CN104043808A - 一种加铜网复合高硅铁基合金电极板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种加铜网复合高硅铁基合金电极板及其制造方法，属于耐蚀铸件复合铸造的领域。电极板的化学成分质量百分比为：碳：1.0～1.2％、硅：16.5～20.0％、锰：0.3～0.8％、硫、磷<0.03％、RE：0.01～0.05％、部分熔化的铜、其余为Fe和不可避免的杂质的组成；心部用纯铜编织成的网。制造方法如下：采用砂型铸造，在酸性感应电炉或电弧炉中进行熔炼，出炉前在铁水包中加入稀土硅铁合金，采用低温浇注，浇注温度为1250～1280℃，浇注后，采用高温退火工艺，铸件热装入炉，均匀加热到750～800℃，保温48～72小时炉冷到150℃以下出炉。加铜网复合高硅铁基合金电极板耐蚀性高、力学性能高、导电性好，满足冷轧不锈钢板酸洗池的制作要求。

Description

一种加铜网复合高硅铁基合金电极板及其制造方法

技术领域

本发明涉及优良的加铜网复合高硅铁基合金电极板和制造方法，特别是通过使用加强网，改善了其力学性能，属于耐蚀铸件复合铸造领域。

技术背景

随工业的发展，对可以用于暴露在强腐蚀环境的设备上的材料需求越来越高。高硅铸铁就是根据这种需求开发的材料之一。硅的质量分数在10％～18％之间的Fe-Si-C铸造合金称为高硅铸铁。高硅铸铁硬而脆，力学性能较低，但腐蚀性能好。是一种具有优良耐酸性能的铸造合金，它具有耐蚀性好、成本低、生产工序简单、节用(无)镍铬等贵重金属等优点，特别适用于制作承受静载荷的与各种强腐蚀介质(如各种温度和浓度的硝酸、硫酸、铬酸、有机酸和一系列盐溶液)接触的部件。高硅耐蚀铸铁件可用于化工、石油、化纤、冶金、国防等工业所需的耐蚀铸件，还可用于制造外加电流阴极保护用的辅助阳极铸件，不适于制造承受较大冲击载荷，交变负荷或温度突变的零部件。但是，高硅铸铁由于它的固有特性所决定，又存在着强度和冲击韧性低、硬度高、脆性大、导热系数小以及膨胀系数大等缺点。以致在铸造生产及应用时，很容易产生缩松、缩孔和裂纹等缺陷，不能经受剧烈的温度变化及承受高压，机械加工比较困难。从而在一定程度上限制了这种材料的推广和应用。

普通高硅铁基合金的组织主要是高硅铁素体基体和细片状石墨，而高硅铁素体中主要是Fe₃Si，这种相是一种超结构的脆性相，它是导致高硅铁基合金力学性能差的主要原因。当前冷轧不锈钢板酸洗池用电极板的外形尺寸较大(长宽厚分别达到2.5m、0.4m、0.04m)，属大平板铸件，铸造成形的难度较大，且整体成形力学性能较差。现如今使用的普通高硅铁基合金电极板的冲击韧性约为0.9J/cm²，含Cu4％-6％的高硅铁基合金的冲击韧性约为1.5J/cm²，加Re0.2％的高硅铁基合金的冲击韧性约为1.4J/cm²。如此低的韧性在吊运、安装时，尤其是在拆卸失效后的高硅铁基合金电极板时极易出现断裂等生产事故。通过增加合金元素来提高高硅铁基合金电极板韧性的空间已经非常有限，因此我们提出具有高韧性的加铜网复合高硅铁基合金电极板。

发明内容

本发明目的是为了解决冷轧不锈钢板酸洗池用电极板的外形尺寸较大、铸造成形的难度较大，且整体成形力学性能较差的问题。

一种加铜网复合高硅铁基合金电极板，提高合金的力学性能，主要原因是使用加铜网提高了合金的力学性能，从而解决了高硅铸铁的缺点，对其应用有重大的意义。

一种加铜网复合高硅铁基合金电极板，其特征在于将铸造成形的方法将φ12mm的纯铜材构成的铜网镶铸在高硅铁基合金中，形成类似于钢筋混凝土结构的加铜网复合高硅铁基合金，其纯铜的体积分数为10～15％，高硅铁基合金的体积分数为85～90％，采用这种加铜网复合高硅铁基合金制作不锈钢酸洗用电极板即为加铜网复合高硅铁基合金电极板。

上述加铜网复合高硅铁基合金电极板采用机械编织方法将φ12mm的纯铜线材编织成铜丝网，采用这种铜丝网作为加强网，铜丝网中每根纯铜线材之间的距离为50mm。铜丝网预埋在砂型铸造的泡沫塑料模样中，将熔炼好的液态高硅铁基合金浇入带铜丝网的泡沫塑料铸型中，泡沫塑料模样汽化，铜网表层部分熔化，未熔化部分保留在铸型中，凝固成形后形成一种类似于钢筋混凝土的结构的加铜网复合高硅铁基合金电极板。

在发泡制模过程中，将预先除氧化皮的铜网固定泡沫塑料模样中，铜网在电极板厚度方向位于中心，距离型腔的两个侧壁的距离相等。

加铜网复合高硅铁基合金电极板的化学成分质量百分比为：碳1.0～1.2％、硅16.5～20.0％、锰0.3～0.8％、硫、磷<0.03％、RE：0.01～0.05％、部分熔化的黄铜、其余为Fe和不可避免的杂质的组成；心部用铜网做加强网。

本发明提供的加铜网复合高硅铁基合金电极板的制造方法是：合金熔炼：将纯铁、硅铁加入感应电炉或电弧炉中进行熔炼，使各种物料充分混合均匀，并在熔炼过程中加入酸性造渣剂，合金液熔化后经过充分静置后，去除合金液中的气体和夹杂物，合金的熔炼温度为1480-1520℃；出炉温度为1420-1460℃；将铜网固定在铸型中，当铁水温度到1280～1320℃时浇注成形；采用缓流封闭式的浇注***，直浇道、横浇道和内浇道组元的横截面积的比例为：A_直：A_横：A_内＝1.1～1.3:1.5～1.7:1.0(A_直、A_横和A_内分别是直浇道、横浇道和内浇道的截面积)；热处理：铸件凝固成形后6～12分钟内进行高温打箱，将红热的铸件立即进行退火处理，铸件热装入炉，均匀加热到750～800℃，保温48～72小时炉冷到150℃以下出炉。

下面对本发明合金组成的数值限定的原因做详细的说明。

(1)硅(Si)：16.5～20.0％(重量)

当硅的重量比达到14.5％时，在适当的介质条件下，其表面会形成一层致密的保护膜，膜主要由二氧化硅构成。这时耐蚀性急剧上升，当含硅量低于14.5％时，耐蚀性受氧化铁膜控制；含硅量高于14.6％时，耐蚀性受二氧化硅膜控制。因此铸铁中必须含有不低于14.5％的硅才具有优良的耐蚀性。耐蚀性能随含硅量的增加而提高，但过高的含硅量会生成介稳定的脆性相(Fe₅Si₂)，使材料更脆，为此最高含硅量可达18％。但为了获得良好的耐蚀性，又不使其机械性能太差，高硅耐蚀铁基合金Si的含量选在16.5％～20.0％。

(2)碳(C)：1.0～1.2％(重量)

高硅耐蚀铁基合金中的硅含量越高，含碳量应当越低。较合理的含碳量应相当于该高硅耐蚀铁基合金的亚共晶成分或共晶成分。若含碳量大大超过共晶成分时，会析出粗大的石墨，引起严重的组织疏松。这是由于Si在α铁素体中的溶解能力比C强，而且Si又加速了C的扩散，因此C就被Si排挤出来而形成自由态的片状石墨，随着合金的含碳增加，析出的片状石墨的尺寸增大，数量增多，就会形成更多的空洞和构成更多的微电池，而不利于其机械性能和耐蚀性。所以高硅耐蚀铁基合金的C含量选在1.0～1.2％。

(3)锰(Mn)：0.3～0.8％(重量)

锰在铁基合金中是一种扩大奥氏体区的元素，而硅是缩小奥氏体区的元素，少量的锰在高硅铁基合金中将固溶在α铁素体中，对合金的耐蚀性和机械性能影响不明显，但过高的锰对高硅铁基合金的性能产生不利的影响，因为锰在合金凝固偏析系数较大，极容易在树枝晶间富集，使成分分布的不均匀，造成局部微区的电极电位存在一定的差别，甚至形成微电池效应，降低合金的耐蚀性，故Mn应选0.3％～0.8％之间。

(4)磷(P)<0.03％(重量)

P的含量将影响到高硅耐蚀合金的耐热性，一般要求其含量在0.03％以下。

(5)硫(S)<0.03％(重量)

S的含量增加会降低高硅耐蚀合金的耐蚀性和机械性能，因为铁水中S的活性系数随Si的增加而显著提高。所以S的含量应严格控制在0.03％以下。

(6)铜(Cu)

铜能改善高硅铸铁的力学性能，提高强度及韧性，降低硬度。含铜高硅铸铁可以进行车、刨、钻孔、纹丝加工。铜可提高普通高硅铸铁在热硫酸中酌耐蚀性。含Cu6.5％～8.5％高硅铸铁除在45％浓度的硝酸中耐蚀性稍差外，在其它介质中均有较好的耐蚀性。含Cu8％～10％的高硅铸铁在80℃的各种浓度的硫酸中都具有高的耐蚀性，腐蚀率均少于0.3mm/年，它可用来制造用于接触各种浓度的热硫酸的化工机械零件。铜网表层部分熔化后的铜元素将融入高硅铸铁基体中。

本发明的加铜网复合高硅铁基合金电极板的化学成分和制造工艺，与现有的高硅铸铁相比，不但有高的耐蚀性，而且有高的机械性能(尤其是韧性)和较好的导电性，完全满足制作尺寸较大(最大长度为3m)的冷轧不锈钢板酸洗池用电极板。

附图说明

附图1：加铜网电极板用铜丝网示意图

附图2：加铜网电极板结构示意图，图中：6—高硅耐蚀合金；8—铜网

附图3：浇注示意图，图中：1—浇口；2—直浇道；3—塑料布；4—横浇道；5—冒口；6—高硅耐蚀合金；7—抽气口；8—铜网；9—内浇道

具体实施方式

下面对本发明中冷轧不锈钢板酸洗池用加铜网复合高硅铁基合金电极板的制造工艺进行详细的说明：

加铜网复合高硅铁基合金电极板的生产工艺包括加强网的制作、合金熔炼、浇注***设计、造型、浇注及热处理等几个工序。

(1)加强网的制作和除锈

加强网用φ12mm的纯铜线材编织成铜网备用。

(2)合金的熔炼

高硅铁基合金可以采用感应电炉或电弧炉熔炼，采用酸性炉衬，熔炼合金的原材料有：纯铁，75硅铁，回炉料等，要求原材料干燥少锈。采用两次熔炼的方法，第一次熔炼的目的是混料，将所有原材料熔化混合均匀，浇注成锭料备用，熔炼时的加料顺序依次为：纯铁，回炉料，硅铁等，熔炼过程中加入酸性造渣剂，减少合金熔炼过程中元素的烧损；第二次熔炼目的是脱气除渣，获得优质的合金液，满足铸造电极板的要求，熔炼时采用前述的锭料，在熔化过程中加入酸性造渣剂，在1450～1480℃熔化后，静置40分钟之后方可出炉，出炉温度为1400～1420℃。

(3)变质处理

变质处理的目的是细化晶粒和净化合金，变质处理采用稀土硅铁合金作为变质剂，采用铁水包中变质处理的方法，在出炉前将变质剂加入铁水包的包底，加入量为处理铁水重量的0.2-1.0％。

(4)浇注***设计

浇注***设计是铸造工艺设计的重要内容，是关系铸件质量的重要环节，为了加强浇注***的憋渣作用，采用缓流封闭式的浇注***，直浇道、横浇道和内浇道组元的横截面积的比例为：A_直：A_横：A_内＝1.1～1.3:1.5～1.7:1.0(A_直、A_横和A_内分别是直浇道、横浇道和内浇道的截面积)；为了进一步加强浇注***的憋渣作用，在浇注***的横浇道组元上加入一纤维过滤网。

(5)造型

为了加强铸型的溃散性和退让性，减少铸造应力，防止铸造过程产生裂纹，保证铸件的表面质量，采用树脂砂造型。同时将加强网固定在铸型中。

(6)浇注

采用低温快浇的浇注工艺，浇注温度为1250～1280℃，过高的温度将会造成大量的缩松，过低的浇注温度会产生浇不足的铸造缺陷。

(7)热处理

现有的实验的结果得出，加铜网复合高硅铁基合金电极板必须经过退火热处理，这不仅有利于提高合金的力学性能，而且可以保证缓慢的冷却，消除热应力。铸件凝固成形后6～12分钟内进行高温打箱，将红热的铸件立即进行退火处理，铸件热装入炉，均匀加热到750～800℃，保温48～72小时炉冷到150℃以下出炉。

Claims (7)

1.一种加铜网复合高硅铁基合金电极板，其特征在于将铸造成形的方法将φ12mm的纯铜线材编织成的铜网镶铸在高硅铁基合金中，形成类似于钢筋混凝土结构的铜网复合高硅铁基合金，其纯铜的体积分数为10～15％，高硅铁基合金的体积分数为85～90％，采用这种加铜网复合高硅铁基合金制作不锈钢酸洗用电极板即为加铜网复合高硅铁基合金电极板。

2.按照权利要求1所述的加铜网复合高硅铁基合金电极板，其特征在于采用编织方法将φ12mm的纯铜线材制作成铜网，采用这种铜网作为加强网，铜网中每根纯铜线材之间的距离为50mm。

3.按照权利要求2所述的加铜网复合高硅铁基合金电极板，其特征在于将铜网预埋在铸型型腔中，将熔炼好的液态高硅铁基合金浇入带钢铜网的铸型中，φ12mm的纯铜线材表面局部熔化，实现良好的冶金结合，但大部分仍保留在铸型中，凝固成形后形成一种类似于钢筋混凝土的结构的加纯铜线材网复合高硅铁基合金电极板。

4.按照权利要求1所述的加铜网复合高硅铁基合金电极板，其特征在于在发泡制模过程中，将编制的纯铜网固定泡沫塑料模样中，纯铜网在电极板厚度方向位于中心，距离型腔的两个侧壁的距离相等。

5.按照权利要求1--4所述的加铜网复合高硅铁基合金电极板，其特征在于加铜网复合高硅铁基合金电极板化学成分重量百分比为：碳1.0～1.2％、硅16.5～20.0％、锰0.3～0.8％、硫<0.03％、磷<0.03％、稀土：0.01～0.05％、部分熔化的铜、其余为Fe和不可避免的杂质的组成；心部用铜做加强网。

6.按照权利要求5所述的加铜网复合高硅铁基合金电极板的制备方法，其特征在于，采用废钢、硅铁、稀土配置合金原材料，加入到酸性感应电炉或电弧炉中进行熔炼，熔炼温度1450～1480℃，熔炼过程中加入酸性造渣剂，在铁水包内进行变质处理，熔炼合金后，在铁水包包底加入稀土硅铁合金，稀土硅铁合金加入量为处理铁水重量的0.2～1.0％，将熔炼好的铁水倒入铁水包中与稀土硅铁合金反应，出炉温度为1400-1420℃；出炉后静置足够长的时间，去除合金液中的气体和夹杂物后，当铁水温度到1250～1280℃时浇注成形。

7.按照权利要求6所述的加铜网复合高硅铁基合金电极板的制备方法，其特征在于，采用树脂砂型，将铜网固定在铸型中，当铁水温度到1250～1280℃时浇注成形；采用缓流封闭式的浇注***，直浇道、横浇道和内浇道组元的横截面积的比例为：A_直：A_横：A_内＝1.1～1.3:1.5～1.7:1.0，A_直、A_横和A_内分别是直浇道、横浇道和内浇道的截面积。