用于生产D型石墨铸铁的复合孕育剂及其制备方法.pdf

本发明公开了一种用于生产D型石墨铸铁的复合孕育剂，其特征在于其成分的重量百分含量为：镁1.0～4.0％、稀土4.0～8.0％、钛4.0～9.0％、铝1.5～3.0％、锑0.5～2.0％、钙2.0～5.0％、钡1.0～4.0％、硅35～50％及余量铁。利用本复合孕育剂对高碳当量铁液进行孕育处理时，所得到的铸铁中的石墨即为D型石墨。铸件的力学性能较高，抗拉强度达到250MPa以上，致密性好。由于铁液碳当量高，大大改善了合金的铸造性能，降低了铸件的残余应力，尺寸稳定性好，并提高了铸件的切削加工性能。本多元复合孕育剂采用包底冲入法，即将本复合孕育剂放在浇包包底，然后注入铁液，在铁液注入的过程中复合孕育剂不断被熔化吸收，从而达到满意的孕育效果，因此方法简单，使用方便。

1、  一种用于生产D型石墨铸铁的复合孕育剂，其特征在于其成分的重量百分含量为：镁1.0～4.0％、稀土4.0～8.0％、钛4.0～9.0％、铝1.5～3.0％、锑0.5～2.0％、钙2.0～5.0％、钡1.0～4.0％、硅35～50％及余量铁。

2、  根据权利要求1所述的用于生产D型石墨铸铁的复合孕育剂，其特征在于所述成分的重量百分含量为：镁2.0％、稀土6.0％、钛7.0％、铝2.0％、锑1.0％、钙3.0％、钡3.0％、硅40％，余量为铁。

3、  根据权利要求1所述的用于生产D型石墨铸铁的复合孕育剂，其特征在于其采用下述重量百分含量的原材料制备：纯镁锭1.25～5.0％，重量百分含量为稀土30％、硅55％、余量为铁的稀土硅铁合金13.5～26.6％，重量百分含量为钛30％、铝5％、硅5％、余量为铁的钛铁13.5～30.0％，纯铝锭0～2.3％，纯锑锭0.5～2.0％，重量百分含量为钙30％、硅55％、余量为铁的硅钙合金6.7～16.5％，重量百分含量为钡30％、硅55％、余量为铁的硅钡合金3.5～13.5％，重量百分含量为硅75％、余为铁的硅铁0～48％，余量为废钢。

4、  权利要求1、2或3所述的用于生产D型石墨铸铁的复合孕育剂的制备方法，其特征在于该方法采用下述工艺步骤：将重量百分含量的原材料纯镁锭1.25～5.0％，重量百分含量为稀土30％、硅55％、余量为铁的稀土硅铁合金13.5～26.6％，重量百分含量为钛30％、铝5％、硅5％、余量为铁的钛铁13.5～30.0％，纯铝锭0～2.3％，纯锑锭0.5～2.0％，重量百分含量为钙30％、硅55％、余量为铁的硅钙合金6.7～16.5％，重量百分含量为钡30％、硅55％、余量为铁的硅钡合金3.5～13.5％，重量百分含量为硅75％、余为铁的硅铁0～48％，余量为废钢；按废钢、1/2重量的硅铁、纯镁锭、纯铝锭、纯锑锭、稀土硅铁合金、钛铁、硅钙合金、硅钡合金、1/2重量的硅铁的次序分层装入感应电炉坩埚中，经熔化、搅拌、浇铸、破碎，即可得到本发明产品。

用于生产D型石墨铸铁的复合孕育剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铸铁用的孕育剂，尤其是一种用于生产D型石墨铸铁的复合孕育剂及其制备方法。
背景技术
普通灰铸铁中的碳一般以片状石墨形式存在。根据其形态不同将片状石墨分为A、B、C、D、E、F等类型。传统的观点认为，A型石墨分布均匀，无方向性，对基体的割裂作用较小，使铸铁具有较高的强度；D型石墨是在奥氏体枝晶间呈无方向性分布的点状或小片状石墨，是一种有害组织，会降低铸铁的强度。但近年来的大量研究表明，D型石墨铸铁比A型石墨铸铁的强度更高、更致密、尺寸稳定性更好、更耐热疲劳、机械加工的表面质量更高。
D型石墨是一定化学成分的铁液在较大过冷度条件下结晶得到的。目前生产D型石墨铸铁的方法主要有：一是通过采用金属型或连续铸造的方法生产。适合于结构简单的中小件或型材。二是采用向铁液中加入一定量的能够实现成分过冷的合金元素的方法生产。适合于大部分铸件的生产。但具体哪些合金元素对铸铁具有过冷作用，以及加入量、加入方式等问题，研究成果不少，也有的开发出了中间合金作为孕育剂，而目前投放市场形成商品的却报道不多。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于生产D型石墨铸铁的复合孕育剂。
为解决上述技术问题，本发明中成分的重量百分含量为：镁1.0～4.0％、稀土4.0～8.0％、钛4.0～9.0％、铝1.5～3.0％、锑0.5～2.0％、钙2.0～5.0％、钡1.0～4.0％、硅35～50％及余量铁。
本发明优选的成分重量百分含量为：镁2.0％、稀土6.0％、钛7.0％、铝2.0％、锑1.0％、钙3.0％、钡3.0％、硅40％，余量为铁。
本发明最好采用下述重量百分含量的原材料制备：纯镁锭1.25～5.0％，重量百分含量为稀土30％、硅55％、余量为铁的稀土硅铁合金13.5～26.6％，重量百分含量为钛30％、铝5％、硅5％、余量为铁的钛铁13.5～30.0％，纯铝锭0～2.3％，纯锑锭0.5～2.0％，重量百分含量为钙30％、硅55％、余量为铁的硅钙合金6.7～16.5％，重量百分含量为钡30％、硅55％、余量为铁的硅钡合金3.5～13.5％，重量百分含量为硅75％、余为铁的硅铁0～48％，余量为废钢。
本发明还提供了用于生产D型石墨铸铁的复合孕育剂的制备方法，该方法采用下述工艺步骤：将重量百分含量的原材料纯镁锭1.25～5.0％，重量百分含量为稀土30％、硅55％、余量为铁的稀土硅铁合金13.5～26.6％，重量百分含量为钛30％、铝5％、硅5％、余量为铁的钛铁13.5～30.0％，纯铝锭0～2.3％，纯锑锭0.5～2.0％，重量百分含量为钙30％、硅55％、余量为铁的硅钙合金6.7～16.5％，重量百分含量为钡30％、硅55％、余量为铁的硅钡合金3.5～13.5％，重量百分含量为硅75％、余为铁的硅铁0～48％，余量为废钢；按废钢、1/2重量的硅铁、纯镁锭、纯铝锭、纯锑锭、稀土硅铁合金、钛铁、硅钙合金、硅钡合金、1/2重量的硅铁的次序分层装入感应电炉坩埚中，经熔化、搅拌、浇铸、破碎，即可得到本用于生产D型石墨铸铁的复合孕育剂。
本发明中的各成分的功用机理为：
在一次结晶时，获得D型石墨铸铁的关键是形成发达的奥氏体枝晶和有效抑制石墨的粗片长大。镁(Mg)、稀土(RE)强烈抑制石墨析出，扩大初晶奥氏体生长温度区域，促进初晶奥氏体的生长。镁、稀土与铁液中的硫、氧生成的硫化物、氧化物，能作为石墨结晶的外来晶核使初晶奥氏体骨架间铁液中石墨晶核增多，使共晶后得到的D型石墨增多，尺寸大大减小。
钛(Ti)是强烈碳化物形成元素，它与碳原子的亲和力很强减慢了碳的扩散速度，从而延迟共晶石墨的析出，使共晶转变温度降低。钛还被吸附在石墨的周围抑制了石墨的生长，同时钛还具有较强的脱氧能力，当铁液中加入一定量的钛后，含氧量明显降低，这些都有利于D型石墨的形成。
铝(Al)的脱氧速度快效率高，铝与铁液中的氧化合生成大量难溶且弥散分布的Al₂O₃质点。由于Al₂O₃和石墨都属六方晶格，且其晶格常数接近，可以成为石墨结晶的有效基底，因此有利于生成细小弥散分布的D型石墨。
锑(Sb)属于强烈碳化物形成元素，铁液中加入微量的锑，能降低铁液的共晶转变温度，强烈促进珠光体的形成，并细化珠光体，对提高铸铁强度非常有利。
钙(Ca)是一种强的石墨化元素，加入适量的钙可以有效降低铸铁的白口倾向。同时钙还能显著降低镁的蒸气压，使合金反应平稳，提高镁的吸收率。钡(Ba)不仅可以降低镁的蒸气压，改善工艺条件和劳动条件，还可以使钙的作用效果更充分、长效的发挥出来。硅(Si)更是常见的强石墨化促进元素，具有很好的孕育作用，而且在孕育剂中还有“固镁”的作用。本发明的多元复合孕育剂中硅的含量大于35％，在熔炼和孕育处理过程中可以有效避免多元复合孕育剂中镁严重烧损的情况，降低了孕育剂生产的难度，也使铁液得孕育处理过程非常平稳。同时适量的镁、铝、锑等还可有效降低多元复合孕育剂的熔点，改善孕育处理的动力学条件，从而加速多元复合孕育剂的扩散和吸收。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：生产HT250以上的高牌号铸铁件时，通常的做法是采用较低的碳当量(小于3.8％)，以减少石墨对基体的不利影响，强化孕育以防止出现白口组织，而碳当量低的结果是铁液流动性差，收缩大，铸件内应力大等。利用本发明的复合孕育剂对高碳当量(3.9～4.2％)铁液进行孕育处理时，所得到的铸铁中的石墨即为D型石墨。由于铸铁中的石墨均为D型，铸件的力学性能较高，抗拉强度达到250Mpa以上，致密性好。由于铁液碳当量高，大大改善了合金的铸造性能，降低了铸件的残余应力，尺寸稳定性好，并提高了铸件的切削加工性能。本发明的复合孕育剂采用包底冲入法，即将本发明的复合孕育剂放在浇包包底，然后注入铁液，在铁液注入的过程中复合孕育剂不断被熔化吸收，从而达到满意的孕育效果，因此方法简单，使用方便。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是使用本发明得到的铸铁的金相照片。
具体实施方式
本用于生产D型石墨铸铁的复合孕育剂在生产时选用下述重量百分含量的原材料：纯镁锭1.25～5.0％、稀土硅铁合金(重量百分含量Re 30％、Si 55％、余为Fe)13.5～26.6％、钛铁(重量百分含量Ti 30％、Al 5％、Si 5％、余为Fe)13.5～30.0％、纯铝锭(Al)0～2.3％、纯锑锭(Sb)0.5～2.0％、硅钙合金(重量百分含量Ca 30％、Si 55％、余为Fe)6.7～16.5％、硅钡合金(重量百分含量Ba 30％、Si 55％、余为Fe)3.5～13.5％、硅铁(重量百分含量Si 75％、余为Fe)0～48％，余为废钢。其中，纯镁锭的含量按收得率80％计算而得。
本用于生产D型石墨铸铁的复合孕育剂的制备方法为：
将上述原材料根据配比要求分层装入感应电炉坩埚中，经熔化、搅拌、浇铸、破碎，即可得到本复合孕育剂。其中，分层装炉的先后次序为：废钢、硅铁、纯镁锭、纯铝锭、纯锑锭、稀土硅铁合金、钛铁、硅钙合金、硅钡合金、硅铁。其中硅铁分两次加入，第一次和第二次的加入量各占一半。
本复合孕育剂可采用常规的使用方法，如包底冲入法等。
实施例1：将准备好的原材料，按照分层装料的方法将原料装入感应电炉的坩埚内，分层装炉的先后次序和原材料的重量百分含量为：废钢9.3％、硅铁11.2％、纯镁锭2.5％、纯铝锭0.8％、纯锑锭1.0％、稀土硅铁合金20％、钛铁24％、硅钙合金10％、硅钡合金10％、硅铁11.2％。将装庐后的原材料进行熔化，搅拌均匀，出炉浇铸；待凝固冷却后，破碎成3～8mm的粒度即可得到本复合孕育剂。破碎成上述粒度的目的是为了便于铁液吸收。
本实施例得到的复合孕育剂的合金含量为：镁(Mg)2.0％，稀土(RE)6.0％，钛(Ti)7.0％，铝(Al)2.0％，锑(Sb)1.0％，钙(Ca)3.0％，钡(Ba)3.0％，硅(Si)40％，余量为铁(Fe)。
实施例2：本实施例与实施例1的不同之处在于：生产本复合孕育剂时原材料的装炉量为：废钢3.93％、硅铁15.8％、纯镁锭1.25％，纯铝锭2.32％，纯锑锭0.5％，稀土硅铁合金26.7％，钛铁13.5％，硅钙合金16.7％，硅钡合金3.5％，硅铁15.8％。获得的复合孕育剂的合金含量为：镁(Mg)1.0％，稀土(RE)8.0％，钛(Ti)4.0％，铝(Al)3.0％，锑(Sb)0.5％，钙(Ca)5.0％，钡(Ba)1.0％，硅(Si)50％，余量为铁(Fe)。
实施例3：本实施例与实施例1的不同之处在于：生产本复合孕育剂时原材料的装炉量为：废钢9.3％、硅铁10.0％、纯镁锭5.0％，纯铝锭0.0％，纯锑锭2.0％，稀土硅铁合金13.5％，钛铁30.0％，硅钙合金6.7％，硅钡合金13.5％，硅铁10.0％。本实施例得到的复合孕育剂的合金含量为：镁(Mg)4.0％，稀土(RE)4.0％，钛(Ti)9.0％，铝(Al)1.5％，锑(Sb)2.0％，钙(Ca)2.0％，钡(Ba)4.0％，硅(Si)35％，余量为铁(Fe)。
使用实施例：本复合孕育剂在冲天炉-电炉双联熔炼条件下，生产康明斯柴油机缸体的使用情况：
康明斯柴油机缸体材质为牌号HT250的铸铁，要求高致密性、高热疲劳性、低应力以及好的加工性能、表面光洁、尺寸精确等。为保证质量，一般的做法是在严格控制碳当量在3.8％左右的同时，还要加入一定量的铜、钼等合金元素，以及强化孕育和去应力退火等，生产成本较高。
本使用实施例采用较高的碳当量(3.9～4.2％)，具体化学成分为：C 3.4％，Si 2.3％，Mn 0.8％，P 0.03％，S 0.03％。铁液出炉温度为1480℃，采用包底冲入法孕育处理工艺。本复合孕育剂的加入量为0.5％。待浇包被铁液后，再用0.3％粒度为1～3mm的75硅铁粒撒在铁液表面上进行浮硅孕育。本复合孕育剂采用实施例1中成分配比。
生产的康明斯柴油机缸体铸件，经金相观察铸铁中的石墨均为D型，见图1。经性能检测完全达到了铸件技术要求。与原工艺相比铸件成本明显降低，经济效益十分显著。