本發(fā)明屬于鑄造技術領域，涉及一種厚大斷面灰鑄鐵氣缸套組織控制方法。

背景技術：

船舶柴油機的核心部件灰鑄鐵氣缸套，長期工作在高溫、高速、高壓等工況環(huán)境下，其性能以及內(nèi)在質(zhì)量的好壞直接影響船舶柴油機的壽命和可靠性，而其性能主要取決于灰鑄鐵氣缸套厚大斷面部位的石墨形態(tài)和基體組織?；诣T鐵氣缸套鑄件重量3噸以上、長度大于2500mm、最大壁厚大于150mm，要求石墨形態(tài)為片狀A型，長度2～4級，不允許出現(xiàn)不良石墨形態(tài)(A型石墨長度過長或粗大；D型、E型石墨；塊狀石墨)；基體組織為片層狀珠光體，基體組織中的磷共晶和碳化物應分布均勻。

在實際生產(chǎn)中，厚大斷面灰鑄鐵鑄件內(nèi)部，會出現(xiàn)A型石墨長度過長或粗大，以及微觀縮孔疏松的現(xiàn)象，使得邊緣和中心部位組織均勻性差，另外厚大斷面邊緣有時也會出現(xiàn)D型石墨，這就嚴重影響了鑄鐵的力學性能。

為了控制厚大斷面的組織狀態(tài)，現(xiàn)有的加工方法中除了采用常規(guī)的冒口、冷鐵等方式外，還通過改善型砂和涂料的方式來控制厚大斷面灰鑄鐵件的冷卻速度，縮短其冷卻時間，使石墨沒有充足的時間長大。

中國專利(專利號：ZL201410512427.X，專利名稱：一種改善厚大斷面灰鑄鐵石墨等級的方法，公開號：104263888，公開日：2015.01.07)公開了一種利用鉻礦砂較高的導熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)，改善厚大斷面灰鑄鐵(150mm×150mm×150mm)石墨等級的方法，但這種方法對于重量大于3噸、長度大于2500mm的氣缸套鑄件來說，效果不明顯。

此外，也有部分廠家從鑄造方法的角度出發(fā)制造灰鑄鐵氣缸套，中國專利(專利號：ZL201510084208.0，專利名稱：船用低速柴油機氣缸套鑄造方法，公開號：104762547，公開日：2015.07.08)公開了一種船用低速柴油機氣缸套鑄造方法，能夠改善石墨、硬質(zhì)相形態(tài)及分布，但沒有公開對厚大斷面組織石墨形態(tài)和基體組織影響的內(nèi)容。

中國專利(專利號：ZL200510027454.9，專利名稱：船用大缸徑氣缸套的鑄造方法)公開了一種船用大缸徑氣缸套的鑄造方法，其中未涉及對厚大斷面組織狀態(tài)如何控制。

上述方法均未提及控制灰鑄鐵氣缸套鑄件厚大斷面部位組織和性能的均勻性的方法，灰鑄鐵氣缸套鑄件厚大斷面組織和性能由于受石墨生長方式、分布形態(tài)等因素影響而不合格，其根本原因在于原材料、化學成分、鐵液溫度、孕育工藝和冷卻條件的控制，導致氣缸套厚大斷面內(nèi)部存在微觀組織不均勻和微觀縮孔疏松的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種厚大斷面灰鑄鐵氣缸套組織控制方法，解決了厚大斷面組織均勻性問題和微觀縮孔疏松問題。

本發(fā)明所采用的技術方案是，一種厚大斷面灰鑄鐵氣缸套組織控制方法，具體包括以下步驟：

步驟1，配料：

選用優(yōu)質(zhì)廢鋼、鑄造用生鐵及回爐鐵為主要原料，再根據(jù)鐵液成分范圍配增碳劑、硅鐵、錳鐵、磷鐵、硫鐵、硼鐵、銅和釩鐵，使各合金成分控制在如下范圍內(nèi)：碳：3.0～3.3％；硅：1.1～1.2％；錳：0.65～0.75％；磷0.20～0.25％；硫：0.04～0.08％；硼：0.02～0.03％；銅：1.20～1.50％；釩0.05～0.15％，以上皆為重量百分比，其余為鐵；

步驟2，熔煉：采用中頻爐熔煉，具體包括以下步驟：a)投料熔化；b)過熱靜置；c)孕育處理；

步驟3，澆注：將溫度為1340～1350℃的鐵水注入砂型中成型，當澆注1/5～1/3鐵水時，均勻加入粒度為0.4～1mm的孕育劑；

步驟4，分階段冷卻。

本發(fā)明的特點還在于，

其中步驟1中原料配比為：60％廢鋼+30％回爐鐵+10％生鐵。

其中步驟2中步驟a)投料熔化的具體過程為：將生鐵加入爐底，再加入部分廢鋼，待出現(xiàn)熔融金屬液時加入一半增碳劑，續(xù)加廢鋼，待爐料熔化1/3～1/2時，加入剩余的增碳劑，待加完廢鋼后加入回爐料，全部熔化后依次加入硅鐵、錳鐵、磷鐵、硫鐵、硼鐵、銅和釩鐵；

其中步驟2中步驟b)過熱靜置的具體過程為：經(jīng)步驟a熔化后，將鐵水溫度加熱至1500～1520℃，保溫5～10min，降溫至出鐵溫度1460～1480℃；

其中步驟2中步驟c)孕育處理的具體過程為：當出鐵1/5～1/3時均勻加入粒度為3～7mm的孕育劑，孕育劑的加入量為熔煉出鐵量的0.3～0.5％。

其中步驟2的步驟c)中孕育劑為稀土鈣鋇復合孕育劑。

其中步驟3中孕育劑為稀土鈣鋇復合孕育劑，孕育劑的加入量為熔煉出鐵量的0.1～0.3％。

其中步驟4分階段冷卻的具體過程：首先采用石墨冷鐵快冷，使氣缸套外表面凝固結殼，建立強度；然后當氣缸套溫度為780℃～830℃時，開箱落砂，將氣缸套厚大斷面冷卻至室溫，即得目標材質(zhì)的氣缸套鑄件。

本發(fā)明的有益效果是，通過控制氣缸套不同凝固階段的外部冷卻條件，控制冷卻速度，改善了氣缸套的組織和性能均勻性，減少微觀縮孔疏松，且易于掌握和操作。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的氣缸套厚大斷面取樣示意圖；

圖2是本發(fā)明一種厚大斷面灰鑄鐵氣缸套組織控制方法實例2所生產(chǎn)的氣缸套厚大斷面內(nèi)測部位(E處)的金相組織(100倍)圖；

圖3為本發(fā)明一種厚大斷面灰鑄鐵氣缸套組織控制方法實例2所生產(chǎn)的氣缸套厚大斷面中心部位(F處)的金相組織(100倍)圖；

圖4為本發(fā)明一種厚大斷面灰鑄鐵氣缸套組織控制方法實例2所生產(chǎn)的氣缸套厚大斷面外測部位(G處)的金相組織(100倍)圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明一種厚大斷面灰鑄鐵氣缸套組織控制方法，具體包括以下步驟：

步驟1，配料：選用優(yōu)質(zhì)廢鋼、鑄造用生鐵及回爐鐵為主要原料，原料配比為：60％廢鋼+30％回爐鐵+10％生鐵，再根據(jù)鐵液成分范圍配增碳劑(增碳劑為鑄鐵用增碳劑)、硅鐵、錳鐵、磷鐵、硫鐵、硼鐵、銅和釩鐵，使各合金成分控制在如下范圍內(nèi)：碳：3.0～3.3％；硅：1.1～1.2％；錳：0.65～0.75％；磷0.20～0.25％；硫：0.04～0.08％；硼：0.02～0.03％；銅：1.20～1.50％；釩0.05～0.15％，以上皆為重量百分比，其余為鐵；

增碳劑的加入為鐵液提供了大量彌散分布的非均質(zhì)結晶核心，降低了鐵液的過冷度，促使生成以A型石墨為主的石墨組織，分布均勻；熔煉過程中通過控制金屬液的純凈度，降低有害元素含量，抑制有害元素對石墨形態(tài)的影響，有利于改善組織。

步驟2，熔煉：采用中頻爐熔煉，具體包括以下步驟：

a)投料熔化：將生鐵加入爐底，再加入部分廢鋼，待出現(xiàn)熔融金屬液時加入一半增碳劑，續(xù)加廢鋼，待爐料熔化1/3～1/2時，加入剩余的增碳劑，待加完廢鋼后加入回爐料，全部熔化后依次加入硅鐵、錳鐵、磷鐵、硫鐵、硼鐵、銅和釩鐵；

b)過熱靜置：經(jīng)步驟a熔化后，將鐵水溫度加熱至1500～1520℃，保溫5～10min，降溫至出鐵溫度1460～1480℃；

c)孕育處理：當出鐵1/5～1/3時均勻加入粒度為3～7mm的孕育劑，孕育劑的加入量為熔煉出鐵量的0.3～0.5％，孕育劑為稀土鈣鋇復合孕育劑；

步驟3，澆注：將溫度為1340～1350℃的鐵水注入砂型中成型，當澆注1/5～1/3鐵水時，均勻加入粒度為0.4～1mm的孕育劑，孕育劑為稀土鈣鋇復合孕育劑，孕育劑的加入量為熔煉出鐵量的0.1～0.3％；

步驟2和步驟3中加入的復合孕育劑打破磷共晶的連續(xù)網(wǎng)狀分布，使其基本成為均勻分布的塊狀或點狀，其中的微量元素有利于A型石墨的形成。

步驟4，分階段冷卻：首先采用石墨冷鐵快冷，使氣缸套外表面凝固結殼，建立強度；然后當氣缸套溫度為780℃～830℃時，開箱落砂，將氣缸套厚大斷面冷卻至室溫，使氣缸套厚大斷面凝固，得到目標材質(zhì)的氣缸套鑄件。

步驟4中通過控制氣缸套不同凝固階段的外部冷卻條件，控制冷卻速度，改善了氣缸套的組織和性能均勻性，減少微觀縮孔疏松，且易于掌握和操作。

實施例1

厚大斷面氣缸套材料的各組分及重量百分比為：碳3.0％；硅1.15％；錳0.65％；磷0.20％；硫0.04％；硼0.02％；銅1.2％；釩0.05％，其余為Fe。將上述材料按照所給出的組分進行配料，然后用中頻電爐進行熔煉，熔煉時將生鐵加入爐底，再加入部分廢鋼，待出現(xiàn)熔融金屬液時加入一半增碳劑，續(xù)加廢鋼，待爐料熔化1/3時，加入剩余的增碳劑，待加完廢鋼后加入回爐料，全部熔化后依次加入硅鐵、錳鐵、磷鐵、硫鐵、硼鐵、銅和釩鐵；再將鐵水溫度加熱至1500℃，保溫5min，降溫至出鐵溫度1460℃，當出鐵1/5時均勻加入粒度為3mm的稀土鈣鋇復合孕育劑，孕育劑的加入量為熔煉出鐵量的0.3％；然后將溫度為1340℃的鐵水注入砂型中成型，當澆注1/5鐵水時，均勻加入粒度為0.4mm的稀土鈣鋇復合孕育劑，孕育劑的加入量為熔煉出鐵量的0.1％；最后，對鑄件進行冷卻；通過預先埋設的多點測溫熱電偶進行實時測溫，當氣缸套溫度為780℃時，開箱落砂，將氣缸套厚大斷面冷卻至室溫，使氣缸套厚大斷面凝固，得到目標材質(zhì)的氣缸套鑄件。

實施例2

厚大斷面氣缸套材料的各組分及重量百分比為：碳3.2％；硅1.1％；錳0.7％；磷0.22％；硫0.06％；硼0.022％；銅1.5％；釩0.1％，其余為Fe。將上述材料按照所給出的組分進行配料，然后用中頻電爐進行熔煉，熔煉時將生鐵加入爐底，再加入部分廢鋼，待出現(xiàn)熔融金屬液時加入一半增碳劑，續(xù)加廢鋼，待爐料熔化1/2時，加入剩余的增碳劑，待加完廢鋼后加入回爐料，全部熔化后依次加入硅鐵、錳鐵、磷鐵、硫鐵、硼鐵、銅和釩鐵；再將鐵水溫度加熱至1515℃，保溫10min，降溫至出鐵溫度1480℃，當出鐵1/3時均勻加入粒度為7mm的稀土鈣鋇復合孕育劑，孕育劑的加入量為熔煉出鐵量的0.5％；然后將溫度為1345℃的鐵水注入砂型中成型，當澆注1/3鐵水時，均勻加入粒度為1mm的稀土鈣鋇復合孕育劑，孕育劑的加入量為熔煉出鐵量的0.3％；最后，對鑄件進行冷卻，通過預先埋設的多點測溫熱電偶進行實時測溫，當氣缸套溫度為790℃時，開箱落砂，將氣缸套厚大斷面冷卻至室溫，使氣缸套厚大斷面凝固，得到目標材質(zhì)的氣缸套鑄件，該鑄件壁厚151mm，在壁厚內(nèi)側、中心、外側部位取樣，進行金相和力學性能的檢測，取樣位置見圖1，金相組織分別見圖2、3和4(圖2、3、4中圖(a)表示石墨形態(tài)；(b)基體組織)，測試結果見表1。

表1

由表1中的分析結果可知，采用本發(fā)明的厚大斷面灰鑄鐵組織控制方法，可得到滿足“石墨形態(tài)為片狀A型，長度2～4級；基體組織為片層狀珠光體，基體組織中磷共晶和碳化物的應分布均勻”的技術要求，且該方法易于操作，便于控制。

實施例3

厚大斷面氣缸套材料的各組分及重量百分比為：碳3.3％；硅1.2％；錳0.75％；磷0.25％；硫0.08％；硼0.03％；銅1.35％；釩0.15％，其余為Fe。將上述材料按照所給出的組分進行配料，然后用中頻電爐進行熔煉，熔煉時將生鐵加入爐底，再加入部分廢鋼，待出現(xiàn)熔融金屬液時加入一半增碳劑，續(xù)加廢鋼，待爐料熔化2/5時，加入剩余的增碳劑，待加完廢鋼后加入回爐料，全部熔化后依次加入硅鐵、錳鐵、磷鐵、硫鐵、硼鐵、銅和釩鐵；再將鐵水溫度加熱至1520℃，保溫8min，降溫至出鐵溫度1470℃，當出鐵1/4時均勻加入粒度為5mm的稀土鈣鋇復合孕育劑，孕育劑的加入量為熔煉出鐵量的0.4％；然后將溫度為1350℃的鐵水注入砂型中成型，當澆注1/4鐵水時，均勻加入粒度為0.8mm的稀土鈣鋇復合孕育劑，孕育劑的加入量為熔煉出鐵量的0.2％；最后，對鑄件進行冷卻，通過預先埋設的多點測溫熱電偶進行實時測溫，當氣缸套溫度為830℃時，開箱落砂，將氣缸套厚大斷面冷卻至室溫，使氣缸套厚大斷面凝固，得到目標材質(zhì)的氣缸套鑄件。

本發(fā)明一種厚大斷面灰鑄鐵氣缸套組織控制方法各步驟的特點為：

1)原料成分控制：通過廢鋼增碳工藝，減少生鐵用量，削弱生鐵中粗大石墨組織遺傳性和有害元素對組織和性能的影響。增碳劑的加入為鐵液提供了大量彌散分布的非均質(zhì)結晶核心，降低了鐵液的過冷度，促使生成以A型石墨為主的石墨組織，且分布均勻，從根本上改善石墨的形態(tài)，提高合金鑄鐵的性能。同時原材料的純凈度對其組織和性能也有很大影響，生鐵原始組織中粗大的石墨具有一定的遺傳型，通常熔煉過程中，生鐵中的粗大石墨不能完全熔化，導致新型合成鑄鐵組織中出現(xiàn)C型石墨，從而影響組織及性能。一定量的V能促進并細化珠光體，以及細小、均勻分布的磷共晶可提高鑄件的耐磨性和力學性能，若熔體純凈度不高，會加劇碳化物和磷共晶不利分布。因此應選用優(yōu)質(zhì)的生鐵，廢鋼應選擇表面質(zhì)量及純凈度高的廢鋼。

2)過熱靜置：過熱靜置有利于增碳劑的吸收和均勻化，有利于石墨的細化，有利于提高鐵液的純凈度，但是鐵液在高溫(1520℃以上)長時間保溫則會降低鐵液形核能力，造成石墨形態(tài)惡化，產(chǎn)生不良石墨形態(tài)(D型、E型石墨)，因此應對過熱靜置的溫度、時間進行控制。

3)孕育處理(本發(fā)明的步驟2和步驟3中均有孕育處理的工藝)：孕育處理對石墨形態(tài)的影響較大，其作用在于改變鑄鐵共晶結晶的凝固條件，達到消除白口、促進石墨化、細化晶粒、細化片狀石墨并使過冷石墨轉變?yōu)闊o方向性均布的A型石墨，提高性能和組織均勻性。但孕育衰退會造成鑄件石墨形態(tài)不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)D型過冷石墨?；诣T鐵氣缸套中的磷會以磷共晶的形式存在于鑄鐵組織的晶界，且呈連續(xù)粗大網(wǎng)狀分布，嚴重割裂基體，顯著降低鑄鐵的機械強度，增加脆性，復合孕育劑中的稀土會打破磷共晶的連續(xù)網(wǎng)狀分布，使其基本成為均勻分布的塊狀或點狀，從而提高機械強度，減小脆性；鈣、鋇等微量元素有利于A型石墨的形成。

4)分階段冷卻：對于這種厚大斷面氣缸套(本發(fā)明采用的厚大斷面≥150mm柴油機氣缸套)，冷卻過慢，石墨有充足的時間長大、變粗，嚴重影響鑄鐵的力學性能；冷卻速度過快，則會造成D型石墨的生成，從而影響其性能。本發(fā)明通過控制氣缸套不同凝固階段的外部冷卻條件進行分階段重點冷卻，即首先采用石墨冷鐵快冷，使氣缸套外表面迅速凝固結殼，建立強度，當表面凝固層厚度達到一定程度時，內(nèi)部大面積處于糊狀區(qū)時，進行同時凝固冷卻處理，使氣缸套厚大斷面同時凝固，從而提高組織均勻性，減少微觀縮孔疏松。