專利名稱:一種高硅耐蝕鑄鐵的制備方法
技術領域:
本發明屬于特種鑄鐵制備技術領域,特別是提供了一種高硅耐蝕鑄鐵的制備方法,解決了現行高硅鑄鐵強度低、硬度高、脆性大和成品率低的問題。
背景技術:
硅對鑄鐵組織的影響主要表現為兩方面一方面它是強石墨化元素,促使鑄鐵形成灰口組織。另一方面硅又是鐵素體形成元素,能擴大鐵碳合金中鐵素體相區,促使鑄鐵形成鐵素體基體。硅在鑄鐵件表面形成以SiO2為主要組成的氧化膜,起到抵御氧化性氣體和酸類介質對鑄鐵的氧化和腐蝕作用。高硅特種鑄鐵(含Si13~16重量%)耐腐蝕性能好,特別適合制作承受靜載荷、與各種強腐蝕介質(包括硝酸、硫酸、鉻酸、有機酸和一系列鹽溶液)接觸的結構部件。而且,高硅鑄鐵生產工藝簡單,成本低,用其代替不銹鋼在一些介質中的應用具有顯著的經濟效益。但是,這種鑄鐵強度低(只有60~80MPa)、而且由于硅對鐵素體有很強的固溶強化作用,使得高硅鑄鐵中的鐵素體高度強化,其結果是形成了硬而脆的硅鐵素體相,導致材料硬度高、脆性大,限制了其使用范圍。
發明內容
本發明的目的在于提供一種高硅耐蝕鑄鐵的制備方法,解決現行高硅鑄鐵強度低、硬度高、脆性大和成品率低的問題。在不影響高硅鑄鐵耐蝕性能的前提下,不需要附加設備,材料中不含昂貴的Cr、Mo合金元素,僅通過采用Cu合金化、過熱保溫和孕育處理措施,可以有效地改善材料的性能。
本發明采用Cu合金化、過熱保溫和孕育處理措施,改善材料的性能;具體方法如下a、Cu合金化將主要化學成分為C0.5~1.4重量%,Si13~16重量%,Mn0.3~0.8重量%,P和S小于0.03重量%,其余為Fe的高硅鑄鐵,用中頻或高頻感應爐熔化后,加入占鐵水重量2~8%的Cu進行合金化處理;b、過熱保溫處理將上述鐵液過熱100~350℃、保溫5~30分鐘進行過熱保溫處理;c、孕育處理選用Si-Ba(孕育劑組成Si60~65重量%,Ca0.8~2.2重量%,Al1~2重量%,Ba2~6重量%,其余為Fe)或Re-Ca-Ba(孕育劑組成Si45~60重量%,Ca0.8~3重量%,Al1~2重量%,Ba1.5~4重量%,Re3~5重量%,其余為Fe)孕育劑進行孕育處理,加入量為占鐵水0.2~0.4重量%,澆注溫度為1250~1350℃。
1、Cu合金化金屬材料在化學腐蝕性液體介質中受到的腐蝕作用可分為兩個方面,即化學腐蝕和電化學腐蝕。化學腐蝕是材料中的元素與介質相化合或被介質所溶解而造成的;電化學腐蝕是由于材料中不同的相有不同的電極電位,因而在具有電解質溶液性質的介質中,產生化學原電池作用而造成的。在鑄鐵組織中,石墨的電極電位高于滲碳體,而滲碳體的電極電位又高于鐵素體。因此當鑄鐵處于電解液中時,會形成原電池而發生化學腐蝕,使電位低的相受到腐蝕。當往鑄鐵中加入合金元素如Cr、Mo時,可同時提高其耐化學腐蝕和耐電化學腐蝕的性能。同時,這些合金元素又都是電極電位高于鐵的金屬,當其溶于鑄鐵中時,能夠提高鐵素體的電極電位,從而減輕相間的電化學腐蝕過程。秦紫瑞等(石油機械,1997,25(9)13-18;上海金屬,1995,23(6)23-30)在高硅鑄鐵中添加4.45重量%的Cr,觀察到石墨數量減少,石墨形態和分布得到改善,并在晶界上觀察到有Cr7C3、Cr3C型碳化物析出,對鐵素體組織有一定的細化效果。而且,Cr的加入可提高高硅鑄鐵的鈍性、自然電位和點蝕擊穿電位,增強其抗電化學腐蝕和抗點蝕的能力。他們還研究了Mo對高硅鑄鐵耐蝕性能的影響(材料工程,1998,629-32),發現含鉬高硅鑄鐵在50℃、36重量%的HCl介質條件下具有良好的耐蝕性能、抗電化學腐蝕性能和抗點蝕性能。但是為了顯著提高鐵素體的電極電位,合金元素Cr、Mo需要達到一定的含量。根據電化學中的相關定律可知,固溶體的電極電位隨合金元素含量增加而呈現突變式增長,即所謂n/8摩爾規律。例如在鐵鉻合金中,當含鉻量與含鐵量的原子數比值達到1/8、2/8、3/8...n/8,亦即達到12.5%、25%、37.55%...時,固溶體的電極電位有顯著的提高,材料的耐腐蝕性能也相應有顯著的提高。然而,這需要加入大量昂貴的戰略物質Cr、Mo合金元素等,這對于批量制備高性能低成本高硅耐蝕鑄鐵顯然是不適宜的。
在高硅鑄鐵中加入2.0~6.0重量%的Cu合金元素,可以明顯改善石墨的形態和分布,減小白口傾向,提高強度。含Cu量小于2重量%時,對高硅鑄鐵硬度的影響不大;大于2重量%時,鑄鐵硬度明顯降低。含Cu量為4~6重量%時,硬度比未加Cu時降低24%。因此含Cu量優先選擇范圍為4~6重量%。此時,石墨形態由長片狀逐漸發展為彎曲、斷續的短片狀和點狀,并使Si的分布更均勻。鑄鐵極限抗拉強度比未加Cu時可增加30%以上(如圖1所示),耐蝕性能好。含Cu量大于6重量%時,高硅鑄鐵硬度增加。含Cu量大于8重量%后,材料硬度比未加Cu時還高。同時,材料的極限抗拉強度和抗彎強度下降。
2、過熱保溫處理孕育處理前,對高硅鐵液經過適當的過熱和靜置,可以使鐵液中殘存的石墨晶芽得以消除,也可使懸浮在鐵液中的一些可能作為石墨形核基底的夾雜物從鐵液中上浮而去除,提高鐵水的流動性。
對目前常用的含硅量為13~16重量%的高硅鑄鐵,用中頻或高頻感應爐熔化并經過熱100~350℃、保溫5~30分鐘處理,試樣中氣孔和夾雜物數量明顯減少,鑄鐵極限抗拉強度可提高10~20%,而硬度變化不大(2~3HRC)。
3、孕育處理鑄鐵生產中廣泛采用孕育處理以達到改善材料組織和性能的目的。孕育處理的主要目的可歸納為以下三方面(1)通過加入孕育劑,在鐵液中形成大量的非均質石墨晶核,消除低共晶度鑄鐵在共晶轉變過程中的白口傾向,使其結晶成為具有良好石墨形態的鑄鐵;(2)改善石墨形態,使過冷石墨轉變為均勻分布無方向型石墨,并獲得細片狀珠光體基體,從而提高鑄鐵的強度;(3)減少鑄件薄壁與厚壁之間由于冷卻速率不同而產生的組織與性能上的差別,消除壁厚敏感性,提高鑄鐵組織均一性。李隆盛等(鋼鐵研究,1996,91(4)20-25)利用包頭1#合金(含20.53重量%Re、40.95重量%Si、3.84重量%Ca、1.05重量%Ti、微量Mg、其余為Fe)對高硅鑄鐵進行孕育處理,達到了除氣、凈化鐵水和細化鐵素體晶粒的目的,但孕育后鑄鐵硬度大幅度提高(從40HRC增加到50HRC),使加工性能本來就差的高硅鑄鐵更難以加工。
采用Si-Ba,Re-Ca-Ba孕育劑可以提高高硅鑄鐵的強度,與未孕育高硅鑄鐵極限抗拉強度102.65MPa相比,Re-Ca-Ba加入量為0.4重量%時極限抗拉強度為119.85MPa,比未孕育高硅鑄鐵提高了16.7%。Si-Ba孕育劑在加入量為0.3重量%時,鑄鐵極限抗拉強度為115.67MPa,比未孕育高硅鑄鐵提高了12.7%,而這兩種孕育劑孕育前、后鑄鐵硬度基本上保持不變。研究表明,Si-Ba孕育劑更適合于碳量較低或鑄件壁厚較薄的鑄件。碳量相對較高或壁厚較厚時,用Re-Ca-Ba孕育劑更為合適。值得指出的是,這類新型孕育劑具有延長孕育衰退時間的特點,對高硅鑄鐵的生產具有重要意義。
對于要求良好加工性能的高硅鑄鐵結構部件,Cu合金化、過熱保溫和孕育處理應同時進行。
本發明的優點在于不需要添加設備,材料中不含昂貴的Cr、Mo合金元素,僅通過采用Cu合金化、過熱保溫和孕育處理措施,可以有效地改善材料的性能。解決了現行高硅鑄鐵強度低、硬度高、脆性大和成品率低的問題,提高了材料的綜合性能,降低了成本。
圖1是本發明中Cu對高硅鑄鐵極限拉伸強度影響的實驗數據圖。橫坐標為Cu含量、重量百分比;縱坐標為極限拉伸強度,單位為MPa。
具體實施例方式
實施例1用10公斤高頻感應爐熔化鐵水,鐵水主要化學成分為C0.68重量%;Si14.6重量%;Mn0.4重量%;P和S小于0.03重量%。加入占鐵水2重量%的Cu進行合金化處理。鐵水過熱至1520℃,保持10分鐘去除雜質后于1410℃出爐進行孕育。孕育處理采用包內沖入法。將占鐵水0.3重量%的Si-Ba孕育劑破碎成5~10mm小塊,放入包底凹坑內進行孕育處理。孕育處理后在1320℃進行澆注。材料硬度為37.8HRC,極限抗拉強度為109.4MPa,抗彎強度為197.2MPa。在94重量%H2SO4中材料失重率為0.0988g/m2·h(未加Cu時材料的失重率為0.1665g/m2·h)。
實施例2用150公斤中頻感應爐熔化鐵水,鐵水主要化學成分為C0.73重量%;Si14.9重量%;Mn0.41重量%;P和S小于0.03重量%;加入占鐵水3重量%的Cu進行合金化處理。鐵水過熱至1510℃,保持16分鐘去除雜質后于1410℃出爐進行孕育。孕育處理采用包內沖入法。將占鐵水0.4重量%的Re-Ca-Ba孕育劑破碎成5~10mm小塊,放入包底凹坑內進行孕育處理。孕育處理后在1300℃進行澆注。材料極限抗拉強度為110.3MPa,抗彎強度為198.6MPa。
實施例3用150公斤中頻感應爐熔化鐵水,鐵水主要化學成分為C0.8重量%;Si14.8重量%;Mn0.42重量%;P和S小于0.03重量%;加入占鐵水4重量%的Cu進行合金化處理。鐵水過熱至1500℃,保持12分鐘去除雜質后于1400℃出爐進行孕育。孕育處理采用包內沖入法。將占鐵水0.4重量%的Re-Ca-Ba孕育劑破碎成5~10mm小塊,放入包底凹坑內進行孕育處理。孕育處理后在1280℃進行澆注。材料硬度為26.7HRC,極限抗拉強度為115.67MPa,抗彎強度為201.4MPa。在94重量%H2SO4中材料失重率為0.0371g/m2·h。
實施例4用150公斤中頻感應爐熔化鐵水,鐵水主要化學成分為C0.75重量%;Si15.2重量%;Mn0.39重量%;P和S小于0.03重量%;加入占鐵水5重量%的Cu進行合金化處理。鐵水過熱至1490℃,保持15分鐘去除雜質后于1400℃出爐進行孕育。孕育處理采用包內沖入法。將占鐵水0.4重量%的Re-Ca-Ba孕育劑破碎成5~10mm小塊,放入包底凹坑內進行孕育處理。孕育處理后在1310℃進行澆注。材料硬度為27.8HRC,極限抗拉強度為117.45MPa,抗彎強度為202.6MPa。
實施例5用150公斤中頻感應爐熔化鐵水,鐵水主要化學成分為C0.67重量%;Si15重量%;Mn0.47重量%;P和S小于0.03重量%;加入占鐵水6重量%的Cu進行合金化處理。鐵水過熱至1500℃,保持15分鐘去除雜質后于1400℃出爐進行孕育。孕育處理采用包內沖入法。將占鐵水0.35重量%的Si-Ba孕育劑破碎成5~10mm小塊,放入包底凹坑內進行孕育處理。孕育處理后在1300℃進行澆注。材料硬度為28HRC,極限抗拉強度為119.85MPa,抗彎強度為204.2MPa。在94重量%H2SO4中材料失重率為0.0542g/m2·h。
實施例6用150公斤中頻感應爐熔化鐵水,鐵水主要化學成分為C0.8重量%;Si14.7重量%;Mn0.5重量%;P和S小于0.03重量%;加入占鐵水8重量%的Cu進行合金化處理。鐵水過熱至1480℃,保持10分鐘去除雜質后于1410℃出爐進行孕育。孕育處理采用包內沖入法。將占鐵水0.4重量%的Re-Ca-Ba孕育劑破碎成5~10mm小塊,放入包底凹坑內進行孕育處理。孕育處理后在1310℃進行澆注。材料硬度為37.5HRC。
權利要求
1.一種高硅耐蝕鑄鐵的制備方法,其特征在于采用Cu合金化、過熱保溫和孕育處理措施,改善材料的性能;具體方法如下a、Cu合金化將化學成分為C0.5~1.4重量%,Si13~16重量%,Mn0.3~0.8重量%,P和S小于0.03重量%,其余為Fe的高硅鑄鐵,用中頻或高頻感應爐熔化后,加入占鐵水重量2~8%的Cu進行合金化處理;b、過熱保溫處理將上述鐵液過熱100~350℃、保溫5~30分鐘進行過熱保溫處理;c、孕育處理選用Si-Ba或Re-Ca-Ba孕育劑進行孕育處理,加入量為占鐵水0.2~0.4重量%,澆注溫度為1250~1350℃。
2.按照權利要求1所述的高硅耐蝕鑄鐵的制備方法,其特征在于選用的Si-Ba組成為Si60~65重量%,Ca0.8~2.2重量%,Al1~2重量%,Ba2~6重量%,其余為Fe;Re-Ca-Ba組成為Si45~60重量%,Ca0.8~3重量%,Al1~2重量%,Ba1.5~4重量%,Re3~5重量%,其余為Fe。
全文摘要
本發明提供了一種高硅耐蝕鑄鐵的制備方法,其特征在于采用Cu合金化、過熱保溫和孕育處理措施,改善材料的性能;具體方法為Cu合金化將化學成分為C0.5~1.4重量%,Si13~16重量%,Mn0.3~0.8重量%,P和S小于0.03重量%,其余為Fe的高硅鑄鐵,用中頻或高頻感應爐熔化后,加入占鐵水重量2~8%的Cu進行合金化處理;過熱保溫處理將上述鐵液過熱100~350℃、保溫5~30分鐘進行過熱保溫處理;孕育處理選用Si-Ba或Re-Ca-Ba孕育劑進行孕育處理,加入量為占鐵水0.2~0.4重量%,澆注溫度為1250~1350℃。優點在于解決了現行高硅鑄鐵強度低、硬度高、脆性大和成品率低的問題。提高了材料的綜合性能,降低了成本。
文檔編號C22C37/00GK1554794SQ200310123480
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月29日 優先權日2003年12月29日
發明者楊濱, 陳國香, 曾效舒, 危仁杰, 張濟山, 楊 濱 申請人:北京科技大學