一種高矽鉬球鐵材料的合成製備工藝的製作方法

2024-02-20 17:45:15

本發明涉及金屬材料領域 ，特別涉及一種高矽鉬球鐵材料的合成製備工藝。

背景技術：

高矽鉬球鐵具有較高的高溫強度、耐熱疲勞性、優異的高溫抗氧化性、以及良好的耐高溫抗蠕變性能，因此在排氣管、渦輪殼、中壓外缸等耐高溫部件上獲得廣泛應用。由於矽和鉬的含量較高，因此，脆性較大，容易產生碎塊石墨以及石墨惡化層，由於高矽低碳的制約，還容易產生顯微縮松。

中國專利文獻CN105154759A公開了一種高矽鉬球墨鑄鐵，該球墨鑄鐵含有碳3.3～3.5%、矽3.0～3.2%，錳0.1%以下，磷 0.04%以下，硫 0.01以下，鎂0.04～0.07%、鉬0.5～0.6%、稀土0.08～0.15%、銻0.004～0.005%、剩餘部分由鐵及不可避免的夾雜構成。該文獻配料原料中生鐵40%～50%；廢鋼20%～30%；回爐料20%～30%；加料順序為生鐵、回爐料、廢鋼、矽鐵、鉬鐵依次加入到電爐中。使用以生鐵為主的傳統配方，對鐵液成分要求嚴格，如低錳、低鈦、低硫、低磷以及低的微量元素含量。因此對普通生鐵有嚴格的要求，生產成本較高。同時高矽鉬球鐵有衝擊韌性要求，也時常出現不合格情況。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種適用廢鋼為主要原料，採用中間加入和鏡面加入的聯合加碳方式的合成製備工藝，製備高強度和高衝擊韌性的高矽鉬球墨鑄鐵材料。

本發明的目的是這樣實現的，一種高矽鉬球鐵材料的合成製備工藝，所述高矽鉬球鐵材料各組份的質量百分含量為C:3.3%～3. 5%；Si:2.7%～2.9%；Mo：0.4%～0.5%；P:＜0.03%；S:＜0.015%；Mn:0.25%～0.30%；Mg:0.04%～0.05%，Sb: 0.001%～0.01%,其餘為Fe；所述高矽鉬球鐵材料的合成製備工藝包括如下步驟：

步驟一：配置原材料：所述原材料包括下述質量百分比的配料：廢鋼60%～70%；生鐵25%～35%；矽鐵1%～1.2%，鉬鐵1%～1.3%；增碳劑2～2.5%；

步驟二：熔煉：原料熔化過程中，爐料採用分批加入的方式：第一批加入全部的生鐵，1/3質量的廢鋼；待爐料熔清後，加入第二批爐料：5/11質量的增碳劑和1/3質量的廢鋼，其中廢鋼壓在增碳劑表面採用壓碳的方式加入，待第二批爐料熔清後，加入第三批爐料：5/11質量的增碳劑和1/3質量的廢鋼同樣採用壓碳的方式加入，當第三批爐料全部熔清後，加入全部的矽鐵、鉬鐵，待鐵水升溫至1400℃～1410℃，扒渣除雜後將剩餘的1/11質量的增碳劑鏡面加入；

步驟三：取樣分析和調配：持續加熱，待鐵水升溫到1430℃～1440℃，取鐵水做樣品化學光譜分析，並根據分析結果對鐵水成分進行調配，直至鐵水中除Sb外的其它各組分含量均符合要求；

步驟四：出鐵、球化及孕育處理，先將稀土鎂球化劑放置在球化包底部橫檔的一側，並用廢鋼片包覆稀土鎂球化劑表面，然後將鐵水升溫到1500℃～1520℃後，保溫3-5min後將鐵水向球化包中沒有放置球化劑的一側倒入，同時向鐵水中隨流加入鐵水質量0.001%～0.01%的Sb，球化結束後，進行倒包孕育；

步驟五：除渣，向球化包內添加除渣劑，用扒渣耙攪拌均勻後進行扒渣。

步驟六：澆注，將鐵水澆注到模具中，並且在澆注時隨鐵水流加入隨流孕育劑進行隨流孕育。

為優化球化及孕育工藝，所述步驟四中，球化處理採用的球化劑為0.9%矽鎂合金+0.1%重稀土球化劑；所述球化劑的粒度為10mm～25mm, 同時將0.2%SiC孕育劑放置包內覆蓋在球化劑上，孕育劑的粒度為3mm～8mm；倒包孕育劑為鐵水質量的0.6%矽鋇＋0.4%矽鐵孕育，孕育劑的粒度為3mm～8mm。

為進一步優化隨流孕育，所述步驟六中的隨流孕育採用的孕育劑是粒度為0.2mm～0.7mm的硫氧孕育劑，其加入量為鐵水質量的0.15%。

本發明的方法具有如下有益效果：

（1）本發明通過各化學元素比的合理搭配，有效改善了鑄件的脆性傾向，明顯提高了高矽鉬球墨鑄鐵件的力學性能，經檢測，採用本發明的方法製備的高矽鉬球墨鑄鐵件的抗拉強度抗拉強度＞500MPa，屈服強度＞320MPa，延伸率＞12%，室溫衝擊＞7J，硬度為＞170HB；

（2）原料中以廢鋼為主，並且廢鋼在生鐵後面加入,因生鐵熔點比廢鋼低，可以使生鐵更快的熔化，另一方面，能使廢鋼在融化前得到足夠的烘烤，從而消除廢鋼其表面的油漬及水分，使廢鋼熔化前得到淨化，從而使熔化的鐵水更純淨；

（3）壓碳方式添加增碳劑，使增碳劑加入鐵水內後被廢鋼迅速壓入鐵水內與鐵液充分接觸，增大增碳劑與鐵液的接觸面，促進增碳劑中的碳向鐵液的熔解和擴散，另一方面，金屬覆蓋料的迅速熔化，可有效隔絕增碳劑與空氣的接觸面，防止增碳劑的氧化燒損，從而提高增碳效果；

（4）扒渣後將剩餘的增碳劑鏡面加入，不僅實現了增碳、還可以除去鐵水錶層殘留的少量氧，使鐵液變得更純淨；

（5）本發明在將鐵水倒入澆包的同時進行倒包孕育，這樣加上之前球化時的孕育以及之後澆注時的隨流孕育，總共具有三次孕育，而且孕育劑均採用長效的Si-Ba孕育劑，從而有效防止鐵水孕育衰退，保證鐵水的球化率大於90%，改善球化效果，從而有效避免組織顯微縮松；

（6）製備過程中加入微量的合金元素Sb，可以有效消除碎塊石墨，提高石墨數量和圓整度。

附圖說明

圖1為實施例1的製得的高矽鉬球鐵材料的球化率圖。

圖2為實施例1的製得的高矽鉬球鐵材料的金相組織圖。

圖3為實施例3的製得的高矽鉬球鐵材料的球化率圖。

圖4為實施例3的製得的高矽鉬球鐵材料的金相組織圖。

具體實施方式

實施例1

本實施例中的高矽鉬球鐵材料各組份的質量百分含量為C:3.495%；Si:2.73%；Mo：0.408%%；P:＜0.03%；S:＜0.015%；Mn:0.266%；Mg:0.0401%，Sb: 0.001%,其餘為Fe。

本實施例的高矽鉬球鐵材料的合成製備工藝包括如下步驟：

步驟一：配置下述質量百分比的原材料：廢鋼68%；生鐵28%；矽鐵1%，鉬鐵1.0%；增碳劑2%。步驟二：熔煉：原料熔化過程中，爐料採用分批加入的方式：第一批加入全部的生鐵，1/3質量的廢鋼；待爐料熔清後，加入第二批爐料：5/11質量的增碳劑和1/3質量的廢鋼，其中廢鋼壓在增碳劑表面採用壓碳的方式加入，既先向鐵水中投入增碳劑，然後快速投入廢鋼，將增碳劑壓入鐵入液面內部，使增碳劑與鐵水充分接觸，增大增碳劑與鐵液的接觸面，促進增碳劑中的碳向鐵水的熔解和擴散，另一方面，廢鋼覆蓋料的迅速熔化，可有效隔絕增碳劑與空氣的接觸面，防止增碳劑的氧化燒損，從而提高增碳效果；待第二批爐料熔清後，加入第三批爐料：5/11質量的增碳劑和1/3質量的廢鋼同樣採用壓碳的方式加入，當第三批爐料全部熔清後，加入全部的矽鐵、鉬鐵，待鐵水升溫至1400℃時，扒渣除雜後將剩餘的1/11質量的增碳劑鏡面加入，既直接向鐵水表面加入，不僅現了增碳、還可以除去鐵水錶層殘留的少量氧，使鐵水變得更純淨。步驟三：持續加熱，待鐵水升溫到1430℃～1440℃，取鐵水樣品做化學光譜分析，並根據分析結果對鐵水成分進行調配，直至鐵水中除Sb外的其它各組分含量均符合表1的要求。

表1

步驟四：先將稀土鎂球化劑放置在球化包底部橫檔的一側，並用廢鋼片包覆稀土鎂球化劑表面，然後將鐵水升溫到1500℃後，保溫3-5min後將鐵水向球化包中沒有放置球化劑的一側倒入，同時向鐵水中隨流加入鐵水質量0.001%的Sb，球化結束後，進行倒包孕育；本步驟中球化處理採用的球化劑為0.9%矽鎂合金+0.1%重稀土球化劑；球化劑的粒度為10mm～25mm, 同時將0.2%SiC孕育劑放置在球化包內覆蓋在球化劑上，隨流孕育劑的粒度為3mm～8mm；倒包孕育劑的用量為鐵水質量的0.6%矽鋇＋0.4%矽鐵孕育，孕育劑的粒度為3mm～8mm。步驟五：向球化包內添加除渣劑，用扒渣耙攪拌均勻後進行扒渣。步驟六：澆注，將鐵水澆注到模具中，並且在澆注時隨鐵水流加入隨流孕育劑進行隨流孕育。本步的隨流孕育採用的孕育劑是粒度為0.2mm～0.7mm的硫氧孕育劑，其加入量為鐵水質量的0.15%。澆注結束8h後，進行落砂，接著鑄件與澆注系統進行分離，在將分離好的鑄件進行拋丸，即得高矽鉬球鐵材料。同時取同爐澆注的試塊進行材料力學性能測試結果如表2所述。圖1為本實施例的高矽鉬球鐵材料的球化率圖，圖2為本實施例的高矽鉬球鐵材料的金相組織圖。

表2

實施例2

本實施例與實施例1的不同之處主要在於以下幾方面：

本實施例中的高矽鉬球鐵材料的組分為：

C:3.48%；Si:2.73%；Mo：0.423%；P:＜0.03%；S:＜0.015%；Mn:0.251%；Mg:0.0457%，Sb: 0.003%,其餘為Fe。

原材料質量配比為：廢鋼61%；生鐵26%；矽鐵1.2%，鉬鐵1.3%；增碳劑2.5%。

本實施例的材料熔煉注澆後的試塊的力學性能測試結果如表3所述。

表3

實施例3

本實施例與實施例1的不同之處主要在於以下幾方面：

本實施例中的高矽鉬球鐵材料的組分為：

C:3.4%；Si:2.79%；Mo：0.472%；P:＜0.03%；S:＜0.015%；Mn:0.263%；Mg:0.045%，Sb: 0.006%,其餘為Fe。

原材料質量配比為：廢鋼61%；生鐵30.4%；矽鐵1.1%，鉬鐵1.2%；增碳劑2.3%。

本實施例的材料熔煉注澆後的試塊的力學性能測試結果如表4所述

表4

圖3為本實施例的高矽鉬球鐵材料的球化率圖，圖4為本實施例的高矽鉬球鐵材料的金相組織圖。

實施例4

本實施例與實施例1的不同之處主要在於以下幾方面：

本實施例中的高矽鉬球鐵材料的組分為：

C:3.17%；Si:2.76%；Mo：0.495%；P:＜0.03%；S:＜0.015%；Mn:0.279%；Mg:0.046%，Sb: 0.004%,其餘為Fe。

原材料質量配比為：廢鋼70%；生鐵25%；矽鐵1.2%，鉬鐵1.32%；增碳劑2.5%。

本實施例的材料熔煉注澆後的試塊的力學性能測試結果如表5所述

表5

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