人:河南理工大學