一種低溫用鐵素體球鐵及其制造方法

專利名稱：一種低溫用鐵素體球鐵及其制造方法
技術領域：
本發明涉及機械行業鑄造技術領域，尤其是涉及一種-40°c低溫用鐵素體球鐵，本發明還涉及該球鐵的制造方法。
背景技術：
球墨鑄鐵(球鐵)是指用球化劑處理鐵液后石墨呈球狀的鑄鐵。球鐵的金相組織由石墨球和基體組織組成，GB/T 9441-2009《球墨鑄鐵金相檢驗》把石墨球按圓整度的高低分為6級，球化率高，球鐵的塑性和韌性就好；石墨球按尺寸大小分成六級，減小石墨球徑，增加石墨球在單位面積的個數可以明顯地提高球鐵的強度、塑性和韌性。球鐵的基體組織主要有鐵素體、珠光體、奧氏體、貝氏體、馬氏體，以及滲碳體和磷共晶等，其中，滲碳體和磷共晶可以強烈降低球鐵的抗拉強度、延伸率和沖擊韌性，故應避免滲碳體和磷共晶的出現。與石墨呈片狀的灰鑄鐵相比，球鐵的抗拉強度、延伸率和沖擊朝性均大幅度提聞，例如經過合金化和熱處理過的球鐵抗拉強度可以高達1400MPa ;鐵素體基體的球鐵延伸率可達22%以上，_40°C時V型缺口試樣的沖擊值可達12J以上。球鐵鑄造性能好、成本相對較低，自20世紀40年代發明和投入工業生產以來的近70年中，發展速度很快，成功取代了部分鍛鋼和鑄鋼件。據美國Moderncasting雜志統計，2010年世界球鐵產量已達2300萬噸，約占世界鑄件產量的25%。中國是世界上球鐵產量最大的國家，2010年球鐵產量為990萬噸，約占當年世界球鐵產量的42. 2%。隨著風電、核電以及高鐵機車等工業的發展，對低溫條件下使用的鐵素體球鐵件的需求快速增加,對鐵素體球鐵件的低溫沖擊性能和鑄件質量也提出了更高的要求。GB/T1348 - 2009《球墨鑄鐵件》國家標準規定的鐵素體球鐵共有QT350-22L和QT400-18L兩個牌號，其中，QT350-22L要求_40°C時V型缺口沖擊值達到12J以上(3個V型缺口沖擊試塊的平均值，單個不低于9J，下同)；QT400-18L要求-20°C時V型缺口沖擊值達到12J以上。以高鐵機車為例，由于行駛速度快(速度彡200 km/h和速度彡300 km/h)，安全性要求高，鑄件受力復雜，且一些零部件裸露在外部，需承受冬季的低溫嚴寒，因此高速鐵路所用球鐵件的力學性能、低溫沖擊性能和鑄件質量的要求也更為嚴苛。如哈爾濱至北京高速鐵路用的QT400-18L球鐵件，要求-40 1時V型缺口沖擊值達到12J以上；哈爾濱至大連高速鐵路用球鐵件甚至要求-50 1時￥型缺口沖擊值達到12J以上。這些指標均遠高于GB/T 1348 —2009《球墨鑄鐵件》國家標準規定的QT400-18L牌號(-20°C時V型缺口沖擊值達到12J以上)的要求。目前，我國生產低溫鐵素體球鐵的原料主要以鑄造生鐵為主，并添加適量的廢鋼和回爐料。按照現有技術，決定球鐵性能的首要因素是生鐵的質量。雖然我國鑄造生鐵的生產廠家很多,但能滿足低溫高韌性鐵素體球鐵要求的生鐵卻不多，優質生鐵中其它有 害元素的含量雖都不高，但能同時達到P〈0. 04%、Ti<0. 04的生鐵卻很難找到。國外為提高鐵素體球鐵的低溫韌性，開發使用了高純生鐵料，以降低磷(P)、硫(S)等雜質元素以及鈦(Ti)等干擾元素含量，提高鐵液的純凈度，減少滲碳體、磷共晶的數量。一般而言，低磷(彡0. 03%)、低鈦(彡0. 03%)、低錳(彡0. 20%)、低硫(0. 02%左右)，有害微量元素(Ti、Al、B、As、Pb、Bi、Sn、Sb、Cd、Se和Te等)極低且總量〈O. 10%的生鐵稱為高純生鐵。國外的高純生鐵主要是控制P、S、Mn和Ti的含量，但即使是高純生鐵，也還是屬于鑄造生鐵的范疇，仍然存在著P、S含量波動大的問題。例如，國際上比較有名的南非Sorelmetal生鐵，實際購買時，其保證的磷含量為0. 04%，硫含量為0. 025%，仍不能很好的滿足鐵素體球鐵對低磷、硫、鈦等成份的要求，這是因為鐵礦石的雜質含量不能達標，而能滿足其要求的礦石卻并不多。同時，進口高純生鐵既提高了生產成本、延長了供貨周期，又受制于人，也不利于我國優質球鐵鑄件的發展。作為另一原料的廢鋼同樣存在來源不穩，成份波動大的問題，尤其是廢鋼中的合金元素鉻、銅和錳等可以阻礙鐵素體的形成，也限制了廢鋼在鐵素體球鐵生產上的使用。低溫鐵素體球鐵在熔化方式上主要采用感應電爐或沖天爐+電爐雙聯熔煉方式。由于爐料中的磷(P)、硫(S)和鈦(Ti)等雜質和干擾元素全部進入鐵液中，依照現有的熔煉方式，技術上還難以脫磷、脫鈦，硫雖然可以采用氣動脫硫或搖包脫硫的方法降低，但同時會降低鐵水溫度、增加生產成本。使用球化劑進行球化處理時，主要采用稀土鎂硅鐵合金作為球化劑(Mg 7 9%，RE 3 8%)和沖入法球化處理方法。由于鐵液中的反球化元素硫(S)和球化干擾元素鈦(Ti)含量偏高、波動大、不穩定，生產上為保險起見，球化處理時往往加入過量的稀土和鎂，造成石墨球不圓整、球化級別低，易出碳化物。孕育劑以75硅鐵為主，除在包底球化劑上面同時加入孕育劑，及在倒包二次孕育時加入孕育劑進行孕育外，也采用隨流孕育或型內孕育等瞬時孕育方法，以提高石墨球化級別和石墨球數量，延緩球化衰退，提高球鐵質量。綜上所述，由于受礦源和廢鋼來源的限制，鐵液中的磷(P)、硫(S)等雜質元素以及鈦(Ti)等干擾元素含量偏高、波動大、不穩定，加上稀土和鎂含量偏高，造成石墨球不圓整、球化級別低，鐵素體量低，滲碳體和磷共晶偏高，使得成品球鐵_40°C時V型缺口沖擊值波動大、不穩定，難以穩定地達到_40°C時V型缺口沖擊值12J以上的要求。同時，在鑄鋼件生產中，合適而穩定的化學成份指標是鑄件穩定生產的首要條件，從一般的碳鋼材質到要求較嚴的合金鋼，均給出了明確的化學成份范圍。目前來看，雖然很多球鐵件的使用條件比鑄鋼還嚴苛，但GB/T 1348 - 2009《球墨鑄鐵件》國家標準卻沒有給出各牌號球鐵的化學成份范圍。分析原因，一方面是對化學成份的重要性缺乏足夠的重視；另一方面即使規定了球鐵的化學成份范圍，但按現有生鐵和廢鋼的供應狀況，也難以穩定達標。所以如何穩定的生產出低溫下韌性指標符合使用要求的鐵素體球鐵已成為鑄造界的當務之急。

發明內容
本發明的目的在于提供一種低溫用鐵素體球鐵件，本發明還提供了該球鐵的制造方法，使用本方法生產的鐵素體球鐵件不僅化學成分穩定，且在_40°C低溫時V型缺口試樣沖擊值可以穩定在12J以上。
為實現上述目的，本發明可采取下述技術方案
本發明所述低溫用鐵素體球鐵的化學成分(按質量百分比計)為C3.6 3. 9%，Si2. 2 2. 4%, Mn < 0. 2%, P < 0. 02%, S < 0. 02%, Ti < 0. 04%, Mg 殘 0. 030 0. 045%, Re殘0. 005 0. 015%,其余為F e。所述低溫用鐵素體球鐵的制造方法，它包括下述步驟
第一步，原料的配比(按重量百分比計) 純鐵 91-95%，增碳劑 3. 6-4. 2%, 75 硅鐵 I. 2-1. 5% ；
第二步，熔煉
首先將上述純鐵原料的20%放在電爐的底部，加熱熔化后，再加入烘烤后的75硅鐵原料，然后將剩余的純鐵和80%的增碳劑陸續加入爐內，全部熔化后，將鐵液加熱到1450°C，在鐵液表面加入剩余的增碳劑，繼續升溫到1500-1520°C，取樣、檢測鐵液，成分合格后，1460-1500°C出爐(視鑄件澆注溫度調整)；
第三步，球化和孕育
選取Mg 5-6%、Re 0. 5-1. 0%的稀土硅鐵鎂合金球化劑對上述成分合格的鐵液進行球化處理，球化劑加入量為鐵液總量的I. 1-1. 2% ;同時選用75硅鐵孕育劑，孕育劑加入量為鐵液總量的I. 0-1. 3%，其中50%孕育劑壓在球化劑上進行包內孕育，40%孕育劑待球化處理扒渣后加在鐵水液面上進行浮硅孕育，10%澆注時進行隨流孕育，球化處理結束即可進行鑄件澆注。澆注成的鐵素體球鐵件的金相組織特征主要為石墨球化級別1-2級(球化率90%以上)，石墨球大小為5-7級，鐵素體量> 95%，滲碳體+磷共晶< 0. 5%。該球鐵件_40°C低溫時V型缺口試樣沖擊值可以穩定在12J以上。所用純鐵為錳、磷、硫、鈦等雜質及干擾元素含量極低的原料純鐵；所用增碳劑選擇使用固定碳含量高、硫和灰分含量少的石墨增碳劑。所述球化處理方法為蓋包法，球化處理結束至鑄件澆注完成時間需控制在6分鐘以內。蓋包法球化處理方法不僅可減少鎂光煙塵、減少球化處理時的溫度損失，而且可以提高球化劑的吸收率，減少球化劑的用量；球化處理結束至鑄件澆注完成時間需控制在6分鐘以內可以有效避免球化和孕育衰退，使石墨球化級別穩定達到1-2級。這對低溫鐵素體球鐵的穩定生產是至關重要的。本發明的優點在于提出了一種全新的鐵素體球鐵的爐料配比，它改變了現有熔化鑄造生鐵和廢鋼等爐料的傳統生產方式，該配比不僅低磷、低硫、低鈦、低猛，而且還規定了球化劑中鎂和稀土的含量范圍，有利于將鎂和稀土控制在所要求的范圍內，使澆注成型的球鐵體的石墨化級別穩定在1-2級(球化率90%以上)。與現有技術相比，本發明具有以下顯著優點
1、本發明使用純鐵為原料在電爐中合成鐵素體球鐵，不用鑄造生鐵和廢鋼，從根本上解決了鐵液中磷、硫、鈦等雜質及干擾元素含量高、波動大、不穩定的難題；純鐵由鋼廠按標準生產，來源穩定，不受礦源等條件的限制，打破了低溫高韌性鐵素體球鐵件對國外高純生鐵原料的依賴，為穩定生產石墨球細小、圓整、基本不含滲碳體和磷共晶的鐵素體球鐵件提供了一種全新的技術方案；
2、本發明生產的鐵素體球鐵件,化學成分范圍直觀、穩定，_40°C低溫時V型缺口試樣沖擊值可以穩定在12J以上，解決了我國核電、聞鐵等工業對進口廣品的依賴，大幅度提聞了核電、高鐵的運行安全性； 3、本發明可以提高鑄件的附加值，由于核電、高鐵鑄件的質量和安全性是首要考慮，鑄件附加值較高，一般可達2萬元/噸，比現有鑄件每噸增加約I萬元；
4、本發明合成的鐵液含硫量低，球化干擾元素鈦的含量低，減少了球化劑的使用量，球化劑用量可以從現有的I. 6%降為I. 2%以下，每噸球鐵件可以節省球化劑約4千克，節省成本約80元；
5、本發明減少了球化劑中用于中和干擾元素鈦所需的稀土加入量，節約了寶貴的稀土資源，球化劑中的稀土含量可以從3-8%減少到0. 5-1%，每噸球鐵件至少可節約稀土用量20千克以上，節約成本200元；
6、節省了金屬鎳的加入量。現有技術中往往需要加入約1%的金屬鎳來增加球鐵的強度和低溫韌性，本發明的方法不用添加金屬鎳，每噸鑄件可節約成本1500元；
7、本發明生產的鐵液純凈度高，可以降低產品的廢品率(從現有的6%降至3%以下)，每噸鑄件可節約成本600元以上；
2010年我國球鐵產量990萬噸，使用球化劑約16萬噸，使用本發明方法可以節省球化劑用量4萬噸，價值6億元。更重要的是，本發明生產的球鐵件可以滿足我國核電、高鐵等工業對高性能鐵素體球鐵件的需要，打破對進口產品的依賴，大幅度提高了核電、高鐵的運行安全性。
具體實施例方式本發明使用的純鐵按國家標準(GB/T 9971-2004)生產，共有YT1、YT2和YT3等三個牌號，其牌號和成分見下表。GB/T 9971-2004規定的原料純鐵的牌號和成份
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:主:純鐵甲瑕在_增碳劑為煉鋼、鑄造常用原料，本發明使用固定碳含量高、硫和灰分含量少的石墨增碳劑，如可以選擇使用市面上銷售的卓越石墨有限公司生產的石墨增碳劑，牌號為9012S，粒度為0. 6 4. 75mm,產品規格如下表
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本發明所用硅鐵按國家標準(GB/T 2272-2009)生產，如可以使用牌號TFeSi75_A及TFeSi75-B的產品，其成分見下表。GB/T 2272-2009規定的部分硅鐵的牌號和成份
權利要求
1.一種低溫用鐵素體球鐵，其特征如下所述球鐵的化學成分為C3.6 3.9%，Si2. 2 2. 4%, Mn < 0. 2%, P < 0. 02%, S < 0. 02%, Ti < 0. 04%, Mg 殘 0. 030 0. 045%, Re殘0. 005 0. 015%,其余為F e。
2.根據權利要求I所述低溫用鐵素體球鐵的制造方法，其特征在于它包 括下述步驟 第一步，原料的配比純鐵 91-95%，增碳劑 3. 6-4. 2%, 75 硅鐵 I. 2-1. 5% ； 第二步，熔煉 首先將上述純鐵原料的20%放在電爐的底部，加熱熔化后，再加入烘烤后的75硅鐵原料，然后將剩余的純鐵和80%的增碳劑陸續加入爐內，全部熔化后，將鐵液加熱到1450°C，在鐵液表面加入剩余的增碳劑，繼續升溫到1500-1520°C，取樣、檢測鐵液，成分合格后，.1460-1500 °C 出爐； 第三步，球化和孕育 選取Mg 5-6%、Re 0. 5-1. 0%的稀土硅鐵鎂合金球化劑對上述成分合格的鐵液進行球化處理，球化劑加入量為鐵液總量的I. 1-1. 2% ;同時選用75硅鐵孕育劑，孕育劑加入量為鐵液總量的I. 0-1. 3%，其中50%孕育劑壓在球化劑上進行包內孕育，40%孕育劑待球化處理扒渣后加在鐵水液面上進行浮硅孕育，10%澆注時進行隨流孕育，球化處理結束即可進行鑄件澆注。
3.根據權利要求2所述低溫用鐵素體球鐵的制造方法，其特征在于所述增碳劑為石墨增碳劑。
4.根據權利要求2所述低溫用鐵素體球鐵的制造方法，其特征在于所述球化處理方法為蓋包法，球化處理結束至鑄件澆注完成時間需控制在6分鐘以內。
全文摘要
本發明公開了一種低溫用鐵素體球鐵的化學成分及其制造方法，它明確了-40℃低溫用鐵素體球鐵件的化學成分范圍，給生產制造合格而穩定的球鐵件提供了質量標準；采用了以純鐵、增碳劑和硅鐵為原料，在電爐中合成熔煉，用低稀土球化劑球化處理，采用復合孕育處理的方法來生產制造該鐵素體球鐵，本方法可以穩定和提高鐵液的純凈度，從源頭上解決了鐵液中磷、硫、鈦等雜質及干擾元素含量高、波動大、不穩定的難題。本發明為穩定生產石墨球細小、圓整、基本不含滲碳體和磷共晶的鐵素體球鐵件提供了一套全新的技術方案，可以滿足我國核電、高鐵等工業對高性能鐵素體球鐵件的需要，打破了對進口產品的依賴；大幅度提高了核電、高鐵的運行安全性。
文檔編號C21C1/10GK102634723SQ20121014525
公開日2012年8月15日 申請日期2012年5月11日 優先權日2012年5月11日
發明者吳現龍, 李克銳, 李桐 申請人:鄭州機械研究所