專利名稱：用于處理鑄鐵的抗微縮孔孔洞的孕育合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液態(tài)鑄鐵的處理，所述鑄鐵用于制造要求組織中沒有鐵的碳化物和沒有微縮孔孔洞的部件。
背景現(xiàn)狀鑄鐵是一種廣泛用于制造機(jī)械部件的著名鐵-碳-硅合金。已知為了使部件獲得良好的機(jī)械性能，重要的是最終獲得一種鐵+石墨的組織，最大程度地減小使合金既硬又脆的Fe3C型鐵的碳化物的形成。
理想的是形成石墨的形態(tài)呈球狀、蠕蟲狀或者薄片狀，但是，需滿足的基本前提是避免形成鐵的碳化物。為實(shí)現(xiàn)此目的，在澆注之前對(duì)液態(tài)鑄鐵進(jìn)行孕育處理，這有助于在冷卻期間出現(xiàn)石墨而不是鐵的碳化物。
因此，孕育處理非常重要。眾所周知，對(duì)液態(tài)鑄鐵的孕育效率隨時(shí)間延長(zhǎng)而下降，這與所使用的孕育劑無關(guān)，在經(jīng)過約10分鐘之后，其效率通常下降50％。該領(lǐng)域的專家將這一現(xiàn)象稱作“衰減效應(yīng)”。為了獲得最高效率，通常實(shí)施逐步孕育，其包括在制備鑄鐵的不同階段添加幾次孕育劑。因此，液態(tài)鑄鐵受到頻繁孕育處理，首先在鐵水包中使用一種孕育合金，例如該合金由尺寸為2-10mm或者0.4-2mm的顆粒構(gòu)成，其次，是“by-jet(噴射孕育)”，換言之，即在傾倒鐵水包時(shí)使用顆粒尺寸為0.2-0.7mm的孕育合金，最后是“鑄型孕育“，實(shí)際上是在鑄型鐵水澆道中通過使用由孕育材料構(gòu)成的嵌塊(insert)進(jìn)行，該嵌塊沿澆道放置，之后再流過液態(tài)鑄鐵。
所述具有確定形狀的嵌塊稱作洗爐料(slug)。有兩種洗爐料-“鑄態(tài)”洗爐料，通過澆注熔融孕育劑獲得，-團(tuán)聚洗爐料，通過壓實(shí)粉末獲得，壓實(shí)粉末通常具有很少量粘結(jié)劑或者可能的話根本不含任何粘結(jié)劑。
本領(lǐng)域的專家認(rèn)為鑄態(tài)洗爐料質(zhì)量最好。但是，出于價(jià)格原因，經(jīng)常優(yōu)選的是團(tuán)聚洗爐料。由于部件澆注時(shí)間極短，因此洗爐料的溶解速度必須非常快。
此外，本領(lǐng)域?qū)＜页３Ｓ^察到部件中存在測(cè)量尺寸在毫米或微米量級(jí)的孔洞，這被稱作是微縮孔孔洞。這些缺陷使部件更脆。而且，如果部件此后必須進(jìn)行機(jī)加工，例如拉直表面，由于表面上存在這類缺陷，則不可避免地必須報(bào)廢這些缺陷部件。
一種防止鑄鐵部件中出現(xiàn)微縮孔孔洞的已知方法是在液態(tài)鐵中添加鑭。這種鑭族金屬具有減小鐵粘度的性能，它不僅能夠降低剛好凝固開始之前液態(tài)鐵的粘度，而且也能夠降低凝固期間，即固態(tài)+液態(tài)混合物中液態(tài)鐵的粘度。好像添加鑭使鑄鐵具有觸變性，任何事都可以發(fā)生。因此，如果本領(lǐng)域的專家能夠正確設(shè)計(jì)鑄型，則他能夠?qū)⑺械目s孔孔洞集中在胃口(feeder head)，結(jié)果獲得可靠的部件。
因此，含有鑭的球化劑已被成功地推向市場(chǎng)，并且被用在稱作SG鑄鐵的球墨鑄鐵中，此外，含45％Si和2％La的FeSi型孕育劑也已市場(chǎng)化，其用于SG鑄鐵和稱作LG鑄鐵的片狀石墨鑄鐵效果同樣好。
本發(fā)明的目的是提供可以用于處理液態(tài)鑄鐵的孕育合金，該合金尤其能夠在“鑄型孕育”處理期間有效進(jìn)行孕育，防止通過鑄造獲得的部件中形成微孔隙。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是將用于處理鑄鐵的孕育合金，所述合金含有(以重量計(jì))0.005-3％的一種選自于鉍、鉛和銻的元素、0.3-10％的選自稀土的金屬，以及，可能地，最高達(dá)5％的鋁和最高達(dá)1.5％的鈣，余者是硅鐵，鑭占該組合物中所用稀土金屬的90％以上。
所述合金中優(yōu)選含0.2-1.5％的鉍，優(yōu)選0.7-1.3％。鑭含量為0.3-8％較好，優(yōu)選0.5-3％。至少存在0.8％的鋁較好，并且其含量?jī)?yōu)選1-3.5％。
根據(jù)本發(fā)明的合金可以是粉末形式或具有不同組成的合金粉末的混合物形式，或者由熔融合金模鑄的洗爐料形式，或者粉末或粉末混合物的團(tuán)聚形式。該粉末的顆粒尺寸優(yōu)選小于1mm，而且，具有的顆粒級(jí)分為尺寸為50-250μm的部分占總重量的35％以上，而尺寸小于50μm的部分占總重量的小于25％。
具體實(shí)施例方式
由于孕育劑本身就被用來獲得碳以石墨形式存在的鑄鐵，因此，本申請(qǐng)人想到開發(fā)一種具有抗微縮孔孔洞性能的孕育劑將會(huì)很理想。
因此，第一步是設(shè)想具有抗微縮孔孔洞添加元素以75％FeSi為基的孕育合金，所述添加元素可以是鑭或者鍺。鍺的要求含量為0.3-6％。鑭的要求含量為0.3-8％，優(yōu)選0.5-5％。
但是，通過設(shè)想孕育合金出現(xiàn)了更吸引人的技術(shù)方案，該合金中，同樣的元素能夠?qū)崿F(xiàn)幾個(gè)功能結(jié)果，發(fā)現(xiàn)從類似美國(guó)專利4432793(Nobel-Bozel)中介紹的合金開始特別有吸引力，該合金以硅鐵為基，并且含有最高達(dá)3％的鉍、鉛或銻，以及最高達(dá)3％的稀土，將抗微孔隙元素如鑭添加至該合金中，并且，通過優(yōu)化Fe-Si-Bi-La合金中鑭和其它稀土的總量簡(jiǎn)化配方。
本申請(qǐng)人在開始階段，考察所述這些新的抗微孔隙合金處于正常的尺寸級(jí)別時(shí)，即鐵水包中孕育處理時(shí)為2-7mm或0.4-2mm，或者噴射孕育處理時(shí)為0.4-0.7mm，作為孕育劑具有良好性能。下一步是設(shè)想用所述相同的合金制備孕育洗爐料。在最終鑄鐵中添加的鉍已證實(shí)減少微孔隙的結(jié)果。
因此，采用FeSi型合金的鑄造洗爐料獲得了非常好的結(jié)果，所述洗爐料含有-60-80％，優(yōu)選72-78％的硅，-0.3-8％，優(yōu)選0.5-5％的鑭，-0.2-1.5％，優(yōu)選0.7-1.3％的鉍，-0.8-5％，優(yōu)選1-3.5％的鋁。
實(shí)施例下述的實(shí)施例的制備包括在感應(yīng)爐中熔煉鑄鐵料，并且采用TundishCover工藝，使用含5％Mg和1％Ca但不含稀土的通常FeSiMg型孕育合金，所用孕育合金的量為每1600kg鑄鐵加入20kg。液態(tài)鑄鐵的分析結(jié)果如下C＝3.7％，Si＝2.6％，Mn＝0.07％，P＝0.03％，S＝0.003％，Mg＝0.038％。
采用“V”型試樣鑄造實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)宏觀孔隙和微孔隙特性。
該實(shí)驗(yàn)中，試樣包括一個(gè)110mm高的“V”型，其頂角等于40°，“V”型的分支寬度為20mm，該部位厚度為20mm。依據(jù)鑄鐵的質(zhì)量，這種形狀導(dǎo)致“V”型在頂角處的寬度為80mm，單位體積為69cm3，單位質(zhì)量為480-500g。在這種部位中的孔隙選擇性出現(xiàn)在“V”型的凹入(re-entrant)部位。
為了評(píng)價(jià)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將部件在厚度中間切開，并且采用光學(xué)顯微鏡檢測(cè)該剖面，以評(píng)價(jià)孔隙表面。所獲結(jié)果表示成孔隙表面積占剖面表面積的分?jǐn)?shù)。
實(shí)施例1在鐵水包中，采用尺寸等級(jí)為2-10mm的粉末孕育合金對(duì)經(jīng)過預(yù)備操作處理的鑄鐵鐵水包進(jìn)行孕育處理，所述孕育合金具有“Foundry grade”(鑄造級(jí))組成，余者主要是Fe，用量為每噸鑄鐵加入200g。
采用該鑄鐵澆鑄具有與對(duì)比實(shí)驗(yàn)中定義相同幾何形狀的V型部件，所述部件成組地排列在一個(gè)可澆鑄36個(gè)部件的砂型中，通過其中帶有由耐火泡沫制成的過濾器的澆道口(inlet duct)澆注。
采用光學(xué)顯微鏡對(duì)獲得的部件的拋光剖面進(jìn)行檢測(cè)，確定金屬組織與孔隙深度和數(shù)量的關(guān)系。
在分支的心部處的石墨模數(shù)(modules)密度的測(cè)量值為120/mm2。
上述部件平均孔隙率的評(píng)價(jià)結(jié)果為2.4％。
實(shí)施例2在鐵水包中，采用尺寸等級(jí)為2-10mm的孕育合金對(duì)經(jīng)過預(yù)備操作處理的第二個(gè)鑄鐵鐵水包進(jìn)行孕育處理，所述孕育合金的組成為Si＝75.4％，Al＝0.94％，Ca＝0.86％，La＝2.2％，Bi＝0.92％，余者主要是Fe。用量為每噸鑄鐵加入200g。
采用該鑄鐵澆鑄具有與對(duì)比實(shí)驗(yàn)中定義相同幾何形狀的V型部件，所述部件成組地排列在一個(gè)可澆鑄36個(gè)部件的砂型中，通過其中帶有由耐火泡沫制成的過濾器的澆道口澆注。
采用光學(xué)顯微鏡對(duì)獲得的部件的拋光剖面進(jìn)行檢測(cè)，確定金屬組織與孔隙深度和數(shù)量的關(guān)系。在分支的心部處的石墨模數(shù)(modules)密度的測(cè)量值為360/mm2。
上述部件平均孔隙率的評(píng)價(jià)結(jié)果為0.3％。
實(shí)施例3采用經(jīng)過預(yù)備操作處理的第三個(gè)鑄鐵鐵水包澆鑄具有與對(duì)比實(shí)驗(yàn)中定義相同幾何形狀的V型部件，所述部件成組地排列在一個(gè)可澆鑄36個(gè)部件的砂型中，通過帶有25g洗爐料的澆道口澆注，所述洗爐料由用于進(jìn)行鑄型孕育處理的孕育合金構(gòu)成，其組成為Si＝73.6％，Al＝3.92％，Ca＝0.78％，La＝2.1％，Bi＝0.97％，余者主要是Fe。采用光學(xué)顯微鏡對(duì)獲得的部件的拋光剖面進(jìn)行檢測(cè)，確定金屬組織與孔隙深度和數(shù)量的關(guān)系。在分支心部處的石墨模數(shù)(modules)密度的測(cè)量值為320/mm2。
上述部件平均孔隙率的評(píng)價(jià)結(jié)果為0.2％。
權(quán)利要求
1.用于處理鑄鐵的孕育合金，含有，以重量計(jì)，0.005-3％的一種選自于鉍、鉛和銻的元素、0.3-10％的選自各種稀土的金屬，以及，可能地，最高達(dá)5％的鋁和最高達(dá)1.5％的鈣，余者是硅鐵，其特征在于鑭占該組合物中所用稀土金屬的90％以上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的合金，其特征在于其含有0.3-8％的鑭和0.2-1.5％的鉍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中之一項(xiàng)的合金，其特征在于其含有0.7-1.3％的鉍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中之一項(xiàng)的合金，其特征在于其含有0.5-5％的鑭。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中之一項(xiàng)的合金，其特征在于其含有0.8-5％的鋁。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的合金，其特征在于其含有1-3.5％的鋁。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中之一項(xiàng)的合金，其特征在于其具有粉末形式。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6中之一項(xiàng)的合金，其特征在于其具有用于進(jìn)行“鑄型孕育”處理的洗爐料形式。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的合金，其特征在于所述洗爐料通過澆鑄熔融合金獲得。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的合金，其特征在于所述洗爐料通過團(tuán)聚粉末獲得。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的合金，其特征在于所述粉末的顆粒尺寸小于1mm，尺寸為50-250μm的部分占總重量的35％以上，而尺寸小于50μm的部分占小于25％。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11中之一項(xiàng)的合金，其特征在于通過具有不同組成的合金粉末的混合物獲得所述合金的平均組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于處理鑄鐵鑄件的孕育合金，其含有(以重量計(jì))0.005－3％的一種選自于鉍、鉛和銻的元素、0.3－10％的包括稀土的金屬，以及，任選高達(dá)5％的鋁和高達(dá)1.5％的鈣，余者是硅鐵，鑭占該組合物中存在的稀土金屬的90％以上。本發(fā)明合金能夠有效地孕育鑄鐵并且避免在鑄件中出現(xiàn)微縮孔開裂。所述合金具有洗爐料或者粉末形式。
文檔編號(hào)C22C29/18GK1665941SQ03815455
公開日2005年9月7日 申請(qǐng)日期2003年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月29日
發(fā)明者T·瑪格里亞 申請(qǐng)人:皮奇尼電冶公司