專利名稱：一種低溫用鐵素體球鐵及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械行業(yè)鑄造技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種-40°c低溫用鐵素體球鐵，本發(fā)明還涉及該球鐵的制造方法。
背景技術(shù)：
球墨鑄鐵(球鐵)是指用球化劑處理鐵液后石墨呈球狀的鑄鐵。球鐵的金相組織由石墨球和基體組織組成，GB/T 9441-2009《球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)》把石墨球按圓整度的高低分為6級(jí)，球化率高，球鐵的塑性和韌性就好；石墨球按尺寸大小分成六級(jí)，減小石墨球徑，增加石墨球在單位面積的個(gè)數(shù)可以明顯地提高球鐵的強(qiáng)度、塑性和韌性。球鐵的基體組織主要有鐵素體、珠光體、奧氏體、貝氏體、馬氏體，以及滲碳體和磷共晶等，其中，滲碳體和磷共晶可以強(qiáng)烈降低球鐵的抗拉強(qiáng)度、延伸率和沖擊韌性，故應(yīng)避免滲碳體和磷共晶的出現(xiàn)。與石墨呈片狀的灰鑄鐵相比，球鐵的抗拉強(qiáng)度、延伸率和沖擊朝性均大幅度提聞，例如經(jīng)過合金化和熱處理過的球鐵抗拉強(qiáng)度可以高達(dá)1400MPa ;鐵素體基體的球鐵延伸率可達(dá)22%以上，_40°C時(shí)V型缺口試樣的沖擊值可達(dá)12J以上。球鐵鑄造性能好、成本相對(duì)較低，自20世紀(jì)40年代發(fā)明和投入工業(yè)生產(chǎn)以來的近70年中，發(fā)展速度很快，成功取代了部分鍛鋼和鑄鋼件。據(jù)美國(guó)Moderncasting雜志統(tǒng)計(jì)，2010年世界球鐵產(chǎn)量已達(dá)2300萬噸，約占世界鑄件產(chǎn)量的25%。中國(guó)是世界上球鐵產(chǎn)量最大的國(guó)家，2010年球鐵產(chǎn)量為990萬噸，約占當(dāng)年世界球鐵產(chǎn)量的42. 2%。隨著風(fēng)電、核電以及高鐵機(jī)車等工業(yè)的發(fā)展，對(duì)低溫條件下使用的鐵素體球鐵件的需求快速增加,對(duì)鐵素體球鐵件的低溫沖擊性能和鑄件質(zhì)量也提出了更高的要求。GB/T1348 - 2009《球墨鑄鐵件》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鐵素體球鐵共有QT350-22L和QT400-18L兩個(gè)牌號(hào)，其中，QT350-22L要求_40°C時(shí)V型缺口沖擊值達(dá)到12J以上(3個(gè)V型缺口沖擊試塊的平均值，單個(gè)不低于9J，下同)；QT400-18L要求-20°C時(shí)V型缺口沖擊值達(dá)到12J以上。以高鐵機(jī)車為例，由于行駛速度快(速度彡200 km/h和速度彡300 km/h)，安全性要求高，鑄件受力復(fù)雜，且一些零部件裸露在外部，需承受冬季的低溫嚴(yán)寒，因此高速鐵路所用球鐵件的力學(xué)性能、低溫沖擊性能和鑄件質(zhì)量的要求也更為嚴(yán)苛。如哈爾濱至北京高速鐵路用的QT400-18L球鐵件，要求-40 1時(shí)V型缺口沖擊值達(dá)到12J以上；哈爾濱至大連高速鐵路用球鐵件甚至要求-50 1時(shí)￥型缺口沖擊值達(dá)到12J以上。這些指標(biāo)均遠(yuǎn)高于GB/T 1348 —2009《球墨鑄鐵件》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的QT400-18L牌號(hào)(-20°C時(shí)V型缺口沖擊值達(dá)到12J以上)的要求。目前，我國(guó)生產(chǎn)低溫鐵素體球鐵的原料主要以鑄造生鐵為主，并添加適量的廢鋼和回爐料。按照現(xiàn)有技術(shù)，決定球鐵性能的首要因素是生鐵的質(zhì)量。雖然我國(guó)鑄造生鐵的生產(chǎn)廠家很多,但能滿足低溫高韌性鐵素體球鐵要求的生鐵卻不多，優(yōu)質(zhì)生鐵中其它有 害元素的含量雖都不高，但能同時(shí)達(dá)到P〈0. 04%、Ti<0. 04的生鐵卻很難找到。國(guó)外為提高鐵素體球鐵的低溫韌性，開發(fā)使用了高純生鐵料，以降低磷(P)、硫(S)等雜質(zhì)元素以及鈦(Ti)等干擾元素含量，提高鐵液的純凈度，減少滲碳體、磷共晶的數(shù)量。一般而言，低磷(彡0. 03%)、低鈦(彡0. 03%)、低錳(彡0. 20%)、低硫(0. 02%左右)，有害微量元素(Ti、Al、B、As、Pb、Bi、Sn、Sb、Cd、Se和Te等)極低且總量〈O. 10%的生鐵稱為高純生鐵。國(guó)外的高純生鐵主要是控制P、S、Mn和Ti的含量，但即使是高純生鐵，也還是屬于鑄造生鐵的范疇，仍然存在著P、S含量波動(dòng)大的問題。例如，國(guó)際上比較有名的南非Sorelmetal生鐵，實(shí)際購(gòu)買時(shí)，其保證的磷含量為0. 04%，硫含量為0. 025%，仍不能很好的滿足鐵素體球鐵對(duì)低磷、硫、鈦等成份的要求，這是因?yàn)殍F礦石的雜質(zhì)含量不能達(dá)標(biāo)，而能滿足其要求的礦石卻并不多。同時(shí)，進(jìn)口高純生鐵既提高了生產(chǎn)成本、延長(zhǎng)了供貨周期，又受制于人，也不利于我國(guó)優(yōu)質(zhì)球鐵鑄件的發(fā)展。作為另一原料的廢鋼同樣存在來源不穩(wěn)，成份波動(dòng)大的問題，尤其是廢鋼中的合金元素鉻、銅和錳等可以阻礙鐵素體的形成，也限制了廢鋼在鐵素體球鐵生產(chǎn)上的使用。低溫鐵素體球鐵在熔化方式上主要采用感應(yīng)電爐或沖天爐+電爐雙聯(lián)熔煉方式。由于爐料中的磷(P)、硫(S)和鈦(Ti)等雜質(zhì)和干擾元素全部進(jìn)入鐵液中，依照現(xiàn)有的熔煉方式，技術(shù)上還難以脫磷、脫鈦，硫雖然可以采用氣動(dòng)脫硫或搖包脫硫的方法降低，但同時(shí)會(huì)降低鐵水溫度、增加生產(chǎn)成本。使用球化劑進(jìn)行球化處理時(shí)，主要采用稀土鎂硅鐵合金作為球化劑(Mg 7 9%，RE 3 8%)和沖入法球化處理方法。由于鐵液中的反球化元素硫(S)和球化干擾元素鈦(Ti)含量偏高、波動(dòng)大、不穩(wěn)定，生產(chǎn)上為保險(xiǎn)起見，球化處理時(shí)往往加入過量的稀土和鎂，造成石墨球不圓整、球化級(jí)別低，易出碳化物。孕育劑以75硅鐵為主，除在包底球化劑上面同時(shí)加入孕育劑，及在倒包二次孕育時(shí)加入孕育劑進(jìn)行孕育外，也采用隨流孕育或型內(nèi)孕育等瞬時(shí)孕育方法，以提高石墨球化級(jí)別和石墨球數(shù)量，延緩球化衰退，提高球鐵質(zhì)量。綜上所述，由于受礦源和廢鋼來源的限制，鐵液中的磷(P)、硫(S)等雜質(zhì)元素以及鈦(Ti)等干擾元素含量偏高、波動(dòng)大、不穩(wěn)定，加上稀土和鎂含量偏高，造成石墨球不圓整、球化級(jí)別低，鐵素體量低，滲碳體和磷共晶偏高，使得成品球鐵_40°C時(shí)V型缺口沖擊值波動(dòng)大、不穩(wěn)定，難以穩(wěn)定地達(dá)到_40°C時(shí)V型缺口沖擊值12J以上的要求。同時(shí)，在鑄鋼件生產(chǎn)中，合適而穩(wěn)定的化學(xué)成份指標(biāo)是鑄件穩(wěn)定生產(chǎn)的首要條件，從一般的碳鋼材質(zhì)到要求較嚴(yán)的合金鋼，均給出了明確的化學(xué)成份范圍。目前來看，雖然很多球鐵件的使用條件比鑄鋼還嚴(yán)苛，但GB/T 1348 - 2009《球墨鑄鐵件》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)卻沒有給出各牌號(hào)球鐵的化學(xué)成份范圍。分析原因，一方面是對(duì)化學(xué)成份的重要性缺乏足夠的重視；另一方面即使規(guī)定了球鐵的化學(xué)成份范圍，但按現(xiàn)有生鐵和廢鋼的供應(yīng)狀況，也難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。所以如何穩(wěn)定的生產(chǎn)出低溫下韌性指標(biāo)符合使用要求的鐵素體球鐵已成為鑄造界的當(dāng)務(wù)之急。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種低溫用鐵素體球鐵件，本發(fā)明還提供了該球鐵的制造方法，使用本方法生產(chǎn)的鐵素體球鐵件不僅化學(xué)成分穩(wěn)定，且在_40°C低溫時(shí)V型缺口試樣沖擊值可以穩(wěn)定在12J以上。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明可采取下述技術(shù)方案
本發(fā)明所述低溫用鐵素體球鐵的化學(xué)成分(按質(zhì)量百分比計(jì))為C3.6 3. 9%，Si2. 2 2. 4%, Mn < 0. 2%, P < 0. 02%, S < 0. 02%, Ti < 0. 04%, Mg 殘 0. 030 0. 045%, Re殘0. 005 0. 015%,其余為F e。所述低溫用鐵素體球鐵的制造方法，它包括下述步驟
第一步，原料的配比(按重量百分比計(jì)) 純鐵 91-95%，增碳劑 3. 6-4. 2%, 75 硅鐵 I. 2-1. 5% ；
第二步，熔煉
首先將上述純鐵原料的20%放在電爐的底部，加熱熔化后，再加入烘烤后的75硅鐵原料，然后將剩余的純鐵和80%的增碳劑陸續(xù)加入爐內(nèi)，全部熔化后，將鐵液加熱到1450°C，在鐵液表面加入剩余的增碳劑，繼續(xù)升溫到1500-1520°C，取樣、檢測(cè)鐵液，成分合格后，1460-1500°C出爐(視鑄件澆注溫度調(diào)整)；
第三步，球化和孕育
選取Mg 5-6%、Re 0. 5-1. 0%的稀土硅鐵鎂合金球化劑對(duì)上述成分合格的鐵液進(jìn)行球化處理，球化劑加入量為鐵液總量的I. 1-1. 2% ;同時(shí)選用75硅鐵孕育劑，孕育劑加入量為鐵液總量的I. 0-1. 3%，其中50%孕育劑壓在球化劑上進(jìn)行包內(nèi)孕育，40%孕育劑待球化處理扒渣后加在鐵水液面上進(jìn)行浮硅孕育，10%澆注時(shí)進(jìn)行隨流孕育，球化處理結(jié)束即可進(jìn)行鑄件澆注。澆注成的鐵素體球鐵件的金相組織特征主要為石墨球化級(jí)別1-2級(jí)(球化率90%以上)，石墨球大小為5-7級(jí)，鐵素體量> 95%，滲碳體+磷共晶< 0. 5%。該球鐵件_40°C低溫時(shí)V型缺口試樣沖擊值可以穩(wěn)定在12J以上。所用純鐵為錳、磷、硫、鈦等雜質(zhì)及干擾元素含量極低的原料純鐵；所用增碳劑選擇使用固定碳含量高、硫和灰分含量少的石墨增碳劑。所述球化處理方法為蓋包法，球化處理結(jié)束至鑄件澆注完成時(shí)間需控制在6分鐘以內(nèi)。蓋包法球化處理方法不僅可減少鎂光煙塵、減少球化處理時(shí)的溫度損失，而且可以提高球化劑的吸收率，減少球化劑的用量；球化處理結(jié)束至鑄件澆注完成時(shí)間需控制在6分鐘以內(nèi)可以有效避免球化和孕育衰退，使石墨球化級(jí)別穩(wěn)定達(dá)到1-2級(jí)。這對(duì)低溫鐵素體球鐵的穩(wěn)定生產(chǎn)是至關(guān)重要的。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于提出了一種全新的鐵素體球鐵的爐料配比，它改變了現(xiàn)有熔化鑄造生鐵和廢鋼等爐料的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，該配比不僅低磷、低硫、低鈦、低猛，而且還規(guī)定了球化劑中鎂和稀土的含量范圍，有利于將鎂和稀土控制在所要求的范圍內(nèi)，使?jié)沧⒊尚偷那蜩F體的石墨化級(jí)別穩(wěn)定在1-2級(jí)(球化率90%以上)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)
1、本發(fā)明使用純鐵為原料在電爐中合成鐵素體球鐵，不用鑄造生鐵和廢鋼，從根本上解決了鐵液中磷、硫、鈦等雜質(zhì)及干擾元素含量高、波動(dòng)大、不穩(wěn)定的難題；純鐵由鋼廠按標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，來源穩(wěn)定，不受礦源等條件的限制，打破了低溫高韌性鐵素體球鐵件對(duì)國(guó)外高純生鐵原料的依賴，為穩(wěn)定生產(chǎn)石墨球細(xì)小、圓整、基本不含滲碳體和磷共晶的鐵素體球鐵件提供了一種全新的技術(shù)方案；
2、本發(fā)明生產(chǎn)的鐵素體球鐵件,化學(xué)成分范圍直觀、穩(wěn)定，_40°C低溫時(shí)V型缺口試樣沖擊值可以穩(wěn)定在12J以上，解決了我國(guó)核電、聞鐵等工業(yè)對(duì)進(jìn)口廣品的依賴，大幅度提聞了核電、高鐵的運(yùn)行安全性； 3、本發(fā)明可以提高鑄件的附加值，由于核電、高鐵鑄件的質(zhì)量和安全性是首要考慮，鑄件附加值較高，一般可達(dá)2萬元/噸，比現(xiàn)有鑄件每噸增加約I萬元；
4、本發(fā)明合成的鐵液含硫量低，球化干擾元素鈦的含量低，減少了球化劑的使用量，球化劑用量可以從現(xiàn)有的I. 6%降為I. 2%以下，每噸球鐵件可以節(jié)省球化劑約4千克，節(jié)省成本約80元；
5、本發(fā)明減少了球化劑中用于中和干擾元素鈦所需的稀土加入量，節(jié)約了寶貴的稀土資源，球化劑中的稀土含量可以從3-8%減少到0. 5-1%，每噸球鐵件至少可節(jié)約稀土用量20千克以上，節(jié)約成本200元；
6、節(jié)省了金屬鎳的加入量?，F(xiàn)有技術(shù)中往往需要加入約1%的金屬鎳來增加球鐵的強(qiáng)度和低溫韌性，本發(fā)明的方法不用添加金屬鎳，每噸鑄件可節(jié)約成本1500元；
7、本發(fā)明生產(chǎn)的鐵液純凈度高，可以降低產(chǎn)品的廢品率(從現(xiàn)有的6%降至3%以下)，每噸鑄件可節(jié)約成本600元以上；
2010年我國(guó)球鐵產(chǎn)量990萬噸，使用球化劑約16萬噸，使用本發(fā)明方法可以節(jié)省球化劑用量4萬噸，價(jià)值6億元。更重要的是，本發(fā)明生產(chǎn)的球鐵件可以滿足我國(guó)核電、高鐵等工業(yè)對(duì)高性能鐵素體球鐵件的需要，打破對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品的依賴，大幅度提高了核電、高鐵的運(yùn)行安全性。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明使用的純鐵按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 9971-2004)生產(chǎn)，共有YT1、YT2和YT3等三個(gè)牌號(hào)，其牌號(hào)和成分見下表。GB/T 9971-2004規(guī)定的原料純鐵的牌號(hào)和成份
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:主:純鐵甲瑕在_增碳劑為煉鋼、鑄造常用原料，本發(fā)明使用固定碳含量高、硫和灰分含量少的石墨增碳劑，如可以選擇使用市面上銷售的卓越石墨有限公司生產(chǎn)的石墨增碳劑，牌號(hào)為9012S，粒度為0. 6 4. 75mm,產(chǎn)品規(guī)格如下表
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本發(fā)明所用硅鐵按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 2272-2009)生產(chǎn)，如可以使用牌號(hào)TFeSi75_A及TFeSi75-B的產(chǎn)品，其成分見下表。GB/T 2272-2009規(guī)定的部分硅鐵的牌號(hào)和成份
權(quán)利要求
1.一種低溫用鐵素體球鐵，其特征如下所述球鐵的化學(xué)成分為C3.6 3.9%，Si2. 2 2. 4%, Mn < 0. 2%, P < 0. 02%, S < 0. 02%, Ti < 0. 04%, Mg 殘 0. 030 0. 045%, Re殘0. 005 0. 015%,其余為F e。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述低溫用鐵素體球鐵的制造方法，其特征在于它包 括下述步驟 第一步，原料的配比純鐵 91-95%，增碳劑 3. 6-4. 2%, 75 硅鐵 I. 2-1. 5% ； 第二步，熔煉 首先將上述純鐵原料的20%放在電爐的底部，加熱熔化后，再加入烘烤后的75硅鐵原料，然后將剩余的純鐵和80%的增碳劑陸續(xù)加入爐內(nèi)，全部熔化后，將鐵液加熱到1450°C，在鐵液表面加入剩余的增碳劑，繼續(xù)升溫到1500-1520°C，取樣、檢測(cè)鐵液，成分合格后，.1460-1500 °C 出爐； 第三步，球化和孕育 選取Mg 5-6%、Re 0. 5-1. 0%的稀土硅鐵鎂合金球化劑對(duì)上述成分合格的鐵液進(jìn)行球化處理，球化劑加入量為鐵液總量的I. 1-1. 2% ;同時(shí)選用75硅鐵孕育劑，孕育劑加入量為鐵液總量的I. 0-1. 3%，其中50%孕育劑壓在球化劑上進(jìn)行包內(nèi)孕育，40%孕育劑待球化處理扒渣后加在鐵水液面上進(jìn)行浮硅孕育，10%澆注時(shí)進(jìn)行隨流孕育，球化處理結(jié)束即可進(jìn)行鑄件澆注。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述低溫用鐵素體球鐵的制造方法，其特征在于所述增碳劑為石墨增碳劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述低溫用鐵素體球鐵的制造方法，其特征在于所述球化處理方法為蓋包法，球化處理結(jié)束至鑄件澆注完成時(shí)間需控制在6分鐘以內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低溫用鐵素體球鐵的化學(xué)成分及其制造方法，它明確了-40℃低溫用鐵素體球鐵件的化學(xué)成分范圍，給生產(chǎn)制造合格而穩(wěn)定的球鐵件提供了質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；采用了以純鐵、增碳劑和硅鐵為原料，在電爐中合成熔煉，用低稀土球化劑球化處理，采用復(fù)合孕育處理的方法來生產(chǎn)制造該鐵素體球鐵，本方法可以穩(wěn)定和提高鐵液的純凈度，從源頭上解決了鐵液中磷、硫、鈦等雜質(zhì)及干擾元素含量高、波動(dòng)大、不穩(wěn)定的難題。本發(fā)明為穩(wěn)定生產(chǎn)石墨球細(xì)小、圓整、基本不含滲碳體和磷共晶的鐵素體球鐵件提供了一套全新的技術(shù)方案，可以滿足我國(guó)核電、高鐵等工業(yè)對(duì)高性能鐵素體球鐵件的需要，打破了對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品的依賴；大幅度提高了核電、高鐵的運(yùn)行安全性。
文檔編號(hào)C21C1/10GK102634723SQ20121014525
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月11日
發(fā)明者吳現(xiàn)龍, 李克銳, 李桐 申請(qǐng)人:鄭州機(jī)械研究所