非合金化鑄態(tài)高強度鑄鐵型材的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非合金化鑄態(tài)高強度鑄鐵型材的制備方法，在型材連鑄過程中經(jīng)歷共析轉(zhuǎn)變時，施加“三次噴冷”處理，使型材的基體轉(zhuǎn)變成珠光體組織，得到高強度鑄鐵型材。本發(fā)明非合金化鑄態(tài)高強度鑄鐵型材的制備方法，使鑄鐵型材基體組織在較大的冷卻速度下經(jīng)歷共析轉(zhuǎn)變，基體中珠光體的數(shù)量顯著增加，從而達到不通過合金化或熱處理而得到高強度鑄鐵型材的目的，大幅度降低高強度鑄鐵型材的生產(chǎn)成本，實現(xiàn)低成本下通過水平連鑄、“三次噴冷”工藝得到高強度鑄鐵型材。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鑄鐵水平連鑄【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種非合金化鑄態(tài)高強度鑄鐵型材 的制備方法。 非合金化鑄態(tài)高強度鑄鐵型材的制備方法

【背景技術(shù)】
[0002] 水平連鑄鑄鐵型材按基體組織分主要為珠光體基體鑄鐵型材和鐵素體基體鑄鐵 型材。珠光體基體的鑄鐵型材較鐵素體基體的鑄鐵型材具有更高的強度，稱為高強度鑄鐵 型材。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，珠光體基體的鑄鐵型材占有更大的份額。為了得到高強度鑄鐵 型材，就必須改善鑄鐵型材的基體組織，使其成為珠光體基體的鑄鐵型材（或以珠光體為 主）。
[0003] 在鑄鐵水平連鑄過程中，鐵水經(jīng)結(jié)晶器冷卻，凝固成型材，稱為"一次冷卻"。型材 出結(jié)晶器時，外殼是固體內(nèi)部仍為高溫液芯，型材的表面溫度通常在l〇〇〇°C左右。為了提高 生產(chǎn)率（也為了防止拉漏），在結(jié)晶器的出口處對紅熱的型材噴水冷卻，稱為"二次噴冷"。 二次噴冷后，型材外殼的厚度進一步增加，表面溫度有所降低。隨后，在自然空冷中液芯凝 固，型材降溫并發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。由于共析轉(zhuǎn)變發(fā)生在自然空冷的條件下，冷卻速度不大，型 材的基體組織通常是鐵素體或以鐵素體為主，型材的強度不高。
[0004] 迄今為止，國內(nèi)外對于改善鑄鐵型材基體組織可采取的技術(shù)主要有兩種：一種是 加入合金元素 Cu、Mn、Ni、Mo等（簡稱高合金化），使型材在連鑄過程中基體組織直接轉(zhuǎn)變 為珠光體；另一種是對鑄態(tài)的型材進行正火熱處理，通過熱處理使其基體組織轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣?體。兩種方法雖然都能得到高強度鑄鐵型材，但由于前一種方法需要加入貴重的合金元素， 后一種方法需要大量的電能消耗，它們都會使型材的生產(chǎn)成本大幅度增加，降低了鑄鐵型 材的技術(shù)經(jīng)濟效益。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種非合金化鑄態(tài)高強度鑄鐵型材的制備方法，解決了現(xiàn)有 技術(shù)中高強度鑄鐵型材的優(yōu)異性能與高生產(chǎn)成本之間相矛盾的問題。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，非合金化鑄態(tài)高強度鑄鐵型材的制備方法，在型材 連鑄過程中經(jīng)歷共析轉(zhuǎn)變時，施加"三次噴冷"處理，使型材的基體轉(zhuǎn)變成珠光體組織，得到 高強度鑄鐵型材。
[0007] 本發(fā)明的特點還在于：
[0008] "三次噴冷"處理所采用的裝置為"三次噴冷"裝置，其結(jié)構(gòu)為：包括導(dǎo)管，導(dǎo)管上設(shè) 有三個水包，每個水包上均勻設(shè)有八個噴水口，每個噴水口上分別設(shè)有霧化噴頭，每個水包 上分別設(shè)有流量表和冷卻水閥，導(dǎo)管上還設(shè)有壓力表和調(diào)節(jié)水閥，三個水包下面還設(shè)有集 水槽。
[0009] 水包直徑為Φ300πιπι，相鄰兩個水包之間的間距D可根據(jù)實際需要自由調(diào)節(jié)，以獲 得不同的噴水覆蓋面積；霧化噴頭的噴射角Θ不小于60°。
[0010] 本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明非合金化鑄態(tài)高強度鑄鐵型材的制備方法，使鑄鐵 型材基體組織在較大的冷卻速度下經(jīng)歷共析轉(zhuǎn)變，基體中珠光體的數(shù)量顯著增加，從而達 到不通過合金化或熱處理而得到高強度鑄鐵型材的目的，大幅度降低高強度鑄鐵型材的生 產(chǎn)成本，實現(xiàn)低成本下通過水平連鑄、"三次噴冷"工藝得到高強度鑄鐵型材。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1是本發(fā)明中"三次噴冷"裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012] 圖2是本發(fā)明中"三次噴冷"裝置中霧化噴頭的噴水形式圖；
[0013] 圖中，1.水包，2.霧化噴頭，3.球鐵型材，4.流量表，5.導(dǎo)管，6.壓力表，7.調(diào)節(jié)水 閥，8.冷卻水閥，9.噴水口，10.集水槽。
[0014] 圖3是實施例1中"三次噴冷"處理前鑄鐵型材的冷卻曲線；
[0015] 圖4是實施例1中未經(jīng)過"三次噴冷"處理的試樣的組織形貌圖，其中，a是型材表 層組織，b是型材1/2半徑處組織，c是型材心部組織；
[0016] 圖5是實施例1中2個水包、水閥為2/3開時型材的基體組織形貌；其中，a是型 材表層組織，b是型材1/2半徑處組織，c是型材心部組織；
[0017] 圖6是實施例1中水包個數(shù)對鑄鐵型材的硬度影響曲線；
[0018] 圖7是實施例1中水包個數(shù)對鑄鐵型材的強度影響曲線；
[0019] 圖8是實施例1中噴水強度為3. toV1時試樣的組織形貌圖；
[0020] 圖9是實施例1中噴水強度為5. 82ΠΛΓ1時試樣的組織形貌圖。

【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0022] 本發(fā)明非合金化鑄態(tài)高強度鑄鐵型材的制備方法，在型材連鑄過程中經(jīng)歷共析轉(zhuǎn) 變時，施加"三次噴冷"處理，使型材的基體轉(zhuǎn)變成珠光體組織，得到高強度鑄鐵型材。
[0023] 如圖1和圖2所示，"三次噴冷"處理所采用的裝置為"三次噴冷"裝置，其結(jié)構(gòu)為： 包括導(dǎo)管5,導(dǎo)管5上設(shè)有三個水包1,水包1直徑為C>300mm,相鄰兩個水包之間的間距D 可根據(jù)實際需要自由調(diào)節(jié)，以獲得不同的噴水覆蓋面積，每個水包1上均勻設(shè)有八個噴水 口 9,每個噴水口 9上分別設(shè)有霧化噴頭2,霧化噴頭2的噴射角Θ不小于60°，每個水包 1上分別設(shè)有流量表4和冷卻水閥8,通過流量表4測定水的流量；導(dǎo)管5上還設(shè)有壓力表 6和調(diào)節(jié)水閥7,調(diào)節(jié)水閥7開合的不同程度控制了噴水的強度；壓力表6用來保證噴頭霧 化所必需的最低水壓；三個水包1下面還設(shè)有集水槽10。
[0024] 本發(fā)明非合金化鑄態(tài)高強度鑄鐵型材的制備方法，使鑄鐵型材基體組織在較大的 冷卻速度下經(jīng)歷共析轉(zhuǎn)變，基體中珠光體的數(shù)量顯著增加，從而達到不通過合金化或熱處 理而得到高強度鑄鐵型材的目的，大幅度降低高強度鑄鐵型材的生產(chǎn)成本，實現(xiàn)低成本下 通過水平連鑄、"三次噴冷"工藝得到高強度鑄鐵型材。
[0025] 實施例1
[0026] 所用設(shè)備為沖天爐、ZSL-02型鑄鐵水平連鑄機及"三次噴冷"裝置。首先將爐料加 入沖天爐中熔煉，爐料經(jīng)高溫熔煉呈液態(tài)，通過沖天爐過橋流入前爐，使鐵液的成分和溫度 均勻。開始連鑄生產(chǎn)時，鐵液自前爐經(jīng)由出鐵槽流入鐵水包，在鐵水包內(nèi)進行球化和孕育處 理。
[0027] 鐵水球化處理采用筑有堤壩的"圓筒形"澆包進行球化處理，"圓筒形"澆包指的是 澆包上下直徑相同或相近，并對包內(nèi)修筑使其深度與內(nèi)徑之比H/D = 1. 5?2. 0。球化劑為 稀土鎂合金球化劑，化學(xué)成分為：Re4 %?6 %，Mg7 %?9 %，Si38 %?44 %，余量為Fe。孕 育劑為普通孕育硅鐵，化學(xué)成分為：Si73. 19%，C0. 087%，余量為Fe。
[0028] 球化和孕育處理后的鐵水直接送往保溫爐進行澆注，鐵水包送到保溫爐上方，在 開始澆注的時候采用簡易耐火輕質(zhì)材料制得的工具蓖住鐵水液面浮渣，鐵水經(jīng)由浮渣下部 流出并注入保溫爐內(nèi)，鐵水在保溫爐內(nèi)依靠高的鐵水壓頭流入直徑為Φ75mm的結(jié)晶器內(nèi) 順序凝固，以步進式牽引出結(jié)晶器得到球鐵型材。
[0029] 結(jié)合圖3可知，CE區(qū)間的型材溫度處于奧氏體溫度和共析轉(zhuǎn)變溫度之間，為了得 到珠光體基體組織，本次試驗擬在該區(qū)域?qū)⑶蜩F型材3放在"三次噴冷"裝置中。使用紅外 輻射測溫儀觀測型材的溫度，在型材表面溫度為720°C時（此時型材心部溫度在750°C以 上），開始實行"三次噴冷"工藝。本次試驗中去應(yīng)力退火型材所需溫度定在500°C?550°C， 因此要求在"三次噴冷"以后，型材表面溫度要大于500°C，以保證噴水后型材具有足夠的去 應(yīng)力退火所需的余溫。
[0030] "三次噴冷"裝置中冷卻水流量的設(shè)計依據(jù)為冷卻水閥7開關(guān)的開放程度，設(shè)計為 1/3開、2/3開和全開三個水平。記錄水閥7開放不同程度時的流量值，以表示噴水強度大 小。
[0031] 首先對未實施"三次噴冷"工藝的試樣進行組織觀察和力學(xué)性能檢測，圖4為"三 次噴冷"處理前球鐵型材試樣的組織形貌（a是型材表層組織，b是型材1/2半徑處組織， c是型材心部組織）。由圖4可知，試樣基體組織以鐵素體為主，可判斷該種球鐵型材為典 型的鐵素體球鐵型材。測得硬度為165HB，強度為409MPa，斷后伸長率為18%，沖擊韌性為 120J · cm 2。
[0032] 實施例1 "三次噴冷"處理中冷卻水溫度為20°C，水包噴射角Θ > 60°，噴水壓 力P的改變是為了保證噴頭有足夠的噴射角θ。
[0033] 通過對球鐵型材按照不斷增加水包個數(shù)的方式實施噴水工藝，同時將水閥設(shè)計為 1/3開、2/3開和全開三個水平。圖5為2個水包、水閥為2/3開時型材的基體組織形貌（a 是型材表層組織，b是型材1/2半徑處組織，c是型材心部組織）。
[0034] 結(jié)合圖4?圖5可知，在球鐵型材非合金化"三次噴冷"處理中，型材隨噴水水包 個數(shù)的遞增，其基體內(nèi)珠光體組織增多。
[0035] 結(jié)合圖6?圖7可知，在球鐵型材非合金化"三次噴冷"工藝中，型材隨噴水水包 個數(shù)的遞增，其硬度、強度有大幅度的增加。
[0036] 結(jié)合圖8?圖9可知，在球鐵型材非合金化"三次噴冷"工藝中，型材基體中珠光 體的數(shù)量增減趨同于水包個數(shù)增加對球鐵型材珠光體組織的影響。
[0037] 不同水包個數(shù)和噴水強度下，試樣的硬度、抗拉強度、斷后伸長率和沖擊韌性的測 試結(jié)果如表1所示。
[0038] 表1不同水包個數(shù)和噴水強度下，試樣的硬度、抗拉強度、斷后伸長率和沖擊韌性 的測試結(jié)果
[0039] 試樣I水包個數(shù)I噴水強度q I布氏硬度I抗拉強度I斷后伸長率I沖擊初性 編號 / 個 /m3h_1 /HB /MPa /% /J-cm'2 ~1 1 ?3 ?70 450 ?5 --? ~2 ? L62 ?75 452 13 95 ^3 1 L94 180 452 13 9S ^4 2 Ζ6 239 510 10 72 ~5 2 ?Μ 240 5?0 ?〇 69 ~6 2 ?88 244 512 9 67 ~7 3 3^9 283 616 6 42 ^8 3 4Μ 285 630 6 41 ^9 3 5^82 287 642 6 41
[0040] 由表1可知，在球鐵型材非合金化"三次噴冷"工藝中，其噴水強度值除受到節(jié)流 閥通流面積的影響外，還受到水包個數(shù)的間接影響。節(jié)流閥通流面積越大，則噴水強度越 大，水包個數(shù)越大，則噴水強度越大，且隨著噴水強度的提高，型材的硬度和強度均呈階梯 式遞增趨勢。
[0041] 從實施例1可以看出，在鑄鐵水平連鑄生產(chǎn)過程中，通過型材表面紅外測溫跟蹤， 選用20°C的冷卻水，在3個水包下，噴水強度達到5. 82ΠΛΓ1時，得到了非合金化鑄態(tài)高強度 鑄鐵型材，其力學(xué)性能為：硬度287HB，強度642MPa。
【權(quán)利要求】
1. 非合金化鑄態(tài)高強度鑄鐵型材的制備方法，其特征在于，在型材連鑄過程中經(jīng)歷共 析轉(zhuǎn)變時，施加"三次噴冷"處理，使型材的基體轉(zhuǎn)變成珠光體組織，得到高強度鑄鐵型材。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非合金化鑄態(tài)高強度鑄鐵型材的制備方法，其特征在于，所 述"三次噴冷"處理所采用的裝置為"三次噴冷"裝置，其結(jié)構(gòu)為：包括導(dǎo)管（5)，所述導(dǎo)管 (5)上設(shè)有三個水包（1),每個水包（1)上均勻設(shè)有八個噴水口（9)，每個噴水口（9)上分別 設(shè)有霧化噴頭（2)，每個水包（1)上分別設(shè)有流量表（4)和冷卻水閥（8)，所述導(dǎo)管（5)上 還設(shè)有壓力表（6)和調(diào)節(jié)水閥（7)，三個水包（1)下面還設(shè)有集水槽（10)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的非合金化鑄態(tài)高強度鑄鐵型材的制備方法，其特征在于，所 述水包⑴直徑為〇300mm，相鄰兩個水包⑴之間的間距D可根據(jù)實際需要自由調(diào)節(jié)，以 獲得不同的噴水覆蓋面積；所述霧化噴頭（2)的噴射角Θ不小于60°。
【文檔編號】B22D11/124GK104117646SQ201410313054
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】張云鵬, 張?zhí)鹛? 劉永輝, 劉黨偉 申請人:西安理工大學(xué), 陜西華安鑄鐵型材有限公司