專利名稱：改變灰鑄鐵初生奧氏體生長(zhǎng)形貌的變質(zhì)劑及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改變灰鑄鐵初生奧氏體生長(zhǎng)形貌的變質(zhì)劑，用于改變亞共晶灰鑄鐵在凝固過程中析出初生奧氏體的生長(zhǎng)方式，得到縱橫交錯(cuò)的空間網(wǎng)絡(luò)狀初生奧氏體，從而達(dá)到制約灰鑄鐵共晶凝固的發(fā)展，得到細(xì)小彎曲的石墨組織，以提高灰鑄鐵的力學(xué)性能。
背景技術(shù)：
由于灰鑄鐵有良好的耐磨性、減震性以及切削加工性能，其在鑄造生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用，尤其是在汽車行業(yè)的應(yīng)用。大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體以及缸蓋大多使用高強(qiáng)度灰鑄鐵為材質(zhì),而一般發(fā)動(dòng)機(jī)材質(zhì)也大量使用灰鑄鐵,據(jù)統(tǒng)計(jì)，1995年世界主要汽車公司生產(chǎn)的265. 2萬噸發(fā)動(dòng)機(jī)缸體以及缸蓋鑄件中，灰鑄鐵材質(zhì)的缸體鑄件占93. 4%。2006年世界9136. 8萬噸鑄鐵鑄件中，灰鑄鐵鑄件產(chǎn)量為4253. 9萬噸，我國生產(chǎn)的灰鑄鐵鑄件占世界 總量的32. 7%?？梢?，雖然灰鑄鐵由于強(qiáng)度等問題，受到球墨、蠕墨鑄鐵、有色金屬以及塑料等的強(qiáng)力競(jìng)爭(zhēng)，但是需求量依然很大。長(zhǎng)期以來，國內(nèi)外學(xué)者和專家為了提高灰鑄鐵的強(qiáng)度開展了大量、系統(tǒng)的研究工作，其途徑如下(I)降低碳當(dāng)量，提高灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度。但存在鑄造工藝性能變差；白口傾向增大，難以加工；應(yīng)力大，容易產(chǎn)生裂紋；鐵液收縮大，易產(chǎn)生縮松，造成滲漏；鑄件斷面敏感性高，容易產(chǎn)生廢品等關(guān)鍵理論與技術(shù)難題。(2)對(duì)高碳當(dāng)量灰鑄鐵進(jìn)行合金化(加入Mo、Ni等)，但由于世界范圍內(nèi)Mo、Ni等價(jià)格的快速升高，存在成本高和加工性能較差的關(guān)鍵理論與技術(shù)難題，制約了產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。普遍認(rèn)為，灰鑄鐵組織中的石墨形態(tài)、尺寸、數(shù)量等特征對(duì)灰鑄鐵的力學(xué)性能、切削加工性能有著至關(guān)重要的影響，控制灰鑄鐵組織中的石墨特征即能夠獲得所需的灰鑄鐵性能。對(duì)于亞共晶灰鑄鐵，其凝固過程首先在液態(tài)中析出初生奧氏體，隨著凝固溫度的降低，初生奧氏體枝晶不斷長(zhǎng)大，當(dāng)溫度降低到共晶溫度時(shí)，尚未凝固的液相開始發(fā)生石墨與共晶奧氏體的共晶反應(yīng)，凝固組織為石墨與共晶奧氏體所組成的共晶團(tuán)。此時(shí)的凝固組織為初生奧氏體+共晶奧氏體+石墨。隨著溫度的繼續(xù)降低，灰鑄鐵組織中的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w或珠光體+鐵素體。如果在灰鑄鐵凝固過程中控制初生奧氏體的生長(zhǎng)，使初生奧氏體呈空間網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，則能夠限制共晶凝固過程中石墨的生長(zhǎng)，有利于獲得形狀彎曲、尺寸細(xì)小的石墨，從而達(dá)到提高灰鑄鐵力學(xué)性能的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種加入量少、成本低、工藝簡(jiǎn)單的改變灰鑄鐵初生奧氏體生長(zhǎng)形貌的變質(zhì)劑，此種變質(zhì)劑采用澆包內(nèi)變質(zhì)方法，能夠改變亞共晶灰鑄鐵凝固過程中初生奧氏體的生長(zhǎng)形貌，形成空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到限制共晶石墨的生長(zhǎng)空間，得到細(xì)小、彎曲的石墨組織，從而提聞亞共晶灰鑄鐵強(qiáng)度的目的。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)—種用于改變灰鑄鐵初生奧氏體生長(zhǎng)形貌的變質(zhì)劑，包括質(zhì)量百分比10% 20%的釩、3% 5%的氮、10% 20%的硅、2% 5%的鈣、2% 5%的鉻，余量為鐵。一種用于改變灰鑄鐵初生奧氏體生長(zhǎng)形貌的變質(zhì)劑的制備方法，是將含有釩、氮、鉻、硅、鈣元素的鐵合金混合、熔煉、冷卻后破碎成4 8毫米尺寸的顆粒，采用澆包內(nèi)變質(zhì)方法加入灰鑄鐵溶液中。采用所述的變質(zhì)劑處理易加工高強(qiáng)度灰鑄鐵，合金成分按質(zhì)量百分比計(jì)3. 19 3. 35C、1. 90 2. 06Si、0. 31 O. 48Μη、0· 013 O. 03Ρ、0· 075 O. 09S、0. 46 O. 66Cu 、
O.18 O. 35Cr，采用500Kg工頻熔煉爐熔煉，熱電偶測(cè)溫，鐵水出爐溫度1530°C，澆包內(nèi)孕育及變質(zhì)，充分?jǐn)嚢韬笤跇渲靶椭袧沧⒖估瓘?qiáng)度測(cè)定及組織分析試樣，試樣尺寸Φ30mmX 300mm，變質(zhì)劑加入量為O. 45 O. 8%。圖例說明圖I實(shí)施例I試驗(yàn)灰鑄鐵A初生奧氏體組織。圖2實(shí)施例I試驗(yàn)灰鑄鐵B初生奧氏體組織。圖3實(shí)施例I試驗(yàn)灰鑄鐵C初生奧氏體組織。圖4實(shí)施例I試驗(yàn)灰鑄鐵D初生奧氏體組織。圖5實(shí)施例2試驗(yàn)灰鑄鐵A石墨組織。圖6實(shí)施例2試驗(yàn)灰鑄鐵B石墨組織。圖7實(shí)施例2試驗(yàn)灰鑄鐵C石墨組織。圖8實(shí)施例2試驗(yàn)灰鑄鐵階梯試樣試樣厚度與硬度的關(guān)系
具體實(shí)施例方式I、采用500Kg工頻熔煉爐熔煉，熱電偶測(cè)溫，鐵水出爐溫度1530°C，澆包內(nèi)孕育及變質(zhì)，充分?jǐn)嚢韬笤跇渲靶椭袧沧⒖估瓘?qiáng)度測(cè)定及組織分析試樣，試樣尺寸C>30mmX300mm。變質(zhì)劑加入量為O. 3% O. 6%。試驗(yàn)合金成分如表I所示。表I試驗(yàn)合金的化學(xué)成分
試樣編兮化學(xué)成分 (wt. %)
_CSiMnSP Cr CuMo變質(zhì)劑A 3.272.00.390.0790.013 0.17 0.55U 20 —
B 3.352.00.400.0790.013 0.18 0.63—— 0.3%
C 3.331.90.480.0750.013 0.18 0.58—0.45%
D 3.332.0U 400.0770.013 0.18 0.66— 0.6%圖I 4為試驗(yàn)灰鑄鐵經(jīng)過奧氏體化退火處理后的組織。其中呈黑色條狀的為石墨，亮白色的為初生奧氏體組織，而灰黑色的為珠光體組織。可以看出沒有加入本發(fā)明變質(zhì)劑的試樣A中(圖I)，石墨分布均勻，幾乎看不到明顯的共晶團(tuán)，或者說共晶團(tuán)的尺寸很大，采用50倍放大倍數(shù)的顯微鏡觀察，看不到一個(gè)完整的共晶團(tuán)。此種情況說明當(dāng)灰鑄鐵的凝固溫度達(dá)到共晶反應(yīng)溫度時(shí)，開始發(fā)生石墨與共晶奧氏體的共晶反應(yīng)，由于初生奧氏體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使得共晶團(tuán)的生長(zhǎng)受到的限制減少，從而得到平直、分布均勻的石墨組織。從圖3 4的組織照片看，加入本發(fā)明變質(zhì)劑后，隨著變質(zhì)劑加入量的增加,共晶團(tuán)的形貌發(fā)生明顯變化，尺寸減小、數(shù)量增多。而且隨著本發(fā)明變質(zhì)劑加入量的增加，共晶團(tuán)之間的奧氏體及珠光體組織明顯增多，這同樣是與灰鑄鐵的凝固過程相對(duì)應(yīng)。在亞共晶灰鑄鐵的凝固過程中，首先析出初生奧氏體，隨著凝固溫度的不斷降低，初生奧氏體不斷長(zhǎng)大，當(dāng)合金的溫度降低到共晶反應(yīng)溫度時(shí)，剩余的液相發(fā)生共晶反應(yīng)，以共晶團(tuán)的形式結(jié)晶形成石墨與共晶奧氏體，本發(fā)明變質(zhì)劑的加入，能夠促進(jìn)初生奧氏體呈空間網(wǎng)絡(luò)生長(zhǎng)，而初生奧氏體的不斷生長(zhǎng)能進(jìn)一步促進(jìn)尚未凝固液相中碳濃度的提高，從而當(dāng)凝固溫度達(dá)到共晶反應(yīng)溫度時(shí)，共晶反應(yīng)在初生奧氏體網(wǎng)絡(luò)空間發(fā)生，促使大量結(jié)晶核心的生成，增加共晶團(tuán)的數(shù)量，同時(shí)，由于初生奧氏體呈空間網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，限制了共晶團(tuán)的生長(zhǎng)，得到細(xì)小的共晶團(tuán)，石墨呈細(xì)小、彎曲形態(tài)。
對(duì)于高強(qiáng)度灰鑄鐵而言，其常溫下的組織為95%以上的珠光體+5%以下的鐵素體基體+片狀的石墨，珠光體是由初生奧氏體和共晶奧氏體轉(zhuǎn)化而來，是高強(qiáng)度灰鑄鐵具有高力學(xué)性能的基本保證，而組織中的片狀石墨則相當(dāng)于基體組織中的微裂紋，片狀石墨的尺寸越大、形狀越平直，則對(duì)基體組織的割裂作用越明顯，引起高強(qiáng)度灰鑄鐵的力學(xué)性能降低。采用本發(fā)明變質(zhì)劑變質(zhì)處理，能夠獲得空間網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的初生奧氏體，同時(shí)，獲得細(xì)小的共晶團(tuán)，石墨的生長(zhǎng)變得細(xì)小彎曲，從而能夠提聞聞強(qiáng)度灰鑄鐵的力學(xué)性能。表2為實(shí)驗(yàn)合金灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果，可見，變質(zhì)劑加入量增加，提高了灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.一種用于改變灰鑄鐵初生奧氏體生長(zhǎng)形貌的變質(zhì)劑，其特征在于包括質(zhì)量百分比10% 20%的釩、3% 5%的氮、10% 20%的硅、2% 5%的鈣、2% 5%的鉻，余量為鐵。
2.如權(quán)利要求I所述一種用于改變灰鑄鐵初生奧氏體生長(zhǎng)形貌的變質(zhì)劑的制備方法，其特征在于是將含有釩、氮、鉻、硅、鈣元素的鐵合金混合、熔煉、冷卻后破碎成4 8毫米尺寸的顆粒，采用澆包內(nèi)變質(zhì)方法加入灰鑄鐵溶液中。
3.采用權(quán)利要求I所述的變質(zhì)劑處理易加工高強(qiáng)度灰鑄鐵，其特征在于合金成分按質(zhì)量百分比計(jì)3. 19 3. 35C、1. 90 2. 06Si、0. 31 O. 48Mn、0. 013 O. 03P、0. 075 O.09S、0. 46 O. 66Cu、0. 18 O. 35Cr，采用500Kg工頻熔煉爐熔煉，熱電偶測(cè)溫，鐵水出爐溫度1530°C，澆包內(nèi)孕育及變質(zhì)，充分?jǐn)嚢韬笤跇渲靶椭袧沧⒖估瓘?qiáng)度測(cè)定及組織分析試樣,試樣尺寸Φ30mmX 300mm，變質(zhì)劑加入量為O. 45 O. 8%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種改變灰鑄鐵初生奧氏體生長(zhǎng)形貌的變質(zhì)劑及其制備方法和應(yīng)用。所述變質(zhì)劑的組成包括質(zhì)量百分比10％～20％的釩、3％～5％的氮、10％～20％的硅、2％～5％的鈣、2％～5％的鉻，余量為鐵。變質(zhì)劑的制備方法是將含有釩、氮、鉻、硅、鈣元素的鐵合金混合、熔煉、冷卻后破碎成4～8毫米尺寸的顆粒，采用澆包內(nèi)變質(zhì)方法加入灰鑄鐵溶液中。所述的變質(zhì)劑應(yīng)用于處理易加工高強(qiáng)度灰鑄鐵。采用本發(fā)明變質(zhì)劑處理使亞共晶灰鑄鐵初生奧氏體生長(zhǎng)形貌發(fā)生了意想不到的改善，同時(shí)，能夠得到細(xì)小、彎曲的石墨組織，使灰鑄鐵的力學(xué)性能得到大幅度提高。
文檔編號(hào)C22C33/08GK102888485SQ201210401649
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月21日
發(fā)明者王金國, 姜啟川, 逄偉, 杭新, 劉國懿, 張鳳山, 侯駿 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)