一种抗低温冲击高强度球墨铸铁生产方法.pdf

本发明公开了一种抗低温冲击高强度球墨铸铁生产方法，包括备料、熔炼、脱硫、铁液成分调整、球化处理工序，其特征在于：备料工序中，原生铁占30％-70％，废钢占10％-20％，回炉铁占10％-60％；其它添加料按以上配料的总重量的百分比加入，其中：球化剂占1.6％-2.0％，孕育剂0.4％-0.6％，脱硫剂1.2％-1.8％，增碳剂1％-3％；另外还要加Cu?0.15-0.50％。该球墨铸铁在确保低温冲击性能的前提下，提高了强度，满足了该牌号既有较高的低温冲击性能，又有较高常温强度的要求。可广泛适用于制造低温环境下使用的汽车、机车、风机和工程机械的重要高强度铸件和疲劳强度有严格要求的铸件。

1.  一种抗低温冲击高强度球墨铸铁生产方法，由以下步骤生产：包括备料工序、熔炼工序、脱硫工序、铁液成分调整工序、球化处理工序、Y型试块造型及试样制备工序、机械性能与金相试验工序，其特征在于：
a、所述的备料工序中，原生铁、废钢、回炉铁按重量百分比配比，其中：原生铁占30％-70％，废钢占10％-20％，回炉铁占10％-60％；其它添加料按以上原生铁、废钢、回炉铁总重量的百分比加入，其中：球化剂占以上原生铁、废钢和回炉铁总重量的1.6％-2.0％，孕育剂占以上原生铁、废钢和回炉铁总重量的0.4％-0.6％，脱硫剂占以上原生铁、废钢和回炉铁总重量的1.2％-1.8％，增碳剂占以上原生铁、废钢和回炉铁总重量的1％-3％；
b、所述的熔炼工序是采用中频感应电炉熔炼铁液，一次装料1.6-2.0吨，按原生铁、回炉铁、废钢的次序依次装入，加热熔化后，升温至1510-1530℃时，静止3-5分钟，扒净铁液面上的熔渣，进行碳当量分析，并浇注光谱分析试块；
c、所述的脱硫工序是采用3吨的铁液包，首先将铁液包烫热、烫透，至铁液包内温度高于800℃时，倒入中频感应电炉熔内的铁液1.4-1.5吨，吊上脱硫搅拌装置，盖在铁液包口上，并盖严，从脱硫搅拌装置的加料孔内加入1％的深度脱硫剂，搅拌5分钟，再吊起脱硫搅拌装置，扒净铁液面上的熔渣，并测温，浇注光谱分析试块，分析硫含量，以确定脱硫率，接着将铁液包内的铁液全部倒回中频感应电炉；
d、所述的铁液成分调整工序，当已脱硫的铁液倒入中频感应电炉后，立即加热升温，待与中频感应电炉炉内的残存铁液混合3-5分钟，即混合均匀后，立即浇注光谱分析试块和碳当量分析样杯，根据光谱分析和碳当量分析的结果，对铁液成分进行调整，当碳含量低时，用增碳剂增碳，使碳含量达到占以上原生铁、废钢和回炉铁总重量的3.5％-3.9％的要求范围；当硅含量高时，加废钢降硅，使硅含量达到占以上原生铁、废钢和回炉铁总重量的1.8％-2.5％的要求范围；在铁液化学成分分析报告未出来之前，铁液在1350℃-1400℃下保持一段时间，同时，当铜含量达不到要求时，要加入少量废铜，使铜含量达到占以上原生铁、废钢和回炉铁总重量的0.15％-0.50％的要求范围；另外，还要使M_n含量占该球墨铸铁材质的比例≤0.20％，P含量≤0.05％，S含量≤0.015，Mg含量达到该球墨铸铁材质的0.03-0.06％，Re含量达到该球墨铸铁材质的0.01％-0.03％，等待分析结果，成分调整结束后，即快速升温至1500℃-1520℃，在此温度下保持并扒渣，扒净渣后静置3-5分钟，并浇注光谱分析试块和进行碳当量分析，对调整结果进行验证，直至使该球墨铸铁材质的化学成分重量百分比为：C3.5％-3.9％，Si 1.8％-2.5％，Mn≤0.20％，P≤0.05％，S≤0.015，Mg0.03-0.06％，Re 0.01％-0.03％，Ti≤0.055％，Cu 0.15％-0.50％余量为Fe；
e、所述的球化处理工序，球化包是用1000kg堤坝式球化盖包，堤坝的高度以保证球化材料加入后低于坝高为宜，球化包内温度不得低于800℃；处理温度为1520℃±10℃，处理温度过高吸收率低，处理温度过低则烧结温度难以保证；处理要求是：以铁液完全覆盖住进铁液孔、鎂光不外泄为宜；球化反应结束以包盖进铁液孔不出现镁光为标志，要待反应完全结束才能打开包盖，如打开包盖后铁液仍在沸腾并有镁光时，一定要等铁液表面平静后才能进行扒渣，撒集渣剂、搅拌、扒渣；扒渣干净后，在铁液面上撒上一层集渣剂，盖上包盖，吊运至浇注处；
f、所述的Y型试块造型及试样制备工序，工序中的浇注温度为1360-1400℃，并采用随流瞬时孕育进行瞬时孕育，孕育剂加入量为0.10-0.15％，从球化反应结束至全包铁液浇注完控制在8分钟以内。

2.  根据权利要求1所述的一种抗低温冲击高强度球墨铸铁生产方法，其特征在于：
所述的原生铁是采用山西省生产的高纯生铁，其主要成分的重量百分比为：C 4.08％，Si 1.02％，Mn 0.22％，P 0.03％，S 0.021％，Ti 0.035％，其余微量元素有Sc、Sn、B、Zn、Pb、Sb、Bi、Se、As，含量均小于0.0005％，Cu、Al、Ni、Cr，含量均小于0.005％，V＝0.017％，余量为Fe；
所述的废钢是采用优质中低碳废钢，使用前需经除锈处理；
所述的回炉铁是同牌号QT450-10的报废产品及浇注系统；
所述的球化剂为低Re、低Mg合金，由南京浦江合金厂生产；
所述的孕育剂为硅钡合金，为长效一次孕育剂，瞬时孕育采用专用Si-Bi高效随流孕育剂，由曲阜铸造材料厂生产；
所述的脱硫剂，是深度脱硫剂，其主要成分百分比含量为：CaO 35％-50％，CaC₂35％-40％，规格＜5mm，由烟台盛利达公司生产。

一种抗低温冲击高强度球墨铸铁生产方法
技术领域
本发明涉及一种球墨铸铁的生产方法，属铁——碳合金，具体地说是一种抗低温冲击高强度球墨铸铁生产方法。主要适用于制造低温环境下使用的汽车和工程机械的重要高强度零件。
背景技术
球墨铸铁主要是通过镁或镁合金做球化剂使大部分碳成为球状石墨的形式存在。目前，球墨铸铁已得到了广泛的应用。但因应用领域不同，对其性能的要求也不同，使其生产方法也有所不同。目前，我国标准中仅对牌号QT400-18和QT400-18L的球墨铸铁规定了冲击值和低温冲击值要求(如表1所示)，而对牌号QT450-10球墨铸铁的材质，由于要求比较高的强度，韧性相对就要降低，特别是低温下的韧性会更低，所以国内外的所有球墨铸铁标准对牌号QT450-10均未规定低温冲击性能要求。根据收集到的资料，目前QT450-10牌号在满足抗拉强度≥450Mpa时，其-20℃时V型缺口试样的冲击功平均在6J(相当于冲击韧性7.5J/cm2)左右。显然，牌号QT450-10球墨铸铁，在较低温度下，就低温冲击韧度性能而言，其强度则达不到在低温下应用的要求。
表1牌号QT400-18球墨铸铁V型缺口试样冲击值

发明内容
本发明的目的在于提供一种抗低温冲击高强度球墨铸铁生产方法，通过对牌号QT450-10球墨铸铁生产方法的改进，添加Cu，使其强度性能达到国标GB/T1348-1988中牌号QT450-10球墨铸铁标准的同时，-20℃下V型缺口试样的冲击性能提升到达到或超过牌号QT400-18L的要求。其目标值如表2所列：
表2改进后的牌号QT450-10球墨铸铁的力学性能
和V型缺口试样低温冲击目标值

为达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：该一种抗低温冲击高强度球墨铸铁生产方法，由以下步骤生产：包括备料工序、熔炼工序、脱硫工序、铁液成分调整工序、球化处理工序、Y型试块造型及试样制备工序、机械性能与金相试验工序，其特征在于：
所述的备料工序中，原生铁、废钢、回炉铁按重量百分比配比，其中：原生铁占30％-70％，废钢占10％-20％，回炉铁占10％-60％；其它添加料按以上原生铁、废钢、回炉铁总重量的百分比加入，其中：球化剂占以上原生铁、废钢和回炉铁总重量的1.6％-2.0％，孕育剂占以上原生铁、废钢和回炉铁总重量的0.4％-0.6％，脱硫剂占以上原生铁、废钢和回炉铁总重量的1.2％-1.8％，增碳剂占以上原生铁、废钢和回炉铁总重量的1％-3％。
所述的熔炼工序是采用中频感应电炉熔炼铁液，一次装料1.6-2.0吨，按原生铁、回炉铁、废钢的次序依次装入，加入废钢的作用主要是调整成分，加热熔化后，升温至1510-1530℃时，静止3-5分钟，扒净铁液面上的熔渣，进行碳当量分析，并浇注光谱分析试块。
所述的脱硫工序是采用3吨的铁液包，首先将铁液包烫热、烫透，至铁液包内温度高于800℃时，倒入中频感应电炉熔内的铁液1.4-1.5吨，吊上脱硫搅拌装置，盖在铁液包口上，并盖严，从脱硫搅拌装置的加料孔内加入1％的深度脱硫剂，搅拌5分钟，再吊起脱硫搅拌装置，扒净铁液面上的熔渣，并测温，浇注光谱分析试块，分析硫含量，以确定脱硫率，接着将铁液包内的铁液全部倒回中频感应电炉。
所述的铁液成分调整工序，当已脱硫的铁液倒入中频感应电炉后，立即加热升温，待与中频感应电炉炉内的残存铁液混合3-5分钟，即混合均匀后，立即浇注光谱分析试块和碳当量分析样杯，根据光谱分析和碳当量分析的结果，对铁液成分进行调整，当碳含量低时，用增碳剂增碳，使碳含量达到该球墨铸铁材质的3.5％-3.9％的要求范围；当硅含量高时，加废钢降硅，使硅含量达到该球墨铸铁材质的1.8％-2.5％的要求范围；在铁液化学成分分析报告未出来之前，铁液在1350℃-1400℃下保持一段时间，试验表明，在该温度区域内，碳、硅基本不烧增，同时，当铜含量达不到要求时，要加入少量废铜，使铜含量达到该球墨铸铁材质的0.15％-0.50％的要求范围；另外，还要使Mn含量占该球墨铸铁材质的比例≤0.20％，P含量≤0.05％，S含量≤0.015，Mg含量达到该球墨铸铁材质的0.03-0.06％，Re含量达到该球墨铸铁材质的0.01％-0.03％。等待分析结果，成分调整结束后，即快速升温至1500℃-1520℃，在此温度下保持并扒渣，扒净渣后静置3-5分钟，并浇注光谱分析试块和进行碳当量分析，对调整结果进行验证，直至使该球墨铸铁材质的化学成分重量百分比为：C 3.5％-3.9％，Si1.8％-2.5％，Mn≤0.20％，P≤0.05％，S≤0.015，Mg 0.03-0.06％，Re0.01％-0.03％，Ti≤0.055％，Cu 0.15％-0.50％，余量为Fe(还有极少量微量元素，不作考虑，仅记作余量为Fe，以下同)。
所述的球化处理工序，球化包是用1000kg堤坝式球化盖包，堤坝的高度以保证球化材料加入后低于坝高为宜，球化包内温度不得低于800℃；处理温度为1520℃±10℃，处理温度过高吸收率低，处理温度过低则烧结温度难以保证；处理要求是：要严格掌握出铁速度，以铁液完全覆盖住进铁液孔、镁光不外泄为宜；球化反应结束以包盖进铁液孔不出现镁光为标志，要待反应完全结束才能打开包盖，如打开包盖后铁液仍在沸腾并有镁光时，一定要等铁液表面平静后才能进行扒渣，撒集渣剂、搅拌、扒渣，至少要重复进行3次。扒渣干净后，在铁液面上撒上一层集渣剂，盖上包盖，吊运至浇注处。
所述的Y型试块造型及试样制备工序，是按本公司制定的HJ/QM1039III(A版)标准进行，Y型试块的尺寸按ASTM A536-93标准，首先浇注Y型试块，在每球化包铁液前、中、后期各浇注A＝25mm标准单铸试块2块，然后再浇注验证铸件，每球化包后期铁液浇注左、右支架铸件各3箱，浇注温度为1360-1400℃，并采用随流瞬时孕育进行瞬时孕育，孕育剂加入量为0.10-0.15％，从球化反应结束至全包铁液浇注完控制在8分钟以内。
所述的机械性能与金相试验工序，包括拉伸试验、冲击试验、硬度试验、金相试验和超声波球化率检测，其中，拉伸试验按ASTM A536-93和ASTM E8标准进行；冲击试验按ASTM A327-97和ES64777标准进行；硬度试验按荷载3000kg，球径φ10mm，保荷30秒的通用标准方法进行；金相试验按ASTM A247和ASTM E10标准进行；超声波球化率检测用金相试块作超声波球化率检测，是用从Y型试块端头切取的金相试块作超声波球化率检测(用美国产VX超声波球化率检测仪，其声速值与球化率相对应，故该处叙述用球化率，下同)，求出与球化率90％相对应的声速值作为评判球化率是否满足要求的界定值。
本发明还通过如下措施实施：
所述的原生铁是采用山西省生产的高纯生铁，其主要成分的重量百分比为：C 4.08％，Si 1.02％，Mn 0.22％，P 0.03％，S 0.021％，Ti 0.035％，其余微量元素有Sc、Sn、B、Zn、Pb、Sb、Bi、Se、As，含量均小于0.0005％，Cu、Al、Ni、Cr，含量均小于0.005％，V＝0.017％，余量为Fe。
所述的废钢是采用优质中低碳废钢，使用前需经除锈处理。
所述的回炉铁是同牌号QT450-10的报废产品及浇注系统。
所述的球化剂为低Re、低Mg合金，由南京浦江合金厂生产，其化学成分如下表3：
表3：南京浦江合金厂生产的球化剂化学成分表

从表3可以看出：ω(Re)的含量仅有1.15％，ω(Mg)的含量仅有5.65％，含量均较低，有利于提高球化率。
所述的孕育剂为硅钡合金，为长效一次孕育剂，瞬时孕育采用专用Si-Bi高效随流孕育剂，由曲阜铸造材料厂生产。所述的孕育剂主要指标规格如下表4：
表4：硅钡孕育剂主要指标规格表

此孕育剂，与低Re、低Mg合金球化剂共同应用，使球化率达到90％以上，检测结果表明，与美国ASTM A247金相标准对照，有相当数量的试样球化率已高于95％，即达到国标的球化率等级1级，而且通过对所有样件本体使用超声波声速仪逐件检测表明，球化率均≥90％。
所述的脱硫剂，是深度脱硫剂，其主要成分百分比含量为：CaO 35％-50％，CaC235％-40％，规格＜5mm，由烟台盛利达公司生产。
所述的增碳剂、覆盖剂和集渣剂，均为现有材料。
以上成分含量的配比理论依据是：由于Mn、P对铸态铁素体球铁的有害影响，特别是对低温冲击性能的影响是显著的，所以其含量应是愈低愈好。关于Mn对低温冲击性能的影响，经试验可知，在其它成分都符合要求的情况下，当ω(Mn)含量达到0.27％时，-20℃时的冲击韧度只有7.51J，因此确定含量ω(Mn)≤0.20％，ω(P)≤0.05％；C元素，提高含C量(碳的质量分数高于3.2％范围)，可以提高冲击值；在含Si量低的条件下，随着C含量增加，碳当量提高，可以减小收缩缺陷，而获得健全铸件，确定ω(C)含量为3.5％～3.9％；S元素，S是反石墨化元素，属于有害杂质，降低原铁液含S量是确保球化处理成功的前提，也是获得优质铸件的基础，因此对于要求高的球铁铸件，原铁液必须经过脱硫，但含S量过低时也有不利的一面，即降低低温冲击值，所以确定ω(S)含量的范围为≤0.015％；Si元素，Si提高球墨铸铁的σb、σ0.2和HB，同时也使塑性降低，特别是对具有低温冲击性能要求的球墨铸铁件尤为重要，对于低Mn铸态铁素体球墨铸铁来说，增加含Si量会使冲击值明显降低，Si使球墨铸铁的脆性转变温度升高。试验表明，当ω(Si)含量在2.60％以上时，常温下的延伸率稳定达到20％以上，最高可达到27.55％，但-20℃时的冲击值却较低，当ω(Si)含量降到2.2％以下时，强度稍有降低，-20℃时冲击值提高将近一倍，为此，确定ω(Si)含量为1.8％-2.5％；Mg含量，尽管S含量已控制得很低，Mg含量相应可以控制得低一些，但由于选择的是高C含量，为保证球化所需的残余Mg含量相应要高一些，所以确定ω(Mg)含量为0.03％-0.06％；Re含量，Re有抵消干扰元素对球化不良影响的作用，当使用高纯原材料时，这一点已显得不太重要，二是稀土元素(主要是Ce)易形成团状和团片状石墨、影响石墨球的圆整度的负面作用，所以Re残量尽量低些，经过试验，确定ω(Re)含量为0.01％-0.03％；其微量元素中的Ni元素对强度和低温冲击性能是双向的，即既可提高球铁的强度又可提高冲击性能，但Ni价格高，会导致铸件成本较大幅度提高，而废Cu的价格只是Ni的1/5～1/6，废铜的来源又比较广泛，而废Ni却很少，Ni的熔点高达1453℃，而Cu的熔点只有1083℃，Cu在合金化处理时相对容易，而且基本上能满足强度和韧性两方面的要求。Cu与Ni相比在强化基体提高强度方面来说，两者是一致的，而对冲击性能来说Cu与Ni相反，随着含Cu量的增加，球墨铸铁的冷脆转变温度升高，冲击性能ak下降，试验表明，从含Cu量在0.21％以下时，-20℃时的冲击性能可以达到将近17j/cm2，而且在此温度往上一直到100℃，此值几乎不变，往下至-40℃仍可以达到近11J/cm2，因此，要满足D450-10牌号-20℃平均12J/cm2、三个试样一件不小于9J/cm2的要求还是有余地的。同时考虑到，在铁液纯净的情况下，加Cu可改善石墨球的形状和增加石墨球数的优点，最后确定加Cu。Cu的加入量，试验表明，在铁液含Cu小于0.15％时，在-20℃条件下的低温冲击性能能满足要球，但抗拉强度却较低，达不到要求；在铁液含Cu在0.3％-0.5％时，常温下的抗拉强度、屈服强度和延伸率都没有问题，而在-20℃条件下的低温冲击性能却有所下降，但在10J/cm2以上。因此当确定加Cu 0.15％-0.50％时，试验结果表明所有试块和切取的本体试样强度、延伸率和-20℃低温冲击韧度都达到了要求，其中，延伸率达到了20％以上，而且最低的-20℃冲击韧度也达到了11J/cm2。
所述的机械性能与金相试验工序中的硬度试验，其硬度值检测，是Y型试块和铸件本体检测，Y型试块为BHN＝163，铸件本体BHN＝161；其超声波球化率检测，是通过对62件铸件本体的逐件检测，最高的声速为5725m/s，最低的为5619m/s，平均声速V＝5660m/s，通过对一件末期浇注的Y型试块的声速检测，其声速V＝5610m/s，用金相图谱仪评定对应部位的球化率为92.31％，故确定V＝5600m/s为90％球化率的对应声速值，即声速超过5600m/s的件球化率＞90％，反之球化率＜90％。由此可以得出结论，逐件检测的这62件铸件球化率均达到并超过90％，达到了球化率升级的要求。以下表5中所列为62件铸件各件的声速值。
表5：62件铸件各件的声速值测试表