CN114058935A

CN114058935A - 一种超低温铁素体球墨铸铁及其制备方法

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Publication number: CN114058935A
Application number: CN202110885572.2A
Authority: CN
Inventors: 邹才华; 季建平
Original assignee: Changzhou Dahuahuanyu Machinery Manufacture Co ltd
Current assignee: Changzhou Dahuahuanyu Machinery Manufacture Co ltd
Priority date: 2021-08-03
Filing date: 2021-08-03
Publication date: 2022-02-18

Abstract

本发明涉及铁素体球墨铸铁技术领域，且公开了一种超低温铁素体球墨铸铁及其制备方法，其组成成分质量的百分含量为：C含量3.60％至3.80％、S含量小于0.03％、Si含量2.00％至2.30％、Mn含量小于0.3％、P含量小于0.04％、Mg残含量0.03至0.06％、Re残含量小于0.01％，Ti含量小于0.15％至0.23％、Ni含量0.60％至2.50％，其余量为铁，在生产中加入Ti和Ni，钛合金强度高，其强度随温度降低而升高，保证了低温条件下的金属性能，镍近似银白色、硬而有延展性并具有铁磁性的金属元素，钛镍合金的记忆性使金属在低温条件下依然能保持良好的韧性，根据铸态组织特点，合理地进行热处理，加入碳化硅及锌金属元素，使铸铁能够平稳过度。

Description

一种超低温铁素体球墨铸铁及其制备方法

技术领域

本发明涉及铁素体球墨铸铁技术领域，具体为一种超低温铁素体球墨铸铁。

背景技术

随着高铁列车运行向更低气温区域拓展，-50℃和-60℃的超低温、高强度(≥400MPa)、高韧性(≥12J)的QT400-18AL低温球铁被提出来了。由于球铁的抗拉强度与冲击性能有着很强的互相制约关系，大量的试验和生产数据表明，就现有生产工艺而言，当温度降至-50℃时，这制约的程度已接近QT400-18AL技术标准的“极限”。

温度低于-50℃之后，冲击功随着温度下降的应变速率大幅度提高，意味着低温球铁的韧性开始大幅度下降，快速地向脆性方向发展，当温度降至-60℃时，冲击功只有10.1～10.7J,已达不到≥12J的技术要求。

已知一般Ni含量越高的，钢材所允许的最低使用温度越低。例如0.5～2.5％Ni钢主要用于-60℃～-70℃；3.5％Ni钢主要用于-100℃左右；而9％Ni钢可以用于-196℃，Ni膨胀系数非常小，几乎不热胀冷缩，用来制造多种精密机械，精确量规等；

钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60％，断面收缩率可达70-80％，钛的主要特点是密度小、机械强度大、容易加工。钛的塑性主要依赖于纯度。

钛越纯，塑性越大；

钛镍合金具有“记忆”的本领，而且记忆力很强，经过相当长的时间，重复上千万次都准确无误。它的“记忆”本领就是记住它原来的形状，所以人们称它为“形状记忆合金”。原来这种合金有一个特性转变温度，在转变温度之上，它具有一种组织结构，而在转变温度之下，它又有另一种组织结构。结构不同，性能也就不同。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种超低温铁素体球墨铸铁制备方法，具备-60℃超低温时仍有良好韧性的优点。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超低温铁素体球墨铸铁，其组成成分质量的百分含量为：C含量3.60％至3.80％、S含量小于0.03％、Si含量2.00％至2.30％、Mn含量小于0.3％、P含量小于0.04％、Mg残含量0.03％至0.06％、Re残含量小于0.01％，V含量0.08％至0.17％、Ti含量小于0.15％至0.23％、Ni含量0.60％至2.50％、Zn含量0.33％至1.56％，其余量为铁。

上述超低温铁素体球墨铸铁的制备方法，步骤如下：

(1)原料选取：磷含量不超过％0.07的、硫含量不超过0.02％的生铁；碳含量不超过0.35％、铬含量不超过0.15％的废钢；未受油污沾染、知道成分占比的铁合金；回炉料；增碳剂；碳化硅；钛金属；镍金属；锌金属。

(2)进行球化处理和孕育处理：球化处理采用充入法，采用二次孕育，即炉前孕育和转包孕育相结合来强化孕育、提高孕育效果，将球化处理材料按球化剂-孕育剂-0.1％增碳剂-聚渣剂-铁板的顺序层状加入铁水包底的一边，每加入一种材料需扒平，椿实，球化和孕育完成后进行浇筑。

(3)浇筑完成后进行热处理，采用高温石墨化退火热处理，具体采用的热处理工艺根据铸态组织的特点，铸件加热到900～950℃、保温2～5h；在共析转变温区缓慢冷却；铸件随炉冷至600℃后出炉空冷。

优选的，所述Ti金属的加入必须采用高纯度的Ti，Ti和Ni先行在熔炉中进行反应，融化后组成钛镍合金液，将钛镍合金液和铁液分层加入，加入顺寻为三分之一钛镍合金液--三分之二铁液--三分之二钛镍合金液--三分之一体液，在铁液和钛镍合金液冲入时，废钢和铁合金等应放置在冲入点的另一边。

优选的，所述Zn金属加入时，应固溶于铁素体中，Zn应当逐渐加入，在铸态下试样组织成分应为球状石墨、铁素体和少量珠光体，不会出现自由渗碳体和磷共晶。

优选的，所述碳化硅先与铁水混和后再倒入球包内，紧实后，在球包上覆盖孕育剂。

优选的，所述球化剂为稀土镁硅铁合金，其粒度为2-3mm，使用前需经过烘烤。

优选的，所述孕育剂为75Si，使用前需经过烘烤。

优选的，所述每包铁水球化之前出炉温度应该控制在1400-1500℃内，所述每包铁水浇筑时间最长不得超过十分钟，过时作废处理。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种超低温铁素体球墨铸铁制备方法，其有益效果：

1.在生产中加入Ti和Ni，钛合金强度高，其强度随温度降低而升高，保证了低温条件下的金属性能，镍近似银白色、硬而有延展性并具有铁磁性的金属元素，钛镍合金的记忆性使金属在低温条件下依然能保持良好的韧性。

2.采用二次孕育，即炉前孕育和转包孕育相结合来强化孕育、提高孕育效果，这样可以减少孕育剂的加入量，有利于控制终硅量，获得细小、均匀的石墨球，有利获得低温高韧性。

3.在铁水中加入碳化硅及锌金属元素，碳化硅的加入能显著提升铸铁在低温-20℃时的抗冲击功及韧性，锌能够显著提高铸铁在-30℃至40℃时的稳定性，使铸铁能够平稳过度。

4.根据铸态组织特点,合理地进行热处理，进一步提高韧性，尤其是低温韧性，确保力学性能达到要求。

附图说明

图1为本发明铁素体不同标准下的机械强度图；

图2为本发明原料不同标准下的含量图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，一种超低温铁素体球墨铸铁制备方法，其组成成分质量的百分含量为：C含量3.60％至3.80％、S含量小于0.03％、Si含量2.00％至2.30％、Mn含量小于0.3％、P含量小于0.04％、Mg残含量0.03至0.06％、Re残含量小于0.01％，V含量0.08％至0.17％、Ti含量小于0.15％至0.23％、Ni含量0.60％至2.50％、Zn含量0.33％至1.56％，其余量为铁；

碳高容易产生石墨漂浮、碎块状石墨等铸造缺陷，碳低易出现自由渗碳体且容易产生缩孔、缩松等铸造缺陷，w(C)应控制在3.3～3.8％；锰：锰提高强度、硬度，降低塑性、韧性。锰显著提高脆性转变温度，且易形成组织偏析，促进碳化物的形成，所以w(Mn)控制在0.3％以下；磷：磷在球墨铸铁中有严重的偏析倾向，易在晶界处形成磷共晶，严重降低低温韧性，提高低温脆性，同时，磷还增大球墨铸铁的缩松倾向，因此w(P)控制在0.04％以下；硫：不仅会与球化元素反应，消耗球化剂，造成球化不稳定，而且使夹杂物数量增多，导致铸造缺陷，所有含硫量越低越好，w(S)控制在0.03％以下。

上述超低温铁素体球墨铸铁的制备方法，步骤如下：

(1)磷含量不超过0.07％的、硫含量不超过0.02％的生铁；碳含量不超过0.35％、铬含量不超过0.15％的废钢；未受油污沾染、知道成分占比的铁合金；回炉料；增碳剂；碳化硅；钛金属；镍金属；锌金属；

因铁矿来源的不同，生铁中常含有Cu、Cr、Mo、Ti、Sn、Al、Pb、Bi、Te、Cd、Zn、As和Sb等微量元素。其中As、Pb、Zn、Ti、Bi、Sb、Cd和Te等超过一定含量，或干扰球化，或生晶界脆性相，或生硬质点，从而影响着球化成败、球铁的韧性和切削加工性。这些干扰元素的作用很复杂，它们共存时，有倍增效应或抵消作用，机理有待进一步研究。为了控制干扰元素，需对生铁中微量元素总量(∑T)加以限制。例如德国规定∑T≤0.0745％，日本规定为∑T≤0.089％，其中Ti不大于50％∑T。我国目前一般约定为∑T≤0.1％，其中Ti≤0.045％。

回炉料用生产的球铁浇冒口和废品铸件，杜绝使用市场收购的废旧铸铁件。

废钢主要是用来调整碳量，或是用于废钢增碳生产球铁的主要原材料，应是成分明确的无锈碳素钢，杜绝使用合金钢或来历不明的废钢。

具体的，所述Ti金属的加入必须采用高纯度的Ti，Ti和Ni先行在熔炉中进行反应，融化后组成钛镍合金液，将钛镍合金液和铁液分层加入，加入顺寻为三分之一钛镍合金液--三分之二铁液--三分之二钛镍合金液--三分之一体液，在铁液和钛镍合金液冲入时，废钢和铁合金等应放置在冲入点的另一边。

具体的，所述Zn金属加入时，应固溶于铁素体中，Zn应当逐渐加入，在铸态下试样组织成分应为球状石墨、铁素体和少量珠光体，不会出现自由渗碳体和磷共晶。

具体的，所述碳化硅先与铁水混和后再倒入球包内，紧实后，在球包上覆盖孕育剂。

具体的，所述球化剂为稀土镁硅铁合金，其粒度为2-3mm，使用前需经过烘烤。

具体的，所述孕育剂为75Si，使用前需经过烘烤。

具体的，所述每包铁水球化之前出炉温度应该控制在1400-1500℃内，所述每包铁水浇筑时间最长不得超过十分钟，过时作废处理。

部分工艺要求如下：

铁水包的结构要适应工艺要求，一般铁水包的内腔高度与内径之比值为1.0-1.2，有利于镁和稀土元素的吸收。包底应搪成凹坑或堤坝式。球化剂破碎成适当大小的粒度。粒度过小，容易浮起，氧化；过大，则溶解速度过慢，延长反应时间，铁水降温大。粒度的大小视每次处理的铁水量而言。球化剂最好当天破碎、当天使用，不要久放或受潮。

炉前检验：炉前球化情况判断可用炉前三角试块法、炉前快速金相法、光谱分析等智能化仪器测定。

(1)三角试块法。普遍采用的一种方法，立浇或卧浇。待试样表面呈暗红色时取出，底部向下淬入水中，打断观察断口。如断口及两侧有缩凹，中心有缩松，断口崎岖不平、呈锯齿状、银灰色(银白色)、致密、晶粒细小，尖部无白口或＜1-2mm白口，敲击有钢声，嗅有电石味，表明球化孕育良好。如断口有小黑点，球化不太好。如断口乌黑、晶粒粗大或有许多黑点，呈麻脸状，敲击闷声，则为不球化。

(2)炉前快速金相法。试样为φ20×30mm(视铸件大小、厚薄定)。金相观察，球化级别要在2级以上，表明球化良好。低于2级表明球化不太好。

(3)光谱分析仪，光谱分析仪能过在2分钟以内测定铁水的化学成分，及时、准确，分析误差小。

铁素体球墨铸铁铸态100倍金相检查下的晶界碳化物+磷共晶+夹杂物≈0；球化等级为1～2级；石墨球数为100～150个/mm2。

热处理工艺包括：

(1)退火。得到铁素体基体，提高塑性、韧性，消除应力，改善切削性能。

(2)正火。得到珠光体基体，提高强度和耐磨性。

(3)调质。获得回火索氏体的基体组织，以及良好的综合力学性能。

(4)等温淬火。使外形复杂且综合性能要求高的零件获得下贝氏体的基体组织，以及高强度、高硬度、高韧性等综合力学性能，避免热处理时产生开裂。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种超低温铁素体球墨铸铁，其特征在于：其组成成分质量的百分含量为：C含量3.60％至3.80％、S含量小于0.03％、Si含量2.00％至2.30％、Mn含量小于0.3％、P含量小于0.04％、Mg残含量0.03至0.06％、Re残含量小于0.01％，V含量0.08％至0.17％、Ti含量小于0.15％至0.23％、Ni含量0.60％至2.50％、Zn含量0.33％至1.56％，其余量为铁。

2.根据权利要求1所述的一种超低温铁素体球墨铸铁的制备方法，其特征在于：制备步骤如下：

3.根据权利要求2所述的一种超低温铁素体球墨铸铁制备方法，其特征在于：所述Ti金属的加入必须采用高纯度的Ti，Ti和Ni先行在熔炉中进行反应，融化后组成钛镍合金液，将钛镍合金液和铁液分层加入，加入顺寻为三分之一钛镍合金液--三分之二铁液--三分之二钛镍合金液--三分之一体液，在铁液和钛镍合金液冲入时，废钢和铁合金等应放置在冲入点的另一边。

4.根据权利要求2所述的一种超低温铁素体球墨铸铁制备方法，其特征在于：所述Zn金属加入时，应固溶于铁素体中，Zn应当逐渐加入，在铸态下试样组织成分应为球状石墨、铁素体和少量珠光体，不会出现自由渗碳体和磷共晶。

5.根据权利要求2所述的一种超低温铁素体球墨铸铁制备方法，其特征在于：所述碳化硅先与铁水混和后再倒入球包内，紧实后，在球包上覆盖孕育剂。

6.根据权利要求2所述的一种超低温铁素体球墨铸铁制备方法，其特征在于：所述球化剂为稀土镁硅铁合金，其粒度为2-3mm，使用前需经过烘烤。

7.根据权利要求2所述的一种超低温铁素体球墨铸铁制备方法，其特征在于：所述孕育剂为75Si，使用前需经过烘烤。

8.根据权利要求2所述的一种，其特征在于：所述每包铁水球化之前出炉温度应该控制在1400-1500℃内，所述每包铁水浇筑时间最长不得超过十分钟，过时作废处理。