CN102268586B - 耐腐蚀合金铸铁及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耐腐蚀合金铸铁及其制备方法。按重量百分比计，本铸铁由下列各成分组成，C 2.8～3.2％，Si 1.6～2.2％，Mn 0.4～0.8％，Cu 0.6～1.2％，Cr 0.5～1.0％，Ni 0.6～1.2％，P 0.07～0.09％，S 0.04～0.06％，余量为铁。本铸铁的成分经济合理，对腐蚀性气体的耐腐蚀性能持久。本铸铁的制备方法包括配制炉料、熔炼、孕育处理、浇注、退火各步骤。本方法工艺简单，使用设备少，便于工业化推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种铸铁，更具体地说，本发明涉及一种耐腐蚀合金铸铁，同时，本发明还涉及一种所述耐腐蚀合金铸铁的制备方法。
背景技术
随着科研、化工、化肥、石油、医药、维尼龙、气体工业等领域的迅速发展，现在各种特种气体的应用也日益广泛，特别是压缩腐蚀性气体(如：二氧化碳、二氧化硫、氟气、氯气、氯化氢、硫化氢等)所需的往复活塞压缩机及配套的存储、运输容器、管道等的需求日益增加，故研制耐腐蚀合金铸铁的制备方法，已提到议事日程。
蒙乃尔合金是一种以金属镍为基体添加铜、锰等其它元素而成的合金钢，系高强度的单相固溶体，它是一种用量最大、用途最广、综合性能极佳的耐腐蚀合金。此合金在氢氟酸和氟气介质中具有优异的耐腐蚀性，对热浓碱液也有优良的耐腐蚀性，同时还耐中性溶液、水、海水、大气、有机化合物等的腐蚀。该合金一般不产生应力腐蚀裂纹，切削性能良好。该合金可用来制造以下零部件：核工业中提炼铀和同位素分离器的罐体，动力工厂中的无缝输水管和蒸汽管，海水换热器和蒸发器换热管，硫酸和盐酸环境下的原油蒸馏塔壳体，海水中所用设备的泵轴和螺旋桨，盐酸制造设备中所用的泵和阀，压缩机中结构简单的高压气缸或缸套、活塞等。但是，由于该合金的铸造性能差、成本高，其应用受到局限。
原一机部1976年发布的“高硅耐腐蚀铸铁技术”标准草案中，提出了以下耐腐蚀铸铁：高镍奥氏体耐腐蚀铸铁(Ni13.5～36％)、高铬耐腐蚀铸铁(Cr13.5～36％)、高硅耐腐蚀铸铁等。上述铸铁的成分组成是根据耐酸泵厂或化工机械厂生产泵体和转子的需要而确定的。上述铸铁要么强度低，不能承受变载荷、变温度和振动工况，对往复活塞压缩机的工况不适用；要么铸造性能差，易脆裂、易产生气孔和裂纹，且采用上述铸铁的铸造方法，难以制得往复活塞压缩机中结构较为复杂的低压和中压气缸盖、气缸或气缸套、气缸座、中体和活塞等。
现在，对于压缩腐蚀性气体的往复活塞压缩机而言，与腐蚀性气体接触的气缸、活塞、活塞杆等部件一般采用镀铬防腐；气阀、管路、冷却器等采用不锈钢；在与腐蚀性气体接触的气缸、气缸套、活塞及气道等零部件的表面喷涂防腐蚀涂层：酸性介质选用酚醛漆；碱性介质选用环氧树脂漆等。但由于防腐蚀涂层的磨损或剥落，往复活塞压缩机的上述零部件仍遭受腐蚀性气体的腐蚀而提前失效，防腐蚀效果均不尽人意。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种耐腐蚀合金铸铁，其成分经济合理，对腐蚀性气体的耐腐蚀性能持久；同时提供一种该耐腐蚀合金铸铁的制备方法，该方法工艺简单，使用设备少，便于工业化推广。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种耐腐蚀合金铸铁，按重量百分比计，它由下列各成分组成，C 2.8～3.2％，Si 1.6～2.2％，Mn 0.4～0.8％，Cu 0.6～1.2％，Cr0.5～1.0％，Ni 0.6～1.2％，P 0.07～0.09％，S 0.04～0.06％，余量为铁。
本发明提供了一种耐腐蚀合金铸铁的制备方法，该方法包括如下步骤：
1)、配制炉料：根据需要浇注的耐腐蚀合金铸铁的工艺重量，备好新生铁、回炉铁、废钢、硅铁、锰铁、电解铜、电解镍、电解铬，按照本耐腐蚀合金铸铁所述各成分的相应重量百分比比例，称取1000kg炉料；
2)、熔炼：将配好的新生铁、回炉铁、废钢、硅铁、锰铁放入中频电炉内，使它们通电熔化，熔炼温度为1250～1350℃，熔化时间为2～3小时，然后进行精炼，熔炼温度为1400～1500℃，在除去炉渣后，加入电解铜、电解镍、电解铬，保温15～20min，完成熔炼；
3)、孕育处理：当浇包中的进铁液量为其容积的1/4时，通过定量漏斗，将粒状孕育剂均匀而分散地撒向浇包中的铁液，当浇包中的进铁液量为其容积的4/5时停止撒孕育剂；孕育剂的撒入量为浇包中的总进铁液量的0.2～0.4％(重量百分比)；孕育剂的粒度按以下方式选择：进铁液量小于500kg时，孕育剂的粒度为2～5mm；进铁液量大于或等于500kg时，粒度为5～8mm；孕育剂为75硅铁；
4)、浇注：孕育后在1380～1460℃的温度下，于10～15min内将铁水注入砂模型腔内，根据铸铁的结构、壁厚，确定铸铁的开箱时间；
5)、退火：将铸铁以50～100℃/h的速度加热到500～550℃，保温2～3小时，然后，将铸铁以20～50℃/h的速度，随炉冷却到180～220℃，最后，将铸铁出炉，并自然冷却至室温，即可制得所述的耐腐蚀合金铸铁。
为能简洁说明问题起见，以下对本发明所述耐腐蚀合金铸铁均简称为本铸铁。
本铸铁中各成分的功能分析如下：
按重量百分比计，本铸铁的成分中含有C 2.8～3.2％和Si 1.6～2.2％，C和Si的含量越高，则越有利于形成灰铸铁。其中：Si在本铸铁里起着分解渗碳体的作用，使之形成游离碳；还可以降低本铸铁的熔点。
按重量百分比计，本铸铁的成分中含有Cr 0.5～1.0％，Cr可溶于铁素体或形成复杂碳化物，碳化物在高温下也很稳定，在一定的冷却速度下，可促进珠光体的数量增加，并可细化珠光体和石墨，在不形成碳化物时，本铸铁的强度、硬度会随着含铬量的增加而提高，塑性和韧性恶化不大，被切削性降低不大，本铸铁的耐热性、耐磨性和耐腐蚀性可得到提高。
按重量百分比计，本铸铁的成分中含有Cu 0.6～1.2％，Cu可使铸铁组织和石墨细化均匀、致密，可使本铸铁薄的断面白口减少，厚的断面珠光体细化，提高断面的均匀性。这样，可提高本铸铁的强度、硬度和韧性，还可以提高本铸铁的耐磨、耐热和耐腐蚀性，改善本铸铁的加工性能。
按重量百分比计，本铸铁的成分中含有Ni 0.6～1.2％，Ni有助于消除铸铁的白口和促进游离碳化物分解，稳定和细化珠光体，可使铸铁的结晶细化、石墨细化、组织致密。这样，可提高本铸铁的冲击韧性、硬度和强度，提高耐磨性，改善耐热、耐腐蚀性和被切削性。
按重量百分比计，本铸铁的成分中含有Mn 0.4～0.8％，Mn是弱碳化物形成元素，只与铁及其它碳化物联合形成渗碳体型的碳化物，能清除FeO，锰可与硫形成MnS，以降低铁液中含硫量，FeO和MnS可随炉渣一起清除。锰对本铸铁的脆性、加工性和耐磨性均有所改善。
经测试，本铸铁的碳当量Ce＝3.13～3.93％，在Fe-Fe3C状态图中，金相组织处在亚共晶铸铁接近过共晶铸铁的位置。
本铸铁的机械性能：当本铸铁的主要壁厚小于和等于30mm时，以直径30mm毛坯制取试棒；当本铸铁的主要厚壁大于30mm时，以直径45mm毛坯制取试棒。两试棒分别按国家标准测试，两者所达到的机械性能不低于表1要求。
表1
采用本发明的制备方法，可制得往复活塞压缩机中与腐蚀性气体接触的相关零部件(当然，本发明制备方法中要采用往复活塞压缩机中与腐蚀性气体接触的相关零部件的对应制作砂模)。这样，有助于提高往复活塞压缩机中与腐蚀性气体接触的相关零部件(如：低压和中压气缸盖、气缸或气缸套、气缸座、中体和活塞)的综合性能和使用寿命，所述相关零部件的耐腐蚀性能较佳，且能承受工作中负载和温度的变化，确保往复活塞压缩机安全、可靠地运行。将采用本发明制备方法制得的气缸或气缸套，装配在二氧化碳、二氧化硫、二氟乙烷、氯甲烷等相应气体的压缩机中，且上述的压缩机实际使用后，测试结果如下：气缸或气缸套的年腐蚀率由原有的2.0～10.0mm/a降低到0.01～0.05mm/a，确保了压缩机的气缸或气缸套使用20年以上。
综上所述，本铸铁的成分经济合理，对腐蚀性气体的耐腐蚀性能持久，填补了国内空白；本铸铁的制备方法，其工艺简单，使用设备少，便于工业化推广。
具体实施方式
以下通过下面给出的实施例可以进一步清楚地了解本发明。但它们不是对本发明的限定。
实施例一：
耐腐蚀合金铸铁的制备方法，该方法包括如下步骤：
1)、配制炉料：根据需要浇注的耐腐蚀合金铸铁的工艺重量，称取Z18新生铁720kg、回炉铁190kg、废钢58.5kg、75％硅铁4kg、65％锰铁2kg、99％电解铜9kg、99％电解镍9kg、99％电解铬7.5kg，共1000kg炉料；
2)、熔炼：将配好的新生铁、回炉铁、废钢、硅铁、锰铁放入中频电炉内，使它们通电熔化，熔炼温度为1300℃，熔化时间为2.5小时，然后进行精炼，熔炼温度为1450℃，在除去炉渣后，加入电解铜、电解镍、电解铬，保温18min，完成熔炼；
3)、孕育处理：当浇包中的进铁液量为其容积的1/4时，通过定量漏斗，将粒状孕育剂均匀而分散地撒向浇包中的铁液，当浇包中的进铁液量为其容积的4/5时停止撒孕育剂；孕育剂的撒入量为浇包中的总进铁液量的0.3％(重量百分比)；孕育剂的粒度按以下方式选择：进铁液量小于500kg时，孕育剂的粒度为2～5mm；进铁液量大于或等于500kg时，粒度为5～8mm；孕育剂为75硅铁，本步骤的作用是为了细化石墨，以确保铸铁厚薄不同部位的组织均匀，薄截面处不致发生白口，厚截面处不致发生过分石墨化；
4)、浇注：孕育后在1420℃的温度下，于12min内将铁水注入砂模型腔内，根据铸铁的结构、壁厚，确定铸铁的开箱时间；
5)、退火：将铸铁以75℃/h的速度加热到525℃，保温2.5小时，然后，将铸铁以35℃/h的速度，随炉冷却到200℃，最后，将铸铁出炉，并自然冷却至室温，本步骤的作用是为了消除铸铁的内应力，即可制得所述的耐腐蚀合金铸铁。
采用上述制备方法制得的本铸铁，按重量百分比计，它由下列各成分组成，C 3.0％，Si 1.9％，Mn 0.6％，Cu 0.9％，Cr 0.75％，Ni 0.9％，P 0.08％，S 0.05％，余量为铁。
实施例二：
耐腐蚀合金铸铁的制备方法，该方法包括如下步骤：
1)、配制炉料：根据需要浇注的耐腐蚀合金铸铁的工艺重量，称取Z18新生铁720kg、回炉铁190kg、废钢50kg、75％硅铁4kg、65％锰铁2kg、99％电解铜12kg、99％电解镍12kg、99％电解铬10kg，共1000kg炉料；
2)、熔炼：将配好的新生铁、回炉铁、废钢、硅铁、锰铁放入中频电炉内，使它们通电熔化，熔炼温度为1350℃，熔化时间为2小时，然后进行精炼，熔炼温度为1500℃，在除去炉渣后，加入电解铜、电解镍、电解铬，保温15min，完成熔炼；
3)、孕育处理：当浇包中的进铁液量为其容积的1/4时，通过定量漏斗，将粒状孕育剂均匀而分散地撒向浇包中的铁液，当浇包中的进铁液量为其容积的4/5时停止撒孕育剂；孕育剂的撒入量为浇包中的总进铁液量的0.4％(重量百分比)；孕育剂的粒度按以下方式选择：进铁液量小于500kg时，孕育剂的粒度为2～5mm；进铁液量大于或等于500kg时，粒度为5～8mm；孕育剂为75硅铁，本步骤的作用是为了细化石墨，以确保铸铁厚薄不同部位的组织均匀，薄截面处不致发生白口，厚截面处不致发生过分石墨化；
4)、浇注：孕育后在1460℃的温度下，于15min内将铁水注入砂模型腔内，根据铸铁的结构、壁厚，确定铸铁的开箱时间；
5)、退火：将铸铁以100℃/h的速度加热到550℃，保温2小时，然后，将铸铁以50℃/h的速度，随炉冷却到180℃，最后，将铸铁出炉，并自然冷却至室温，本步骤的作用是为了消除铸铁的内应力，即可制得所述的耐腐蚀合金铸铁。
采用上述制备方法制得的本铸铁，按重量百分比计，它由下列各成分组成，C 3.0％，Si 1.9％，Mn 0.6％，Cu 1.2％，Cr 1.0％，Ni 1.2％，P 0.07％，S 0.04％，余量为铁。
实施例三：
耐腐蚀合金铸铁的制备方法，该方法包括如下步骤：
1)、配制炉料：根据需要浇注的耐腐蚀合金铸铁的工艺重量，称取Z18新生铁720kg、回炉铁190kg、废钢67kg、75％硅铁4kg、65％锰铁2kg、99％电解铜6kg、99％电解镍6kg、99％电解铬5kg，共1000kg炉料；
2)、熔炼：将配好的新生铁、回炉铁、废钢、硅铁、锰铁放入中频电炉内，使它们通电熔化，熔炼温度为1250℃，熔化时间为3小时，然后进行精炼，熔炼温度为1400℃，在除去炉渣后，加入电解铜、电解镍、电解铬，保温20min，完成熔炼；
3)、孕育处理：当浇包中的进铁液量为其容积的1/4时，通过定量漏斗，将粒状孕育剂均匀而分散地撒向浇包中的铁液，当浇包中的进铁液量为其容积的4/5时停止撒孕育剂；孕育剂的撒入量为浇包中的总进铁液量的0.2％(重量百分比)；孕育剂的粒度按以下方式选择：进铁液量小于500kg时，孕育剂的粒度为2～5mm；进铁液量大于或等于500kg时，粒度为5～8mm；孕育剂为75硅铁，本步骤的作用是为了细化石墨，以确保铸铁厚薄不同部位的组织均匀，薄截面处不致发生白口，厚截面处不致发生过分石墨化；
4)、浇注：孕育后在1380℃的温度下，于10min内将铁水注入砂模型腔内，根据铸铁的结构、壁厚，确定铸铁的开箱时间；
5)、退火：将铸铁以50℃/h的速度加热到500℃，保温3小时，然后，将铸铁以20℃/h的速度，随炉冷却到220℃，最后，将铸铁出炉，并自然冷却至室温，本步骤的作用是为了消除铸铁的内应力，即可制得所述的耐腐蚀合金铸铁。
采用上述制备方法制得的本铸铁，按重量百分比计，它由下列各成分组成，C 3.0％，Si 1.9％，Mn 0.6％，Cu 0.6％，Cr 0.5％，Ni 0.6％，P 0.09％，S 0.06％，余量为铁。
实施例一至实施例三中所述本铸铁的机械性能和年腐蚀率的相关测试数据，分别如表2所示。
表2
以上所述的仅是本发明的三个实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。如：在炉料熔炼好自中频电炉内放出时，中频电炉内可留下占其高度五分之一的铁液，作为后续熔炼的起熔物质，便于紧接着继续投放炉料，以便顺利地进行连续熔炼。
Claims (1)
1.耐腐蚀合金铸铁的制备方法，所述的耐腐蚀合金铸铁，按重量百分比计，由下列各成分组成，C 2.8～3.2％，Si 1.6～2.2％，Mn 0.4～0.8％，Cu 0.6～1.2％, Cr 0.5～1.0％,Ni 0.6～1.2％，P 0.07～0.09％, S 0.04～0.06％，余量为铁，该方法包括如下步骤：
1）、配制炉料：根据需要浇注的耐腐蚀合金铸铁的工艺重量，备好新生铁、回炉铁、废钢、硅铁、锰铁、电解铜、电解镍、电解铬，按照所述各成分的相应重量百分比比例，称取1000kg炉料；
2）、熔炼：将配好的新生铁、回炉铁、废钢、硅铁、锰铁放入中频电炉内，使它们通电熔化，熔炼温度为1250～1350℃，熔化时间为2～3小时，然后进行精炼，熔炼温度为1400～1500℃，在除去炉渣后，加入电解铜、电解镍、电解铬，保温15～20min，完成熔炼；
3）、孕育处理：当浇包中的进铁液量为其容积的1/4时，通过定量漏斗，将粒状孕育剂均匀而分散地撒向浇包中的铁液，当浇包中的进铁液量为其容积的4/5时停止撒孕育剂；孕育剂的撒入量为浇包中的总进铁液量的0.2～0.4％（重量百分比）；孕育剂的粒度按以下方式选择：进铁液量小于500kg时，孕育剂的粒度为2～5mm；进铁液量大于或等于500kg时，粒度为5～8mm；孕育剂为75硅铁；
4）、浇注：孕育后在1380～1460℃的温度下，于10～15min内将铁水注入砂模型腔内，根据铸铁的结构、壁厚，确定铸铁的开箱时间；
5）、退火：将铸铁以50～100℃/h的速度加热到500～550℃，保温2～3小时，然后，将铸铁以20～50℃/h的速度，随炉冷却到180～220℃，最后，将铸铁出炉，并自然冷却至室温，即可制得所述的耐腐蚀合金铸铁。
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