CN109487149A - 一种液化石油气设备用耐磨球铁材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液化石油气设备用耐磨球铁材料，包括以下质量百分比的组分：碳2.05‑2.95％，硅0.95‑2.15％，锰1.46‑4.10％，磷0.03‑0.06％，硫0.006‑0.020％，镍20.5‑30.0％，铬0.51‑2.50％，铜0.45‑1.00％，镁0.04‑0.08％，余量铁。本发明提供的一种液化石油气设备用耐磨球铁材料，能够具有良好的铸造性能和机加工性能，要求其既保持奥氏体球铁良好的超低温韧性，同时兼具耐磨性能。本发明同时公开了上述液化石油气设备用耐磨球铁材料的制备方法，工艺条件设计合理，容易控制，有益于铸件生产。

Description

一种液化石油气设备用耐磨球铁材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐磨球铁材料技术领域，特别是一种液化石油气设备用耐磨球铁材料及其制备方法。
背景技术
液化石油气高端设备工作环境温度低，材料受力复杂，液化石油气高端设备核心机组压缩机用材料不但要求有极高的低温(-160℃)韧性，同时，缸套等件还要求具有较好的低温耐磨性能。该材料在-190℃温度仍保持良好的韧性，冲击值可达到17J以上。用该材料制作低温环境工作零件与低温碳钢材料相比，具有制造成本低，各向力学性能一致性好，铸造性能好等优点；与风电、高铁等领域广泛应用的铁素体基体球铁相比较，具有低温韧性好，无-60℃脆性转变点，超低温使用安全等优势，铁素体球铁在零下-60℃冲击值仅2-12J，存在脆性转变温度。该材料属于低温耐磨材料，-160℃布氏硬度值190以上，很好满足超低温、高韧性和耐磨方面的要求。
目前，液化石油气高端设备用耐磨球铁材质的生产工艺流程主要包括铁液熔炼、球化处理、孕育处理、浇注、冷却、落砂清理、热处理等工序，由于该材质合金含量高，在熔炼过程中温度要求较严格，在球化和孕育处理环节不易控制，容易出现球化不良等铸造缺陷，给铸件的批量生产带来隐患，因此有待改进。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种液化石油气设备用耐磨球铁材料，能够具有良好的铸造性能和机加工性能，既保持奥氏体球铁良好的超低温韧性，同时兼具耐磨性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种液化石油气设备用耐磨球铁材料及其制备方法，包括以下质量百分比的组分：碳2.05-2.95％，硅0.95-2.15％，锰1.46-4.10％，磷0.03-0.06％，硫0.006-0.020％，镍20.5-30.0％，铬0.51-2.50％，铜0.45-1.00％，镁0.04-0.08％，余量铁。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
本发明所提供的一种液化石油气设备用耐磨球铁材料，是一种超低温奥氏体耐磨球铁材料，具有良好的铸造性能和机加工性能；且在-60～-210℃低温状态，材料不发生脆性转变，冲击韧性达到17J以上，同时又具有较好的耐磨性能，布氏硬度低温-160℃达到200以上；因此该材料在保持良好韧性的同时，在低温状态尚能保持较好硬度值，可以很好地满足液化石油设备在低温工作环境中既要有较高的韧性，又要有较高耐磨性能的要求。
本发明还提供了上述液化石油气设备用耐磨球铁材料的制备方法，要求工艺条件设计合理，容易控制，有益于铸件生产。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种液化石油气设备用耐磨球铁材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将生铁、返回料、碳素钢、镍、低硫增碳剂、锰铁、铬铁、碳化硅投入熔炼炉，将熔炼炉升温使物料熔化；
S2：待熔炼炉内物料完全熔化后，添加硅铁、铜，进行精炼及成分调整，得到精炼物料；
S3：待铁液温度高于1500℃后取样进行光谱分析成分；
S4：成分合格后升温过热至1600-1650℃静置3-8分钟准备球化处理；
S5：球化处理采用冲入法，孕育剂覆盖于球化剂上，孕育剂上覆盖球铁铁屑及10-15毫米厚钢板延缓球化剂反应时间；
S6：将铁液合入球化包进行球化处理，球化处理后去除浮渣及氧化渣并进行浇注温度控制，浇注温度控制在1360-1450℃；
S7：铁液在浇注时进行随流孕育处理，铸件浇注冷却后温度降至低于150℃时开箱落砂清理；
S8：将落砂清理后的铸件进行减应力热处理。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
本发明所提供的一种液化石油气设备用耐磨球铁材料的制备方法，工艺条件设计合理，容易控制，有益于铸件生产。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是具体实施例1提供的一种液化石油气设备用耐磨球铁材料的显微组织结构图；
图2是具体实施例2提供的一种液化石油气设备用耐磨球铁材料的显微组织结构图；
图3是具体实施例3提供的一种液化石油气设备用耐磨球铁材料的显微组织结构图。
具体实施方式
具体实施例1
本实施例提供了一种液化石油气设备耐磨球铁材料压缩机缸套，其制备方法包括以下步骤：
1、按照以下质量份数称量原料：生铁30份，返回料30份，碳素钢28份，镍19.7份，碳化硅0.7份，低硫增碳剂0.3份，锰铁1.6份，铬铁0.8份，硅铁1.0份，铜0.5份。
2、熔炼炉采用中频感应电炉，将上述质量份的生铁、返回料、碳素钢、镍、低硫增碳剂、锰铁、铬铁、碳化硅按顺序投入中频感应电炉底部，同时将上述质量百分比的硅铁、铜放入储料斗中待用；将中频感应电炉升温，使投入的物料开始熔化，待中频感应电炉内物料完全熔化后添加硅铁、铜，进行精炼及成分调整。
3、铁液温度高于1500℃后取样进行光谱分析成分。
4、成分合格后升温过热至1650℃静置3-8分钟准备球化处理。
5、球化处理采用冲入法，孕育剂覆盖于球化剂上，孕育剂上覆盖球铁铁屑及10-15毫米厚钢板延缓球化剂反应时间；球化剂为镍镁球化剂，镁质量百分比为15-20％，余量为镍；该球化剂使用量为1.0％。
球化剂上覆盖的孕育剂采用高效硅钡孕育剂，该孕育剂加入量为精炼物料液质量的0.8％；高效硅钡孕育剂为市售产品，其规格为：Si的质量百分比为65-70％，Ba的质量百分比为4-6％，Ca的质量百分比为0.5-1.0％，Al的质量百分比小于等于1.5％，余量为Fe。
6、将感应电炉内铁液倒入球化包进行球化处理，球化处理后去除浮渣及氧化渣并进行浇注温度控制；浇注温度控制在1450℃。
7、铁液在浇注时进行随流孕育处理，随流孕育处理时，孕育剂采用硅锶锆孕育剂，加入量为浇注铁液质量的0.1％。
硅锶锆孕育剂为市售产品，其规格为：Si的质量百分比为73-78％，Zr的质量百分比为1.0-1.5％，Sr的质量百分比为0.8-1.2％，Ca的质量百分比小于等于0.1％，Al的质量百分比小于等于0.5％，余量为Fe。
8、铸件浇注冷却后温度降至低于150℃时开箱落砂清理。
9、将落砂清理好的铸件进行减应力热处理，热处理工艺采用550℃温度下保温3小时，出炉空冷至室温，得到成品。
10、本实施例取试样进行光谱分析结果是：C为2.95％，Si为2.15％，Mn为1.46％，P为0.06％，S为0.02％，Ni为20.5％，Cr为0.51％，Cu为0.45％，Mg为0.08％，余量为Fe。
本实施例提供的一种液化石油气设备耐磨球铁材料，球化率达到85％以上，由奥氏体及碳化物组成，其显微组织结构如附图1所示。
具体实施例2
本实施例提供了一种液化石油气设备耐磨球铁材料压缩机缸套，其制备方法包括以下步骤：
1、按照以下质量份数称量原料：生铁20份，返回料32份，碳素钢19份，镍23份，碳化硅0.4份，低硫增碳剂0.6份，锰铁2.9份，铬铁1.5份，硅铁0.2份，铜0.8份。
2、熔炼炉采用中频感应电炉，将上述质量百分比的生铁、返回料、碳素钢、镍、低硫增碳剂、锰铁、铬铁、碳化硅按顺序投入中频感应电炉底部，同时将上述质量百分比的硅铁、铜放入储料斗中待用；将中频感应电炉升温，使投入的物料开始熔化，待中频感应电炉内物料完全熔化后添加低硫增碳剂、锰铁、铬铁、硅铁、铜，进行精炼及成分调整。
3、铁液温度高于1500℃后取样进行光谱分析成分。
4、成分合格后升温过热至1630℃静置3-8分钟准备球化处理。
5、球化处理采用冲入法，孕育剂覆盖于球化剂上，孕育剂上覆盖球铁铁屑及10-15毫米厚钢板延缓球化剂反应时间；球化剂为镍镁球化剂，镁质量百分比为15-20％，余量为镍；该球化剂使用量为1.2％。
球化剂上覆盖的孕育剂采用高效硅钡孕育剂，该孕育剂加入量为精炼物料液质量的0.4％；高效硅钡孕育剂为市售产品，其规格为：Si的质量百分比为65-70％，Ba的质量百分比为4-6％，Ca的质量百分比为0.5-1.0％，Al的质量百分比小于等于1.5％，余量为Fe。
6、将感应电炉内铁液倒入球化包进行球化处理，球化处理后去除浮渣及氧化渣并进行浇注温度控制；浇注温度控制在1400℃。
7、铁液在浇注时进行随流孕育处理，随流孕育处理时，孕育剂采用硅锶锆孕育剂，加入量为浇注铁液质量的0.15％。
硅锶锆孕育剂为市售产品，其规格为：Si的质量百分比为73-78％，Zr的质量百分比为1.0-1.5％，Sr的质量百分比为0.8-1.2％，Ca的质量百分比小于等于0.1％，Al的质量百分比小于等于0.5％，余量为Fe。
8、铸件浇注冷却后温度降至低于150℃时开箱落砂清理。
9、将落砂清理好的铸件进行减应力热处理，热处理工艺采用550℃温度下保温4小时，出炉空冷至室温，得到成品。
10、本实施例取试样进行光谱分析结果是：C为2.5％，Si为1.3％，Mn为1.9％，P为0.05％，S为0.015％，Ni为22％，Cr为0.9％，Cu为0.8％，Mg为0.06％，余量为Fe。
本实施例提供的一种液化石油气设备耐磨球铁材料，球化率达到85％以上，由奥氏体及碳化物组成，其显微组织结构如附图2所示。
具体实施例3
本实施例提供了一种液化石油气设备耐磨球铁材料压缩机缸套，其制备方法包括以下步骤：
1、按照以下质量份数称量原料：生铁20份，返回料40份，碳素钢49份，镍23份，碳化硅0.4份，低硫增碳剂0.6份，锰铁4.0份，铬铁4.0份，硅铁0.1份，铜1.0份。
2、熔炼炉采用中频感应电炉，将上述质量百分比的生铁、返回料、碳素钢、镍、低硫增碳剂、锰铁、铬铁、碳化硅按顺序投入中频感应电炉底部，同时将上述质量百分比的硅铁、铜放入储料斗中待用；将中频感应电炉升温，使投入的物料开始熔化，待中频感应电炉内物料完全熔化后添加低硫增碳剂、锰铁、铬铁、硅铁、铜，进行精炼及成分调整。
3、铁液温度高于1500℃后取样进行光谱分析成分。
4、成分合格后升温过热至1600℃静置3-8分钟准备球化处理。
5、球化处理采用冲入法，孕育剂覆盖于球化剂上，孕育剂上覆盖球铁铁屑及10-15毫米厚钢板延缓球化剂反应时间；球化剂为镍镁球化剂，镁质量百分比为15-20％，余量为镍；该球化剂使用量为1.5％。
球化剂上覆盖的孕育剂采用高效硅钡孕育剂，该孕育剂加入量为精炼物料液质量的0.6％；高效硅钡孕育剂为市售产品，其规格为：Si的质量百分比为65-70％，Ba的质量百分比为4-6％，Ca的质量百分比为0.5-1.0％，Al的质量百分比小于等于1.5％，余量为Fe。
6、将感应电炉内铁液倒入球化包进行球化处理，球化处理后去除浮渣及氧化渣并进行浇注温度控制；浇注温度控制在1360℃。
7、铁液在浇注时进行随流孕育处理，随流孕育处理时，孕育剂采用硅锶锆孕育剂，加入量为浇注铁液质量的0.2％。
硅锶锆孕育剂为市售产品，其规格为：Si的质量百分比为73-78％，Zr的质量百分比为1.0-1.5％，Sr的质量百分比为0.8-1.2％，Ca的质量百分比小于等于0.1％，Al的质量百分比小于等于0.5％，余量为Fe。
8、铸件浇注冷却后温度降至低于150℃时开箱落砂清理。
9、将落砂清理好的铸件进行减应力热处理，热处理工艺采用550℃温度下保温4小时，出炉空冷至室温，得到成品。
10、本实施例取试样进行光谱分析结果是：C为2.05％，Si为0.95％，Mn为4.1％，P为0.03％，S为0.006％，Ni为30％，Cr为2.5％，Cu为1.0％，Mg为0.04％，余量为Fe。
本实施例提供的一种液化石油气设备耐磨球铁材料，球化率达到85％以上，由奥氏体及碳化物组成，其显微组织结构如附图3所示。
具体实施例1-3生产的液化石油气设备的压缩机缸套，其结构尺寸和力学性能如下表所示：
表1：压缩机缸套结构尺寸
表2：压缩机缸套力学性能
表2中力学性能测试依据为：
GB/T231.1-2009金属布氏硬度试验第一部分：试验方法；
GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法；
GB/T229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法。
本发明具体实施例1-3提供的一种液化石油气设备耐磨球铁材料，消除了球化不良、缩孔、缩松等缺陷，具有良好的铸造性能和机加工性能，采用这种材质制造的压缩机缸套既具有良好的低温韧性，同时又具有较好的耐磨性能，可以满足-190℃温度的工作环境需要。
本发明具体实施例1-3提供的一种液化石油气设备耐磨球铁材料的制备方法，工艺条件设计合理，容易控制，有益于铸件生产。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体地说明，当然，本发明还可以采用与上述实施方式不同的形式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下所作的等同的变换或相应的改动，都应该属于本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种液化石油气设备用耐磨球铁材料，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：碳2.05-2.95％，硅0.95-2.15％，锰1.46-4.10％，磷0.03-0.06％，硫0.006-0.020％，镍20.5-30.0％，铬0.51-2.50％，铜0.45-1.00％，镁0.04-0.08％，余量铁。
2.根据权利要求1所述的一种液化石油气设备用耐磨球铁材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将生铁、返回料、碳素钢、镍、低硫增碳剂、锰铁、铬铁、碳化硅投入熔炼炉，将熔炼炉升温使物料熔化；
S2：待熔炼炉内物料完全熔化后，添加硅铁、铜，进行精炼及成分调整，得到精炼物料；
S3：待铁液温度高于1500℃后取样进行光谱分析成分；
S4：成分合格后升温过热至1600-1650℃静置3-8分钟准备球化处理；
S5：球化处理采用冲入法，孕育剂覆盖于球化剂上，孕育剂上覆盖球铁铁屑及10-15毫米厚钢板延缓球化剂反应时间；
S6：将铁液合入球化包进行球化处理，球化处理后去除浮渣及氧化渣并进行浇注温度控制，浇注温度控制在1360-1450℃；
S7：铁液在浇注时进行随流孕育处理，铸件浇注冷却后温度降至低于150℃时开箱落砂清理；
S8：将落砂清理后的铸件进行减应力热处理。
3.根据权利要求2所述的一种液化石油气设备用耐磨球铁材料的制备方法，其特征在于，所述熔炼炉为中频感应电炉。
4.根据权利要求2所述的一种液化石油气设备用耐磨球铁材料的制备方法，其特征在于，所述低硫增碳剂为石墨电极增碳剂，规格为：固定碳质量百分比大于等于95％，硫质量百分比小于等于0.08％。
5.根据权利要求2所述的一种液化石油气设备用耐磨球铁材料的制备方法，其特征在于，所述球化剂的用量为精炼物料液质量的1.0-1.5％，且所述球化剂为镍镁球化剂，其中：镁质量百分比为15-20％，余量为镍。
6.根据权利要求5所述的一种液化石油气设备用耐磨球铁材料的制备方法，其特征在于，步骤S5中所述孕育剂为高效硅钡孕育剂，所述高效硅钡孕育剂用量为精炼物料液质量的0.4-0.8％。
7.根据权利要求6所述的一种液化石油气设备用耐磨球铁材料的制备方法，其特征在于，所述高效硅钡孕育剂的规格为：硅的质量百分比为65-70％，钡的质量百分比为4-6％，钙的质量百分比为0.5-1.0％，铝的质量百分比小于等于1.5％，余量为铁。
8.根据权利要求2所述的一种液化石油气设备用耐磨球铁材料的制备方法，其特征在于，步骤S7中进行随流孕育处理时，孕育剂采用硅锶锆孕育剂，加入量为浇注铁液质量的0.1-0.2％。
9.根据权利要求8所述的一种液化石油气设备用耐磨球铁材料的制备方法，其特征在于，所述硅锶锆孕育剂的规格为：硅的质量百分比为73-78％，锆的质量百分比为1.0-1.5％，锶的质量百分比为0.8-1.2％，钙的质量百分比小于等于0.1％，铝的质量百分比小于等于0.5％，余量为铁。
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