專利名稱:鐵素體可鍛鑄鐵熱浸滲鋁-低溫石墨化工藝的制作方法
一種采用低溫石墨化退火工藝生產(chǎn)表面有滲鋁層的鐵素體黑心可鍛鑄鐵的方法。
傅統(tǒng)的可鍛鑄鐵件如線路金具、管件等是采用熱浸鍍鋅來進(jìn)行表面防護(hù)的。但近年來發(fā)展出熱浸滲鋁技術(shù)，已經(jīng)在上述產(chǎn)品上廣泛應(yīng)用。這是因?yàn)?.熱浸滲鋁形成的保護(hù)層有抗含硫、有機(jī)酸類、鹽、硝酸和磷酸等化合物的腐蝕性大氣的腐蝕能力。能抵抗硫化氫、二氧化硫、二氧化碳、碳酸、硝酸、液氨、水 氣的腐蝕，尤其是抗硫化氫的腐蝕能力最為顯著。可以應(yīng)用于電力、石油、化工、冶金等方面的器械、管道和容器的表面防護(hù)。
2.鋁的氧化層具有難熔的特性，這個(gè)氧化層與鐵之間存在一個(gè)具有較高導(dǎo)熱率的過渡層，使得在高溫下的破壞得以降低到最低程度?？梢栽诟哂阡X的熔點(diǎn)以上使用，穩(wěn)定工作溫度可達(dá)950℃。
3.在鋁層和鋅層厚度相同的情況下，鋅的重量要比鋁高2.6倍;而在大氣腐蝕中的耐腐蝕性，鋁層則比鋅層高3～5倍。由此可以推之，采用熱浸滲鋁可以延長工件的使用壽命，降低熱鍍的成本，減輕工件的重量，增加工作的可靠性。
4.在鋁液中加入多種合金元素，改變鍍層的化學(xué)成分，可以有針對地提高鍍層抗某類腐蝕的能力。
生產(chǎn)具有滲鋁層的可鍛鑄鐵件的一般的生產(chǎn)工藝可分為三個(gè)獨(dú)立的工藝過程鑄件的生產(chǎn)，鑄件的熱浸滲鋁，滲鋁層的擴(kuò)散退火過程。
鑄件首先澆注成亞共晶白口鐵的坯件，然后進(jìn)行二個(gè)階段的石墨化熱處理。第一階段一般要在900～960℃溫度范圍內(nèi)退火10～20小時(shí)，隨后隨爐冷卻到共析轉(zhuǎn)變溫度以下約720～750℃，退火20～40小時(shí)。經(jīng)過上述二階段石墨化退火以后，白口組織中的滲碳體分解完畢，最終得到鐵素體基體和團(tuán)絮狀石墨的組織。
經(jīng)過退火熱處理獲得了鐵素體基體加團(tuán)絮狀石墨化的組織的鑄件，進(jìn)行表面機(jī)械清理去除氧化皮和其他粘附物，再進(jìn)行化學(xué)清洗和鍍前處理，最后放入680～950℃的鋁或是鋁合金液中進(jìn)行熱浸滲鋁，得到表面滲鋁的鑄件。
由于熱浸滲鋁得到的鋁層與鑄件的表面附著較差，而且在浸鍍過程中在鑄件表面上形成的實(shí)際上是一個(gè)由鋁和各種鋁鐵合金相組成的多層狀組織，機(jī)械性能不高，在受力條件下會(huì)開裂形成脫落。因此鍍鋁以后的鑄件要在700～1050℃范圍內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散退火，使表面的含鋁量降低，使?jié)B鋁層增厚20%，同時(shí)降低了整個(gè)滲鋁層的脆性，提高了滲鋁層與鐵基的附著強(qiáng)度。
采用上述的傅統(tǒng)工藝存在著以下缺點(diǎn)1.鑄件要經(jīng)過高溫石墨化退火(900～960℃)能耗較大，而且常常因?yàn)楣ぜ^燒，形成氧化白邊，工件變形較大等原因造成退火廢品。
2.為了防止高溫退火造成工件氧化，鑄件須放在封閉的退火箱中，退火箱由于暴露在爐氣中，氧化、燒損十分嚴(yán)重。
3.采用高溫退火退火爐及其附屬設(shè)備損壞較快。
4.由于高溫退火形成的氧化皮較厚，鍍鋁前機(jī)械和化學(xué)處理費(fèi)用較高。
5.由生產(chǎn)鑄件到擴(kuò)散退火完畢，各工序不易銜接，生產(chǎn)控制不易，并有重復(fù)加熱過程如擴(kuò)散退火，增加了能耗和勞動(dòng)力。
針對上述存在的問題，近年已發(fā)展出白口坯件熱浸滲鋁，石墨化-擴(kuò)散退火同步進(jìn)行的工藝。即澆注出亞共晶白口的鑄件毛坯后就進(jìn)行熱浸滲鋁處理，把表面鍍有鋁層的白口鑄件放入退火爐中進(jìn)行石墨化退火，同時(shí)也對鍍鋁層起到了擴(kuò)散退火的作用。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)在于減少了工藝步驟，便于生產(chǎn)管理控制，由于退火處理時(shí)工件的表面已有一層抗氧化的滲鋁層，基本可以避免因氧化脫碳造成廢品，退火爐無須進(jìn)行嚴(yán)格的氣氛控制，此外減少了一次加熱過程，節(jié)省了能源和勞力。
但是，這種工藝仍然不能擺脫傅統(tǒng)的第一階段高溫石墨化過程。生產(chǎn)鐵素體基體的可鍛鑄鐵件，要在900～1000℃溫度范圍保溫18～24小時(shí)，使共晶滲碳體分解，然后隨爐冷卻到730～880℃范圍保溫30～60小時(shí)使共析滲碳體分解，最終得到鐵素體基體和團(tuán)絮狀石墨的具有滲鋁保護(hù)層的鑄件。該工藝的退火曲線見圖1。由于要在高溫900～1000℃范圍內(nèi)退火，總的退火周期較長(48～84小時(shí))，仍舊不能認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)的退火方法。而且，因?yàn)楦邷卦斐傻蔫T件過燒廢品，退火爐及設(shè)備的損壞仍然不能免除。
針對上述工藝過程中存在的問題，從81年以來我們開始研究低溫石墨化-滲鋁層擴(kuò)散熱處理新工藝。經(jīng)查閱了國內(nèi)外大量資料，促進(jìn)該工藝的研究日趨成熟和完善，84年、85年兩次委托冶金部情報(bào)研究所和中國科學(xué)院情報(bào)所進(jìn)行了世界專利文獻(xiàn)檢索共一百多條，結(jié)果表明本發(fā)明在國內(nèi)外都屬最新技術(shù)。
本發(fā)明的主要目的就是為了消除或減輕上述諸工藝缺點(diǎn)和不足。
按照本發(fā)明提供的低溫石墨化-滲鋁層擴(kuò)散熱處理新工藝，應(yīng)包括以下幾個(gè)生產(chǎn)控制環(huán)節(jié)1.鑄件的原鐵水化學(xué)成分應(yīng)控制在碳(C)量2.5～2.7%;
硅(Si)量1.6～1.7%;
錳(Mn)量當(dāng)S小于0.20%時(shí)應(yīng)符合Mn＝1.7S+(0.05～0.25)%;
磷、鉻和其他雜質(zhì)元素含量不高于傅統(tǒng)可鍛鑄鐵中的含量。
2.澆注前對鐵水進(jìn)行“硅-鉍-鋁”復(fù)合孕育、二次孕育、或型內(nèi)孕育。
3.白口坯件進(jìn)行必要的機(jī)械或化學(xué)處理之后進(jìn)行助鍍劑處理，然后浸入到780～850℃的鋁或鋁合金液中0.5～10分鐘，獲得表面鍍鋁的坯件。
4.表面已鍍上鋁的坯件裝入退火爐中，在400℃進(jìn)行予溫處理4小時(shí)，然后在720～750℃范圍內(nèi)退火15～35小時(shí)，最后出爐空冷到室溫。
根據(jù)產(chǎn)品和用途的不同，給予不同的工藝條件。用法舉例如下。
例一，生產(chǎn)鐵素體基體的表面有滲鋁層的線路金具，如高壓電瓷瓶鐵帽。熔煉時(shí)鐵水化學(xué)成分控制在碳(C)2.5～2.7%，硅(Si)1.6～1.7%，錳(Mn)＝1.7S+(0.05～0.25)%，硫(S)小于0.15%，磷(P)小于0.2%，鉻(Cr)小于0.06%。鐵水出爐溫度應(yīng)高于1410℃，在爐前過渡鐵水包(100～300公斤)中用沖入法進(jìn)行“硅(Si)-鉍(Bi)-鋁(Al)”復(fù)合孕育。孕育后的鐵水硅的凈吸收應(yīng)達(dá)到0.1～0.2%，即鐵水中的硅量應(yīng)為1.7～1.9%。鑄件冷卻后應(yīng)得到細(xì)密的白口組織。去除飛邊、毛刺后進(jìn)行必要的加工，然后采用機(jī)械和化學(xué)清理去除氧化皮和油污。清理后的鑄件放入由氯化鈉(Nacl)，氯化鉀(Kcl)，氟化鋁(AlF)，氟化鈉(NaF)、氟鋁酸鈉(NaF、AlF3)，或是硝酸鉀、硝酸鈉的鹽溶液或熔液中浸泡1～10分鐘。烘干后浸入780～850℃的鋁或鋁合金液中約0.5～10分鐘，然后取出空冷至室溫，用清水洗凈表面粘附的鹽漬。這一操作使得鑄件的表面形成了鋁的防護(hù)層，在鋁液中鑄件已被加熱到相變溫度以上，隨后的空冷起到了正火作用使組織細(xì)化、內(nèi)應(yīng)力增加有利于以后退火時(shí)形成較多的石墨核心。鍍鋁以后的鑄件放入退火爐中，加熱到400℃進(jìn)行予溫處理4小時(shí)，再升溫到750℃保溫6～8小時(shí)，降到730℃保溫6～8小時(shí)，再降到720℃保溫6～10小時(shí)，然后隨爐冷卻到680℃出爐空冷或直接出爐空冷。退火工藝曲線見圖2。
例二，生產(chǎn)鐵素體基體的表面有滲鋁層的線路金具或管件，與及其他壁厚在15mm以內(nèi)的鑄件，熔煉化學(xué)成分符合例1條件，按例1所給方法進(jìn)行孕育處理和表面鍍鋁。鍍鋁后的鑄件放入退火爐中加溫到400℃進(jìn)行預(yù)溫處理，再升溫到750℃，在25～35小時(shí)內(nèi)均勻地降溫到700℃，然后出爐空冷。退火工藝曲線見圖3。
例三，生產(chǎn)鐵素體基體的表面有滲鋁層的線路金具或管件，與及其他壁厚在20mm以內(nèi)的鑄件，但工件形狀復(fù)雜、壁厚懸殊較大。熔煉化學(xué)成分符合例1條件，可按例1方式在爐前過渡鐵水包(100～300公斤)用沖入法加入硅-鉍-鋁復(fù)合孕育劑，然后在澆注用小鐵水包(10～20公斤)再次加入“鋁-鉍”作為二次孕育。鑄件按例1方式鍍鋁，可按例1或例2所給退火工藝退火。
例四，鑄件條件同例三，但單件重量略大吋(10～30公斤)，熔煉化學(xué)成分符合例一條件，可按例一方式在爐前過渡鐵水包中用沖入法加入“硅-鉍-鋁”復(fù)合孕育劑，并在鑄型中澆口內(nèi)放入“鋁-鉍”作為“型內(nèi)孕育”。鍍鋁和退火方式可同例三。
采用本發(fā)明提出的工藝可以生產(chǎn)鐵素體基體的表面具有滲鋁層的可鍛鑄鐵件。石墨化退火和滲鋁層的擴(kuò)散退火同步進(jìn)行，但是不必經(jīng)過900～980℃的高溫區(qū)，僅在720～750℃范圍進(jìn)行，總的退火周期為35～50小時(shí)。采用本發(fā)明提出的工藝措施，通過熔煉和孕育處理，使得鑄件的白口組織細(xì)化，基本消除了退火過程中較難分解的板塊狀滲碳體，使組織趨于等軸晶，共晶滲碳體細(xì)化分散。由于結(jié)晶組織的細(xì)化和促進(jìn)石墨化元素的加入有利于石墨形核和鐵、碳原子的擴(kuò)散條件改善，故而可以實(shí)現(xiàn)在720℃～750℃范圍同時(shí)使共晶和共析滲碳體分解，一次完成石墨化全過程，得到鐵素體基體加團(tuán)絮狀石墨組織。鑄件的機(jī)械性能可以達(dá)到KT 33一8以上，表面的滲鋁層為一個(gè)基本均勻的鋁鐵合金層，經(jīng)電子探針測定含鋁量為45.93～58.87%，厚度為0.15～0.20mm。該層與鐵基附著較好，機(jī)械性能和耐高溫、抗化學(xué)腐蝕性能較好。
采用本發(fā)明提供的工藝生產(chǎn)具有滲鋁層的鐵素體黑心可鍛鑄鐵件有以下的特點(diǎn)1.低溫石墨化-滲鋁層擴(kuò)散熱處理，同時(shí)使鑄件材質(zhì)基體和表面防護(hù)鋁層都得到理想的組織結(jié)構(gòu)。使生產(chǎn)工藝簡化，但不降低產(chǎn)品的性能質(zhì)量。
2.低溫石墨化-滲鋁層擴(kuò)散熱處理在720°～750℃進(jìn)行，可以降低能耗，避免工件過燒和氧化脫碳、變形造成廢品。
3.鑄件澆注時(shí)采用“硅-鉍-鉻”復(fù)合孕育處理，二次孕育、型內(nèi)孕育，起到細(xì)化晶粒促進(jìn)固態(tài)石墨化的作用，使之實(shí)現(xiàn)了在720°～750℃退火直接得到鐵素體基體加團(tuán)絮狀石墨的組織。鑄件組織中鐵素體晶粒細(xì)小，石墨顆粒細(xì)小，形態(tài)接近團(tuán)球狀，分布十分均勻。材質(zhì)的機(jī)械性能不低于用傅統(tǒng)二階段石墨化退火生產(chǎn)的鑄件。
4.滲鋁層均勻、附著良好，有較好的耐高溫和抗腐蝕性能。
5.由于鑄件是在有一層鋁的保護(hù)層情況下退火，工件表面有極好的抗氧化性，因此可以在中性、氧化性或是還原性的氣氛中退火。工藝適應(yīng)性較廣。
6.退火在720～750℃范圍進(jìn)行，使退火爐、退火箱和其他設(shè)備損耗降低。
本發(fā)明提供的工藝可以用于線管金具、管件等可鍛鑄件的生產(chǎn)。這些產(chǎn)品廣泛運(yùn)用于高溫及強(qiáng)腐蝕條件。
圖1 采用二階段(含高溫)石墨化退火生產(chǎn)具有滲鋁層的鐵素體黑心可鍛鑄鐵退火工藝曲線。
圖2 采用低溫石墨化-滲鋁層擴(kuò)散熱處理生產(chǎn)具有滲鋁層的鐵素體黑心可鍛鑄鐵退火工藝曲線(A型)。
圖3 采用低溫石墨化-滲鋁層擴(kuò)散熱處理生產(chǎn)具有滲鋁層的鐵素體黑心可鍛鑄鐵退火工藝曲線(B型)。
權(quán)利要求
1.一種鐵素體黑心可鍛鑄鐵熱浸滲鋁--低溫石墨化退火工藝，它可以是采用沖天爐熔煉，控制鐵水一定的化學(xué)成分，澆注前對鐵水進(jìn)行孕育處理獲得白口鑄件，再在一定溫度下鍍鋁和退火獲得表面有滲鋁層的可鍛鑄鐵，其特征在于熔煉時(shí)控制鐵水的化學(xué)成分為碳(C)2.5～2.7%，硅(Si)1.6～1.7%，錳(Mn)=1.7S+(0.05～0.25)%，磷小于0.2%，鉻小于0.06%，鐵水出爐溫度在1410℃以上，在鐵水包里采用沖入法進(jìn)行“硅--鉍--鋁”孕育處理使鐵水中含硅量提高到1.7～1.9%以上，鉍的孕育加入量為0.01～0.1%，鋁的孕育加入量為0.08～0.015%，獲得的白口鑄件放入由30～50%氯化鈉，30～50%氯化鉀，10～20%氟化鋁，10～20的氟化鈉組成的水溶液中，在加熱條件下沸騰1～10分鐘，烘干后浸入780～850℃的鋁或鋁合金液中0.5～10分鐘，取出空冷，用清水洗凈殘鹽，得到表面鍍鋁的坯件，然后放入退火爐中加熱到400℃保溫4小時(shí)，然后升溫到750℃保溫6～8小時(shí)，降溫到780℃保溫6～8小時(shí)，再降到720℃保溫6～10小時(shí)，最后隨爐冷到680℃出爐空冷或直接出爐空冷，得到表面有滲鋁層的鐵素體黑心可鍛鑄鐵件。
2.如權(quán)利要求
1所規(guī)定的低溫石墨化-擴(kuò)散退火工藝其特征在于對形狀復(fù)雜、壁厚懸殊較大的鑄件采用二次孕育，即爐前過渡包沖入法加入硅-鐵、使鐵水的最終含硅量達(dá)到1.7～1.9%，同時(shí)沖入鋁-鉍孕育劑總量的三分之二，其余三分之一在小包中孕育處理。
3.如權(quán)利要求
1所規(guī)定的低溫石墨化-擴(kuò)散退火工藝其特征在于對壁厚不均且單件重量大的鑄件孕育處理三分之一的鋁-鉍孕育劑放在澆注系統(tǒng)中由鐵水沖入作為型內(nèi)孕育。
專利摘要
鐵素體可鍛鑄鐵熱浸滲鋁——低溫石墨化工藝。
文檔編號C23C2/12GK85106684SQ85106684
公開日1987年3月25日 申請日期1985年9月3日
發(fā)明者陳永明, 郎本智, 何明奕, 吳勇生, 李勝長 申請人:昆明工學(xué)院科研處導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan