球墨鑄鐵用準晶合金球化劑及其製備方法
2023-05-03 05:56:36 1
專利名稱：球墨鑄鐵用準晶合金球化劑及其製備方法
技術領域：
本發明的技術方案涉及鑄鐵合金的製造，具體地說是球墨鑄鐵用準晶合金球化劑及其製備方法。
背景技術：
球墨鑄鐵的製備是通過球化和孕育處理得到球狀石墨，從而有效提高鑄鐵的機械性能，特別是提高塑性和韌性，並得到比碳鋼還高的強度。球墨鑄鐵是一種高強度鑄鐵材料，其綜合性能接近於鋼，有「以鐵代鋼」的美譽，應用十分廣泛。球墨鑄鐵的球化元素是指那些能夠促進石墨球狀化和使石墨球生成或增加的元素。現有技術中，CN101775457A公開了一種釔稀土鎂複合球化劑，其組成成分的重量百分比分別為:Si35-55%、Mg4.5-10%,Y0.05-1.2%,BiO-1.0%、Sb0_5%、Ca0.5-5% 和 BaO-5%，其餘為鐵及少量雜質元素，該球化劑中含有35 50%的矽元素，從而限制了含Si回爐料的添加量，不利於降低生產成本，且該球化劑中含有一定量的鐵元素，製備時需用中頻感應爐進行熔煉，增加了熔煉溫度和電力消耗。CN102021467A公開了一種球墨鑄鐵球化劑，其組成成分的重量百分比分別為:Mg36-45%、Re6-10%、Ca2-15%、Si23-40%和Ga2_8%，其餘為鐵，該球化劑中含有23 40%的矽元素，從而限制了含Si回爐料的添加量，不利於降低生產成本，且該球化劑要粉碎成粒度小於2mm的顆粒，並用同心鋼管進行包裹後使用，增加了使用工藝的複雜性和球墨鑄鐵生產的成本。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是:提供球墨鑄鐵用準晶合金球化劑及其製備方法，首次將鎂基準晶合金開發成球墨鑄鐵的球化劑材料，其組成元素熔點低，製備的熔煉過程中可節省大量電能，且成分中不含矽，可增加回爐料的使用量，降低生產成本，克服了現有技術工藝複雜，能耗高，生產成本高的缺點。本發明解決該技術問題所採用的技術方案是:球墨鑄鐵用準晶合金球化劑，是一種鎂基準晶合金，其組成元素的質量百分比為:Mg45% 50%、Zn45%、Y5%和Ce0% 5%，該鎂基準晶合金的鑄態組織由五邊形和六邊形混合的塊體準晶相、α-Mg以及共晶相組成。上述球墨鑄鐵用準晶合金球化劑，其組成元素的質量百分比優選為:Mg50%、Zn45%和 Y5%。上述球墨鑄鐵用準晶合金球化劑，其組成元素的質量百分比優選為:Mg48%、Zn45%、Y5% 和 Ce2%。上述球墨鑄鐵用準晶合金球化劑，其組成元素的質量百分比優選為:Mg45%、Zn45%、Y5% 和 Ce5%。上述球墨鑄鐵用準晶合金球化劑的製備方法，步驟是:第一步，製備Mg-Zn-Y (-Ce)準晶合金母合金鑄錠 依據目標合金中各組分元素的質量百分比:Mg為45 50%、Zn為45%、Y為5%和Ce為O 5%，以純度99.99%的鎂錠、純度99.99%的鋅錠、釔含量20wt%的Mg-Y中間合金錠和鈰含量20wt%的Mg-Ce中間合金錠為原材料進行備料；將稱量好的各金屬錠於780°C下熔煉，熔煉過程中通入體積比為CO2 = SF6 = 100:1的0)2/5 6混合氣體進行保護，待所有原料金屬錠完全熔化後，攪拌I分鐘，除去表面雜質，靜置保溫5分鐘後，採用隨爐空冷方式冷卻至室溫，製得Mg-Zn-Y (-Ce)準晶合金母合金鑄錠，其鑄態組織由五邊形和六邊形混合的塊體準晶相、α -Mg以及共晶相組成；第二步，將準晶合金母合金鑄錠砸成塊體，製得球墨鑄鐵用準晶合金球化劑產品將第一步製得的Mg-Zn-Y(-Ce)準晶合金母合金鑄錠用鐵錘砸成尺寸I 2釐米的塊體，即製得球墨鑄鐵用準晶合金球化劑產品。上述球墨鑄鐵用準晶合金球化劑的製備方法，所用的原材料和設備均通過公知的途徑獲得，所用的操作工藝是本技術領域的技術人員所能掌握的。本發明的有益效果是:本發明的突出的實質性特點是:本發明的球墨鑄鐵用準晶合金球化劑是一種鎂基準晶合金，由於鎂的沸點低，加入鐵水中後可使鐵水翻騰，使反應充分、均勻。鎂製成合金後，比重增加，可抑制其在鐵水中的上浮，減少燒損。鎂與氧、硫等元素有非常強的親和力，所生成的MgO和MgS密度遠小於鐵，容易與鐵水分離，因此鎂處理後的鐵水，硫和氧的含量都很低。本發明球墨鑄鐵用準晶合金球化劑中的Y和Ce稀土元素對石墨球化有顯著作用。Y和Ce的沸點比鎂高，加入鐵水中時，有利於鐵水的穩定；￥和Ce元素有比鎂更強的脫硫脫氧能力，生成的Y和Ce的硫化物及Y和Ce的氧化物的熔點高，穩定性好；Υ和Ce與鐵水中的球化幹擾元素也能形成穩定的化合物，因此含Y和Ce的球化劑抗幹擾能力更強。
與現有技術相比，本發明的顯著進步如下:(I)本發明的球墨鑄鐵用準晶合金球化劑中不含矽元素，可增加回爐料的使用量，降低生產成本；(2)本發明的球墨鑄鐵用準晶合金球化劑中不含鐵等高熔點元素，可以使用常用的坩堝式電阻爐進行鑄錠熔煉，降低了設備複雜性，減少了電能消耗；(3)本發明的球墨鑄鐵用準晶合金球化劑由鎂基準晶合金組成，錠料硬而脆，便於使用常用工具砸成小塊，且準晶成分有利於鐵水充分吸收。(4)本發明的球墨鑄鐵用準晶合金球化劑方法所需製備設備價低，製備工藝操作簡單，能耗低，原料成本低。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖1為實施例1製得的Mg-45%Zn_5%Y準晶合金球化劑的100倍光學顯微鏡照片。圖2為圖1中Mg-45%Zn_5%Y準晶合金球化劑的大塊準晶相的電子衍射斑點圖像圖3為實施例1製得的Mg-45%Zn_5%Y準晶合金球化劑處理後的球墨鑄鐵的100倍光學顯微鏡照片。圖4為實施例2製得的Mg-45%Zn_5%Y-2%Ce準晶合金球化劑處理後的球墨鑄鐵的100倍光學顯微鏡照片。圖5為實施例3製得的Mg-45%Zn-5%Y_5%Ce準晶合金球化劑處理後的球墨鑄鐵的100倍光學顯微鏡照片。
具體實施例方式實施例1第一步，製備Mg-45%Zn_5%Y準晶合金母合金鑄錠依據目標合金中各組分元素的質量百分比:Mg為50%、Zn為45%和Y為5%，以純度99.99%的鎂錠、純度99.99%的鋅錠和釔含量20wt%的Mg-Y中間合金錠為原材料進行備料；將稱量好的各金屬錠於780°C下熔煉，熔煉過程中通入體積比為CO2 = SF6 = 100:1的C02/SF6混合氣體進行保護，待所有原料金屬錠完全熔化後，攪拌I分鐘，除去表面雜質，靜置保溫5分鐘後，採用隨爐空冷方式冷卻至室溫，製得Mg-45%Zn-5%Y準晶合金母合金鑄錠，其鑄態組織由五邊形和六邊形混合的塊體準晶相、α-Mg以及共晶相組成。第二步，將準晶合金母合金鑄錠砸成塊體，製得球墨鑄鐵用準晶合金球化劑產品將第一步製得的Mg-45%Zn_5%Y準晶合金母合金鑄錠用鐵錘砸成尺寸1.5釐米的塊體，即製得球墨鑄鐵用準晶合金球化劑產品。圖1為本實施例製得的Mg-45%Zn_5%Y準晶合金球化劑的100倍光學顯微鏡照片，從Mg-45%Zn-5%Y準晶合金球化劑的顯微形貌可見，該球化劑的鑄態組織由五邊形和六邊形混合的塊體準晶相、α -Mg以及共晶相組成；圖2所示為圖lMg-45%Zn-5%Y準晶合金球化劑中大塊準晶相的電子衍射斑點圖像，該圖像呈五次旋轉對稱結構，顯示出與晶體材料不同的準晶體特有的對稱結構，證實本實施例製得的球化劑確實為準晶合金球化劑。用本實施例製得的Mg-45%Zn_5%Y準晶合金球化劑進行鐵水球化及孕育處理的過程是:(I)用常規方法在500Kg中頻感應電爐中熔煉鐵水，鐵水出爐溫度為1480°C，成分為:3.94wt%C、l.26wt%S1、0.22wt%Mn、0.03wt%P、0.02wt%S 和其餘為 Fe。將本實施例製得的Mg-45%Zn-5%Y準晶合金球化劑加入到鐵水中進行球化處理，加入量為鐵水質量的0.4%。採用二次孕育處理，孕育劑為Fe-75%Si。一次包內孕育，孕育劑添加量為鐵水質量的0.8%，第二次為隨流孕育，孕育劑加入量為鐵水質量的0.15%。(2)鑄件澆注及性能測試:將(I)獲得的鐵水澆注在樹脂砂型中，澆注溫度13400C，製得的Mg-45%Zn-5%Y準晶合金球化劑處理後的球墨鑄鐵，截取並加工出Φ 14mm的拉伸球墨鑄鐵試棒，測得其抗拉強度為460MPa，延伸率為16.5%。圖3為本實施例製得的Mg-45%Zn-5%Y準晶合金球化劑處理後的球墨鑄鐵的100倍光學顯微鏡照片，從該照片可見，石墨相得到了有效的球化，且球化效果良好，石墨球大小為6級，球化率> 85%。實施例2
第一步，製備Mg-45%Zn-5%Y_2%Ce準晶合金母合金鑄錠依據目標合金中各組分元素的質量百分比:Mg為48%、Zn為45%、Y為5%和2%Ce，以純度99.99%的鎂錠、純度99.99%的鋅錠、釔含量20%的Mg-Y中間合金錠、鈰含量20%的Mg-Ce中間合金錠為原材料進行備料；將稱量好的各金屬錠於780°C下熔煉，熔煉過程中通入體積比為CO2 = SF6 = 100:1的C02/SF6混合氣體進行保護，待所有原料金屬錠完全熔化後，攪拌I分鐘，除去表面雜質，靜置保溫5分鐘後，採用隨爐空冷方式冷卻至室溫，製得Mg-45%Zn-5%Y-2%Ce準晶合金母合金鑄錠，其鑄態組織由六邊形塊體準晶相、α -Mg以及共晶相組成。第二步，將準晶合金母合金鑄錠砸成塊體，製得球墨鑄鐵用準晶合金球化劑產品將第一步製得的Mg-45%Zn-5%Y_2%Ce準晶合金母合金鑄錠用鐵錘砸成尺寸I釐米的塊體，即製得球墨鑄鐵用準晶合金球化劑產品。該球化劑的鑄態組織由五邊形和六邊形混合的塊體準晶相、α -Mg以及共晶相組成，大塊準晶相的電子衍射斑點圖像呈五次旋轉對稱結構，顯示出準晶體特有的對稱結構，證實該球化劑為準晶合金球化劑。用本實施例製得的Mg-45%Zn_5%Y-2%Ce準晶合金球化劑進行鐵水球化及孕育處理的過程是:(I)用常規方法在500Kg中頻感應電爐中熔煉鐵水，鐵水出爐溫度為1480°C，成分為:3.76wt%C、l.31wt%S1、0.24wt%Mn、0.02wt%P、0.02wt%S、其餘為 Fe。將本實施例製得的Mg-45%Zn-5%Y-2%Ce準晶合金球化劑加入到鐵水中進行球化處理，加入量為鐵水質量的
0.4%。採用二次孕育處理，孕育劑為Fe-75%Si。一次包內孕育，孕育劑添加量為鐵水質量的
0.8%，第二次為隨流孕育，孕育劑加入量為鐵水質量的0.15%。(2)鑄件澆注及性能測試:將(I)獲得的鐵水澆注在樹脂砂型中，澆注溫度1340°C，製得的Mg-45%Zn-5%Y-2%Ce準晶合金球化劑處理後的球墨鑄鐵，截取並加工出屮14mm的拉伸球墨鑄鐵試棒，測得其抗拉強度為485MPa，延伸率為19.2%。圖4為本實施例製得的Mg-45%Zn-5%Y-2%Ce準晶合金球化劑處理`後的球墨鑄鐵的100倍光學顯微鏡照片，從該照片可見，石墨相得到有效的球化，且球化效果很好，石墨球大小為6級，球化率> 90%。實施例3第一步，製備Mg-45%Zn-5%Y_5%Ce準晶合金母合金鑄錠依據目標合金中各組分元素的質量百分比:Mg為45%、Zn為45%、Y為5%和5%Ce，以純度99.99%的鎂錠、純度99.99%的鋅錠、釔含量20%的Mg-Y中間合金錠、鈰含量20%的Mg-Ce中間合金錠為原材料進行備料；將稱量好的各金屬錠於780°C下熔煉，熔煉過程中通入體積比為CO2 = SF6 = 100:1的C02/SF6混合氣體進行保護，待所有原料金屬錠完全熔化後，攪拌I分鐘，除去表面雜質，靜置保溫5分鐘後，採用隨爐空冷方式冷卻至室溫，製得Mg-45%Zn-5%Y-2%Ce準晶合金母合金鑄錠，其鑄態組織由五邊形塊體準晶相、α -Mg、以及共晶相組成。第二步，將準晶合金母合金鑄錠砸成塊體，製得球墨鑄鐵用準晶合金球化劑產品將第一步製得的Mg-45%Zn-5%Y_5%Ce準晶合金母合金鑄錠用鐵錘砸成尺寸2釐米的塊體，即製得球墨鑄鐵用準晶合金球化劑產品。該球化劑的鑄態組織由五邊形和六邊形混合的塊體準晶相、α -Mg以及共晶相組成，大塊準晶相的電子衍射斑點圖像呈五次旋轉對稱結構，顯示出準晶體特有的對稱結構，證實該球化劑為準晶合金球化劑。用本實施例製得的Mg-45%Zn_5%Y-5%Ce準晶合金球化劑進行鐵水球化及孕育處理的過程是:(I)用常規方法在500Kg中頻感應電爐中熔煉鐵水，鐵水出爐溫度為1480°C，成分為:3.69wt%C、l.33wt%S1、0.25wt%Mn、0.03wt%P、0.02wt%S、其餘為 Fe。將本實施例製得的Mg-45%Zn-5%Y-5%Ce準晶合金球化劑加入到鐵水中進行球化處理，加入量為鐵水質量的0.4%。採用二次孕育處理，孕育劑為Fe-75%Si。一次包內孕育，孕育劑添加量為鐵水質量的
0.8%，第二次為隨流孕育，孕育劑加入量為鐵水質量的0.15%。的0.15%。(2)鑄件澆注及性能測試:將(I)獲得的鐵水澆注在樹脂砂型中，澆注溫度1340°C，製得的Mg-45%Zn-5%Y-5%Ce準晶合金球化劑處理後的球墨鑄鐵，截取並加工出Ψ14mm的拉伸球墨鑄鐵試棒，測得其抗拉強度為505MPa，延伸率為21.8%。圖5為本實施例製得的Mg-45%Zn-5%Y-5%Ce準晶合金球化劑處理後的球墨鑄鐵的100倍光學顯微鏡照片，從該照片可見，石墨相得到有效的球化，且球化效果非常好，石墨球大小為6級，球化率>90%。上述實施例中所用的原材料和設備均通過公知的途徑獲得，所用的操作工藝是本技術領域的技術人員所 能掌握的。
權利要求
1.球墨鑄鐵用準晶合金球化劑，其特徵在於:是一種鎂基準晶合金，其組成元素的質量百分比為:Mg45% 50%、Zn45%、Y5%和CeO% 5%，該鎂基準晶合金的鑄態組織由五邊形和六邊形混合的塊體準晶相、α -Mg以及共晶相組成。
2.根據權利要求1所說球墨鑄鐵用準晶合金球化劑，其特徵在於:該球化劑組成元素的質量百分比為:Mg50%、Zn45%和Y5%。
3.根據權利要求1所說球墨鑄鐵用準晶合金球化劑，其特徵在於:該球化劑組成元素的質量百分比優選為:Mg48%、Zn45%、Y5%和Ce2%。
4.根據權利要求1所說球墨鑄鐵用準晶合金球化劑，其特徵在於:該球化劑組成元素的質量百分比優選為:Mg45%、Zn45%、Y5%和Ce5%。
5.權利要求1所說球墨鑄鐵用準晶合金球化劑的製備方法，其特徵在於步驟是: 第一步，製備Mg-Zn-Y (-Ce)準晶合金母合金鑄錠 依據目標合金中各組分元素的質量百分比=Mg為45 50%、Zn為45%、Y為5%和Ce為O 5%，以純度99.99%的鎂錠、純度99.99%的鋅錠、釔含量20wt%的Mg-Y中間合金錠和鈰含量20wt%的Mg-Ce中間合金錠為原材料進行備料；將稱量好的各金屬錠於780°C下熔煉，熔煉過程中通入體積比為CO2 = SF6 = 100:1的C02/SF6混合氣體進行保護，待所有原料金屬錠完全熔化後，攪拌I分鐘，除去表面雜質，靜置保溫5分鐘後，採用隨爐空冷方式冷卻至室溫，製得Mg-Zn-Y (-Ce)準晶合金母合金鑄錠，其鑄態組織由五邊形和六邊形混合的塊體準晶相、α -Mg以及共晶相組成； 第二步，將準晶合金母合金鑄錠砸成塊體，製得球墨鑄鐵用準晶合金球化劑產品 將第一步製得的Mg-Zn-Y(-Ce)準晶合金母合金鑄錠用鐵錘砸成尺寸I 2釐米的塊體，即製得球墨鑄鐵用準晶合金球化劑產品。
全文摘要
本發明球墨鑄鐵用準晶合金球化劑及其製備方法，涉及鑄鐵合金的製造，該球化劑是一種鎂基準晶合金，其組成元素的質量百分比為Mg45%～50%、Zn45%、Y5%和Ce0%～5%，該鎂基準晶合金的鑄態組織由五邊形和六邊形混合的塊體準晶相、α-Mg以及共晶相組成；其製備方法是先製備Mg-Zn-Y(-Ce)準晶合金母合金鑄錠，再將準晶合金母合金鑄錠砸成塊體，製得球墨鑄鐵用準晶合金球化劑產品。本發明球化劑組成元素熔點低，製備的熔煉過程中可節省大量電能，且成分中不含矽，可增加回爐料的使用量，降低生產成本，克服了現有技術工藝複雜，能耗高，生產成本高的缺點。
文檔編號C21C1/10GK103160632SQ20131012584
公開日2013年6月19日 申請日期2013年4月12日 優先權日2013年4月12日
發明者趙維民, 王志峰, 秦春玲, 夏興川, 薛海濤 申請人:河北工業大學