CN115255294A - 一种潮模砂造型生产高强高韧球墨铸铁的处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种潮模砂造型生产高强高韧球墨铸铁的处理工艺，包括以下操作：将镁锭加入平置的转包反应腔中，压盖密封；将成分和温度合格的铁水出至转包内，然后将转包立起使铁水与反应腔中的镁锭进行球化处理；球化处理结束后加入铈合金，再将铁水倒入保温浇注炉中；将铁水由保温浇注炉压进中间包，同时进行随流孕育处理，孕育剂为含稀土含铋孕育剂，加入量为铁水重量的0.3％‑0.5％，孕育处理完成后，将铁水快速浇注进砂型获得合格铸件。上述处理工艺仅需一次随流孕育，总孕育量少的同时保证了孕育效果，制备得到的球墨铸铁材料的基体组织致密、石墨球数多且圆整、晶间夹杂物少，其抗拉强度达到700MPa以上，延伸率达到10％以上，满足QT700‑10的规格要求。

Description

一种潮模砂造型生产高强高韧球墨铸铁的处理工艺

技术领域

本发明涉及铸造工艺技术领域，具体涉及一种潮模砂造型生产高强高韧球墨铸铁的处理工艺。

背景技术

球墨铸铁在汽车铸件、风电铸件以及核电乏燃料运输容器铸件等领域应用越来越广泛，同时对球墨铸铁的质量水平和性能要求也越来越高，高性能的球墨铸铁为乘用车和商用车的轻量化提供了材料支持。随着高强高韧球墨铸铁需求量的增大，为了缩短生产周期，提高生产效率，降低生产成本，扩大高强高韧球墨铸铁的应用，在等温淬火球墨铸铁(ADI)的基础上，近几年发展起来的铸态高强高韧球墨铸铁，例如QT600-10，QT700-10，QT800-5，QT900-2等越来越受到青睐。

球墨铸铁的生产过程普遍包括以下几个环节：熔炼合格的铁液，球化处理，孕育处理，炉前检验，浇注铸件，铸件清理等，而球化和孕育处理是熔炼过程的核心技术，球化和孕育的好坏直接决定铸件的材料性能。为稳定生产铸态高强高韧球墨铸铁，通常需加入镍和钼等贵重合金，或采用铁型覆砂或者壳型埋钢丸工艺，前者制备成本高，后者生产效率低，因此均不适于大批量高效率低成本的工业化生产。

潮模砂工艺较之上述工艺，生产效率高，但目前能稳定达到QT700-10性能要求的极少，其中主要原因是正常的球化处理工艺主要为冲入法或者喂丝法，铁水纯净度不够，铁水中残余硫含量高，残镁量不稳定；且孕育处理工艺主要为球化处理前加入、球化处理后半段加入和浇注时随流孕育，这种孕育处理工艺，因为浇注时随流孕育加入量受限(一般不超过0.15％，多了不能充分熔化，严重影响产品质量)，所以前期孕育量偏大，并且孕育效果衰减明显，造成石墨长大，石墨球数少，材料强度和延伸率同时下降，无法满足铸态高强度球墨铸铁抗拉强度和延伸率的要求。因此，目前亟需一种可高效、稳定地大批量生产铸态高强高韧球墨铸铁件的处理工艺。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种潮模砂造型生产高强高韧球墨铸铁的处理工艺，通过纯镁球化以及一次随流孕育处理工艺，可在潮模砂高效的造型工艺条件下，获得石墨球多且细小圆整、基体组织致密、晶间夹杂物少的球墨铸铁材料，大大提高了铸件的强度以及韧性，其抗拉强度达到700MPa以上，延伸率达到10％以上。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

本发明第一方面提供了一种潮模砂造型生产高强高韧球墨铸铁的处理工艺，包括以下操作：将球化处理后的铁水倒入保温浇注炉中，再由保温浇注炉压进中间包，同时进行随流孕育处理，出铁孕育完成后，将铁水浇注进砂型获得铸件；所述随流孕育处理采用的孕育剂为含稀土含铋孕育剂，孕育剂加入量为铁水重量的0.3％-0.5％。

进一步地，所述球化处理具体为：将球化剂加入平置的转包反应腔中，压盖密封，将铁水出到转包中，然后将转包立起使铁水通过反应孔与转包反应腔中的球化剂反应，进行球化处理。

进一步地，转包平置时，所述转包中铁水的水平面低于反应孔设置的水平面，以避免铁水提前与镁锭接触。

进一步地，所述铁水加入量不超过转包容积的三分之二。

进一步地，所述转包内腔的高径比≥1.5，给球化反应时铁水沸腾保留足够的空间；所述转包通过一隔板将转包内腔分隔成反应室和铁液储存室，所述隔板上开设有呈等边三角形分布的三个反应孔，使铁水与球化剂充分的接触反应。

进一步地，所述反应孔的直径为20-30mm。

进一步地，所述球化剂为纯镁锭，所述球化剂加入量为铁水重量的0.1％-0.3％。

进一步地，所述球化处理的时间为70-100s。

进一步地，加入转包铁液储存室的铁水由原料置于中频感应熔化电炉中熔化制备得到。

进一步地，铁水加入转包铁液储存室时，所述铁水包含按重量百分比计的以下元素：C：3.3％-3.7％，Si：2.3％-2.8％，Mn：0.2％-0.4％，P：≤0.035％，S：≤0.01％，Cu：0.4％-0.9％，其余为铁。

进一步地，铁水加入转包铁液储存室时，所述铁水的温度为1450-1550℃。

进一步地，球化处理结束后，向铁水中加入铈合金，再倒入保温浇注炉中；所述铈合金中铈元素的含量不低于66wt％，稀土元素的总含量不低于99wt％；所述铈合金加入量为20-100g/t铁水，优选为50-80g/t铁水。

将铈合金加入球化处理后的铁水中，起到脱硫脱气净化铁液作用，同时形成结晶核心，有利于后续孕育处理后的形核。

进一步地，所述保温浇注炉为惰性气体保护的气压保温浇注炉，通过气压将铁水压出至中间包。

进一步地，向铁水中加入孕育剂至铁水浇注结束的时长不超过12s。

进一步地，将中间包内的铁水通过浇口盆浇注至砂型内。

本发明采用一次随流孕育处理的工艺，为保证足够的孕育量，先将铁水压至中间包同时进行随流孕育处理，使足够量的孕育剂在浇注前能够充分的熔化，保证后续的孕育效果；此外，铁水由中间包通过浇口盆快速注入铸件的型腔中，铁水中的浮渣留在浇口盆中，保证型腔中铁水的纯净度，避免浮渣进入铸件的型腔而影响铸件的力学性能。

进一步地，所述含稀土含铋孕育剂中稀土元素为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕中的一种或多种。

进一步地，所述含稀土含铋孕育剂包含按重量百分比计的以下元素：Si：70％-75％，Ca：0.5％-1.5％，Al＜1.5％，Bi：1％-2％，稀有元素：1％-2％，其余为铁。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提供了一种潮模砂造型生产高强高韧球墨铸铁的处理工艺，其中包含纯镁球化处理工艺以及一次随流孕育处理工艺，通过加入纯镁锭球化剂，将铁水中的微观气体和夹杂物被球化处理过程中持续上浮的镁蒸气带走，获得低硫含量、纯净的铁水，以确保球化质量稳定；球化处理后加入铈合金，进一步脱硫脱气净化铁液，同时形成结晶核心以促进后续孕育处理后的形核；本发明采用的孕育处理工艺，区别于现有技术中多步孕育处理工艺(球化处理前、球化处理后半段以及浇注时随流孕育)，浇注前的所有过程均不增硅无孕育，仅采用浇注时的随流孕育，配合含稀土含铋孕育剂，总孕育量小但随流孕育量大，孕育延后保证了孕育效果的同时降低了孕育剂的使用量。

2.本发明通过上述处理工艺制备得到的球墨铸铁，具有石墨球数多(200-600个/mm²)、石墨细小圆整(球化率2级以上，石墨大小6-8级)、基体组织致密且晶间夹杂物少的特点，可同时提高球墨铸铁材料的强度和韧性(通常强度和韧性相互矛盾，难以同时提升)，使其抗拉强度达到700MPa以上，延伸率达到10％以上，满足QT700-10的规格要求。

附图说明

图1为转包的结构示意图；

图2为实施例1制备的铸件本体在腐蚀前的金相组织图片；

图3为实施例1制备的铸件本体在腐蚀后的金相组织图片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

本实施例涉及一种潮模砂造型生产的卡车整体支架铸件，其中包含以下球化、孕育处理过程：

(1)首先用天然气烘烤转包(如图1所示)，包衬烤红后将转包平置，向转包反应室中加入5.5kg的镁锭，关闭反应室盖，压紧密封；

(2)将电炉中铁水的成分和温度调整合格，扒渣后出5吨铁水到转包铁液储存室内，出铁温度1500℃，铁水包含按重量百分比计的以下元素：碳：3.40％，硅：2.45％，硫：0.01％，磷：0.019％，锰：0.30％，Cu：0.70％，其余为铁；

(3)将转包运至球化室后立起，转包铁液储存室内的铁水通过反应孔与转包反应室中的镁锭进行球化反应，球化反应时间为95s；

(4)球化结束后加入0.3kg的铈合金，然后将铁水倒入保温浇注炉中，并由气压保温浇注炉压进中间包，同时进行随流孕育处理，随流孕育剂加入量为铁水重量的0.4％，随流孕育剂包含按重量百分比计的以下元素：Si：70％-75％，Ca：0.5％-1.5％，Al＜1.5％，Bi：1％-2％，稀土元素：1％-2％，其余为铁；

(5)出铁孕育完成后，将铁水快速浇注进砂型，获得合格铸件。

图2、3分别为铸件样品在腐蚀前、后的金相组织图，从图中可以直观的看出，本实施例制备得到的铸件，石墨球数多且细小圆整，基体组织致密、珠光体含量适中，可以减少应力集中，有利于提高铸件的机械性能。

实施例2

本实施例涉及一种潮模砂造型生产的空气悬挂架铸件，其中包含以下球化、孕育处理过程：

(1)首先用天然气烘烤转包，包衬烤红后将转包平置，向转包反应室中加入5kg的镁锭，关闭反应室盖，压紧密封；

(2)将电炉中铁水的成分和温度调整合格，扒渣后出5吨铁水到转包铁液储存室内，出铁温度1480℃，铁水包含按重量百分比计的以下元素：碳：3.42％，硅：2.56％，硫：0.008％，磷：0.018％，锰：0.28％，Cu：0.68％，其余为铁；

(3)将转包运至球化室后立起，转包铁液储存室内的铁水通过反应孔与转包反应室中的镁锭进行球化反应，球化反应时间为98s；

(4)球化结束后加入0.3kg的铈合金，然后将铁水倒入保温浇注炉中，并由气压保温浇注炉压进中间包，同时进行随流孕育处理，随流孕育剂加入量为铁水重量的0.3％，随流孕育剂包含按重量百分比计的以下元素：Si：70％-75％，Ca：0.5％-1.5％，Al＜1.5％，Bi：1％-2％，稀土元素：1％-2％，其余为铁；

(5)出铁孕育完成后，将铁水快速浇注进砂型，获得合格铸件。

实施例3

本实施例涉及一种潮模砂造型生产的车轮支架铸件，其中包含以下球化、孕育处理过程：

(1)首先用天然气烘烤转包，包衬烤红后将转包平置，向转包反应室中加入5.6kg的镁锭，关闭反应室盖，压紧密封；

(2)将电炉中铁水的成分和温度调整合格，扒渣后出5吨铁水到转包铁液储存室内，出铁温度1480℃，铁水包含按重量百分比计的以下元素：碳：3.46％，硅：2.75％，硫：0.006％，磷：0.020％，锰：0.31％，Cu：0.81％，其余为铁；

(3)将转包运至球化室后立起，转包铁液储存室内的铁水通过反应孔与转包反应室中的镁锭进行球化反应，球化反应时间为90s；

(4)球化结束后加入0.3kg的铈合金，然后将铁水倒入保温浇注炉中，并由气压保温浇注炉压进中间包，同时进行随流孕育处理，随流孕育剂加入量为铁水重量的0.3％，随流孕育剂包含按重量百分比计的以下元素：Si：70％-75％，Ca：0.5％-1.5％，Al＜1.5％，Bi：1％-2％，稀土元素：1％-2％，其余为铁；

(5)出铁孕育完成后，将铁水快速浇注进砂型，获得合格铸件。

对比例1

本对比例为前期工艺开发阶段的试验，球化处理后不加铈合金制备铸体的试验，具体如下：

(1)首先用天然气烘烤转包，包衬烤红后将转包平置，向转包反应室中加入5.3kg的镁锭，关闭反应室盖，压紧密封；

(2)将电炉中铁水的成分和温度调整合格，扒渣后出5吨铁水到转包铁液储存室内，出铁温度1486℃，铁水包含按重量百分比计的以下元素：碳：3.44％，硅：2.55％，硫：0.006％，磷：0.021％，锰：0.30％，Cu：0.65％，其余为铁；

(3)将转包运至球化室后立起，转包铁液储存室内的铁水通过反应孔与转包反应室中的镁锭进行球化反应，球化反应时间为95s；

(4)球化结束后，直接将转包中的铁水进行浇注，浇注时进行随流孕育处理，随流孕育剂加入量为铁水重量的0.3％，随流孕育剂包含按重量百分比计的以下元素：Si：70％-75％，Ca：0.5％-1.5％，Al＜1.5％，Bi：1％-2％，稀土元素：1％-2％，其余为铁；

(5)出铁孕育完成后，将铁水快速浇注进砂型，制备得到铸件。

对比例2

本对比例为前期工艺开发阶段，采用多次孕育处理工艺制备铸体的试验，具体如下：

(1)首先将球化剂装入球化包底的凹坑内，再覆盖硅钡孕育剂，再覆盖碎钢片。其中球化剂加入量为铁水量的1.15％，球化剂包含按重量百分比计的以下元素：Si：64％-70％，Mg：5.8-6.5％，Ca：2.1-2.8，Ba：1.3-1.9，稀土元素：0.9-1.2％，其余为铁；孕育剂加入量为铁水量的0.2-0.3％，孕育剂包含按重量百分比计的以下元素：Si：70％-75％，Ba：0.5％-1.5％，其余为铁；碎钢片为普通冷冲的小块废钢；

(2)将电炉中铁水的成分和温度调整合格，扒渣后出3吨铁水到球化包，出铁温度1506℃，其中铁水包含按重量百分比计的以下元素：碳：3.48％，硅：2.53％，硫：0.014％，磷：0.021％，锰：0.27％，Cu：0.68％，其余为铁；

(3)出铁开始20秒后，球化反应开始，反应时间为78s，球化反应开始20-30s后加入二次孕育剂，加入量为铁水量的0.4-0.6％，孕育剂包含按重量百分比计的以下元素：Si：70％-75％，Ba：0.5％-1.5％，其余为铁；

(4)球化结束后，进行浇注，同时进行随流孕育处理，随流孕育剂加入量为铁水重量的0.08-0.12％，随流孕育剂为硅铁含稀土孕育剂，孕育剂包含按重量百分比计的以下元素：Si：70％-75％，Ba：0.5％-1.5％，稀土元素：1.2-1.8％其余为铁；

(5)浇注冷却后，制备得到铸件。

对比例3

本对比例为前期工艺开发阶段的试验，采用硅铁含钡孕育剂进行一次随流孕育制备铸体的试验，具体如下：

(1)首先用天然气烘烤转包，包衬烤红后将转包平置，向转包反应室中加入5.6kg的镁锭，关闭反应室盖，压紧密封；

(2)将电炉中铁水的成分和温度调整合格，扒渣后出5吨铁水到转包铁液储存室内，出铁温度1489℃，铁水包含按重量百分比计的以下元素：碳：3.45％，硅：2.51％，硫：0.005％，磷：0.020％，锰：0.29％，Cu：0.69％，其余为铁；

(3)将转包运至球化室后立起，转包铁液储存室内的铁水通过反应孔与转包反应室中的镁锭进行球化反应，球化反应时间为98s；

(4)球化结束后加入铈合金，然后将铁水倒入保温浇注炉中，并由气压保温浇注炉压进中间包，同时进行随流孕育处理，随流孕育剂加入量为铁水重量的0.3％，随流孕育剂为硅铁含钡孕育剂，包含按重量百分比计的以下元素：Si：70％-75％，Ba：0.5％-1.5％，其余为铁；

(5)出铁孕育完成后，将铁水快速浇注进砂型，制备得到铸件。

性能表征

从上述实施例及对比例制备得到的铸件本体取样，测试各样品的球化率、珠光体含量以及机械性能，测试结果如下表1所示：

表1实施例及对比例制备的铸件的相关性能参数

由表1可知，采用本发明处理工艺制备得到的铸件，其球化率均高于QT700-10的规格要求，达到90％，珠光体含量均满足要求，且实施例1～3制备得到的铸件的抗拉强度基本稳定在730Mpa以上，延伸率均大于10％，极大地提高了潮模砂造型工艺生产的球墨铸铁的强度和韧性，同时该工艺制备得到的不同批次铸件的性能稳定，可降低不良率，满足生产需求。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种潮模砂造型生产高强高韧球墨铸铁的处理工艺，其特征在于，将球化处理后的铁水倒入保温浇注炉中，再由保温浇注炉压进中间包，同时进行随流孕育处理，出铁孕育完成后，将铁水浇注进砂型获得铸件；所述随流孕育处理采用的孕育剂为含稀土含铋孕育剂，孕育剂加入量为铁水重量的0.3％-0.5％。

2.根据权利要求1所述的处理工艺，其特征在于，所述球化处理具体为：将球化剂加入平置的转包反应腔中，压盖密封，将铁水出到转包中，然后将转包立起使铁水通过反应孔与转包反应腔中的球化剂反应，进行球化处理。

3.根据权利要求2所述的处理工艺，其特征在于，所述球化剂为纯镁锭，所述球化剂加入量为铁水重量的0.1％-0.3％；所述球化处理的时间为70-100s。

4.根据权利要求2所述的处理工艺，其特征在于，铁水加入转包铁液储存室时，所述铁水的温度为1450-1550℃，所述铁水包含按重量百分比计的以下元素：C：3.3％-3.7％，Si：2.3％-2.8％，Mn：0.2％-0.4％，P：≤0.035％，S：≤0.01％，Cu：0.4％-0.9％，其余为铁。

5.根据权利要求1所述的处理工艺，其特征在于，向球化处理后的铁水中加入铈合金，再倒入保温浇注炉；所述铈合金中铈元素的含量不低于66wt％，稀土元素的总含量不低于99wt％；所述铈合金的加入量为20-100g/t铁水。

6.根据权利要求1所述的处理工艺，其特征在于，所述保温浇注炉为惰性气体保护的气压保温浇注炉，通过气压将铁水压出至中间包。

7.根据权利要求1所述的处理工艺，其特征在于，向铁水中加入孕育剂至铁水浇注结束的时长不超过12s。

8.根据权利要求1所述的处理工艺，其特征在于，所述含稀土含铋孕育剂中的稀土元素为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕中的一种或多种。

9.根据权利要求8所述的处理工艺，其特征在于，所述含稀土含铋孕育剂包含按重量百分比计的以下元素：Si：70％-75％，Ca：0.5％-1.5％，Al＜1.5％，Bi：1％-2％，稀土元素：1％-2％，其余为铁。

10.根据权利要求1所述的处理工艺，其特征在于，将中间包内的铁水通过浇口盆浇注至砂型内。

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