一種d型石墨鑄鐵及其生產方法
2023-07-30 20:56:06 3
一種d型石墨鑄鐵及其生產方法
【專利摘要】本發明公開了一種D型石墨鑄鐵及其生產方法，屬於石墨鑄鐵【技術領域】，該D型石墨鑄鐵具有抗拉強度高、基體內珠光體含量高、抗熱疲勞性好的特點，其生產方法工藝簡單、成本低廉，本D型石墨鑄鐵的成分為：碳3.0～3.3％，矽1.9～2.3％，錳1.5～2.0％，銅0.6～1.0%，鈦0.08～0.12%，硫0.06～0.08％，鎂0.005～0.015％，稀土0.005～0.015％，磷≤0.03％，其餘為鐵，其生產步驟包括：原料熔融、鐵液中吹入氬氣、出爐衝入澆包並進行第一次孕育，以及澆注鑄型並第二次孕育，本產品可用於生產空調壓縮機缸體，其具有優異的抗熱疲勞性和使用壽命。
【專利說明】一種D型石墨鑄鐵及其生產方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及石墨鑄鐵【技術領域】。
【背景技術】
[0002]普通灰鑄鐵中的碳一般以片狀石墨形式存在。根據其形態不同將片狀石墨分為A、B、C、D、E、F等類型。傳統的觀點認為，A型石墨分布均勻，無方向性，對基體的割裂作用較小，使鑄鐵具有較高的強度山型石墨是在奧氏體枝晶間呈無方向性分布的點狀或小片狀石墨，即枝晶石墨，是一種有害組織，會降低鑄鐵的硬度和強度。但近年來的大量研究表明，D型石墨鑄鐵與A型石墨鑄鐵相比，強度更高、更緻密、尺寸穩定性更好、更耐熱疲勞、機械加工的表面質量更高，如文章編號為1003-8345 (2006) 06-0049-06的文獻「高強度D型石墨鑄鐵的研究進展」即對D型石墨的特點和研究現狀進行了綜述。D型石墨具有這種效果的主要原因在於，D型石墨鑄鐵中的石墨呈細小的點狀或小片狀，這種石墨對鑄鐵基體的割裂作用比A型石墨輕。
[0003]D型石墨是一定化學成分的鐵液在較大過冷度條件下結晶得到的。目前生產D型石墨鑄鐵的方法主要有:一是通過採用金屬型或連續鑄造的方法生產，該方法適用於結構簡單的中小件或型材；二是採用向鐵液中加入一定量的能夠實現成分過冷的合金元素的方法生產，該方法適用於大部分鑄件的生產。
[0004]此外，現有技術中有關於矽、錳元素對D型石墨鑄鐵影響的文獻(《熱加工工藝》1988年第5期，矽、錳對D型石墨鑄鐵的影響，上海交通大學，歷松春等)，該文獻指出原鐵水中矽的含量控制在1.4?1.8%，錳的含量控制在0.7?1.2%將使砂型鑄造D型石墨鑄鐵具有理想的強度和硬度。文章編號為1672-6413(2008)01-0128-02的文獻「微量合金元素對D型石墨鑄鐵的影響」指出鉛、招、錫、神、欽以及稀土兀素的加入可以促進D型石墨鑄鐵中初晶奧氏體骨架的生長，從而使D型石墨鑄鐵的強度得到提高，但是該文獻中並沒有指出各種元素的含量。申請號為200410061413.7的發明專利「含鉛、砷、錫D型石墨鑄鐵」公開了一種含有鉛、砷、錫元素的D型石墨鑄鐵，並公開了該種D型石墨鑄鐵的具體成分。現有技術中還普遍認為硫是有害元素，在金屬中的含量越低越好，但是近來有研究指出，硫在鐵液中能降低碳的溶解度，增強碳的活度，且與錳和稀土形成的硫化物能夠成為石墨非自發形核的核心，從而保證孕育反應順利進行，但是現有技術中並沒有將硫應用於D型石墨鑄鐵的實例。
[0005]總之，現有技術對D型石墨鑄鐵的研究還有待加強，尤其是還缺乏一種用於生產聞強度D型石墨鑄鐵的聞效、低廉、穩定、簡單的生廣方法。
【發明內容】
[0006]本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供一種D型石墨鑄鐵及其生產方法，這種D型石墨鑄鐵具有抗拉強度高、基體內珠光體含量高、抗熱疲勞性好的特點，其生產方法具有成本低廉、工藝簡單、產品質量穩定可靠的特點。
[0007]為解決上述技術問題，本發明所採取的技術方案是:一種D型石墨鑄鐵，它通過兩次孕育製成，其中第一次孕育採用包底衝入法，第二次孕育為隨流瞬時孕育；其以重量百分比表示的化學成分為:
碳 C 3.0 ?3.3%， 矽 Si 1.9 ?2.3%，
錳 Mn 1.5 ?2.0%， 銅 Cu 0.6 ?1.0%,
鈦 Ti 0.08 ?0.12%， 硫 S 0.06 ?0.08%，
鎂 Mg 0.005 ?0.015%，稀土 0.005 ?0.015%，
磷P ^ 0.03%,其餘為鐵Fe。
[0008]上述D型石墨鑄鐵的生產方法，其包含如下步驟:
1)以廢鋼、娃鐵、聞碳猛鐵、電解銅板、欽鐵、石墨增碳劑以及硫化鐵為原料，將原料溶融為鐵液；上述原料的投放比例顯然應當與本D型石墨鑄鐵產品的化學成分相符，其中矽鐵的投入量還應當給後續第一孕育劑所帶入的矽留出餘量；
2)將鐵液加熱至1500?1550°C，在此溫度下向鐵液中吹入氬氣，吹氣深度在距爐底九分之二至九分之四爐深處，吹氣時間為5?8分鐘；吹氣過程中，應保持鐵液表面平穩而不出現明顯的翻騰現象，以防捲入氣體降低淨化效果；
3)將鐵液在1450?1480°C溫度下出爐,對出爐的鐵液採用第一孕育劑進行第一次孕育，第一次孕育採用包底衝入法；使用前對第一孕育劑進行烘乾處理，第一孕育劑的粒度為3?8暈米，加入量為鐵液重量的0.3?0.5% ；
第一孕育劑以重量百分比表示的化學成分為:
鎂 Mg 1.0 ?4.0%，稀土 4.0 ?8.0%，
矽Si 40?45%，其餘為鐵Fe;
4)將澆包中的鐵液靜置扒渣，然後進行澆注鑄型，澆注時採用第二孕育劑進行第二次孕育，第二次孕育為隨流瞬時孕育，第二孕育劑採用粒度為0.3?0.8毫米的工業純鐵粉，第二孕育劑的加入量為鐵液重量的0.1?0.2% ;使用前對第二孕育劑進行烘乾處理；鑄型完成後即得本發明所述D型石墨鑄鐵。
[0009]作為優選，步驟I)中的原料為:無鏽蝕無油汙的10?25號低碳廢鋼、國標FeSi75-B矽鐵、國標FeMn63高碳錳鐵、電解銅板、國標FeTi30_B鈦鐵、含碳量為98%的石墨增碳劑以及含硫量為40%的硫化鐵。
[0010]作為優選，步驟I)中將原料熔融為鐵液的方式為，將原料加入到中頻感應爐中加熱熔融。
[0011]作為優選，步驟2)中的吹氣深度為距爐底三分之一爐深處。
[0012]作為優選，步驟3)中的第一次孕育使用堤壩式澆包，第一孕育劑放在堤壩的一側，第一孕育劑上的覆蓋劑為珍珠巖，覆蓋劑使得鐵液在衝入澆包二分之一至三分之二體積量時開始與第一孕育劑反應。
[0013]作為優選，第一孕育劑與第二孕育劑的烘乾溫度均為200?300°C，烘乾時間均為20?30分鐘。
[0014]本發明採用了合成鑄鐵，即用廢鋼加增碳劑加矽鐵來取代傳統的新生鐵以得到鑄鐵鐵液，這就有效地避免了新生鐵由於具有粗大石墨片的遺傳而導致鑄鐵中石墨片粗大的問題；另一方面，合成鑄鐵鐵液中的廢鋼可以增加鐵液中氮的含量，氮以游離態富集在石墨結晶前沿，限制其生長，從而使石墨細化，頭部變鈍；其次，本發明採用了工業純鐵粉進行瞬時孕育，使鐵液在鑄型中結晶時顯著增加了奧氏體結晶的核心，極大地增加了奧氏體枝晶的數量，使奧氏體枝晶細化，枝晶臂間距縮小，並形成複雜的框架結構，這是令人驚奇和意想不到的。
[0015]本發明的鑄鐵中，鎂和稀土能擴大初晶奧氏體的生長溫度區域，促進初晶奧氏體的生長，有利於奧氏體枝晶複雜框架的形成。同時，鎂和稀土與鐵液中的硫和氧生成的硫化物和氧化物能作為石墨結晶的外來晶核使初晶奧氏體骨架間鐵液中石墨晶核增多，使隨後共晶轉變生成的D型石墨增多，尺寸減小。鑄鐵中的鈦與碳原子的親和力很強，從而減慢了碳的擴散速度，延遲了共晶石墨的析出，使共晶轉變溫度降低。鈦還被吸附在石墨的周圍從而抑制了石墨的生長。同時，鈦還具有較強的脫氧能力，當鐵液中加入一定量的鈦後，含氧量明顯降低，這些都有利於D型石墨的形成。
[0016]硫一般被認為是有害元素，在金屬中越低越好。但近些年來的研究發現，硫在鐵液中能降低碳的溶解度，增強碳的活度，其與錳和稀土形成的硫化物還會成為石墨非自發形核的核心，從而保證孕育反應的順利進行。當鐵液中的硫量偏低時，孕育元素的作用得不到發揮，孕育效果不佳。因此，本發明的D型石墨鑄鐵中，加入了 0.06?0.08%的硫。
[0017]採用上述技術方案所產生的有益效果在於:本發明的鑄鐵成分中含有較高的錳(1.5?2.0%)和一定量的銅，取得了以下兩點顯著效果:一是錳和銅的聯合作用顯著擴大了奧氏體區，使奧氏體共析轉變溫度降低，有效提高了基體中珠光體的數量，並且由於奧氏體共析轉變的溫度較低，使得到的珠光體片細化；二是錳和銅均能固溶於奧氏體中，這有利地促進了奧氏體向珠光體的轉變，很好地解決了 D型石墨鑄鐵中普遍存在的基體組織中由於鐵素體量多而制約其強度和硬度進一步提高的問題。
[0018]此外，已有的實踐表明，鐵液中的氣體和夾雜物極大地制約著優質鑄件的生產獲得，目前通常使用的過濾網和聚渣劑等只能部分清除鐵液表面的浮渣和大顆粒的夾雜物。借鑑煉鋼中的精煉技術，本發明方法採用向鐵液中吹氬氣的方式淨化鐵液，很好地解決了鐵液的純淨度問題。
[0019]使用本發明方法得到的D型石墨鑄鐵奧氏體枝晶發達，二次晶臂間距小，基體中的珠光體量大於65%,標準試棒抗拉強度(依據GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》)為390?450MPa，具有良好性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是D型石墨鑄鐵中的D型石墨照片；
圖2是D型石墨鑄鐵的基體組織照片。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明。
[0022]一種D型石墨鑄鐵的生產方法，包含如下步驟:
I)將廢鋼500公斤、國標FeSi75-B矽鐵13公斤、國標FeMn63高碳錳鐵14公斤、電解銅板4公斤、國標FeTi30-B鈦鐵1.6公斤、含碳量為98%的石墨增碳劑16公斤，以及含硫量40%的硫化鐵0.5公斤加入到中頻感應爐中熔融為鐵液，其中廢鋼為無鏽蝕無油汙的國標10號低碳廢鋼；
2)將鐵液加熱至1550°C，在此溫度下向鐵液中吹入氬氣，吹氣深度在距爐底三分之一爐深處，吹氣時間為8分鐘，吹氣過程中，應保持鐵液表面平穩而不出現明顯的翻騰現象，以防捲入氣體降低淨化效果；
3)對第一孕育劑進行烘乾處理，烘乾溫度為250°C，烘乾時間為20分鐘；
第一孕育劑的粒度為3?8毫米，第一孕育劑以重量百分比表示的化學成分為:
鎂 Mg 3%,稀土 6%，
矽Si 42%,其餘為鐵Fe;
4)將鐵液在1520°C溫度下出爐,對出爐的鐵液採用第一孕育劑進行第一次孕育,第一孕育劑的加入量為2.75公斤，第一次孕育採用包底衝入法，澆包為堤壩式，將第一孕育劑放入堤壩的一側，第一孕育劑上覆蓋有珍珠巖覆蓋劑，該覆蓋劑使得鐵液在衝入澆包三分之二體積量時開始與第一孕育劑反應，此時出鐵稍作停留，待反應基本停止後補滿澆包；
5)對第二孕育劑進行烘乾處理，烘乾溫度為200°C，烘乾時間為30分鐘；第二孕育劑採用粒度為0.3?0.8毫米的工業純鐵粉；
6)將澆包中的鐵液靜置扒渣，然後進行澆注鑄型，得到空調壓縮機缸體；澆注時採用第二孕育劑進行第二次孕育，第二次孕育為隨流瞬時孕育，第二孕育劑的加入量為1.1公斤。
[0023]通過上述方法得到的D型石墨鑄鐵以重量百分比表示的化學成分為:
碳 C 3.2%, 矽 Si 2.0%,
錳 Mn 1.8%, 銅 Cu 0.8%,
鈦 Ti 0.10%, 硫 S 0.07%,
鎂 Mg 0.012%,稀土 0.010%，
磷P 0.02%, 鐵Fe 餘量。
[0024]在鑄鐵上取樣並觀察其金相組織，發現組織中除少量A型石墨外均為D型石墨(見圖1);基體組織中65%為珠光體，初生奧氏體枝晶發達(見圖2);組織結構緻密，經打壓試驗測試無滲漏；經力學性能檢測，本體抗拉強度為365MPa，單鑄試樣抗拉強度為420MPa，超過了空調壓縮機缸體HT250的要求。
[0025]總之，本生產方法工藝簡單、成本低廉，生產出的D型石墨鑄鐵抗拉強度高、基體內珠光體含量高、抗熱疲勞性好，能夠用於鑄造多種器件。
【權利要求】
1.一種D型石墨鑄鐵，其特徵在於:通過兩次孕育製成，其中第一次孕育採用包底衝入法，第二次孕育為隨流瞬時孕育；其以重量百分比表示的化學成分為: 碳 C 3.0 ?3.3%， 矽 Si 1.9 ?2.3%， 錳 Mn 1.5 ?2.0%， 銅 Cu 0.6 ?1.0%, 鈦 Ti 0.08 ?0.12%， 硫 S 0.06 ?0.08%， 鎂 Mg 0.005 ?0.015%，稀土 0.005 ?0.015%， 磷P ^ 0.03%,其餘為鐵Fe。
2.如權利要求1所述一種D型石墨鑄鐵的生產方法，其特徵在於:包含如下步驟: 1)以廢鋼、娃鐵、聞碳猛鐵、電解銅板、欽鐵、石墨增碳劑，以及硫化鐵為原料，將原料熔融為鐵液； 2)將鐵液加熱至1500?1550°C，在此溫度下向鐵液中吹入氬氣，吹氣深度在距爐底九分之二至九分之四爐深處，吹氣時間為5?8分鐘； 3)將鐵液在1450?1480°C溫度下出爐,對出爐的鐵液採用第一孕育劑進行第一次孕育，第一次孕育採用包底衝入法；使用前對第一孕育劑進行烘乾處理，第一孕育劑的粒度為3?8暈米，加入量為鐵液重量的0.3?0.5% ； 第一孕育劑以重量百分比表示的化學成分為: 鎂 Mg 1.0 ?4.0%，稀土 4.0 ?8.0%， 矽Si 40?45%，其餘為鐵Fe ； 4)將澆包中的鐵液靜置扒渣，然後進行澆注鑄型，澆注時採用第二孕育劑進行第二次孕育，第二次孕育為隨流瞬時孕育，第二孕育劑採用粒度為0.3?0.8毫米的工業純鐵粉，第二孕育劑的加入量為鐵液重量的0.1?0.2% ;使用前對第二孕育劑進行烘乾處理；最終得到的D型石墨鑄鐵以重量百分比表示的化學成分為: 碳 C 3.0 ?3.3%， 矽 Si 1.9 ?2.3%， 錳 Mn 1.5 ?2.0%， 銅 Cu 0.6 ?1.0%, 鈦 Ti 0.08 ?0.12%， 硫 S 0.06 ?0.08%， 鎂 Mg 0.005 ?0.015%，稀土 0.005 ?0.015%， 磷P ^ 0.03%,其餘為鐵Fe。
3.根據權利要求2所述的D型石墨鑄鐵的生產方法，其特徵在於所述步驟I)中的原料為:無鏽蝕無油汙的10?25號低碳廢鋼、國標FeSi75-B矽鐵、國標FeMn63高碳錳鐵、電解銅板、國標FeTi30-B鈦鐵、含碳量為98%的石墨增碳劑，以及含硫量為40%的硫化鐵。
4.根據權利要求2所述的D型石墨鑄鐵的生產方法，其特徵在於所述步驟I)中將原料熔融為鐵液的方式為，將原料加入到中頻感應爐中加熱熔融。
5.根據權利要求2所述的D型石墨鑄鐵的生產方法，其特徵在於所述步驟2)中的吹氣深度為距爐底三分之一爐深處。
6.根據權利要求2所述的D型石墨鑄鐵的生產方法，其特徵在於所述步驟3)中的第一次孕育使用堤壩式澆包，第一孕育劑放在堤壩的一側，第一孕育劑上的覆蓋劑為珍珠巖，覆蓋劑使得鐵液在衝入澆包二分之一至三分之二體積量時開始與第一孕育劑反應。
7.根據權利要求2所述的D型石墨鑄鐵的生產方法，其特徵在於所述第一孕育劑與第二孕育劑的烘乾溫度均為200?300°C，烘乾時間均為20?30分鐘。
【文檔編號】C22C37/10GK104404361SQ201410733994
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月5日 優先權日:2014年12月5日
【發明者】張忠誠 申請人:河北科技大學