CN107829017A - 一种高强度的硫氧孕育剂 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高强度的硫氧孕育剂，所述硫氧孕育剂所含元素的质量百分比为：Si：70‑76%，Ca：0.2‑1.0%，Ba：0.3‑0.5%，La：1.5‑2.0%，Al：0.5‑1.5%，S：0.3‑0.9%，O：0.3‑0.9%，Sb：0.5‑1.5%，余量为铁；所述硫氧孕育剂由以下重量份的原料制备而成：废钢2‑4份，硅铁130‑140份，硅钡1‑1.4份，硅钙1‑1.8份，纯镧2‑4份，锑1.5‑2.5份，FeS 1‑2份，FeO1‑1.4份。本发明制备出的高强度硫氧孕育剂能够明显使球墨铸铁中的石墨球数增多，能够提高铸铁的强度和韧性，明显降低铸铁的白口倾向，提高球墨铸铁的球化率、石墨球数和铁素体量，消除铸件过程中的收缩，能够形成品质优异的复杂的铸件。

Description

一种高强度的硫氧孕育剂

技术领域

本发明涉及一种铸铁领域，具体涉及一种高强度的硫氧孕育剂。

背景技术

孕育剂能够可促进石墨化，减少白口倾向，改善石墨形态和分布情况，增加共晶团数量，细化基体组织，在球墨铸铁的铸造过程中，孕育剂的选取尤为重要。目前使用最多的孕育剂是硅铁，其中还含有钙、钡、锶、锰和锆等金属元素，加入上述与硫氧有反应能力的元素，目的是使其与铁中的硫、氧结合，为石墨提供有效的非均质结晶核心。但是，球化后铁水中能起作用的硫和氧是大幅降低，因而孕育剂中添加元素的作用也是有限的，处理后可能形成的有效晶核的数量将制约孕育的效果，而且硅铁孕育生产的铁液得到的铸件的抗拉强度在300MPa以下，不能满足一些需要高韧性的机器铸件要求。

为了增强孕育的效果，市场上出现了一种新型的孕育剂—埃肯硫氧孕育剂，其中含有质量百分比为70-76%的Si、0.75-1.25%的Ca、1.5-2.0%的Ce、0.75-1.25%的Al、微量的S和O，这种新型的孕育剂能够使球墨铸铁的显微组织较硅铁孕育剂的更为均匀，缩孔倾向较小，硬度也相对较强，但是使用这种新型的孕育剂孕育的铸件的抗拉强度一般低于420MPa，还是无法满足一些需要高强度高韧性铸件（如QT600-10）等的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种强度高、收缩倾向小、合金元素与微量元素的偏析小的硫氧孕育剂。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高强度的硫氧孕育剂，所述硫氧孕育剂所含元素的质量百分比为：Si：70-76%，Ca：0.2-1.0%，Ba：0.3-0.5%，La：1.5-2.0%，Al：0.5-1.5%，S：0.3-0.9%，O：0.3-0.9%，Sb：0.5-1.5%，余量为铁；

所述硫氧孕育剂由以下重量份的原料制备而成：

废钢2-4份，硅铁130-140份，硅钡1-1.4份，硅钙1-1.8份，纯镧2-4份，锑1.5-2.5份，FeS1-2份，FeO 1-1.4份。

上述的高强度的硫氧孕育剂，其中，所述硫氧孕育剂所含元素的质量百分比为：Si：73%，Ca：0.6%，Ba：0.4%，La：1.75%，Al：1.0%，S：0.3-0.9%，O：0.3-0.9%，Sb：1.0%，余量为铁；

所述硫氧孕育剂由以下重量份的原料制备而成：

废钢3份，硅铁135份，硅钡1.2份，硅钙1.4份，纯镧3份，锑2份，FeS 1.5份，FeO1.2份。

上述的高强度的硫氧孕育剂，其中，所述废钢为碳素钢，其中成分质量百分含量如下：C≤0.3，Si≤0.2，Mn≤0.3，P≤0.02，S≤0.015，余量为铁。

上述的高强度的硫氧孕育剂，其中，所述硅铁的牌号按GB2272-2009标准的FeSi75Al1.0-A或FeSi75Al1.0-B。

上述的高强度的硫氧孕育剂，其中，所述硅钡的牌号按GB/T15710-1995标准的FeBa30Si60，其粒度为10-50mm。

上述的高强度的硫氧孕育剂，其中，所述硅钙的牌号按GB5051-2016标准的Ca30Si60。

上述的高强度的硫氧孕育剂的制备工艺，其中，包括如下步骤：

（1）配料：称取上述重量份的废钢、硅铁、硅钡、硅钙、纯镧、锑，混合；

（2）熔炼：将上述原料在1300-1380℃下熔炼30-40min，然后进行金属型锭模铸锭，即得合金锭；

（3）破碎、筛分：将上述合金锭破碎筛分成含镧硅铁粒；

（4）混制：将步骤（3）中制得的含镧硅铁粒与上述重量份的FeS、FeO混合，搅拌0.5~1h，即得粉料。

上述的高强度的硫氧孕育剂的制备工艺，其中，所述的含镧硅铁粒的粒度为0.1-0.7mm或0.2-0.8mm。

本发明的有益之处在于：

本发明产品成分设计合理，在加入Si的同时添加多种合金元素（Ca、Ba、La、Sb、Al）和一定浓度的非金属元素（S和O），反应能力强的Ca、Ba、La与S、O作用后，就会产生较多的石墨晶核，强化了孕育效果，本发明利用La的特性： La元素与S、O形成化合物的生成自由能比Ce元素与S、O形成化合物的生成自由能负值大，所以La与S、O的亲和力更强，有利于球化作用的稳定；La的氧硫反应产物与含石墨的失配度为1.2%，而Ce的为2.9%，镧稀土孕育剂处理的铁水异质核心相应更多，生成的石墨球更多更细，球数的增加使铸件早期凝固的体积分数加大，晶粒周界区偏析程度减轻，晶间的残余液体减少 ，提前结束共晶凝固，从而防止碳化物产生。较小的La残余量即可起到中和反球化元素的有害作用，稀土偏析倾向减少，减少畸形石墨的产生。镧元素存在于液态铁水中，抑制奥氏体枝晶的长大，可使球墨铸铁最后凝固区域的补缩通道流畅，有利于促进奥氏体析出的碳向最后凝固的小石墨球聚积，形成石墨化膨胀，抵消缩松和缩孔体积；孕育处理时，Ca是首要反应元素，对共晶石墨生核有决定性的作用，均衡La的含量，可以中和有害元素的作用，产生稳定的金属间化合物，且对S和O有较强的亲和力，从而产生高度稳定的氧化物、硫化物和硫氧化物，进而促进石墨球的生成，提高铁素体的含量。加入适当的Sb促进珠光体的生成，平衡铁素体与珠光体含量，从而达到球墨铸铁提高强度和高延伸率的双重作用；具体讲，发明人根据各元素对铸铁的影响规律，通过大量试验确定了孕育剂的最佳化学成分，其中：

Si：是孕育剂的主要成分，可以降低过冷程度，促进石墨形核，改变石墨的形态及细化程度，促进石墨化，降低白口倾向，但是硅孕育衰退迅速，需要添加其他合金元素和非金属元素以发挥其最大的功效，硅的含量为70-76%；

Ca：是各种孕育剂中重要的添加元素，对共晶石墨生核有决定性的作用，能明显促进石墨化，增加石墨球数，减小白口倾向，有脱硫、脱氧能力，但是钙的含量是有一定范围的，含量过高反而增加白口倾向，综合考虑，钙的含量为0.2-1.0%；

Ba：能抑制硅原子在铁水中扩散，使石墨形核位置周围的高硅区浓度能保持较长时间，可以有效延长衰退时间，防止衰退，同时钡有很强的形核能力，可显著增加石墨球数，细化晶粒，改善石墨形态，含钡的孕育剂易被吸收，处理时浮渣少，而且钡还可有效促进铁素体的形成，但加入量过多，组织中的铁素体含量会反而减少，综合考虑，钡的含量为0.3-0.5%；

La：稀土元素（RE）金属性质呈正三价，镧系15个元素，随着原子序数增加存在原子（离子）半径缩小的镧系收缩现象。金属活泼性由镧到镥递减，镧最活泼，铁液凝固时需要大量石墨结晶晶核。稀土生成的氧化物、硫化物、硫氧化物以及金属间化合物形成大量石墨晶核，利于增加石墨球数，提高球化率。镁、稀土对铸铁白口倾向作用强弱顺序为：Pr→Dy→Nd→Ce→Mg→Y→Sm→Tb→Yb→Lu→Ho→La，La的白口倾向最小，镧生成LaPb、La₂Pb、LaSb、La₃Sb₂、La₂Sb、LaSb₂，综合考虑，镧的含量为1.5-2.0%；

Sb：促进珠光体的生成，平衡铁素体与珠光体含量，从而达到球墨铸铁提高强度和高延伸率的双重作用，综合考虑，锑的含量为0.5-1.5%；

Al：是各种孕育剂中重要添加元素，能够增强孕育效果，在铁液中，铝会与氧反应，形成高熔点的化合物，成为石墨结晶的核心，而且，加入含有铝的孕育剂后，铁液中可形成局部的富硅微区，有利于石墨的析出，但是，铁液中的铝含量又不能太高，由于铝元素具有很强的吸氧特性，多加入0.01%的铝元素，就可能导致铸件产生皮下气孔，综合考虑，铝的含量为0.5-1.5%；

S和O：反应能力强的Ca、Ba、La与S、O作用后，就会产生较多的石墨晶核，强化了孕育效果，且La对S和O有较强的亲和力，从而产生高度稳定的氧化物、硫化物和硫氧化物，而且硅可以和氧反应可以形成硅酸盐等颗粒作为石墨形核的基底，增加石墨核心数量，细化共晶团，增加了共晶石墨数，增强了孕育效果，但是，S和O要适量，S和O元素含量过多，又会阻碍石墨成球，综合考虑，S和O的含量分别为：S：0.3-0.9%；O：0.3-0.9%。

附图说明

图1是实验组试块的金相组织示意图；

图2是对照组试块的金相组织示意图；

图3是实验组的试块经过3%硝酸酒精溶液浸蚀过的金相结构示意；

图4是对照组的试块经过3%硝酸酒精溶液浸蚀过的金相结构示意。

具体实施方式

实施例1

一种高强度的硫氧孕育剂，所述硫氧孕育剂所含元素的质量百分比为：Si：70-76%，Ca：0.2-1.0%，Ba：0.3-0.5%，La：1.5-2.0%，Al：0.5-1.5%，S：0.3-0.9%，O：0.3-0.9%，Sb：0.5-1.5%，余量为铁；

所述硫氧孕育剂由以下重量份的原料制备而成：

废钢2-4份，硅铁130-140份，硅钡1-1.4份，硅钙1-1.8份，纯镧2-4份，锑1.5-2.5份，FeS1-2份，FeO 1-1.4份。

上述高强度的硫氧孕育剂的制备工艺，包括如下步骤：

（1）配料：称取上述重量份的废钢、硅铁、硅钡、硅钙、纯镧、锑，混合；

（2）熔炼：将上述原料加入中频感应电炉中在1300-1380℃下熔炼30-40min，然后金属型锭模铸锭，即得合金锭；

（3）破碎、筛分：将上述合金锭破碎筛分成粒度为0.1-0.7mm或0.2-0.8mm的含镧硅铁粒；

（4）混制：将步骤（3）中制得的含镧硅铁粒与上述重量份的FeS、FeO、混合，搅拌0.5~1h，即得粉料。

所述废钢为碳素钢，其中成分质量百分含量如表下：C≤0.3，Si≤0.2，Mn≤0.3，P≤0.02，S≤0.015，余量为铁；

所述硅铁的牌号按GB2272-2009标准的FeSi75Al1.0-A或FeSi75AL1.0-B；

所述硅钡的牌号按GB/T15710-1995标准的FeBa30Si60，其粒度为10-50mm；

所述硅钙的牌号按GB5051-2016标准的Ca30Si60。

实施例2

一种高强度的硫氧孕育剂，所述硫氧孕育剂所含元素的质量百分比为：Si：73%，Ca：0.6%，Ba：0.4%，La：1.75%，Al：1.0%，S：0.6%，O：0.6%，Sb：1.0%，余量为铁；

所述硫氧孕育剂由以下重量份的原料制备而成：

废钢3份，硅铁135份，硅钡1.2份，硅钙1.4份，纯镧3份，锑2份，FeS 1.5份，FeO1.2份。

上述高强度的硫氧孕育剂的制备工艺，包括如下步骤：

（1）配料：称取上述重量份的废钢、硅铁、硅钡、硅钙、纯镧、锑，混合；

（2）熔炼：将上述原料加入中频感应电炉中在1340℃下熔炼35min，然后进行水冷锭模铸锭，即得合金锭；

（3）破碎、筛分：将上述合金锭破碎筛分成粒度为0.1-0.7mm的含镧硅铁粒；

（4）混制：将步骤（3）中制得的含镧硅铁粒与上述重量份的FeS、FeO混合，搅拌0.75h，即得粉料。

所述废钢为碳素钢，其中成分质量百分含量如表下：C≤0.3，Si≤0.2，Mn≤0.3，P≤0.02，S≤0.015，余量为铁；

所述硅铁的牌号按GB2272-2016标准的FeSi75Al1.0-B；

所述硅钡的牌号按GB/T15710-1995标准的FeBa30Si60，其粒度为10-50mm；

所述硅钙的牌号按GB5051-2016标准的Ca30Si60。

本发明制备出的高强度硫氧孕育剂能够明显使球墨铸铁中的石墨球数增多，能够提高铸铁的强度和韧性，明显降低铸铁的白口倾向，提高球墨铸铁的球化率、石墨球数和铁素体量，消除铸件过程中的收缩，能够形成品质优异的复杂的铸件。

高强度硫氧孕育剂在球墨铸铁中的应用实例：

球墨铸铁的制备方法如下：

（1）配料工序：选用的原料及原料重量份配比为高纯废钢和龙凤山Q10高纯生铁，同材质回炉料，恒利来生产的球化剂Mg8Re3 1-1.4份；

（2）熔炼工序：采用中频感应电炉进行熔炼，按上述原料重量份将生铁、回炉料加入电炉中，进行熔炼，待原料熔清；铁水温度1550-1570℃后扒渣，取样检测炉内化学成分，根据检测结果确定球化剂、硫氧孕育剂、硅钙钡孕育剂的加入量以对铁水中化学成分进行微调；

（3）球化处理、孕育处理：将步骤（2）中的铁水出炉到球化包，出炉温度为1530-1550℃，球化包包底放置上述重量份的球化剂Mg8Re3，然后在球化剂上面覆盖0.3-0.8重量份的硅钙孕育剂，将步骤（2）中的铁水浇入球化包，进行球化，球化后的成分见表1。

（4）浇注工序：浇注25毫米Y形球铁试块一枚，浇注温度控制在1380-1440℃，浇注时随流加入0.1-0.2重量份的高强度硫氧孕育剂，保证铁液平稳不间断充入铸铁；

（5）后处理工序：铸件冷却，进行对铸件力学性能和光学进行进行检测。

本次实验分为实验组和对照组，其中，实验组中在步骤（4）中加入的是0.1-0.2重量份的本发明实施例2生产的高强度硫氧孕育剂，对照组在步骤（4）中加入的是0.1-0.2重量份的埃肯硫氧孕育剂，其他步骤和原料完全相同。其中表1中铸铁的主要元素C、Si、Mn、P、S是熔炼工艺配料的结果，Mg和Re是铸铁球化剂加入量和原铁液含硫量决定的。对照组和实验组的硫氧孕育剂对球墨铸铁石墨特征参数的影响见表2。

从表2中可以看出实验组的石墨球个数和球化率均高于对照组的。而且经过力学性能的测试，实验组的强度为455Mpa，延伸率为21.5%，对照组的强度为425Mpa，延伸率为20.0%，可以看出，实验组的强度和韧性较对照组的均有所提高。

进一步的，图1为实验组试块的金相组织示意图，图2为对照组试块的金相组织示意图，从图1中可以看出本发明的高硫氧孕育剂在试块中石墨球呈双峰分布明显，石墨球个数250左右，而从图2中可以看出埃肯硫氧孕育剂在试块中部分石墨球呈双峰分布明显，石墨球个数220左右。图3和图4分别是实验组和对照组的试块经过3%硝酸酒精溶液浸蚀过的金相结构示意，可以看出图3中的珠光体含量3-8%，相对于图4中的珠光体含量0-5%较高，经过力学性能的测试，结果说明了使用高强度硫氧孕育剂即兼顾了球墨铸铁的延伸性能又提高了球墨铸铁强度，达到本发明的目的。

Claims (8)

1.一种高强度的硫氧孕育剂，其特征在于，所述硫氧孕育剂所含元素的质量百分比为：Si：70-76%，Ca：0.2-1.0%，Ba：0.3-0.5%，La：1.5-2.0%，Al：0.5-1.5%，S：0.3-0.9%，O：0.3-0.9%，Sb：0.5-1.5%，余量为铁；

所述硫氧孕育剂由以下重量份的原料制备而成：

废钢2-4份，硅铁130-140份，硅钡1-1.4份，硅钙1-1.8份，纯镧2-4份，锑1.5-2.5份，FeS1-2份，FeO1-1.4份。

2.如权利要求1所述的高强度的硫氧孕育剂，其特征在于，所述硫氧孕育剂所含元素的质量百分比为：Si：73%，Ca：0.6%，Ba：0.4%，La：1.75%，Al：1.0%，S：0.3-0.9%，O：0.3-0.9%，Sb：1.0%，余量为铁；

所述硫氧孕育剂由以下重量份的原料制备而成：

废钢3份，硅铁135份，硅钡1.2份，硅钙1.4份，纯镧3份，锑2份，FeS 1.5份，FeO 1.2份。

3.如权利要求1-2任一项所述的高强度的硫氧孕育剂，其特征在于，所述废钢为碳素钢，其中成分质量百分含量如下：C≤0.3，Si≤0.2，Mn≤0.3，P≤0.02，S≤0.015，余量为铁。

4.如权利要求1-2任一项所述的高强度的硫氧孕育剂，其特征在于，所述硅铁的牌号按GB2272-2009标准的FeSi75Al1.0-A或FeSi75Al1.0-B。

5.如权利要求1-2任一项所述的高强度的硫氧孕育剂，其特征在于，所述硅钡的牌号按GB/T15710-1995标准的FeBa30Si60，其粒度为10-50mm。

6.如权利要求1-2任一项所述的高强度的硫氧孕育剂，其特征在于，所述硅钙的牌号按GB5051-2016标准的Ca30Si60。

7.如权利要求1-6任一项所述的高强度的硫氧孕育剂的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：

（1）配料：称取上述重量份的废钢、硅铁、硅钡、硅钙、纯镧、锑，混合；

（2）熔炼：将上述原料在1300-1380℃下熔炼30-40min，然后进行金属型锭模铸锭，即得合金锭；

（3）破碎、筛分：将上述合金锭破碎筛分成含镧硅铁粒；

（4）混制：将步骤（3）中制得的含镧硅铁粒与上述重量份的FeS、FeO混合，搅拌0.5~1h，即得粉料。

8.如权利要求7所述的高强度的硫氧孕育剂的制备工艺，其特征在于，所述的含镧硅铁粒的粒度为0.1-0.7mm或0.2-0.8mm。