CN110257696A - 高强度高韧性球墨铸铁及其制备方法 - Google Patents

Abstract

高强度高韧性球墨铸铁及其制备方法，属于金属铸造技术领域。解决了现有技术中通过热处理实现球墨铸铁高强度和高韧性的方法成本高、工艺复杂、成品率低的问题。本发明的制备方法，先按质量比(50‑60):(10‑20):30将Ti粉、C粉、Fe粉机械混合均匀，压制至密实度为50％的预制块；然后向原铁液中加入硅铁、锰铁和预制块，熔炼，得到合金液；然后将球化剂倒入浇包底部，将孕育剂均匀覆盖在球化剂上；再将合金液倒入浇包，进行球化处理和孕育处理，得到浇注液；最后将浇注液撇渣后浇入铸型，冷却，得到高强度高韧性球墨铸铁。该制备方法成本低，提高了经济效益，简化了工艺流程，生产效率高，制备的球墨铸铁强度高、韧性高。

Description

高强度高韧性球墨铸铁及其制备方法

技术领域

本发明属于金属铸造技术领域，具体涉及一种高强度高韧性球墨铸铁及其制备方法。

背景技术

铸铁是含碳量大于2.11％的铁碳合金，由工业生铁、废钢等钢铁及其合金材料经过高温熔融和铸造成型而得到。铸铁中的碳以石墨形态析出，若析出的石墨呈条片状时的铸铁叫灰口铸铁或灰铸铁、呈蠕虫状时的铸铁叫蠕墨铸铁、呈团絮状时的铸铁叫可锻铸铁或码铁、而呈球状时的铸铁就叫球墨铸铁。

球墨铸铁的出现很大程度上改变了人们对于铸铁的认识，自发明之日起，便凭借高机械性能和低成本被广泛应用于机械、船舶、汽车等行业。随着其综合性能的不断提高、生产成本的不断降低，其应用范围已扩展到锻钢、铸钢及可锻铸铁等高性能工程材料领域。但随着一些行业(如汽车行业)向着轻量化、高性能和低成本的方向不断发展，现有的球墨铸铁已逐渐不能满足行业的需求；某些器件需要材料具备高强度的同时还要具备较高的韧性，如汽车曲轴结构件。

现有技术中，主要是通过热处理的方法实现球墨铸铁的高强度和高韧性，但这种方法成本高、工艺复杂、成品率低，因此，亟需一种既能够制备高强度高韧性的球墨铸铁，又成本低、工艺简单、成型率高的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明为解决现有技术中通过热处理实现球墨铸铁高强度和高韧性的方法成本高、工艺复杂、成品率低的技术问题，提供一种高强度高韧性球墨铸铁及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

高强度高韧性球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、按质量比(50-60):(10-20):30将Ti粉、C粉、Fe粉机械混合均匀，压制至密实度为50％的预制块；

步骤二、向原铁液中加入硅铁、锰铁和预制块，在1540-1560℃下熔炼，得到合金液；

所述预制块的用量为原铁液质量的0.033％；

步骤三、将球化剂倒入浇包底部，将孕育剂均匀覆盖在球化剂上；

步骤四、将合金液倒入浇包，进行球化处理和孕育处理，得到浇注液；

步骤五、将浇注液撇渣后浇入铸型，冷却，得到高强度高韧性球墨铸铁。

优选的是，所述步骤一中，Ti粉纯度≥99.5％，平均粒度25μm，C粉纯度≥99.7％，平均粒度45nm，Fe粉纯度≥99.0％，平均粒度45μm。

优选的是，所述步骤一中，Ti粉、C粉、Fe粉球磨混合均匀，并经钢模压制成预制件。

优选的是，所述步骤二中，原铁液经质量比为810:27:100的生铁、废钢和回炉料在1540-1560℃熔炼而成，熔炼设备为中频感应炉。

更优选的是，所述原铁液中还含有增碳剂，增碳剂与生铁的质量比为810:7。

更优选的是，所述生铁为高纯生铁，含有C＞3.3wt％、Si＜0.40wt％、Mn＜0.05wt％、P＜0.04wt％、S≤0.015wt％和Ti≤0.02wt％；所述废钢为45#钢。

优选的是，所述步骤二中，硅铁的用量为原铁液质量的2.3％，硅铁为75SiFe，含有74wt％-78wt％Si、0.8wt％-1.5wt％Al和0.5wt％-1.0wt％Ca；锰铁的用量为原铁液质量的0.3％，锰铁为高碳锰铁，含有6wt％-7wt％C和2wt％-76wt％Mn。

优选的是，所述步骤三中，球化剂加入量为原铁液质量的1.3％-1.5％，球化剂为稀土镁，粒度为5-20mm。

优选的是，所述步骤三中，孕育剂加入量为原铁液质量的0.3％-0.5％，孕育剂为75SiFe，粒度1-3mm。

优选的是，所述步骤四中，浇注液中Mg_残控制在0.035wt％-0.065wt％。

本发明还提供上述高强度高韧性球墨铸铁的制备方法的制备的高强度高韧性球墨铸铁。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明的高强度高韧性球墨铸铁的制备方法，将Ti粉、C粉、Fe粉组成的预制块加入原铁液中，在铸态条件下实现高性能球墨铸铁的制备，无需使用Cu、Ni等贵金属，节约成本，提高了经济效益。

2、本发明的高强度高韧性球墨铸铁的制备方法工艺简单，只需要使用冲入法球化，包内一次孕育即可在铸态下实现球墨铸铁力学性能和韧性的提高，大大简化了工艺流程，提高了生产效率。

3、本发明的高强度高韧性球墨铸铁，强度高、韧性高，经实验检测，以球墨铸铁qt450-10为例，添加预制块的试样屈服强度和抗拉强度分别为369Mpa和529Mpa，分别提高了5.43％和3.73％，延伸率为15.61％，提高了10.64％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例1的高强度高韧性球墨铸铁的力学拉伸曲线图；

图2为本发明实施例1的高强度高韧性球墨铸铁的力学性能变化曲线；

图3为本发明实施例2的高强度高韧性球墨铸铁的力学拉伸曲线图；

图4为本发明实施例2的高强度高韧性球墨铸铁的力学性能变化曲线；

图5为本发明实施例3的高强度高韧性球墨铸铁的力学拉伸曲线图；

图6为本发明实施例3的高强度高韧性球墨铸铁的力学性能变化曲线。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合具体实施方式对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

高强度高韧性球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、按质量比(50-60):(10-20):30，优选(50-56):(14-20):30，将Ti粉、C粉、Fe粉机械混合均匀，压制至密实度为50％的预制块；

步骤二、向原铁液中加入硅铁、锰铁和预制块，在1540-1560℃下熔炼，得到合金液；

步骤三、将球化剂倒入浇包底部，将孕育剂均匀覆盖在球化剂上；

步骤四、将合金液倒入浇包，进行球化处理和孕育处理，得到浇注液；

步骤五、将浇注液撇渣后浇入铸型，冷却，得到高强度高韧性球墨铸铁。

上述技术方案，步骤一中，Ti粉、C粉和Fe粉组成的预制块能够在铁液中生成TiC，提高石墨球化率，细化铁素体和珠光体晶粒，进一步在铸态条件下实现高性能球墨铸铁的制备。Ti粉、C粉、Fe粉皆可通过本领域技术人员熟知方式获得，Ti粉纯度≥99.5％，平均粒度25μm，C粉纯度≥99.7％，平均粒度45nm，Fe粉纯度≥99.0％，平均粒度45μm。Ti粉、C粉、Fe粉的质量比优选为56:14:30。优选Ti粉、C粉、Fe粉球磨混合均匀，混合时间和工艺没有特殊限制，达到均匀效果即可。压制的方式一般采用钢模压制。

上述技术方案，步骤二中，原铁液没有特殊限制，可采用现有技术中常用的球墨铸铁用原铁液，优选原铁液经质量比为810:27:100的生铁、废钢和回炉料在1540-1560℃熔炼而成，根据实际需要，原铁液中还可以含有增碳剂，增碳剂与生铁的质量比为810:7，熔炼设备优选为中频感应炉；增碳剂为本领域常用助剂，优选炭黑。其中，生铁优选为高纯生铁，高纯生铁的组成可采用本领域的国标要求，一般含有C＞3.3wt％(＜4.3wt％)、Si＜0.40wt％、Mn＜0.05wt％、P＜0.04wt％、S≤0.015wt％、Ti≤0.02wt％，余量为铁；废钢优选为45#钢；回炉料为铸造过程中的废铸件、浇口、冒口等废金属送回熔炉重熔的炉料。

上述技术方案，步骤二中，硅铁的用量为原铁液质量的2.3％，硅铁为75SiFe，75SiFe的组成可采用本领域的国标要求，一般含有74wt％-78wt％Si、0.8wt％-1.5wt％Al、0.5wt％-1.0wt％Ca，余量为铁；锰铁的用量为原铁液质量的0.3％，锰铁为高碳锰铁，高碳锰铁组成可采用本领域的国标要求，一般含有6％-7％C、52％-76％Mn，余量为铁；预制块的用量为原铁液质量的0.033％。

上述技术方案，步骤三中，优选将球化剂平铺于浇包底部，将孕育剂均匀平铺覆盖在在球化剂上。

上述技术方案，步骤三中，浇包为堤坝式浇包，堤坝高度高于加料高度30mm，使用前预热至800℃以上。

上述技术方案，步骤三中，球化剂加入量为原铁液质量的1.3％-1.5％，球化剂为稀土镁，粒度为5-20mm，球化温度为1460℃。

上述技术方案，步骤三中，孕育剂加入量为原铁液质量的0.3％-0.5％，孕育剂为75SiFe，粒度1-3mm，孕育方式为包内一次孕育。

上述技术方案，步骤四中，球化处理和孕育处理的具体过程为搅拌8-12s，搅拌工具通常采用石墨棒，为保证球化效果，浇注液中Mg_残应控制在0.035wt％-0.065wt％。

上述技术方案，步骤五中，铸型没有特殊限制，浇注液在任何铸型中都具备良好的流动性，优选铸型材料为树脂自硬砂。

上述技术方案，步骤五中，采用石墨棒进行搅拌撇渣处理。

本发明还提供上述高强度高韧性球墨铸铁的制备方法的制备的高强度高韧性球墨铸铁。

下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行详细说明。以下对比例与实施例皆以制备球墨铸铁qt450-10为例。

对比例1

步骤一、在10Kg中频感应炉中加入270g 45#钢、8100g高纯生铁、70g炭黑和1000g回炉料，升温至1540-1560℃进行熔炼，得到原铁液；

步骤二、向原铁液中加入216g 75SiFe和29g高碳锰铁，1540-1560℃继续熔炼，得到合金液；

步骤三、将140g球化剂稀土镁(粒度为5mm)倒入浇包底部，然后把50g孕育剂75SiFe(粒度3mm)均匀覆盖在球化剂上；

步骤四、将合金液倒入浇包，用石墨棒搅拌10s，得到浇注液；

步骤五、将浇注液撇渣后浇入铸型，冷却，得到球墨铸铁。

实施例1

步骤一、按质量比56:14:30将Ti粉、C粉、Fe粉机械混合均匀，钢模压制至密实度为50％的压制块；

步骤二、在10Kg中频感应炉中加入270g 45#钢、8100g高纯生铁、70g炭黑和1000g回炉料，升温至1540-1560℃进行熔炼，得到原铁液；

步骤三、向原铁液中加入216g 75SiFe、29g高碳锰铁和3.3g预制块，1540-1560℃继续熔炼，得到合金液；

步骤四、将140g球化剂稀土镁(粒度为5mm)倒入浇包底部，然后把50g孕育剂75SiFe(粒度3mm)均匀覆盖在球化剂上；

步骤五、将合金液倒入浇包，用石墨棒搅拌10s，得到浇注液；

步骤六、将浇注液撇渣后浇入铸型，冷却，得到高强度高韧性球墨铸铁。

实施例2

步骤一、按质量比50:20:30将Ti粉、C粉、Fe粉机械混合均匀，钢模压制至密实度为50％的压制块；

步骤二、在10Kg中频感应炉中加入270g 45#钢、8100g高纯生铁、70g炭黑和1000g回炉料，升温至1540-1560℃进行熔炼，得到原铁液；

步骤三、向原铁液中加入216g 75SiFe、29g高碳锰铁和3.3g预制块，1540-1560℃继续熔炼，得到合金液；

步骤四、将140g球化剂稀土镁(粒度为5mm)倒入浇包底部，然后把50g孕育剂75SiFe(粒度3mm)均匀覆盖在球化剂上；

步骤五、将合金液倒入浇包，用石墨棒搅拌10s，得到浇注液；

步骤六、将浇注液撇渣后浇入铸型，冷却，得到高强度高韧性球墨铸铁。

实施例3

步骤一、按质量比60:10:30将Ti粉、C粉、Fe粉机械混合均匀，钢模压制至密实度为50％的压制块；

步骤二、在10Kg中频感应炉中加入270g 45#钢、8100g高纯生铁、70g炭黑和1000g回炉料，升温至1540-1560℃进行熔炼，得到原铁液；

步骤三、向原铁液中加入216g 75SiFe硅铁、29g高碳锰铁和3.3g预制块，1540-1560℃继续熔炼，得到合金液；

步骤四、将140g球化剂稀土镁(粒度为5mm)倒入浇包底部，然后把50g孕育剂75SiFe(粒度3mm)均匀覆盖在球化剂上；

步骤五、将合金液倒入浇包，用石墨棒搅拌10s，得到浇注液；

步骤六、将浇注液撇渣后浇入铸型，冷却，得到高强度高韧性球墨铸铁。

对对比例1和实施例1-3制备的球墨铸铁的力学性能进行检测。拉伸实验在WAW-200型拉伸机上进行，屈服强度和抗拉强度由拉伸曲线直接读出，延伸率采用断后尺寸进行计算。检测结果如图1-6所示。从图1和图2可以看出，未添加预制块的球墨铸铁(对比例1)的屈服强度为350Mpa，抗拉强度510Mpa，延伸率14.1％；添加预制块的球墨铸铁(实施例1)的屈服强度为369Mpa，相较于对比例1提高了5.43％，抗拉强度为529Mpa，相较于对比例1提高了3.73％，延伸率为15.61％，相较于对比例1提高了10.64％。如图3和图4所示，实施例2的球墨铸铁的屈服强度为362Mpa，抗拉强度521Mpa，延伸率为14.98％，相较于对比例1分别提高了3.43％、2.16％和6.24％。如图5和图6所示，实施例3的球墨铸铁的屈服强度为399Mpa，抗拉强度582Mpa，相较于对比例1分别提高了14％和14.11％，延伸率为14.08％，相较于对比例1基本保持不变。

预制块Ti：C：Fe比例超出(50-60):(10-20):30范围时球墨铸铁力学性能提升较小或略有下降，在此不再列出。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.高强度高韧性球墨铸铁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、按质量比(50-60):(10-20):30将Ti粉、C粉、Fe粉机械混合均匀，压制至密实度为50％的预制块；

步骤二、向原铁液中加入硅铁、锰铁和预制块，1540-1560℃熔炼，得到合金液；

所述预制块的用量为原铁液质量的0.033％；

步骤三、将球化剂倒入浇包底部，将孕育剂均匀覆盖在球化剂上；

步骤四、将合金液倒入浇包，进行球化处理和孕育处理，得到浇注液；

步骤五、将浇注液撇渣后浇入铸型，冷却，得到高强度高韧性球墨铸铁。

2.根据权利要求1所述的高强度高韧性球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，Ti粉纯度≥99.5％，平均粒度25μm，C粉纯度≥99.7％，平均粒度45nm，Fe粉纯度≥99.0％，平均粒度45μm。

3.根据权利要求1所述的高强度高韧性球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，Ti粉、C粉、Fe粉球磨混合均匀，并经钢模压制成预制件。

4.根据权利要求1所述的高强度高韧性球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，原铁液经质量比为810:27:100的生铁、废钢和回炉料在1540-1560℃熔炼而成，熔炼设备为中频感应炉。

5.根据权利要求4所述的高强度高韧性球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述原铁液中还含有增碳剂，增碳剂与生铁的质量比为810:7。

6.根据权利要求4所述的高强度高韧性球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述生铁为高纯生铁，含有C＞3.3wt％、Si＜0.40wt％、Mn＜0.05wt％、P＜0.04wt％、S≤0.015wt％和Ti≤0.02wt％；所述废钢为45#钢。

7.根据权利要求1所述的高强度高韧性球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，硅铁的用量为原铁液质量的2.3％，硅铁为75SiFe，含有74wt％-78wt％Si、0.8wt％-1.5wt％Al和0.5wt％-1.0wt％Ca；锰铁的用量为原铁液质量的0.3％，锰铁为高碳锰铁，含有6wt％-7wt％C和52wt％-76wt％Mn。

8.根据权利要求1所述的高强度高韧性球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，球化剂加入量为原铁液质量的1.3％-1.5％，球化剂为稀土镁，粒度为5-20mm；孕育剂加入量为原铁液质量的0.3％-0.5％，孕育剂为75SiFe，粒度1-3mm。

9.根据权利要求1所述的高强度高韧性球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述步骤四中，浇注液中Mg_残控制在0.035wt％-0.065wt％。

10.权利要求1-9任何一项所述的高强度高韧性球墨铸铁的制备方法的制备的高强度高韧性球墨铸铁。