專利名稱：高強、高韌性球墨鑄鐵及寬厚板工作輥的制作方法
技術領域：
本發明是關于對球墨鑄鐵的改進，尤其涉及一種抗拉強度高、韌性優的球墨鑄鐵，
以及熱軋寬厚板工作輥。
背景技術：
寬厚板(例如厚度^ 50mm，板幅^ 3. 5m)熱軋工作輥，通常由高耐磨鐵基材料外層和球墨鑄鐵芯部，通過離心澆注復合組成。工作輥芯部用材，一般采用國家標準牌號SG I、SG II或SGIII鉻鉬球墨無限冷硬鑄鐵，以上三種材質的原鐵水通過壓力加鎂或輕稀土鎂沖入法球化，單一硅鐵(例如FeSi75A110. 5-A)孕育后，作為離心復合寬厚板工作輥芯部用材，例如化學組成(wt% ) :C2. 90-3. 60， SiO. 80-2. 50， MnO. 40-1. 20， P《0. 25， S《0. 03，CrO. 2-0. 60， MoO. 2_0. 60， Mg《0. 04，其余為Fe及雜質元素。寬厚板的特殊性常采用可逆軋制方式，軋制時軋制力較高( 一般軋制力在50000-12000KN)，是一般熱軋帶鋼軋機的3倍以上，可逆軋制過程中板坯咬入時對工作輥沖擊負荷大，因此要求軋制工作輥芯部有較高的強度(例如抗拉強度^ 450Mpa)，和較高韌性(例如ak > 6J/cm2)。上述球鐵組成材料在通常球化孕育工藝下，易造成鐵水凝固結晶前球化和孕育嚴重衰退，直接影響球墨鑄鐵的基體組織，造成石墨形態差(呈團蟲狀)圖2、石墨球化率低(3級以下)，抗拉強度降低(《350Mpa)，韌性下降(ak《6J/cm2);并且由于寬厚板工作輥截面大，芯部的球墨鐵水在離心澆注后冷卻緩慢，晶粒和石墨容易長大，也降低了芯部球墨鑄鐵的強度和韌性，因而難以滿足寬厚板軋制對軋輥的要求，軋制過程中易發生斷輥，因此通常意義上的高強度球墨鑄鐵材質不適合用作寬厚板工作輥芯部材質。 高溫鐵水中加入低熔點純鎂壓力加鎂球化，在壓力加鎂過程中部分鎂易產生鎂蒸汽而容易發生跑鎂，造成球化不良，使得材料強度降低，韌性下降；其次，球化過程中壓力包內鎂揮發產生的蒸汽壓過高，容易發生爆炸危險，給安全生產帶來隱患。輕稀土鎂沖入球化，球化衰退嚴重，造成在大型鑄件上石墨形態變差，影響材料強度和韌性。
單一硅鐵孕育，孕育效果隨時間延長而逐漸減弱以至消失，孕育衰退嚴重，造成石墨形態變差，也會導致降低材料的強度和韌性。 中國專利CN1506485公開高強度合金球墨鑄鐵生產方法，C3. 46_3. 76、Si2. 04_2. 22、 MnO. 49_0. 66、 P < 0. 05、 S < 0. 033、 CuO. 34_0. 46、 MoO. 12_0. 19、ReO. 022-0. 041、Mg0. 025-0. 052、Sn0. 04-0. 05、Ba0. 03-0. 05。中國專利CN1506486公開的高強度合金球墨鑄鐵生產方法，成份為C3. 44-4. 12、Sil. 98-2. 54、Mn0. 30-0. 62、P < 0. 05、S < 0. 03、 CuO. 24-0. 50、 MoO. 16-0. 20、 ReO. 019-0. 034、 MgO. 031-0. 086、 SnO. 02-0. 03、BaO. 05-0. 06。上述2個專利均是曲軸用球墨鑄鐵，并且其一是通過提高碳當量提高抗拉強度，然而碳當量較高對材料強度進一步提高有阻礙作用；其次，組成中銅元素含量較低，難以形成細片狀珠光體，而珠光體片間距過大直接影響到材料的強度；再就是，稀土元素及Ba元素含量過高，申請人試驗表明在大截面球墨鑄鐵鑄件中，稀土元素含量過高會惡化石墨形態，影響材料組織完整性，對材料強度和韌性的進一步提高有阻礙作用，Ba元素含量過
3高，容易在晶界析出，影響材料的強度和韌性。 中國專利CN86104863高強度高韌性球墨鑄鐵，用于齒輪、曲軸、鏈輪和凸輪軸等， 化學成份C、 Si、 Mn、 S、 P和Mg等元素，以及0. 15 0. 5% V，O. 05 0. 3% Ti和0. 02 0.2%Re。其通過采取提高碳化物形成元素(V和Ti等)量，獲得釩鈦球墨鑄鐵。然而在鑄 件中過高的碳化物量會影響材料的韌性，造成抗沖擊能力下降，作為高載荷和交變應力作 用下鑄件容易發生斷裂。 中國專利CN101603142高強度高韌性球墨鑄鐵鑄件，化學組成(wt% ) :3. 6%< C
< 3. 8 % ， 2. 4 % < Si < 2. 8 % ， Mn 0. 8 % 0. 9 % ， 0. 1 % < Cr《0. 2 % ， P《0. 07 % ， S
< 0. 02%，0. 5%< Cu < 0. 6%，余量為鐵。其用途為機械工程零件，雖然稱抗拉強度大于 590MPa，但未有韌性指標。 中國專利CN1900340鑄態高強度高伸長率球墨鑄鐵材料，各組分(wt% ) :C3. 5 3. 8%，Si2. 6 3. l%，Mn《0. 3%，S《0. 03%，P《0. 05%，余量為Fe。用途為汽車驅動 轎用，抗拉強度o b > 480MPa，未有韌性指標。 中國專利CN1472356球墨鑄鐵的生產方法，化學成分(wt % ) :C3. 6-3. 9， Sil. 8-2. 4，Mn0. 25-0. 6，Cu0. 3-0. 7，p《0. 05，S《0. 03，Ca0. 001-0. 05，Ba0. 005-0. 1。用
于曲軸，抗拉強度^ 800MPa，沖擊韌性^ 25J/cm2。并且其是通過正火、回火工藝獲得高抗 拉強度和高韌性，這種通過熱處理方式獲得高性能，工藝復雜，能耗高，生產周期長，從而導 致生產成本較高，不適合大型鑄件生產。 中國專利CN1323912公開高強度高韌性優質球墨鑄鐵生產方法，通過提高碳當量 和熱處理方法，獲得高強度高和韌性。不僅高的碳當量影響到材料的韌性，不適合制造大截 面高載荷和交變應力作用下的鑄件，而且通過熱處理方式獲得高性能缺陷同樣存在。
中國專利CN1077401復合鑄鐵軋輥，輥芯為含C3. 0-3. 4， Sil. 7-2. 8， MnO. 5-0. 9， PO. 1-0. 3， S《0. 02， MgO. 02-0. 09， BaO. 01-0. 2， CaO. 01-0. 01， SbO-O. 02， YO. 006-0. 03余 量為Fe的素球墨鑄鐵。然而其芯部因含有較高磷，磷共晶較高容易在晶界析出，影響晶界 結合強度，影響材料強度和韌性，不適于高載荷和高沖擊負荷軋輥， 一般只適用于低軋制力 低載荷的棒線材軋輥。 技術人員清楚，化學成份對球墨鑄鐵金相影響很大，而金相又決定鑄件性能，并且 不同使用條件和用途，成份顯然各不相同。因此上述不足仍有值得改進的地方。
發明內容
本發明主要目的在于克服上述已有技術的不足，提供一種不僅同時具備高強度， 高韌性，而且其性能主要通過鑄態組織直接獲得的高強、高韌性球墨鑄鐵。
本發明第二目的實現，提供一種采用上述球墨鑄鐵作輥芯的寬厚板工作輥。
本發明第一目的實現，主要改進是通過向鉻鉬球墨無限冷硬球墨鑄鐵組成中加入 銅(Cu)和銻(Sb)，通過改變材料的基體組織，獲得部分細片狀珠光體，增強鐵水的急冷性 能，提高抗球化及孕育衰退的能力；同時改變球化方法，對出爐的原鐵水采用釔基重稀土鎂 沖入法球化，從而減緩球化衰退及帶來的缺陷；改變孕育方法，采用釔基長效孕育劑和硅 鐵復合孕育，提高抗球化和孕育衰退能力，改善石墨形態，提高材料強度和韌性。從而克服 上述現有技術的不足，實現本發明目的。具體說，本發明高強、高韌性球墨鑄鐵，其特征在
4于將組成為(wt% ) :C3. 0-3. 5， Si2. 0-2. 8， MnO. 5-0. 8， P《0. 08， S《0. 02， CuO. 5-1. 2， MoO. 2-0. 6， MgO. 05-0. 1， CaO. 01-0. 03， ReO. 01-0. 015， SbO. 001-0. 003， BaO. 01-0. 05其余
為Fe及雜質元素；熔煉后加入釔基重稀土鎂沖入法球化；球化后再用釔基長效孕育劑和硅 鐵復合孕育。 本發明第二目的實現，將上述所得球墨鑄鐵作芯部材料，通過離心澆注與高耐 磨鐵基材外層復合。即本發明寬厚板工作輥，包括球墨鑄鐵芯部，和高耐磨鐵基材外 層，其特征在于所說球墨鑄鐵芯部由組成為(wt%) :C3. 0-3. 5， Si2. 0-2. 8， MnO. 5-0. 8， P《0. 08， S《0. 02， CuO. 5-1. 2， MoO. 2-0. 6， MgO. 05-0. 1， CaO. 01-0. 03， ReO. 01-0. 015， SbO. 001-0. 003， BaO. 01-0. 05其余為Fe及雜質元素；熔煉后加入釔基重稀土鎂沖入法球 化；球化后再用釔基長效孕育劑和硅鐵復合孕育所得。 在制造復合軋輥時，一種較好為復合內層芯，鐵水溫度為球墨鑄鐵液相線溫度加 80-12(TC，采用較低的鐵水復合溫度，有利于減少球墨鑄鐵凝固結晶時間，減少球化和孕育衰退。 本發明高強、高韌性球墨鑄鐵，相對于現有技術，由于在軋輥用球墨鑄鐵基本組成 中加入銅(Cu)和銻(Sb)，以及采用釔基重稀土鎂沖入法球化，采用釔基長效孕育劑和硅鐵 復合孕育。通過加入銅(Cu)和銻(Sb)，改變了材料基體組織，可以獲得部分細片狀珠光體， 增強了鐵水的急冷性能，有利于提高抗球化及孕育衰退的能力；釔基重稀土鎂沖入法球化， 釔基長效孕育劑和硅鐵復合孕育，增強了球化及孕育效果，改善石墨形態，提高材料強度和 韌性。此外，通過球化及孕育帶入稀土 (Re)、鈣、鋇、銻，申請人發現低含量的稀土能增加球 化效果，有利于抗球化衰退；鈣、鋇在球墨鑄鐵中也能很好抗孕育衰退，銻在球墨鑄鐵中能 增加鐵水的急冷性，增強球化孕育效果。上述綜合效果，使所得新穎球墨鑄鐵同時具有高強 度和高韌性，鑄態球墨鑄鐵抗拉強度^ 500Mpa，韌性ak > 9J/cm2，可以用于大型高載荷和 高沖擊負荷軋輥，用作寬厚板熱軋工作輥，滿足了寬厚板軋機軋制時的高軋制力和沖擊負 荷大要求，大大提高了工作輥使用壽命。特別是通過鑄態組織直接獲得兩高性能，能耗成本 低，生產工藝簡單。經制片金相分析，鑄態球墨鑄鐵，有部分細片狀珠光體和球狀石墨形態 組織結構，石墨球化率可以提高到2級以上(圖l)。本發明球墨鑄鐵，不僅適用于寬厚板工 作輥輥芯，而且還可以用于使用要求高抗拉強度和高韌性場合工件。 以下結合二個具體實施例，示例性說明及幫助進一步理解本發明實質，但實施例 具體細節僅是為了說明本發明，并不代表本發明構思下全部技術方案，因此不應理解為對 本發明總的技術方案限定，一些在技術人員看來，不偏離本發明構思的非實質性增加和/ 或改動，例如以具有相同或相似技術效果的技術特征簡單改變或替換，均屬本發明保護范 圍。
圖1為本發明球墨鑄鐵金相照片，顯示石墨呈球狀。 圖2為現有技術(圖標)球墨鑄鐵金相照片，顯示石墨呈團蟲狀。
具體實施例方式實施例1 :在中頻電爐內按設計成份，加入生鐵、廢鋼和相應，熔煉得到球墨鑄鐵原鐵水，控制成分為(wt% ) :C3. 4，Sil. 35，MnO. 65，P《0. 063， S《0. 027， CuO. 73，MoO. 28， SbO. 0021，其余為Fe及雜質元素，當原鐵水溫度達到1455t:左右出鐵，出鐵時在包內加入 按0. 16%純鎂/噸鐵水，加入釔基重稀土鎂(牌號DY-3)沖入法球化，球化后預計鐵水增 SiO. 5wt % ，再向包內加入以純Si計量、鐵水重量0. 8wt %的復合孕育劑孕育。孕育劑由 釔基長效孕育劑(牌號YFY-1)和FeSi75A110.5-A，兩者按4 : 6投加。得到最終成分為 (wt% ) :C3. 32，Si2. 45，MnO. 6，P《0. 062， S《0. 008， CuO. 71，MoO. 26，MgO. 067， CaO. 022， ReO. 014， SbO. 0021， BaO. 033，其余為Fe及雜質元素的球墨鑄鐵。其中Mg、 Ca、 Re禾口 Ba含 量有球化和孕育操作控制，其他成份由組成原料控制。所得鑄態球墨鑄鐵的抗拉強度Rm = 563Mpa，沖擊韌性ak = 9. 5J/cm2。用此球墨鑄鐵在1295。C澆注離心復合寬厚板工作輥芯 部，開箱后經480°C回火后，芯部球墨鑄鐵技術性能指標抗拉強度Rm = 630Mpa，沖擊韌性 ak = 10. 3J/cm2。 實施例2 :在中頻電爐內加入生鐵、廢鋼和相應的合金料，熔煉得到球墨鑄鐵原鐵 水，原鐵水成分為(wt% ) :C3. 3， Sil. 31，MnO. 68， P《0. 059， S《0. 024， CuO. 75，MoO. 27， SbO. 0019，其余為Fe及雜質元素，在1455t:出鐵，在包內加入按0. 18%純鎂/噸鐵水，加 入釔基重稀土鎂(牌號DY-3)沖入法球化，球化后預計鐵水增Si0.6X，球化后向包內加入 以純Si計量、鐵水重量的0.85X的復合孕育劑孕育。復合孕育劑由釔基長效孕育劑(牌 號YFY-1)和FeSi75A110. 5-A，兩者按4 : 6投加。得到球墨鑄鐵的最終成分為(wt% ): C3. 24，Si2. 56，MnO. 65，P《0. 052，S《0. 006，CuO. 71，MoO. 26，MgO. 070，CaO. 025，ReO. 014， SbO. 0026， BaO. 038，其余為Fe及雜質元素的球墨鑄鐵。鑄態球墨鑄鐵的抗拉強度Rm = 582Mpa，沖擊韌性ak = 9. 3J/cm2。用此球墨鑄鐵在130(TC澆注離心復合寬厚板工作輥芯 部，開箱后經460°C回火后，芯部球墨鑄鐵技術性能指標抗拉強度Rm = 642Mpa，沖擊韌性 ak = 10. 5J/cm2。 對于本領域技術人員來說，在本專利構思及具體實施例啟示下，能夠從本專利公 開內容及常識直接導出或聯想到的一些變形，本領域普通技術人員將意識到也可采用其他 方法，或現有技術中常用公知技術的替代，以及特征間的相互不同組合，例如釔基重稀土鎂 球化劑及釔基長效孕育劑、硅鐵牌號的改變(GB2277-87)，等等的非實質性改動，同樣可以 被應用，都能實現本專利描述功能和效果，不再一一舉例展開細說，均屬于本專利保護范 圍。
權利要求
高強、高韌性球墨鑄鐵，其特征在于將組成為(wt％)C3.0-3.5，Si2.0-2.8，Mn0.5-0.8，P≤0.08，S≤0.02，Cu0.5-1.2，Mo0.2-0.6，Mg0.05-0.1，Ca0.01-0.03，Re0.01-0.015，Sb0.001-0.003，Ba0.01-0.05其余為Fe及雜質元素；熔煉后加入釔基重稀土鎂沖入法球化；球化后再用釔基長效孕育劑和硅鐵復合孕育。
2. 寬厚板工作輥，包括球墨鑄鐵芯部，和高耐磨鐵基材外層，其特征在于所說球墨鑄鐵芯部由組成為(wt% ) :C3. 0-3. 5，Si2. 0-2. 8，MnO. 5-0. 8，P《0. 08， S《0. 02， CuO. 5-1. 2，MoO. 2-0. 6， MgO. 05-0. 1， CaO. 01-0. 03， ReO. 01-0. 015， SbO. 001-0. 003， BaO. 01-0. 05其余為Fe及雜質元素；熔煉后加入釔基重稀土鎂沖入法球化；球化后再用釔基長效孕育劑和硅鐵復合孕育所得。
3. 根據權利要求2所述寬厚板工作輥，其特征在于在復合內層芯鐵水溫度為球墨鑄鐵液相線溫度加80-120°C。
全文摘要
本發明是關于對球墨鑄鐵的改進，其特征在于將組成為(wt％)C3.0-3.5，Si2.0-2.8，Mn0.5-0.8，P≤0.08，S≤0.02，Cu0.5-1.2，Mo0.2-0.6，Mg0.05-0.1，Ca0.01-0.03，Re0.01-0.015，Sb0.001-0.003，Ba0.01-0.05，其余為Fe及雜質元素；熔煉后加入釔基重稀土鎂沖入法球化；球化后再用釔基長效孕育劑和硅鐵復合孕育。所得球墨鑄鐵同時具有高強度和高韌性，鑄態球墨鑄鐵抗拉強度≥500MPa，韌性ak≥9J/cm2，金相分析鑄態球墨鑄鐵，有部分細片狀珠光體和球狀石墨形態組織結構，石墨球化率可以提高到2級以上，特別適用于寬厚板工作輥芯部用高強度球墨鑄鐵，大大提高了工作輥使用壽命。
文檔編號C22C33/08GK101775533SQ20101011207
公開日2010年7月14日 申請日期2010年2月12日 優先權日2010年2月12日
發明者周勤忠, 張文君, 邵黎軍 申請人:江蘇共昌軋輥有限公司