一種耐低溫高鎳奧氏體球墨鑄鐵及其制備方法

一種耐低溫高鎳奧氏體球墨鑄鐵及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種耐低溫高鎳奧氏體球墨鑄鐵及其制備方法，其中所述耐低溫高鎳奧氏體球墨鑄鐵包括以下組分：2.1～2.2wt%的碳、1.6～1.8wt%的硅、34～34.5wt%的鎳、2.0～2.1wt%的鉻、1.5~1.7wt%的錳，且其碳當量為4.1～4.4%，銅的含量小于0.5wt%，磷的含量小于0.05wt%，硫的含量小于0.03wt%，不含有鉛及鋁。本發明的耐低溫高鎳奧氏體球墨可在奧氏體基體上得到基本不含有片狀石墨、蠕蟲狀石墨、碎塊狀石墨，而全部為球狀石墨的金相組織，金相組織中球狀石墨的含量超過80%，石墨大小為6級，材料具有優異的拉伸性能，抗熱膨脹性能及耐低溫性。
【專利說明】
-種耐低溫高鎮奧氏體球墨鑄鐵及其制備方法
技術領域
[0001] 本發明設及球墨鑄鐵，特別是高儀奧氏體球墨鑄鐵的技術領域。
【背景技術】
[0002] 球墨鑄鐵是一種高強度鑄鐵材料，主要通過球化和孕育處理在鑄鐵的金相結構中 得到球狀的石墨，從而有效提高了鑄鐵的機械性能，特別是塑性和初性。球墨鑄鐵綜合性能 接近于鋼，具有高強度、高初性、高耐磨性，可在受力情況復雜，強度、初性、耐磨性要求高的 環境下使用，達到鐵代鋼"的效果。目前球墨鑄鐵已迅速發展為僅次于灰鑄鐵的、應用十 分廣泛的鑄鐵材料。
[0003] 高儀奧氏體球墨鑄鐵是指儀含量為13~36%，在鑄態下獲得奧氏體基體，且其中石 墨呈球狀的鑄鐵，為球墨鑄鐵中的特殊品種。在結構方面奧氏體球墨鑄鐵具有原子緊密堆 積的面屯、立方晶格結構，在常溫下具有穩定的奧氏體組織，因此具有比普通球墨鑄鐵和娃 鋼球墨鑄鐵都高的熱化學穩定性在性能方面，在性能方面，其綜合了球墨鑄鐵、高儀鑄鐵、 奧氏體鑄鐵的優勢之處，具備優異的抗熱沖擊性、抗熱蠕變性、耐蝕性、高溫抗氧化性W及 低的熱膨脹性和低溫沖擊初性，可廣泛應用于制造海水累、閥、增壓器殼體、排氣管、氣口座 等耐熱、耐蝕的零部件產品，應用前景十分廣闊。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的在于得到一種金相組織完美，工藝性能優良，生產成本低的耐低溫 高儀奧氏體球墨鑄鐵，本發明的目的還在于得到一種制備過程簡單易控，制備成本較低，可 得到該高儀奧氏體球墨鑄鐵的制備方法。
[0005] 本發明的技術方案如下： 一種耐低溫高儀奧氏體球墨鑄鐵，包括W下組分：2.1~2.2wt%的碳、1.6~1.8wt%的 娃、34~34.5wt%的儀、2.0~2. Iwt%的銘、1.5~1.7wt%的儘，且其碳當量為4.1~4.4%，銅的 含量小于0.5wt%，憐的含量小于0.05wt%，硫的含量小于0.03wt%，不含有鉛及侶。
[0006] 此處，碳當量是指的將鑄鐵中各合金元素折算為碳的含量的總和，其極大地反映 了材料的加工性能與應用性能。
[0007] 在國標中有對高儀奧氏體球墨鑄鐵的化學成分的要求，如高儀球墨鑄鐵中的一種 QTAN135化3，其在GB/T26648-2011中的化學成分要求如下：
但對于鑄鐵材料而言，其中不同組分間具體成分含量的不同，對實際產生的金相組織 形態、材料應用性能、加工難度及成品質量的影響是極大的。
[000引如高儀球墨鑄鐵中碳的含量不僅決定了石墨的數量和分布形態，而且對加工中 材料的流動性、收縮性、白口傾向等鑄造工藝性能的影響極大，若碳含量過低，得到的球墨 鑄鐵的強度較低，碳含量過高，會使石墨成碎塊狀分布，均不利于得到性能優良的高儀球墨 鑄鐵。
[0009] 高儀球墨鑄鐵中娃的含量會影響材料的耐熱性，同時其與高儀球墨鑄鐵中的碳含 量與儀含量會協同影響鑄鐵中石墨的形態，當碳、娃、儀立者間含量搭配不恰當時，石墨會 W碎塊狀的形態出現。
[0010] 高儀球墨鑄鐵中儀的含量一方面影響材料的應用性能，如抗氧化性、熱膨脹性，另 一方面也影響材料中奧氏體的形成與形態，及石墨的形態，當其中儀的含量過小時，奧氏體 不能在一般溫度下形成，其抗氧化性也較差，其含量過大時，生產成本較高，材料中石墨不 能W球狀形態出現。
[0011] 高儀球墨鑄鐵中的銘是一種重要元素，少量的銘能烙于奧氏體基體，有利于奧 氏體的穩定，并能與儀協同作用獲得更好的耐熱性和耐蝕性，但另一方面銘是強碳化物形 成元素，其可W形成銘合金碳化物分布于晶間，影響材料的切削性能，降低材料的伸長 率和抗沖擊性，同時會增加高儀球墨鑄鐵的縮松傾向，增加鑄造難度。
[0012] 此外，高儀球墨鑄鐵中的儘的偏析會生成硬化組織，憐一般W憐共晶的形式存在 于晶界，在含量過大時，兩者均會影響材料的力學性能。
[0013] 本發明進一步提出了一種耐低溫高儀奧氏體球墨鑄鐵的制備方法，包括W下步 驟： (1) 將銘鐵加入烙煉爐爐底，再依次加入高純生鐵、無誘廢鋼及回爐料，進行烙化，得到 第一鐵水； (2) 將第一鐵水升溫至1410~1460°C，其后加入電解銅、儘鐵、單質儀，得到第二鐵水； (3) 將第二鐵水繼續升溫至1500°C~1550°C，進行球化處理與孕育處理，得到第=鐵水； (4) 將第=鐵水進行誘注，即得到所述高儀奧氏體球墨鑄鐵； 其中所述銘鐵、高純生鐵、無誘廢鋼、回爐料、電解銅、儘鐵、單質儀及球化處理中使用 的球化劑、孕育處理中使用的孕育劑的總量滿足使得所述高儀奧氏體球墨鑄鐵中包括W下 組分：2.1~2.2wt%的碳、1.6~1.8wt%的娃、34~：34.5wt%的儀、2.0~2.1 wt%的銘、1.5~ 1.7wt%的儘，且其碳當量為4.1~4.4%，銅的含量小于0.5wt%，憐的含量小于0.05wt%，硫的 含量小于0. 〇3wt%，不含有鉛及侶。
[0014] 此處所述回爐料為在耐低溫高儀奧氏體球墨鑄鐵制備過程中產生的廢鑄件、誘 口、冒口等廢金屬。
[0015] 烙煉爐優選使用無忍中頻感應電爐，加入烙煉爐中的各成分要干凈純潔，尤其不 能混入鉛和侶，若鐵水中混入0.003%的鉛，則顯微組織中就可能出現魏氏石墨，使材料力學 性能明顯降低，若混入侶，則可能使材料中出現針孔缺陷，其它微量元素如Pb、Ti、As等也不 應混入其中，運些微量有害元素的干擾是產生片狀石墨的原因之一。
[0016] 因儀有極強的吸氣性，為防止鐵水吸氣，儀在步驟(2)中的加入應當為最后加入， 其后鐵水要加保溫除渣覆蓋劑進行烙煉。
[0017] 在上述步驟，加入烙煉爐中的各成分除在基本加入外，還可在光譜測量鐵水成分 后進行調整性加入。
[0018] 高儀球墨鑄鐵的烙點較高，鐵水的流動性較差，因此為保證足夠的誘注溫度， 鐵水出爐前的過熱溫度優選比一般球墨鑄鐵高50~100°C。
[0019] 高儀奧氏體球墨鑄鐵烙煉過程中鐵水的吸氣傾向大于一般球墨鑄鐵，特別是回爐 料含量越多時，其吸氣傾向更大，因此，有誘、有油污或潮濕的爐料只能投入沒有鐵液的熱 爐中，不能直接投入使用。此外，應特別注意不能使用帶紅色鐵誘的爐料，因其中含氨氧化 鐵，其穩定性很強，在320°CW下不易分解，氨不易形成水分析出而蒸發。
[0020] 因石墨烙入儀含量高的鐵液比較緩慢，且其后形態的生成與穩定由其影響明顯， 因此為使生鐵和回爐料中的石墨能充分溶于鐵液中、并在后續的工藝中生成穩定的球形， 在本發明中運兩種成分作為首批料在步驟（1)中即進行了裝爐。若在后期檢測成分含量后 需要在鐵水中調整性加入運類含石墨的爐料，則在其加入后至少應在過熱條件下保溫10分 鐘。
[0021 ]在烙煉過程中，應避免太高的過熱溫度和過長的保溫時間，回爐料也不宜多次反 復使用，運些因素都會導致鑄鐵的過冷度增大，使組織中碳化物含量增多。
[0022] 優選的:所述步驟(1)中的銘鐵為高碳銘鐵，其中銘的質量分數為61%~65%。
[0023] 另外優選的是：所述步驟（1)中的高純生鐵為低硫高純生鐵，其中硫含量《 0.03wt%〇
[0024] 另外優選的是:所述步驟(2)中的儘鐵為高碳儘鐵。
[0025] 另外優選的是:所述步驟(2)中的所述單質儀為電解儀。
[0026] 另外優選的是:所述步驟(3)包括W下過程： 1) 使用沖入法進行球化處理，首先將球化劑加入球鐵包內的一側，其后將第一孕育劑 均勻覆蓋于球化劑上； 2) 第二鐵水繼續升溫至1520°C~1570°C時出鐵水，使鐵水在未加球化劑的一側進行出 水，至球化完全； 3) 去除完成步驟2)后的鐵水表面的浮渣，向其中加入第二孕育劑，反應完成后即得到 第=鐵水。
[0027] 進一步優選的是，步驟1)中使用堤巧式沖入法進行球化處理，球化劑加入球鐵包 內堤巧一側，出鐵水時鐵水對著未裝球化劑的一側。
[0028] 上述制備方法另外優選的是:所述球化劑為Mg含量為15~30wt%的儀儀合金，其用 量為所述第二鐵水總質量的1 %~2%。
[0029] 進一步優選的是所述球化劑為Ni70M的0儀儀球化劑或/和Ni85Mgl5儀儀球化劑。
[0030] 所述球化劑再進一步的優選為Ni85Mgl5儀儀球化劑，其與所述高儀奧氏體球墨鑄 鐵中其它組分、及球化溫度等相配合、協同后可得到球化率更高、力學性能更好的高儀奧氏 體球墨鑄鐵。
[0031] 上述制備方法另外優選的是:所述第一孕育劑為75%娃鐵，其用量為所述第二鐵水 總質量的1%~2%，所述第二孕育劑為75%娃鐵，其用量為第一孕育劑的1/3~1/2。
[0032] 在本制備方法中，孕育處理的過程采用了兩次孕育，其中加入第一孕育劑的孕育 為包底孕育，加入第二孕育劑的孕育為瞬時孕育，在本制備方法中，包底孕育的過程與球化 處理的過程同時開始，相互促進，既節省了能源與成本，又達到了集成增效的作用，瞬時孕 育再進一步強化孕育效果，減緩球化衰退，得W制成金相組織完美、應用性能優良的高儀奧 氏體球墨鑄鐵。
[0033] 上述制備方法另外優選的是:所述步驟(4)中所述誘注的溫度為1520°C~1450°C。
[0034] 在誘注中，優選的是先誘注成型=角試塊，觀察斷口情況，再進一步進行大規模誘 注。
[0035] 本發明的有益效果為： (1) 得到的高儀奧氏體球墨鑄鐵應用性能優異，在高儀奧氏體球墨鑄鐵本身具備的優 良性能上，還具有較好的拉伸性能，較好的抗熱膨脹性能； (2) 極大地降低了生產成本，減少了生產難度； (3) 回爐料得到了反復利用，極大地提高了能源利用率，節能環保； (4) 配合該耐低溫高儀奧氏體球墨鑄鐵各組分的含量，采用了特殊的制備過程與制備 條件，球化處理與孕育處理的效果優良，可在奧氏體基體上得到基本不含有片狀石墨、蠕蟲 狀石墨、碎塊狀石墨，而全部為球狀石墨的金相組織，按奧氏體鑄鐵國標(GB/T 26648)測 試，得到的石墨大小為6級，均勻、穩定； 巧）在較低的生產成本與加工難度下，得到的高儀奧氏體球狀鑄鐵中球狀石墨的總含 量可大于80%，若進一步使用Ni85Mgl5球化劑，球狀石墨的含量可超過90%; (6)得到的高儀奧氏體球墨鑄鐵耐低溫性能優異。
【附圖說明】
[0036] 圖1為本發明使用Ni70M的0作為球化劑時的金相組織圖。
[0037] 圖2為本發明使用Ni85Mgl5作為球化劑時的金相組織圖。
【具體實施方式】 [003引實施例1 (1) 將化g銘鐵加入無忍中頻感應電爐爐底，再依次加入11化gQ12高純生鐵及100kg回 爐料，進行烙化，得到第一鐵水； (2) 將第一鐵水升溫至1410°C，取樣做爐前化驗，其后加入儘鐵化g、電解儀82kg，得到 第二鐵水； (3) 將第二鐵水繼續升溫至1500°C，準備進行球化處理與孕育處理，其過程為:將4.化g Ni70Mg30球化劑加入球鐵包堤巧一側，其后將1.8kg75%娃鐵均勻覆蓋于球化劑上，第二鐵 水在烙煉爐無忍中頻感應電爐內繼續升溫至152(TC時出鐵水，鐵水量為總鐵水量的2/3,鐵 水在未加球化劑的一側進行出水，至球化完全后再出剩余鐵水； (4) 去除完成步驟(3)后的鐵水表面的浮渣，取=角試樣，觀察球化是否成功； 巧）向完成步驟(4)的鐵水中再加入0.化g75%娃鐵進行二次孕育，反應完成后即得到第 =鐵水，將第=鐵水在1450°C下進行誘注，即得到所述耐低溫高儀奧氏體球墨鑄鐵； 經測試，其球化率為82%，金相組織如附圖1所示，其中基本不含有片狀石墨、蠕蟲狀石 墨、碎塊狀石墨，而全部為球狀石墨，球狀石墨總含量大于80%，石墨大小為6級； 主要性能參數如下： 抗拉強度Ra 370~450MPa 屈服強度化0.2 220~240MPa 伸長率A 7~10% 布氏硬度150~180HBW。
[0039]實施例2 (1)將10kg銘鐵加入無忍中頻感應電爐爐底，再依次加入150kgQ12高純生鐵、50kg無誘 廢鋼及200kg回爐料，進行烙化，烙化完全后得到第一鐵水； (2) 將第一鐵水升溫至1450°C，取樣做爐前化驗，其后加入電解銅化g、儘鐵4kg、電解儀 140kg，得到第二鐵水； (3) 將第二鐵水繼續升溫至151(TC，準備進行球化處理與孕育處理，其過程為：將 7.化gNi85Mgl5球化劑加入球鐵包堤巧一側，其后將3kg75%娃鐵均勻覆蓋于球化劑上，第二 鐵水在無忍中頻感應電爐內繼續升溫至153(TC時出鐵水，鐵水量為總鐵水量的2/3,鐵水在 未加球化劑的一側進行出水，至球化完全后再出剩余鐵水； (4) 去除完成步驟(3)后的鐵水表面的浮渣，取=角試樣，觀察球化是否成功； 巧）向完成步驟(4)的鐵水中再加入化g75%娃鐵進行二次孕育，反應完成后即得到第= 鐵水，將第=鐵水在i5〇o°crc下進行誘注，即得到所述耐低溫高儀奧氏體球墨鑄鐵； 經測試，其球化率為98%，金相組織如附圖2所示，其中基本不含有片狀石墨、蠕蟲狀石 墨、碎塊狀石墨，而全部為球狀石墨，球狀石墨總含量為95%，石墨大小為6級； 多試樣測試，主要性能參數如下： 拉伸測試結果
實施例3 (1) 將化g銘鐵加入烙煉爐爐底，再依次加入11化gQ12高純生鐵及100kg回爐料，進行烙 化，得到第一鐵水； (2) 將第一鐵水升溫至1460°C，取樣做爐前化驗，其后加入電解銅化g、儘鐵化g、電解儀 8化g，得到第二鐵水； (3) 將第二鐵水繼續升溫至1550°C，準備進行球化處理與孕育處理，其過程為:將4.化g Ni85Mgl5球化劑加入球鐵包堤巧一側，其后將1.8kg75%娃鐵均勻覆蓋于球化劑上，第二鐵 水在烙煉爐內繼續升溫至1570°C時出鐵水，鐵水量為總鐵水量的2/3,鐵水在未加球化劑的 一側進行出水，至球化完全后再出剩余鐵水； (4) 去除完成步驟(3)后的鐵水表面的浮渣，取=角試樣，觀察球化是否成功； 巧）向完成步驟(4)的鐵水中再加入0.化g75%娃鐵進行二次孕育，反應完成后即得到第 =鐵水，將第=鐵水在1520°C下進行誘注，即得到所述耐低溫高儀奧氏體球墨鑄鐵； 經測試，其球化率為94%，金相組織中基本不含有片狀石墨、蠕蟲狀石墨、碎塊狀石墨， 而全部為球狀石墨，球狀石墨總含量為92%，石墨大小為6級。
[0040]盡管運里參照本發明的解釋性實施例對本發明進行了描述，上述實施例僅為本發 明較佳的實施方式，本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，應該理解，本領域技術人 員可W設計出很多其他的修改和實施方式，運些修改和實施方式將落在本申請公開的原則 范圍和精神之內。
【主權項】
1. 一種耐低溫高鎳奧氏體球墨鑄鐵，其特征在于:包括以下組分：2.1~2.2wt%的碳、 1.6~1.8wt%的硅、34~34.5wt%的鎳、2.0~2. lwt%的鉻、1.5~1.7wt%的錳，且其碳當量為 4.1~4.4%，銅的含量小于0.5wt%，磷的含量小于0.05wt%，硫的含量小于0.03wt%，不含有鉛 及錯。2. -種耐低溫高鎳奧氏體球墨鑄鐵的制備方法，其特征在于:包括以下步驟： (1) 將鉻鐵加入熔煉爐爐底，再依次加入高純生鐵、無銹廢鋼及回爐料，進行熔化，得到 第一鐵水； (2) 將第一鐵水升溫至1410~1460°C，其后加入電解銅、錳鐵、單質鎳，得到第二鐵水； (3) 將第二鐵水繼續升溫至1500 °C~1550°C，進行球化處理與孕育處理，得到第三鐵水； (4) 將第三鐵水進行澆注，即得到所述耐低溫高鎳奧氏體球墨鑄鐵； 其中所述鉻鐵、高純生鐵、無銹廢鋼、回爐料、電解銅、錳鐵、單質鎳、及球化處理中使用 的球化劑、孕育處理中使用的孕育劑滿足使得所述耐低溫高鎳奧氏體球墨鑄鐵中包括以下 組分：2.1~2.2wt%的碳、1.6~1.8wt%的硅、34~34.5wt%的鎳、2.0~2. lwt%的鉻、1.5~ 1 · 7wt%的錳，且其碳當量為4 · 1~4 · 4%，銅的含量小于0 · 5wt%，磷的含量小于0 · 05wt%，硫的 含量小于〇. 〇3wt%，不含有鉛及鋁。3. 根據權利要求2所述的耐低溫高鎳奧氏體球墨鑄鐵的制備方法，其特征在于:所述鉻 鐵為高碳鉻鐵，其中鉻的質量分數為61%~65%。4. 根據權利要求2所述的耐低溫高鎳奧氏體球墨鑄鐵的制備方法，其特征在于:所述高 純生鐵為低硫尚純生鐵，其中硫的含量<0.03wt%。5. 根據權利要求2所述的耐低溫高鎳奧氏體球墨鑄鐵的制備方法，其特征在于:所述錳 鐵為尚碳猛鐵。6. 根據權利要求2所述的耐低溫高鎳奧氏體球墨鑄鐵的制備方法，其特征在于:所述單 質鎳為電解鎳。7. 根據權利要求2所述的耐低溫高鎳奧氏體球墨鑄鐵的制備方法，其特征在于:所述步 驟(3)包括以下過程： 1)使用沖入法進行球化處理，首先將球化劑加入球鐵包內的一側，其后將第一孕育劑 均勻覆蓋于球化劑上； 2 )第二鐵水繼續升溫至1520 °01570 °C時出鐵水，使鐵水在未加球化劑的一側進行出 水，至球化完全； 3)去除完成步驟2)后的鐵水表面的浮渣，向其中加入第二孕育劑，反應完成后即得到 第三鐵水。8. 根據權利要求7所述的耐低溫高鎳奧氏體球墨鑄鐵的制備方法，其特征在于:所述球 化劑為Mg含量為15~30wt%的鎳鎂合金，其用量為所述第二鐵水總質量的1%~2%。9. 根據權利要求7所述的耐低溫高鎳奧氏體球墨鑄鐵的制備方法，其特征在于:所述第 一孕育劑為75%娃鐵，其用量為所述第二鐵水總質量的1%~2%，所述第二孕育劑為75%硅鐵， 其用量為第一孕育劑的1/3~1/2。10. 根據權利要求2所述的耐低溫高鎳奧氏體球墨鑄鐵的制備方法，其特征在于:所述 步驟(4)中所述澆注的溫度為1520°C~1450°C。
【文檔編號】C22C37/04GK106048396SQ201610542774
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月12日
【發明人】李振波, 劉銳, 李榮飛, 葉永平, 李鵬, 何偉, 胡小紅
【申請人】中國石油集團濟柴動力總廠成都壓縮機廠