CN110066959B - 一种高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料及其熔炼浇注工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料，所述灰铸铁材料的组分以重量百分比表示为：碳3.05‑3.2％，硅1.85‑2.05％，锰0.8‑1.4％，磷≤0.05％，硫＜0.05％。还提供一种生产所述高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料的生产工艺，本发明不仅采用了合成铸铁技术、应用了碳化硅和硅钡锆孕育剂，且利用铁型覆砂优良式铸型条件，铸造出了高强度低硫高锰孕育灰铸铁。

Description

一种高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料及其熔炼浇注工艺

技术领域

本发明涉及铸造领域，具体说是一种高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料及其熔炼浇筑工艺。

背景技术

灰铸铁是指具有片状石墨的铸铁，因断裂时断口呈暗灰色，故称为灰铸铁，其产量占铸铁总产量80%以上。灰铸铁分为铁素体基体灰铸铁、珠光体一铁素体基体灰铸铁、珠光体基体灰铸铁，可根据铸件使用方向的不同采用不同的灰铸铁，满足使用的要求，一般在液压件使用时需要用到珠光体基体灰铸铁。

液压件取样部位接近铸件实心部位中部，多次取样发现该处存在硬度低、冒口颈缩松、石墨长度超标等问题。经分析该部位热节区域大，同时有冒口补缩，使得该部位热量过于聚集铁水长期保温是导致铸件晶粒粗大、石墨长度超标、硬度偏低的根本原因。然而，现有的灰铸铁的硫含量都在0.05%以上，与Mn等成分配比后造型出来的灰铸铁强度低，石墨形态不太稳定。

而且现有的灰铸铁在熔炼浇筑时只用到了一次孕育，且一般都是用硅铁孕育剂进行孕育，使铁液纯净度低、石墨晶粒过大。

并且，现有的灰铸铁的模具单一，厚大件芯部强度很难达到要求。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种采用了合成铸铁技术、应用了碳化硅和硅钡锆孕育剂作为基础、利用了铁型覆砂优良式铸型条件的高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料，所述灰铸铁材料的组分以重量百分比表示为：碳3.05-3.2%，硅1.85-2.05%，锰0.8-1.4%，磷≤0.05%，硫＜0.05%。

作为优选，所述灰铸铁材料的组分以重量百分比表示为：碳3.12%，硅1.96%，锰1.2%，磷0.05%，硫0.01%。

本发明还提供一种生产上述高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料的熔炼浇筑工艺：包括以下步骤：

1）将碎钢、生铁、回炉料、增碳剂加入中频感应电炉内，打开电炉进行熔炼；

2）将电炉温度控制在1540-1550℃范围内继续加热8-12分钟；

3）通过取样勺从电炉中取得铁水，并通过金属元素分析仪对铁水内的各个元素含量进行检测，若成分不合格保持加热并加入缺少的元素进行调节，若成分合格则将铁水静置等待降温；

4）待铁水温度降低后进行扒渣、出炉，

5）出炉过程中，进行包内孕育：选用质量百分比为0.5-0.6%的硅钡锆孕育剂进行一次孕育；

6）浇注，浇筑过程中，进行随流孕育：选用质量百分比为0.25-0.3%的含硅/铁/稀土的孕育剂进行二次孕育，保持浇注温度在1320-1360℃范围内，将铁水浇注至液压阀体件型腔内；

7）形成最终铸件，熔炼过程中加入的成分及各成分的重量百分比如下：碎钢：50-70%；生铁15-25%；回炉料10-30%；增碳剂3.2-3.9%。

作为优选，所述随流孕育的孕育剂包括硅锶孕育剂。

作为优选，步骤6）中所述液压阀体件为铁型覆砂铸造具。

作为优选，所述增碳剂为碳化硅。

作为优选，熔炼过程中采用如下质量百分比进行成分配比：碎钢：62%；生铁21%；回炉料18.74%；增碳剂3.81%。

作为优选，所述最终铸件中，其成分及各成分的重量百分比为：碳3.18%，硅1.95%，锰0.9%，磷0.03%，硫0.03%。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用了合成铸铁技术、应用了碳化硅和硅钡锆孕育剂基础上，利用铁型覆砂优良式铸型条件，实现高碳、低硫、高锰，

2、不添加合金，节省材料、降低生产成本，也是降低铁液收缩倾向、改善铸件加工性能；

3、本发明硫含量都在0.05%以下，与Mn等成分配比后造型出来的灰铸铁强度高，石墨形态极其稳定。

4、本发明在熔炼浇筑时采用两次孕育，且采硅钡锆作为孕育剂进行孕育，使铁液纯净度高、石墨晶粒均匀、孕育效果提升明显。孕育的实质是借助孕育剂去影响铁液的共晶反应，良好的孕育处理是灰铸铁获得细小均匀的A型石墨、消除碳化物及过冷组织，减少断面敏感性及硬度散差，改善铸件力学性能及加工性能的基本保障。

附图说明

图1是本发明中灰铸铁的进项组织形态分析图；

图2是本发明中铁型覆砂铸造具的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合图1、图2详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在铸铁的生产中，S一直被认为是一种有害元素。但研究表明，S对灰铸铁的组织和性能有着重要影响，尤其是对采用电炉熔炼的高强度灰铸铁而言，然而，电炉熔炼的铁液中纠(S)及硫化物的含量，直接影响形核能力和白口倾向。而且 球铁对硫（S）、磷（P）有着严格的要求，S是阻碍石墨球化的主要元素，球化处理的主要目的就是脱S，但球墨铸铁孕育衰退快与w（S）量太低有直接关系；所以，适当的w（S）量是必要的。可以将w（S）量控制在低于0.05%时，利用MgS的成核作用增加石墨核心质点以增加石墨球数，能得到理想的组织和性能。解决了现有技术中采用传统的加硫（S）量导致的使产生球铁中的硫（S）超标从而严重影响球铁的质量的问题。

加Mn可以提高灰铸铁的强度和硬度，但是增大(Mn)量能否提高强度与彬(S)量有关。在(S)量较高的铸铁中，(Mn)量越高，形成的MnS夹杂物越多。MnS可以作为石墨非自发形核的核心，促使铸铁石墨化，但过量的MnS会发生聚集，形成局部密集的MnS排列。同时，铁液中自由S原子的数量减少，石墨将变得平顺，长度变长，端部的钝化效果变差，其综合影响的结果：是Mn强化基体的合金化作用被MnS所带来的不利影响压制了，而且在较高CE的铁液中增硫的作用也被Mn破坏，导致灰铸铁性能降低。因此，(Mn)量与彬(S)量的选择应该综合考虑，通常认为当加(S)≤O．05％时，以加(Mn)=1．7w(S)+0．3来考虑(Mn)量。

本发明再熔炼工艺中选用中频电炉熔炼，在相同原材料下，与冲天炉相比，其过热温度高，熔化保温时间长，极易引起脱碳。同样化学成分时，所浇注成的铸件强度和硬度高，白口倾向大，石墨长度短，且容易产生D、E型石墨；铁液的流动性较差，收缩增大，易引起各种铸造缺陷。当使用废钢量大于50％时，铁液的保温时间增加，上述现象更加严重。以前许多孕育剂是针对冲天炉而生产的，现在熔炼条件改变了，孕育剂也需要有所改变。因此，高强度孕育铸铁件的研究，开发出适应高CE(3．9％～4．2％)、高Si／C比灰铸铁的孕育剂，提高国内铸件材料牌号等级。

本发明中的碳化硅是一种硅基生核剂，熔点达2700 ℃，在铁液中不熔化，按SiC+Fe=FeSi+C（非平衡石墨）熔融于铁液，式中SiC里的Si与Fe结合，余下的C即非平衡石墨，作为石墨析出的核心。并且碳化硅还是很好的脱氧剂，灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁都是通过SiC+FeO=Si+Fe+CO这个反应，用SiC来降低渣中FeO和MnO的含量，从而净化铁液，减少炉壁氧化，延长炉壁寿命，而且碳化硅可以达到增硅、增碳的目的。碳化硅是一种具有“富足核心”美称的物质，它作为铸铁合金的添加剂，减少了铸件白口倾向，增强石墨形核能力和增加石墨形核中心，得到数量适中的共晶团数，形成符合要求的石墨形状和分布，应用了合成铸铁熔化工艺后，炉料中废钢比例过高引起铁液核心数过少时，碳化硅的成核效应可起到关键的作用。我们通过不加碳化硅和加入1％碳化硅两种熔化工艺对铸件金相组织进行比较，熔炼时加入一定量的碳化硅对提高冶金质量、改善石墨形态有明显的效果。

本发明采用两次孕育，即包内孕育和随流孕育。采用硅钡锆孕育剂孕育时，由于合成铸铁因使用大量的废钢及增碳剂，因而使铁液中氮含量急剧升高，氮元素在铁液中可成为碳化物的稳定剂，促进碳化物的形成，它对石墨生长过程有影响，并能促进珠光体形成。另外氮可使石墨片长度缩短，弯曲程度增加，端部钝化，共晶团细化和珠光体数量增多，从而提高其力学性能。锆在铁液中能生成ZrC、Al3Zr、ZrN，降低铁液中的溶解氮，基本消除铸件的氮气孔缺陷，同时增加析出和细化奥氏体枝晶，增加石墨结晶核心促进铁液石墨化，提高铸铁的强度。

随流孕育铁液温度较低且孕育时间延后，从而明显减少孕育衰退现象，提高孕育效果。对致密性要求高的灰铸铁件，一般选择0.05%～0.1%的硅锶孕育剂。硅锶孕育剂能够有效促进共晶石墨化、减少铁液的白口，但不显著增加共晶团数，不增加铁液的缩松倾向，对降低铸件渗漏具有显著的作用。因此，对于容易产生白口及易渗漏的薄壁高强度灰铸铁铸件(如：缸体等)，可选用含sr孕育剂进行孕育。对感应电炉熔炼和炉料中废钢比例较大、w(S)量较低的铁液来说，前述的孕育剂效果都不显著，而用RESiFe孕育剂却特别适宜。少量的RE(铼)还可消除Pb（铅）和Bi（铋）对灰铸铁片状石墨形态的有害影响，改善抗衰退性能，降低过冷顷向，减少D、E型石墨及白口的形成，提高孕育效果的均匀性，从而显著提高铸件的强度和塑性，改善铸铁的切削加工性。在灰铸铁中，氮使石墨片长度缩短，弯曲程度增加，端部钝化，长宽比减小，从而使其强度和弹性模量增加，特别是当N和RE元素复合添加时效果更加显著。

本发明采用铁型覆砂铸造具进行造型，所述铁型覆砂铸造具具有射砂孔1和氟砂层2，氟砂层外部是铁层3，该结构使得砂型整体强度高、不变形，其适应性广泛，铸件易脱模，并且定位可靠，精度高。且铁型覆砂铸造还具有金属型铸造的特点，铁的铸型在金属液结晶过程中有明显的冷激作用，可使铸件晶粒度细化，从而提高了铸件的综合强度，同时又由于有砂胎的存在避免了金属型铸造的短处，铸件不会产生白口，对铸铁件而言，可铸态生产各种材质，无需热处理，且刚性高、无退让、具备良好的冷却条件。下面以三个实施例对该发明做详细说明：

实施例一：

一种高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料，其组分以重量百分比表示为：

碳3.18%，硅1.95%，锰0.9%，磷0.03%，硫0.03%。

一种高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料的熔炼浇筑工艺，包括以下步骤：

1）将碎钢、生铁、回炉料、增碳剂加入中频感应电炉内，打开电炉进行熔炼；所述增碳剂为碳化硅。

2）将电炉温度控制在1500℃范围内继续加热10分钟；

3）通过取样勺从电炉中取得铁水，并通过金属元素分析仪对铁水内的各个元素含量进行检测，若成分不合格保持加热并加入缺少的元素进行调节，若成分合格则将铁水静置等待降温；

4）待铁水温度降低后进行扒渣、出炉，

5）出炉过程中，进行包内孕育：选用质量百分比为0.56%的硅钡锆孕育剂进行一次孕育；

6）浇注，浇筑过程中，进行随流孕育：选用质量百分比为0.28%的含硅/铁/稀土的孕育剂进行二次孕育，所述随流孕育的孕育剂包括硅锶孕育剂。保持浇注温度在1350℃范围内，将铁水浇注至液压阀体件型腔内；所述液压阀体件为铁型覆砂铸造具。

7）形成最终铸件，熔炼过程中加入的成分及各成分的重量百分比如下：碎钢：62%；生铁21%；回炉料18.74%；增碳剂3.81%。

实施例二：

一种高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料，其组分以重量百分比表示为：碳3.05%，硅1.85%，锰0.8%，磷0.05%，硫0.049%。

一种高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料的熔炼浇筑工艺，包括以下步骤：

1）将碎钢、生铁、回炉料、增碳剂加入中频感应电炉内，打开电炉进行熔炼；所述增碳剂为碳化硅。

2）将电炉温度控制在1540℃范围内继续加热8分钟；

3）通过取样勺从电炉中取得铁水，并通过金属元素分析仪对铁水内的各个元素含量进行检测，若成分不合格保持加热并加入缺少的元素进行调节，若成分合格则将铁水静置等待降温；

4）待铁水温度降低后进行扒渣、出炉，

5）出炉过程中，进行包内孕育：选用质量百分比为0.5%的硅钡锆孕育剂进行一次孕育；

6）浇注，浇筑过程中，进行随流孕育：选用质量百分比为0.25%的含硅/铁/稀土的孕育剂进行二次孕育，所述随流孕育的孕育剂包括硅锶孕育剂。保持浇注温度在1320℃范围内，将铁水浇注至液压阀体件型腔内；所述液压阀体件为铁型覆砂铸造具。

7）形成最终铸件，熔炼过程中加入的成分及各成分的重量百分比如下：碎钢：50%；生铁15%；回炉料10%；增碳剂3.2%。

实施例三：一种高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料，其组分以重量百分比表示为：碳3.2%，硅2.05%，锰1.4%，磷0.01%，硫0.01%。

所述灰铸铁材料的组分以重量百分比表示为：碳3.12%，硅1.96%，锰1.2%，磷0.05%，硫0.01%。所述最终铸件中，其成分及各成分的重量百分比为：碳3.18%，硅1.95%，锰0.9%，磷0.03%，硫0.03%。

一种高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料的熔炼浇筑工艺，包括以下步骤：

1）将碎钢、生铁、回炉料、增碳剂加入中频感应电炉内，打开电炉进行熔炼；所述增碳剂为碳化硅。

2）将电炉温度控制在1550℃范围内继续加热12分钟；

3）通过取样勺从电炉中取得铁水，并通过金属元素分析仪对铁水内的各个元素含量进行检测，若成分不合格保持加热并加入缺少的元素进行调节，若成分合格则将铁水静置等待降温；

4）待铁水温度降低后进行扒渣、出炉，

5）出炉过程中，进行包内孕育：选用质量百分比为0.6%的硅钡锆孕育剂进行一次孕育；

6）浇注，浇筑过程中，进行随流孕育：选用质量百分比为0.3%的含硅/铁/稀土的孕育剂进行二次孕育，所述随流孕育的孕育剂包括硅锶孕育剂。保持浇注温度在1360℃范围内，将铁水浇注至液压阀体件型腔内；所述液压阀体件为铁型覆砂铸造具。

7）形成最终铸件，熔炼过程中加入的成分及各成分的重量百分比如下：碎钢：70%；生铁25%；回炉料30%；增碳剂3.9%。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料的熔炼浇注工艺，其特征在于：所述灰铸铁材料的组分以重量百分比表示为：碳3.05-3.2%，硅1.85-2.05%，锰0.8-1.4%，磷≤0.05%，硫＜0.05%，所述熔炼浇注工艺包括以下步骤：

1）将碎钢、生铁、回炉料、增碳剂加入中频感应电炉内，打开电炉进行熔炼；

2）将电炉温度控制在1540-1550℃范围内继续加热8-12分钟；

3）通过取样勺从电炉中取得铁水，并通过金属元素分析仪对铁水内的各个元素含量进行检测，若成分不合格保持加热并加入缺少的元素进行调节，若成分合格则将铁水静置等待降温；

4）待铁水温度降低后进行扒渣、出炉，

5）出炉过程中，进行包内孕育：选用质量百分比为0.5-0.6%的硅钡锆孕育剂进行一次孕育；

6）浇注，浇注过程中，进行随流孕育：选用质量百分比为0.25-0.3%的含硅/铁/稀土的孕育剂进行二次孕育，保持浇注温度在1320-1360℃范围内，将铁水浇注至液压阀体件型腔内；步骤6）中所述液压阀体件为铁型覆砂铸造具；

7）形成最终铸件，熔炼过程中加入的成分及各成分的重量百分比如下：碎钢：50-70%；生铁15-25%；回炉料10-30%；增碳剂3.2-3.9%。

2.根据权利要求1所述高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料的熔炼浇注工艺，其特征在于：所述灰铸铁材料的组分以重量百分比表示为：碳3.12%，硅1.96%，锰1.2%，磷0.05%，硫0.01%。

3.根据权利要求1所述高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料的熔炼浇注工艺，其特征在于：所述随流孕育的孕育剂包括硅锶孕育剂。

4.根据权利要求1所述高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料的熔炼浇注工艺，其特征在于：所述增碳剂为碳化硅。

5.根据权利要求1所述高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料的熔炼浇注工艺，其特征在于：熔炼过程中采用如下质量百分比进行成分配比：碎钢：62%；生铁21%；回炉料18.74%；增碳剂3.81%。

6.根据权利要求1所述高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料的熔炼浇注工艺，其特征在于：所述最终铸件中，其成分及各成分的重量百分比为：碳3.18%，硅1.95%，锰0.9%，磷0.03%，硫0.03%。

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