專利名稱：一種低溫鐵素體球墨鑄鐵材料的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型低溫高強(qiáng)度高韌性抗沖擊鐵素體球墨鑄鐵新材料的制造方法。
背景技術(shù)：
隨著時(shí)代的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)越來越先進(jìn)，對一些基礎(chǔ)行業(yè)和材料也逐步提出了新的更高的要求，例如軌道交通業(yè)、風(fēng)電行業(yè)都對球墨鑄鐵在低溫下的性能提出了更高的要求。目前，國內(nèi)外球墨鑄鐵低溫下的標(biāo)準(zhǔn)，僅規(guī)定了 -20°C及-40°C下低溫沖擊吸收功彡12J，且達(dá)到_40°C低溫沖擊性能的抗拉強(qiáng)度僅為彡350MPa，而受運(yùn)行環(huán)境影響，一些軌道交通產(chǎn)品不僅要求在_40°C時(shí)，甚至在_50°C、-60°C時(shí)，沖擊吸收功均要彡12J,同時(shí)要求抗拉強(qiáng)度均要> 400MPa，延伸率均> 18%，國內(nèi)、國外現(xiàn)有的產(chǎn)品尚無法達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)的要求。低溫高強(qiáng)度高韌性抗沖擊鐵素體球墨鑄鐵材料生產(chǎn)技術(shù)在國際上也只有西門子等幾個(gè)企業(yè)掌握，能夠借鑒的經(jīng)驗(yàn)幾乎沒有，國內(nèi)更是沒有企業(yè)能夠掌握其生產(chǎn)工藝，沒有能夠生產(chǎn)的。中國只能依賴進(jìn)口，但是進(jìn)口的產(chǎn)品綜合性能達(dá)不到產(chǎn)品性能要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種低溫鐵素體球墨鑄鐵材料的制造方法，通過嚴(yán)格選擇、控制其化學(xué)成分，制備工藝步驟，采用先進(jìn)球化孕育處理工藝，優(yōu)化熱處理工藝，進(jìn)一步提高材料的耐低溫抗沖擊等綜合性能:在-40°C、-5(TC、-6(rC下沖擊功均> 12J，室溫抗拉強(qiáng)度均> 400MPa,延伸率均> 18%,其他主要力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)材料的高強(qiáng)度高韌性抗沖擊，滿足產(chǎn)品性能要求。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下: 一種低溫鐵素體球墨鑄鐵材料的制造方法，其特征是:
(I )、原材料投料質(zhì)量比例:廢鋼8% 12%，回爐鐵8% 12%，余量為高純生鐵；以及廢鋼、回爐鐵、高純生鐵總量0.3% 1%的鎳；
其中高純生鐵成份要求:C彡3.5%, Si ( 0.5%, Mn ( 0.2%, P彡0.03%, S彡0.02%,Ti ( 0.03%，其他微量元素綜合< 0.05% ；
(2)、熔煉:出爐溫度1540 1550°C；
(3)、球化及孕育:采用喂絲球化及孕育處理工藝；采用單絲喂絲球化及爐前孕育處理工藝；采用轉(zhuǎn)包球化處理工藝；
(4)、試塊:采用附鑄試塊；
(5)、澆注時(shí)均隨流加入0.05% 0.15%的隨流孕育劑；
(6)、鑄件澆注溫度在1380°C 1420°C之間；
(7)、保溫4小時(shí)后打開砂型；
(8)、熱處理；
所述低溫高強(qiáng)度高韌性抗沖擊鐵素體球墨鑄鐵材料的成品組分及其質(zhì)量比例為C:3.5% 3.9%, Si:1.9% 2.3%, Mn ( 0.2%, P 彡 0.03%, S 彡 0.02%, Mg: 0.04% 0.06%,N1: 0.25 0.95%。其中熱處理:爐內(nèi)加熱至880 920°C，保溫2小時(shí)；然后隨爐冷卻速度控制在800C /小時(shí)以下，緩慢冷卻至500 700°C，出爐。可以采用喂絲球化及孕育處理工藝步驟:
Cl)設(shè)定球化包芯線加入量為0.8%，孕育包芯線加入量為0.6% ；
(2)設(shè)定喂絲速度為30米/分鐘；
(3)將鐵水表面的渣清理干凈，將鐵水包轉(zhuǎn)運(yùn)到球化處理站，使包蓋與鐵水包密封嚴(yán)
實(shí)；
(4)啟動(dòng)球化及孕育喂絲按鈕，兩種包芯線通過導(dǎo)管進(jìn)入鐵水中開始球化反應(yīng)及孕育處理；
(5)反應(yīng)完畢后，將鐵水包移離球化站，撒入聚渣劑，將鐵水表面的渣子扒干凈；
(6)轉(zhuǎn)入澆注場地進(jìn)行澆注。也可以采用單絲球化包芯線進(jìn)行球化處理，采用爐前加入孕育劑的方法進(jìn)行孕育:
(1)在出鐵水過程中，向鐵水流上撒入孕育劑，鐵水流動(dòng)過程中攪拌熔化；
(2)出鐵水完畢后，進(jìn)行扒渣處理；
(3)然后將鐵水包轉(zhuǎn)入球化站進(jìn)行球化包芯線喂絲球化處理；
(4 )處理結(jié)束后，經(jīng)扒渣、爐前檢測，轉(zhuǎn)入澆注場地進(jìn)行澆注。其中轉(zhuǎn)包球化處理工藝步驟如下:
(1)、將轉(zhuǎn)包平放，在反應(yīng)室中加入純鎂塊；
(2)、向轉(zhuǎn)包中沖入鐵液；
(3)、將轉(zhuǎn)包翻轉(zhuǎn)90度,使反應(yīng)室處于包的底部,鐵水通過反應(yīng)室預(yù)留的小孔進(jìn)入反應(yīng)室，開始球化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的鎂蒸汽上浮，不斷被鐵液吸收，并產(chǎn)生攪拌作用使鐵水整體被球化；
(4 )、反應(yīng)完畢后，將轉(zhuǎn)包反向翻轉(zhuǎn)，將鐵水倒入澆包中；
(5)、在出鐵過程中，向鐵水流上撒入孕育劑，鐵水流動(dòng)過程中攪拌熔化；
(6)、出鐵水完畢后，進(jìn)行扒渣處理；
(7 )、經(jīng)扒渣處理后轉(zhuǎn)入澆注場地進(jìn)行澆注。本發(fā)明的積極效果在于:
一、新材料成分配比及原材料的選擇是本發(fā)明的第一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。新材料成分的選擇:碳是促進(jìn)石墨化兀素。提聞碳當(dāng)量可以提聞球鐵的石墨化程度，減少白口傾向，提聞鐵素體的含量，但碳量過高也會(huì)造成石墨漂浮，因此，根據(jù)鑄件的壁厚不同，一般選擇碳量為3.5 3.9。硅也是促進(jìn)石墨化元素，其作用相當(dāng)于碳的三分之一，提高硅量也可提高鐵素體含量，提高常溫韌性。但是，隨著硅量的增加，其韌脆性轉(zhuǎn)變溫度則提高，硅量過高將使得其低溫沖擊韌性達(dá)不到要求。對有_40°C到_60°C沖擊要求的低溫鐵素體球墨鑄鐵材料，硅量一般控制在1.9 2.3。錳是促進(jìn)珠光體元素，能提高強(qiáng)度和硬度，但會(huì)顯著降低沖擊韌性。因此要嚴(yán)格控制其含量。對低溫高韌性球墨鑄鐵而言，錳含量要控制在0.2以下。硫、磷為有害元素，必須嚴(yán) 格控制其含量，硫要控制在0.02以下，磷要控制在0.03以下。由于為滿足低溫沖擊性能而降低了硅的含量，這樣就會(huì)使抗拉強(qiáng)度達(dá)不到400MPa,要提高強(qiáng)度，可以通過添加某些合金元素來實(shí)現(xiàn)，但一些常規(guī)元素，如銅等雖然可以提高強(qiáng)度，但卻會(huì)顯著降低低溫沖擊性能，因此必須選用一種既能提高強(qiáng)度，又對低溫沖擊性能影響小的合金元素。鎳比較符合這個(gè)要求，經(jīng)試驗(yàn)，選擇其加入量為0.3 I。綜合以上要求，歸納為低溫鐵素體球墨鑄鐵材料化學(xué)成分要求為:C:3.5%
3.9%, Si:1.9% 2.3%, Mn ( 0.2%, P^0.03%, S^0.02%, Mg: 0.04% 0.06%, N1:
0.25% 0.95%?；谝陨弦螅话汨T造生鐵難于滿足其成分要求，因此必須采用高純生鐵，高純生鐵具有低硅、低錳、低磷、低硫、微量元素含量低的特點(diǎn)，適合于低溫高強(qiáng)度高韌性抗沖擊球墨鑄鐵件的制造。二、采用喂絲球化及孕育處理新工藝是本發(fā)明的第二項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。1.球化包芯線的加入量對球化有著關(guān)鍵的影響，加入量少，則球化不良，加入過多，則會(huì)造成殘留鎂量過多，增加收縮傾向，且會(huì)造成成本的增加。孕育包芯線含有高效孕育劑，可以強(qiáng)化孕育效果，細(xì)化組織，降低珠光體含量，提高鐵素體含量；本發(fā)明確定的球化包芯線加入量為鐵水總量的0.8%，孕育包芯線加入量為鐵水總量的0.6% ;喂絲速度對球化質(zhì)量也有重要的影響，喂絲速度過快，則包芯線會(huì)浮在鐵水表面，使球化反應(yīng)只在鐵水表面進(jìn)行。喂絲速度過慢，則包芯線伸入不到鐵水底部，這些都會(huì)影響下部鐵水的球化。本發(fā)明確定的喂絲速度為30米/分鐘。普通球化處理方式一般為沖入法，本發(fā)明喂絲球化方式與沖入法相比具有下列優(yōu)點(diǎn):(I)不需要在包坑內(nèi)加入球 化劑，也不需要覆蓋鐵屑等覆蓋劑，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。使鐵水更加純凈無雜質(zhì)；(2)鐵水降溫程度低；(3)球化效果好，石墨球的圓整度好，球化率達(dá)90%以上；(4)石墨球圓整度高，對生產(chǎn)低溫球鐵，提高抗拉強(qiáng)度、延伸率、沖擊韌性很有利。三、采用轉(zhuǎn)包球化處理工藝是本發(fā)明的第三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是:與沖入法相比，克服了鎂吸收率低，球化效果不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，可以大大提高鎂的吸收率，能有效的提高球化效果，提高產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度、延伸率、沖擊韌性，且性能穩(wěn)定。四、熱處理工藝的選擇是本發(fā)明的第四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。受冷卻條件等因素的影響，該材料的鑄態(tài)組織可能會(huì)存在滲碳體及珠光體，這將直接影響材料的低溫沖擊性能，這就需要通過熱處理來改善基體組織，滿足要求的各項(xiàng)力學(xué)性能。而采用高溫退火的熱處理工藝，就會(huì)使?jié)B碳體及珠光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，基體組織得到均勻細(xì)化，保證各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到要求。對該材料的附鑄試塊進(jìn)行各項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)。結(jié)果顯示:_40°C、-50°C、-60°C時(shí)沖擊功均> 12J，抗拉強(qiáng)度均> 400MPa，延伸率均> 18%,硬度、化學(xué)成分、金相均合格。低溫抗沖擊性能及主要力學(xué)性能與國家標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)有產(chǎn)品的對比結(jié)果如表1:
表I對比表
權(quán)利要求
1.一種低溫鐵素體球墨鑄鐵材料的制造方法，其特征是: (I )、原材料投料質(zhì)量比例:廢鋼8% 12%，回爐鐵8% 12%，余量為高純生鐵；以及廢鋼、回爐鐵、高純生鐵總量0.3% 1%的鎳； 其中高純生鐵成份要求:C彡3.5%, Si ( 0.5%, Mn ( 0.2%, P彡0.03%, S彡0.02%,Ti ( 0.03%，其他微量元素綜合< 0.05% ； (2)、熔煉:出爐溫度1540 1550°C； (3)、球化及孕育:采用喂絲球化及孕育處理工藝；采用單絲喂絲球化及爐前孕育處理工藝；采用轉(zhuǎn)包球化處理工藝； (4)、試塊:采用附鑄試塊； (5)、澆注時(shí)均隨流加入0.05% 0.15%的隨流孕育劑； (6)、鑄件澆注溫度在1380°C 1420°C之間； (7)、保溫4小時(shí)后打開砂型； (8)、熱處理； 所述低溫高強(qiáng)度高韌性抗沖擊鐵素體球墨鑄鐵材料的成品組分及其質(zhì)量比例為C:3.5% 3.9%, Si:1.9% 2.3%, Mn ( 0.2%, P 彡 0.03%, S 彡 0.02%, Mg: 0.04% 0.06%,N1: 0.25 0.95%。
2.如權(quán)利要求1所述的低溫鐵素體球墨鑄鐵材料的制造方法，其特征在于其中熱處理:爐內(nèi)加熱至880 920 °C，保溫2小時(shí)；然后隨爐冷卻速度控制在80°C /小時(shí)以下，緩慢冷卻至500 700°C，出爐。
3.如權(quán)利要求1或2所述的低溫鐵素體球墨鑄鐵材料的制造方法，其特征在于采用喂絲球化及孕育處理工藝步驟: Cl)設(shè)定球化包芯線加入量為0.8%，孕育包芯線加入量為0.6% ； (2)設(shè)定喂絲速度為30米/分鐘； (3)將鐵水表面的渣清理干凈，將鐵水包轉(zhuǎn)運(yùn)到球化處理站，使包蓋與鐵水包密封嚴(yán)實(shí)； (4)啟動(dòng)球化及孕育喂絲按鈕，兩種包芯線通過導(dǎo)管進(jìn)入鐵水中開始球化反應(yīng)及孕育處理； (5)反應(yīng)完畢后，將鐵水包移離球化站，撒入聚渣劑，將鐵水表面的渣子扒干凈； (6)轉(zhuǎn)入澆注場地進(jìn)行澆注。
4.如權(quán)利要求1或2所述的低溫鐵素體球墨鑄鐵材料的制造方法，其特征在于采用單絲球化包芯線進(jìn)行球化處理，采用爐前加入孕育劑的方法進(jìn)行孕育: (1)在出鐵水過程中，向鐵水流上撒入孕育劑，鐵水流動(dòng)過程中攪拌熔化； (2)出鐵水完畢后，進(jìn)行扒渣處理； (3)然后將鐵水包轉(zhuǎn)入球化站進(jìn)行球化包芯線喂絲球化處理； (4 )處理結(jié)束后，經(jīng)扒渣、爐前檢測，轉(zhuǎn)入澆注場地進(jìn)行澆注。
5.如權(quán)利要求1或2所述的低溫鐵素體球墨鑄鐵材料的制造方法，其特征在于其中轉(zhuǎn)包球化處理工藝步驟如下: (1)、將轉(zhuǎn)包平放，在反應(yīng)室中加入純鎂塊； (2)、向轉(zhuǎn)包中沖入鐵液；(3)、將轉(zhuǎn)包翻轉(zhuǎn)90度,使反應(yīng)室處于包的底部,鐵水通過反應(yīng)室預(yù)留的小孔進(jìn)入反應(yīng)室，開始球化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的鎂蒸汽上浮，不斷被鐵液吸收，并產(chǎn)生攪拌作用使鐵水整體被球化； (4 )、反應(yīng)完畢后，將轉(zhuǎn)包反向翻轉(zhuǎn)，將鐵水倒入澆包中； (5)、在出鐵過程中，向鐵水流上撒入孕育劑，鐵水流動(dòng)過程中攪拌熔化； (6)、出鐵水完畢后，進(jìn)行扒渣處理； (7 )、經(jīng)扒渣處理后轉(zhuǎn)入澆注 場地進(jìn)行澆注。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低溫鐵素體球墨鑄鐵材料的制造方法，材料的化學(xué)成分為C3.5～3.9，Si1.9～2.3，Mn≤0.2，P≤0.03，S≤0.02，Mg:0.04～0.06，Ni:0.25～0.95；材料的性能達(dá)到-40℃、-50℃、-60℃下沖擊功均≥12J，室溫抗拉強(qiáng)度均≥400MPa，延伸率均≥18%，其它主要力學(xué)性能指標(biāo)合格。可廣泛應(yīng)用于寒冷地帶及具有低溫抗沖擊、高韌性要求的機(jī)械裝備產(chǎn)品的制造。
文檔編號(hào)C22C37/04GK103194660SQ20131015181
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月27日
發(fā)明者楊忠耀 申請人:萊州新忠耀機(jī)械有限公司