CN1923412B - 高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管的铸造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了汽车排气管加工技术领域的一种高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管的铸造工艺，其铸造工艺步骤为制芯、混砂、造型、熔炼、浇注、热处理、机加、抛丸处理、检验、入库，在熔炼中的步骤为炉料配比、熔炼控制、球化处理、孕育处理，镍铁在熔炼后期加入；铬铁在铁水过热后期加入，球化剂选用镍镁硅铁球化剂，孕育剂采用75硅铁，铁水采用快速浇注充型，浇注温度控制在1460℃-1530℃；热处理工艺是将铸件升温至870℃-1000℃，保温3-6小时，随炉冷至620℃出炉。通过该工艺制作出的高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管具有强的抗热冲击性和抗热蠕变性，很好的耐蚀性及高温抗氧化性，而且有低的热膨胀性和很好的低温冲击韧性，可广泛应用在高档车型上。

Description

高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管的铸造工艺

技术领域

本发明属于汽车排气管加工技术领域，具体涉及一种高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管的铸造工艺。

背景技术

高镍奥氏体球墨铸铁是1925-1930年美国首先研制成功的，但直到60年代这种材料还鲜为人知。1970年以后这种铸铁的生产应用不断发展，已列入西方发达国家和国际标准化组织。高镍奥氏体球墨铸铁是一种很有发展前途的材料，它具有良好的综合机械性能与工艺性能，在塑性、抗蚀、抗氧化、耐热、抗裂、减振等方面，是其他材料不可比拟的。近些年来，随着汽车工程、核电和海洋工程的发展，在国外被广泛用于制造海水泵、阀、增压器壳体、排气管、气门座等耐热、耐腐蚀的零部件制造中，国际市场上对高镍奥氏体球墨铸铁的需求越来越大。

为了适应汽车工业的发展和各国对环保越来越高的要求，轻型化、大排量发动机将成为汽车应用的主流。随着发动机技术的发展，进入排气管的废气的温度从原来的550℃增高到650-750℃或更高。以往使用的Si-Mo合金球墨铸铁已不能满足要求，高镍奥氏体球墨铸铁因具有比Si-Mo合金球墨铸铁更好的耐热、耐蚀性而在高档车型上获得广泛应用。但是，由于该种铸件要求材质为含镍、硅最高的奥氏体球墨铸铁D-5S，合金含量高、碳量低，属复杂材质，熔炼浇注温度高，铸造工艺性差、铸件表面粗糙要求高，且该排气管件小壁薄，厚薄差较大，尺寸精度尤其是对流道的三维曲面尺寸精度要求高，高镍奥氏体球墨铸铁无法使用现有的铸造工艺制作出汽车排气歧管。

发明内容

本发明目的是提供一种高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管的铸造工艺，通过该工艺制作出的高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管具有强的抗热冲击性和抗热蠕变性，很好的耐蚀性及高温抗氧化性，而且有低的热膨胀性和很好的低温冲击韧性。

为实现上述目的，本发明所设计的铸造工艺步骤为：制芯→混砂→造型→熔炼→浇注→清理→热处理→抛丸处理→毛坯检验→毛坯入库。

其中主要改进工艺步骤为：

1、熔炼：

高镍奥氏体球墨铸铁的熔炼

A、炉料及配比

以生铁含量为50％-75％和废钢含量为25％-50％为主料时，炉料中微量有害元素的含量为：Pb_≤0.002％ As≤0.005％ Ti≤0.045％或以增碳剂含量为2％-5％和废钢含量为95％-98％为主料时，增碳剂的固定含碳量≤98％，S≥0.03％，粒度在0.15-0.3mm之间，选用定点，成份均一，无锈、无杂质的废钢；Ni以电解形式加入，加入量占主料质量百分比34-38％，Cr以含Cr60-65％的铬铁加入，加入量占主料质量百分比1.6-2.2％，Si以75％的硅铁形式加入，加入量占主料质量百分比4.8-5.3％；

B、熔炼控制

以生铁和废钢为主料时一次同时将生铁和废钢放入电炉坩锅中或以增碳剂和废钢为主料时，将增碳剂一次加在电炉坩埚的底部，根据增碳剂加入废钢；熔炼至铁水达1450℃-1550℃时，加入电解形式的镍；铁水熔炼至1600℃-1680℃时，加入铬铁，高镍球墨铸铁出炉温度为1600℃-1680℃；

C、球化处理

高镍球墨铸铁的球化处理采用简便的凹坑冲入法，球化剂选用镍镁硅铁球化剂，镍镁硅铁球化剂的加入量占主料质量百分比为0.80-1.20％；

D、孕育处理

采用含锶的孕育剂，含锶孕育剂的量占主料质量百分比为：0.60％-1.20％；或采用含锆孕育剂，锆孕育剂的量占主料质量百分比为：0.10％-0.20％；

2、浇注

在铁水浇注过程中，保持铁水始终充满浇口杯，浇注温度控制在1460℃-1530℃；

3、热处理

将高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管铸件升温至870℃-1000℃，保温3-6小时，随炉冷至620℃出炉。

采用上述铸造工艺：如在炉料与配比工艺和熔炼控制工艺中，控制炉料中微量有害元素Pb、As、TiO的含量，控制重要元素Ni、Cr、Si的含量及加入方式和先后顺序，以及控制熔炼出炉温度，降低了碳、铬、锰合金的烧损，有效保证形成高镍奥氏体球墨铸铁元素成分和质量百分比；球化剂选用镍镁硅铁球化剂，孕育剂采用75硅铁，通过孕育增加石墨球数，避免含铬1.6％以上的D-5S铸件产生共晶碳化物并减少晶间碳化物的量；铸件经过热处理，组织中碳化物由条块状转变成粒状，改善了铸件的切削性能。通过上述铸造工艺制作出的高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管，有效解决了现有铸造工艺性差、铸件表面粗糙要求高，且该排气管件小，壁薄，厚薄差较大，形状复杂，现有铸造工艺无法保证的问题。铸造出的排气歧管的基体组织主要为奥氏体和少量的碳化物，这种高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管不仅常温力学性能高，有极好的抗热冲击性和抗热蠕变性，极好的耐蚀性及高温抗氧化性，而且有低的热膨胀性和很好的低温冲击韧性。性能可满足现行美国ASTM标准和欧IV标准。

其参数如下表：

表1力学性能(铸件本体取样)

抗拉强度/Mpa	屈服强度/Mpa	伸长率(％)	硬度(10/3000HB)
				≥340	≥207	12	≤240

表2金相组织(铸件本体取样)

石墨形态

石墨个数(个·mm2)

基体

1+11≥90％

＞100

奥氏体+碳化物

表3化学成份

元素	质量百分比(％)	元素	质量百分比(％)
				C	≤2.0	P	≤0.08
Si	4.8-5.3	S	≤0.03
				Ni	34.0-36.0	RE	≤0.01
Cr	1.6-2.2	其它元素	≤0.2
				Mn	≤0.7	杂质总量	≤2.0
Mg	0.035-0.09	Fe	余量

下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管的铸造工艺流程图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管的铸造工艺，具有制芯、混砂、造型、熔炼、浇注、清理、热处理、抛丸处理、毛坯检验、毛坯入库。

制芯、混砂、造型、清理、抛丸处理、毛坯检验、毛坯入库按照常规的排气歧管制造工艺制做。

其中主要改进工艺步骤为：

1、熔炼：

高镍奥氏体球墨铸铁的熔炼

A、炉料及配比

以生铁含量为50％和废钢含量为50％为主料时，炉料中微量有害元素的含量为：Pb_≤0.002％ As≤0.005％ Ti≤0.045％或以增碳剂含量为2％和废钢含量为98％为主料时，增碳剂的固定含碳量≤98％，S≥0.03％，粒度在0.15-0.3mm之间，选用定点，成份均一，无锈、无杂质的废钢；Ni以电解形式加入，加入量占主料质量百分比34％，Cr以含Cr60-65％的铬铁加入，加入量占主料质量百分比1.6％，Si以75％的硅铁形式加入，加入量占主料质量百分比4.8％；

B、熔炼控制

以生铁和废钢为主料时一次同时将生铁和废钢放入电炉坩锅中或以增碳剂和废钢为主料时，将增碳剂一次加在电炉坩埚的底部，根据增碳剂加入废钢；熔炼至铁水达1450℃时，加入电解形式的镍；铁水熔炼至1600℃时，加入铬铁，高镍球墨铸铁出炉温度为1600℃；

C、球化处理

高镍球墨铸铁的球化处理采用简便的凹坑冲入法。球化剂选用镍镁硅铁球化剂，镍镁硅铁球化剂的加入量占主料质量百分比为0.80％；

D、孕育处理

采用含锶的孕育剂，含锶孕育剂的量占主料质量百分比为：0.60％；或采用含锆孕育剂，锆孕育剂的量占主料质量百分比为：0.10％；

2、浇注

在铁水浇注过程中，保持铁水始终充满浇口杯，浇注温度控制在1460℃；

3、热处理

将高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管铸件升温至870℃，保温6小时，随炉冷至620℃出炉；

实施例2

其中主要改进工艺步骤为：

1、熔炼：

高镍奥氏体球墨铸铁的熔炼

A、炉料及配比

以生铁含量为75％和废钢含量为25％为主料时，炉料中微量有害元素的含量为：Pb_≤0.002％As≤0.005％Ti≤0.045％或以增碳剂含量为5％和废钢含量为95％为主料时，增碳剂的固定含碳量≤98％，S≥0.03％，粒度在0.15-0.3mm之间，选用定点，成份均一，无锈、无杂质的废钢；Ni以电解形式加入，加入量占主料质量百分比38％，Cr以含Cr60-65％的铬铁加入，加入量占主料质量百分比2.2％，Si以75％的硅铁形式加入，加入量占主料质量百分比5.3％；

B、熔炼控制

以生铁和废钢为主料时一次同时将生铁和废钢放入电炉坩锅中或以增碳剂和废钢为主料时，将增碳剂一次加在电炉坩埚的底部，根据增碳剂加入废钢；熔炼至换水达1550℃时，加入电解形式的镍；铁水熔炼至1680℃时，加入铬铁，高镍球墨铸铁出炉温度为1680℃；

D、球化处理

高镍球墨铸铁的球化处理采用简便的凹坑冲入法。球化剂选用镍镁硅铁球化剂，镍镁硅铁球化剂的加入量占主料质量百分比为1.20％；

D、孕育处理

采用含锶的孕育剂，含锶孕育剂的量占主料质量百分比为1.20％；或采用含锆孕育剂，锆孕育剂的量占主料质量百分比为：0.20％；

2、浇注

在铁水浇注过程中，保持铁水始终充满浇口杯，浇注温度控制在1530℃；

3、热处理

将高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管铸件升温至1000℃，保温3小时，随炉冷至620℃出炉；

以生铁和废钢为主料时，炉料中微量有害元素的含量为：Pb≤0.002％As≤0.005％Ti≤0.045％；

以增碳剂和废钢为主料时，增碳剂的固定含碳量≤98％，S≥0.03％，粒度在0.15-0.3mm之间，选用定点，成份均一，无锈、无杂质的废钢；

硅：由于耐热性能的要求，产品中含硅量定的很高，Si以75％的硅铁形式加入，加入量占主料质量百分比4.8-5.3％，优选4.8-4.9％的范围，在此范围内高镍球墨铸铁的流动性也较好；

镍：镍是奥氏体球墨铸铁的基本元素，D-5S是镍球墨铸铁中的含量最高的一种，达34-38％，Ni以电解形式加入，加入量占主料质量百分比34-38％，镍优选量应控制在34.5％-35％；

铬：铬是高镍球墨铸铁的重要元素，少量铬能熔于奥氏体基体，有利于稳定奥氏体，并因Ni和Cr的综合作用获得更好的耐热和耐蚀性，但Cr是强碳化物形成元素，会影响切削性能，应控制占主料质量百分比1.6-2.2％，优选1.6-1.9％，Cr以含Cr60-65％的铬铁加入；

锰：锰是一般选用的元素，由于技术标准中规定，一般最下限可避免因Mn的偏析而生成硬化组织；

磷：磷在奥氏体中溶解度极低，一般以磷共晶的形式存在于晶界，恶化性能，则P＜0.05；

硫：硫在奥氏体球墨铸铁中是一种杂质，要求原铁水S≤0.02％。

其中熔炼控制：采用中频感应电炉进行熔炼，增碳剂一次加在电炉坩埚的底部，在保证铸件终碳量≤2.0％的情况下，根据废钢等配料不同，对于增碳剂的加入量做对应调整；电解形式的镍在熔炼后期加入；铬铁在铁水过热后期加入，高镍球墨铸铁出炉温度为1600℃-1680℃。

球化处理：高镍球墨铸铁的球化处理采用简便的凹坑冲入法。球化剂选用镍镁硅铁球化剂，镍镁硅铁球化剂的加入量占主料质量百分比为0.80-1.20％；

孕育处理：孕育剂采用75硅铁，孕育剂的量占主料质量百分比为：0.60％-1.0％；作为优选可采用含锶的孕育剂，含锶孕育剂的量占主料质量百分比为：0.10％-0.20％；宜可采用含锆孕育剂，锆孕育剂的量占主料质量百分比为：0.10％-0.20％；通过孕育能获得规则的球状石墨结构，可消除白口，增加石墨球数，避免含铬1.6％以上的D-5S铸件产生共晶碳化物并减少晶间碳化物的量。

熔炼后的铁液进行浇注，由于高镍球墨铸铁铁水流动性随充型过程下降很快，应快速浇注充型，有利于补缩，浇注温度控制在1460℃-1530℃。高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管铸件具有较好的力学性能和较高的硬度，通过对其进行热处理，有利于后序机械加工，将高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管铸件升温至870℃-1000℃，保温3-6小时，随炉冷至620℃出炉。铸件经过热处理，组织中碳化物由条块状转变成粒状，改善了铸件的切削性能。热处理后经过机加，去除毛刺和抛丸处理，检验入库。

Claims (3)

1.一种高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管的铸造工艺，其铸造工艺步骤为制芯→混砂→造型→熔炼→浇注→清理→热处理→抛丸处理→毛坯检验→毛坯入库，其特征在于：

(1)、熔炼：

高镍奥氏体球墨铸铁的熔炼

A、炉料及配比

以生铁含量为50％-75％和废钢含量为25％-50％为主料时，炉料中微量有害元素的含量为：Pb_≤0.002％As≤0.005％Ti≤0.045％或以增碳剂含量为2％-5％和废钢含量为95％-98％为主料时，增碳剂的固定含碳量≤98％，S≥0.03％，粒度在0.15-0.3mm之间，选用定点，成份均一，无锈、无杂质的废钢；Ni以电解形式加入，加入量占主料质量百分比34-38％，Cr以含Cr60-65％的铬铁加入，加入量占主料质量百分比1.6-2.2％，Si以75％的硅铁形式加入，加入量占主料质量百分比4.8-5.3％；

B、熔炼控制

以生铁和废钢为主料时一次同时将生铁和废钢放入电炉坩锅中或以增碳剂和废钢为主料时，将增碳剂一次加在电炉坩埚的底部，根据增碳剂加入废钢；熔炼至铁水达1450℃-1550℃时，加入电解形式的镍；铁水熔炼至1600℃-1680℃时，加入铬铁，高镍球墨铸铁出炉温度为1600℃-1680℃；

C、球化处理

高镍球墨铸铁的球化处理采用简便的凹坑冲入法，球化剂选用镍镁硅铁球化剂，镍镁硅铁球化剂的加入量占主料质量百分比为0.80-1.20％；

D、孕育处理

采用含锶的孕育剂，含锶孕育剂的量占主料质量百分比为：0.60％-1.20％；或采用含锆孕育剂，锆孕育剂的量占主料质量百分比为：0.10％-0.20％；

2.浇注

在铁水浇注过程中，保持铁水始终充满浇口杯，浇注温度控制在1460℃-1530℃；

3.热处理

将高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管铸件升温至870℃-1000℃，保温3-6小时，随炉冷至620℃出炉。

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