用於灰鑄鐵的非晶孕育劑及其製備方法和使用方法與流程

2023-12-10 21:26:02

本發明屬於鑄鐵合金，特別是涉及用於灰鑄鐵的非晶孕育劑及其製備方法和使用方法。

背景技術：

灰鑄鐵具有良好的耐磨性、減震性和切削加工性，並具有較高的抗壓強度，故在工業上應用極廣。

由於灰鑄鐵中的碳主要以片狀石墨的形式分布於金屬基體中，其斷口呈暗灰色，因此可把灰鑄鐵看作是鋼的基體加上片狀石墨組成。由於石墨的強度相對於金屬基體來說是極小的，所以灰鑄鐵的組織可看作是鋼的基體上存在著許多「裂紋」，因而它的抗拉強度、塑性和衝擊韌度就有極限，為此提高灰鑄鐵性能成為鑄造業追求的目標。

目前提高灰鑄鐵性能的主要方法是：1、合理選擇化學成分，對灰鑄鐵性能影響最大的因素是碳當量。根據所希望獲得的組織和性能，選取合適的碳、矽含量。降低碳當量可減少石墨數量、細化石墨、增加初析奧氏體枝晶量，但降低碳當量會導致鑄造性能降低、鑄件斷面敏感性增大、鑄件內應力增加、硬度上升、加工困難等問題。2、改變爐料組成，灰鑄鐵的金屬爐料一般由新生鐵、廢鋼、回爐料和鐵合金等組成。加入廢鋼，降低鐵液含碳量，可以提高灰鑄鐵的力學性能。但對廢鋼的化學成分有嚴格要求並且不能有鏽蝕。3、鐵液孕育處理，在高強度灰鑄鐵生產中，採用孕育處理時提高強度、改善石墨形狀及其分布的很有效手段，已得到普遍應用。但主要缺點有倆個方面：一是孕育劑消耗量大；二是孕育不良將導致白口傾向的加大及力學性能的下降。4、低合金化，灰鑄鐵的合金化是提高其力學性能和使用性能。但是合金元素的加入，增加材料成本。

現在普遍使用的孕育劑是細粒狀料、由粉料加粘結劑製成的塊料或預製塊，存在改性不徹底特別是對於鑄件強度的改善效果差的實際問題。

授權公告號CN103111609B公開了一種非晶態合金孕育處理鑄造鋁合金方法，所述孕育劑包括Zr系、Ni系、Cu系、Al系和Ti系多元非晶合金，成分按原子百分比為：Zr50Cu50；Zr55Cu30Al10Ni5；Zr65Cu15Al10Ni10；(Zr55Cu30Al10Ni5)95La5；Ni60Nb25Ti15；Ni70Nb10Ti10Zr10；Cu47Ti34Zr11Ni8；Cu47Ti34Zr11Ni8；Ti50Cu45Ni5；Ti50Cu45Ni5；Al84Ni10La6；(1)孕育劑的製備：a)在高純氬氣的保護下，將按一定比例混合的純金屬物料，在高真空多功能電弧爐中熔煉成合金，並吸鑄成棒材；b)然後將棒材通過高真空感應加熱單輥旋淬系統製成非晶條帶。孕育處理的工藝參數為：將製備好的非晶薄帶在鋁合金澆鑄之前加入鋁合金熔體，鋁合金熔體溫度為750℃-770℃；非晶孕育劑加入量為鋁合金重量的0.05-1.0wt.％；孕育處理時間為15-600秒；輔助機械攪拌0-300秒；輔助超聲震蕩0-180秒。該方法的孕育劑是薄條帶狀，便於在熔體中分散、均勻，其團簇和納米晶逐步分散於鋁合金熔體中，作為α-Al的異質形核核心，顯著地增加了鋁合金熔體中初生α-Al形核的核心數量，從而十分明顯地細化了α-Al晶粒。

授權公告號CN102011026B公開了航空緊固件用鈦合金及其製備方法，其中涉及的非晶鈦合金孕育劑的原料按元素的質量百分比為Cu：10％～15％、Ni：10％～15％、Al：1％～5％、V：1％～5％、Fe：3％～10％、B：1％～5％、Zr：5％～10％、Cr：1％～5％，餘量為Ti；非晶鈦合金孕育劑的製備採用極速冷卻法，首先在真空電弧爐的真空度壓力值＞2×10-3Pa，起弧後的弧電流200A～300A，原料全部熔化後隨爐冷卻至室溫，得到鈦合金鑄錠，再將所得鈦合金鑄錠在水冷銅坩堝中反覆上述熔化和冷卻至室溫的熔煉操作過程4次～6次，得到成分相對均勻的鈦合金鑄錠，再將該成分相對均勻的鈦合金鑄錠在抽真空至真空度＞2×10-3Pa的真空退火爐中於900℃～1100℃溫度均勻化退火7h～10h，製得成分完全均勻化的鈦合金鑄錠；最後高純氬氣至真空度的壓力值為0.06Pa～0.08Pa，將原料放入非自耗真空電弧爐的水冷銅坩堝中，調節鎢電極位置，使之與水冷銅坩堝內放入的非晶鈦合金孕育劑原料之間的距離為0.5mm～1.5mm，關閉爐門和放氣閥，抽真空至真空度壓力值＞2×10-3Pa後，隨後充入高純氬氣至真空度的壓力值為0.06Pa～0.08Pa，起弧後調節弧電流逐步上升至200A～300A，整個過程都用高純氬氣保護，至全部原料熔化，隨爐冷卻至室溫，得到鈦合金鑄錠，再將所得鈦合金鑄錠在水冷銅坩堝中反覆上述熔化和冷卻至室溫的熔煉操作過程4次～6次，得到成分相對均勻的鈦合金鑄錠，將該成分相對均勻的鈦合金鑄錠在抽真空至真空度＞2×10-3Pa的真空退火爐中於900℃～1100℃溫度均勻化退火7h～10h，製得成分完全均勻化的鈦合金鑄錠；最後通過快淬法得到非晶鈦合金條帶，即為非晶鈦合金孕育劑。

技術實現要素：

本發明的一個目的在於公開一種用於灰鑄鐵的非晶孕育劑，另一目的在於公開所述非晶孕育劑的製備方法，再一個目的在於提供所述非晶孕育劑的使用方法。

本發明為實現上述目的採取以下技術方案：本發明的用於灰鑄鐵的非晶孕育劑，包括以下重量百分比的各元素：45-78的Si，0.8-3的Al，0-1的Sr，0-6的Ba，0-7的Zr，0-2的Mn，0-4的Cr，0-0.4的Cu，餘量為Fe。

所述非晶孕育劑各元素重量百分比組成是：72-76的Si，0.8-2的Al，0-2的Mn，0-4的Cr，0-0.4的Cu，餘量為Fe。

所述非晶孕育劑各元素重量百分比組成是：45-50的Si，0.8-2的Al，0-2的Mn，0-0.4的Cu，餘量為Fe。

所述非晶孕育劑各元素重量百分比組成是：60-70的Si，0.8-3的Al，5-7的Zr，0-2的Mn，0-0.4的Cu，餘量為Fe。

所述非晶孕育劑各元素重量百分比組成是：73-78的Si，0.8-2.5的Al，0.6-1的Sr，0-2的Mn，0-0.4的Cu，餘量為Fe。

所述非晶孕育劑各元素重量百分比組成是：55-60的Si，0.8-2.5的Al，3-4的Ba，0-2的Mn，0-4的Cr，0-0.4的Cu，餘量為Fe。

所述非晶孕育劑各元素重量百分比組成是：60-65的Si，0.8-2的Al，4-6的Ba，0-2的Mn，0-0.4的Cu，餘量為Fe。

所述非晶孕育劑各元素重量百分比組成是：73-78的Si，0.8-3的Al，0-1.5的Zr，0-2的Mn，0-0.4的Cu，餘量為Fe。

本發明的非晶孕育劑製備方法：將粒度為2-8mm的非晶孕育劑合金原料放入真空快淬爐的水冷銅坩堝，調節電極位置，使之與坩堝內的原料合金顆粒之間的距離為0.5～1.5mm，關閉爐門、進出料口和放氣閥，抽真空至3-4×10-3Pa後充入氬氣，真空快淬爐壓力保持在-0.04～-0.06Pa，起弧後調節弧電流逐步上升至650～800A，將坩堝內的原料合金熔化，待該合金全部熔化成液態時，傾斜該坩堝使得該合金熔液通過流道引至高速旋轉的水冷鉬輪使之極速凝固形成薄帶狀並沿鉬輪切線方向拋出，落入真空爐體下部的收料倉得到非晶孕育劑，鉬輪邊緣線速度為46～55m/秒，鉬輪表面溫度為10～12℃。

所述薄帶狀非晶孕育劑，其平均厚度0.1～0.2mm，平均寬度0.3～0.7mm，平均長度0.7～0.8mm。

本發明非晶孕育劑的使用方法：在澆注前，將灰鑄鐵熔液從運轉包倒入澆注包時隨鐵流添加非晶孕育劑；或，將非晶孕育劑直接鋪設在澆注包底面，灰鑄鐵熔液從運轉包倒入澆注包時與其混合，非晶孕育劑的添加量是澆注包灰鑄鐵熔液的0.03-0.12WT.％。

本發明的有益效果和優點在於：本非晶孕育劑可以降低界面能，使得液態時的原子間的結合能力大大減少，增加原子跳躍、移動的能力，從而使得液態原子近程有序的長度變短，提高了鐵水的流動性；並且使液態高鉻鑄鐵凝固時的過冷度增加，形核核心顯著增加，改變了凝固方式，減少凝固溫度區間，提高了形核率、增加了形核量。本非晶孕育劑可以使灰鑄鐵的共晶團數增多，石墨片長度變短，據比較共晶團數較一般灰鑄鐵平均增加40％以上、石墨片長度平均縮短23％以上，抗拉強度可提高15％以上。

本發明的非晶孕育劑中特定元素具有如下作用：

Si：促進石墨化、脫氧、脫氮作用；

Al：促進石墨化、脫氧、脫氮作用；

Sr：脫氧、脫硫、除氣作用、減小白口、防止縮松缺陷、抗衰退；

Ba：脫氧、脫氮、抗衰退作用、減小鑄鐵斷面敏感性；

Zr：脫氧、脫硫、除氣作用，抗衰退、減少白口傾向；

Mn：降低熔點、使非晶孕育劑合金原料更容易熔入鐵水、脫氧；

Cr和Cu：促進凝固石墨化，穩定珠光體的作用。

本發明的非晶孕育劑針對不同特性的灰鑄鐵以及對灰鑄鐵性能的要求細分為7種型號，各型號的非晶孕育劑分別由上述基本元素和可選擇元素組合組成，均具有使相應灰鑄鐵顯微組織高度均勻化和大幅度提高灰鑄鐵鑄件的綜合機械性能的突出優點。

附圖說明

附圖1是實施例1X射線多晶衍射儀連續掃描(1deg/min)的衍射譜圖。

附圖2是實施例1石墨形態100X對照圖。

附圖3是實施例2石墨形態100X對照圖。

附圖4是實施例3石墨形態100X對照圖。

附圖5是實施例4石墨形態100X對照圖。

附圖6是實施例5石墨形態100X對照圖。

具體實施方式

下面結合實施例及其附圖進一步說明本發明。

實施例1

1型非晶孕育劑各元素重量百分比的組成是：

72的Si，2.0的Al，2.0的Mn，4.0的Cr，0.4的Cu，餘量為Fe；或者是：74的Si，1.5的Al，1.0的Mn，2.0的Cr，餘量為Fe；或者是：76的Si，0.8的Al，0.1的Cu，餘量為Fe。

1型非晶孕育劑的製備方法：

將粒度為2-8mm的1型非晶孕育劑合金放入真空快淬爐的水冷銅坩堝內，調節電極位置，使之與坩堝內的原料合金顆粒之間的距離為0.5～1.5mm，關閉爐門、進出料口和放氣閥，抽真空至3-4×10-3Pa後，充入保護氣體氬氣，真空快淬爐壓力保持在-0.04～-0.06Pa範圍內均可。起弧後調節弧電流逐步上升至650～800A，將坩堝內的原料合金熔化，待該合金全部熔化成液態時，傾斜該坩堝使得該合金熔液通過流道引至高速旋轉的水冷鉬輪使之極速凝固形成薄帶狀並沿鉬輪切線方向拋出，落入真空爐體下部的收料倉得到非晶孕育劑。鉬輪邊緣線速度為46～55m/秒，鉬輪表面溫度為10～12℃。薄帶狀的非晶孕育劑其平均厚度0.1～0.2mm，平均寬度0.3～0.7mm，平均長度0.7～0.8mm。

1型非晶孕育劑的使用方法：將溫度為1400～1500℃的HT300(牌號)灰鑄鐵熔液從運轉包倒入澆注包時，隨鐵流添加1型非晶孕育劑而使兩者混合，1型非晶孕育劑的添加量範圍是澆注包中灰鑄鐵熔液的0.03-0.12WT.％。經孕育處理的灰鑄鐵熔液按常規方法實施澆鑄。

圖1表明1型非晶孕育劑在X射線多晶衍射儀連續掃描(1deg/min)的衍射譜圖中呈非晶體狀態。

圖2中，圖2a是未添加實施例1本孕育劑的試樣石墨形態，石墨平均長度129.83μm。圖2b是添加1型非晶孕育劑(實施例1第1種組成)試樣石墨形態，石墨平均長度97.92μm。

實施例2

2型非晶孕育劑各元素重量百分比的組成是：

45的Si，2.0的Al，2.0的Mn，0.4的Cu，餘量為Fe；或者是：47的Si，1.5的Al，1.0的Mn，餘量為Fe；或者是：50的Si，0.8的Al，0.1的Cu，餘量為Fe。

2型非晶孕育劑的製備方法和使用方法同實施例1。

圖3中，圖3a是未添加本實施例2孕育劑的試樣石墨形態，石墨平均長度146.73μm，圖3b是添加2型非晶孕育劑(實施例2第2種組成)試樣石墨形態，石墨平均長度106.34μm。

實施例3

3型非晶孕育劑各元素重量百分比的組成是：

60的Si，3.0的Al，7.0的Zr，2.0的Mn，0.4的Cu，餘量為Fe；或者是：65的Si，2.0的Al，6.0的Zr，1.0的Mn，餘量為Fe；或者是：70的Si，0.8的Al，5.0的Zr，0.1的Cu，餘量為Fe。

3型非晶孕育劑的製備方法和使用方法同實施例1。

圖4中，圖4a是未添加本實施例3孕育劑的試樣石墨形態，石墨平均長度138.69μm，圖4b是添加3型非晶孕育劑(實施例3第3種組成)試樣石墨形態，石墨平均長度98.66μm。

實施例4

4型非晶孕育劑各元素重量百分比的組成是：

73的Si，2.5的Al，1.0的Sr，2.0的Mn，0.4的Cu，餘量為Fe；或者是：75的Si，1.5的Al，0.8的Sr，1.0的Mn，餘量為Fe；或者是：78的Si，0.8的Al，0.6的Sr，0.1的Cu，餘量為Fe。

4型非晶孕育劑的製備方法同實施例1。

將4型非晶孕育劑直接鋪設在澆注包底面後從運轉包倒入溫度為1400～1500℃的HT250(牌號)灰鑄鐵熔液，隨灰鑄鐵熔液的倒入使4型非晶孕育劑與其混合，4型非晶孕育劑的添加量範圍是運轉包中灰鑄鐵熔液的0.03-0.12WT.％。

圖5中，圖5a是未添加本實施例4孕育劑的試樣石墨形態，石墨平均長度133.87μm，圖5b是添加4型非晶孕育劑(實施例4第1種組成)試樣石墨形態，石墨平均長度102.37μm。

實施例5

5型非晶孕育劑各元素重量百分比的組成是：

55的Si，2.5的Al，3.0的Ba，2.0的Mn，4.0的Cr，0.4的Cu，餘量為Fe；或者是：57的Si，1.5的Al，3.5的Ba，1.0的Mn，2.0的Cr，餘量為Fe；或者是：60的Si，0.8的Al，4.0的Ba，0.1的Cu，餘量為Fe。

5型非晶孕育劑的製備方法同實施例1，使用方法同實施例4。

圖6中，圖6a是未添加本實施例5孕育劑的試樣石墨形態，石墨平均長度139.66μm，圖6b是添加5型非晶孕育劑(實施例5第2種組成)試樣石墨形態，石墨平均長度104.55μm。

實施例6

6型非晶孕育劑各元素重量百分比的組成是：

60的Si，2.0的Al，6.0的Ba，2.0的Mn，0.4的Cu，餘量為Fe；或者是：62的Si，1.5的Al，5.0的Ba，1.0的Mn，餘量為Fe；或者是：65的Si，0.8的Al，4.0的Ba，0.1的Cu，餘量為Fe。

6型非晶孕育劑的製備方法同實施例1，使用方法同實施例4。

實施例7

7型非晶孕育劑各元素重量百分比的組成是：

73的Si，3.0的Al，1.5的Zr，2.0的Mn，0.4的Cu，餘量為Fe；或者是：75的Si，2.0的Al，0.5的Zr，餘量為Fe；或者是：78的Si，0.8的Al，0.5的Mn，0.1的Cu，餘量為Fe。

7型非晶孕育劑的製備方法同實施例1，使用方法同實施例4。

涉及實施例6、7的石墨形態100X對照圖與實施例5提供的石墨形態100X對照圖近似，故省略。

以下通過列表對比說明以上各實施例試樣與未添加本孕育劑試樣在共晶團數量、石墨長度和抗拉強度的狀況。

上表說明本發明的非晶態孕育劑各實施例其共晶團數量明顯高於使用一般孕育劑的灰鑄鐵。

上表說明本發明的非晶態孕育劑各實施例其石墨長度明顯小於使用一般孕育劑的灰鑄鐵。

上表說明本發明的非晶態孕育劑各實施例其灰鑄鐵抗拉強度明顯優於使用一般孕育劑的灰鑄鐵。

以上各表數據的測定方法按照下列標準執行：

金相試樣製備按GB/T13298金屬顯微組織檢驗方法的規定執行；

共晶團數量、石墨長度的評定方法按GB/T7216-2009評定；

抗拉強度檢測按GB/T228金屬材料室溫拉伸試驗方法執行；

灰鑄鐵牌號和性能指標按GB/T9439-2010標準執行。