一种铸造用镍钒钛合金生铁及制法和用途 本发明涉及一种冶金产品：铸造用镍钒钛合金生铁及其制造方法。同时还涉及其高镍高钒低钛稀土合金球墨铸铁内燃机曲轴、低镍钒钛稀土合金半球半蠕铸铁车辆制动(离合)元件、中镍钒钛稀土合金蠕墨铸铁内燃机缸体等三种用途发明。
目前机械制造业中，大都采用Ni-Cr-Mo合金铸铁来制造各种结构复杂，壁薄或壁的厚薄很不均匀，强度和刚度要求很高，耐磨性、耐疲劳性、耐热性、耐热疲劳性、耐蚀性，要求很高的这类高级铸件，如各种大型高精度机床床身，内燃机缸体及缸盖，汽轮机机体，巨型注塑机油缸等等。但由于Ni-Cr-Mo合金铸铁的制造方法，都是在普通优质生铁的重熔过程中加入电解镍、钼铁、铬铁等昂贵的纯金属和合金，从而使得这些零件的成本和价格昂贵，难于接受。同时，Ni-Cr-Mo合金铸铁件的耐磨性、热强性、耐蚀性等方面，也还不如V-Ti合金铸铁件。
本发明的目的，就是在于提供一种低成本的、适合于大工业生产的、能综合利用矿产资源的、更加节省能源的、主要用于改善球墨铸铁件半球半蠕铸铁件蠕墨铸铁件壁厚敏感性和使用性能的铸造用镍钒钛合金生铁的配方及其制造方法，并应用这种生铁来生产各种Ni-V-Ti高级合金铸铁件，代替Ni-Cr-Mo合金高级铸铁件。
本发明的铸造用镍钒钛合金生铁含有下列成份(重量百分比):C 3.3-4.2％,Si 0.2-3.6％,Mn0.3-1.0％,P＜0.1％,S＜0.05％ Ni 0.2-3.0％,V 0.2-1.5％,Ti 0.04-0.6％,余为Fe及总量小于0.3％的Cr、Cu、Co等微量元素。
制造本发明的铸造用镍钒钛合金生铁的工艺方法为：采用含镍硫酸渣做原料，经细磨、焙烧、选矿工艺处理，获得含硫量低于0.3％，含铁量高于50％、含镍量高于0.2％的含镍硫酸渣精矿，再按镍钒钛合金生铁成份比例要求，将这种含镍硫酸渣精矿与钒钛磁铁精矿混合配料烧结(焙烧)成为自熔性混合烧结(焙烧球团)矿，再将该自熔性混合烧结(焙烧球团)矿投入冶炼含钒生铁的高炉冶炼即得产品。
所述的含镍、硫酸渣精矿可以用粗制碱式碳酸镍粉[3Ni(OH)2·2NiCO3]取代，其加入量则根据该粗制碱式碳酸镍粉地实际含镍量，按铸造用镍钒钛合金生铁的成分比例确定。
所述的自熔性混合烧结(焙烧球团)矿，也可以采用自熔性钒钛磁铁精矿烧结(焙烧球团)矿加粗制镍铁的机械混合物取代；还可以由自熔性普通铁精矿烧结(焙烧球团)矿加粗制镍铁和钒渣的机械混合物所取代。对于冶炼普通铸造生铁的小高炉而言，允许用普通富铁块矿加石灰石来代替上述自熔性普通铁精矿烧结(焙烧球团)矿。
铸铁是工业上应用最广泛的金属材料之一，但普通灰铸铁存在着强度低，冲击韧性差的问题。多少年来提高铸铁强度和韧性就成为铸铁合金化的首要任务，Ni-Cr-Mo合金铸铁就是其最佳成果，但成本高。自从球墨铸铁、蠕墨铸铁、特别是奥贝球墨铸铁问世之后，人们找到了一种不用合金化，而只要改善铸铁件的石墨结构就能成倍提高铸铁强度的方法，且成本低。今天高强度的球墨铸铁件、蠕墨铸铁件尚存的主要问题是质量效应大，与钢件相比，还不能说铸铁件的质量稳定性已十分可靠，薄壁复杂件最大问题是“壁厚敏感性大”。因此本发明所提出的铸铁Ni-V-Ti合金化，和铸铁Ni-Cr-Mo合金化有着本质区别。Ni-V-Ti合金化的目的就主要在于改善球墨铸铁件、蠕墨铸铁件的“壁厚敏感性”和某些产品特别需要的“使用性能”，比如铸件壁薄或壁的厚薄很不均匀、壁与壁间结构十分复杂(如内燃机缸体、机床床身等)的情况下，也能得到铸件成品率很高、铸件组织处处均匀、质量稳定可靠的铸件，同时铸造产品还具有很高的耐疲劳强度以及特殊的高耐磨性，高热强性、耐蚀性等等。
因此对本发明的铸造用镍钒钛合金生铁最具创造性、新颖性、实用价值的用途发明当推如下三项：
一种高镍高钒低钛稀土奥贝球铁曲轴(高Ni-高V-低Ti-RE奥贝球墨铸铁内燃机曲轴)，其特征在于：(1)“选择”含Ni 1.0-3.0％,V 0.5-1.5％,Ti＜0.1％的铸造用镍钒钛合金生铁做原料(注意：这种“选择”非发明人是难于实现的，这是因为本发明人为了制造这种理想的曲轴，进行了多年的实验研究和原料调查才找到制造这种理想成分生铁的制造方法。要实现这种“选择”，即使采用本发明的方法实际上也只能专门制造)，因而该曲轴始终具有本发明的铸造用镍钒钛合金生铁的遗传特性；(2)该曲轴具有下列化学成分，C 3.0-3.8％,Si 2.0-2.8％,Mn 0.2-0.5％,P＜0.04％,S＜0.02％,Ni 0.8-3.0％,V 0.4-1.4％,Ti 0.02-0.08％,Cr 0.05-0.3％,RE 0.04-0.1％，余为Fe及总量小于Cr、Co、Cu等0.2％的微量元素。(3)该曲轴原料经熔化过后，用低钛稀土球化剂球化处理，再孕育后铸出，铸件经奥贝等温淬火和精细机械加工而成。铸件为贝氏体与奥氏体(20％-40％)的混合组织，石墨球化率为85％以上，抗拉强度αb＞1200MPa，延伸率δ＞10％，冲击值αk＞110J/cm2。
一种低镍钒钛稀土合金(低Ni-V-Ti-RE)半球半蠕铸铁车辆制动(离合)元件(如火车闸瓦块，汽车制动鼓、制动盘、离合器压板等)，其特征在于：(1)“选择”含Ni0.12-0.3％,V0.25-0.5％Ti 0.04-0.6％的铸造用镍钒钛合金生铁做原料，经熔化并用低钛稀土合金作变质处理浇铸而成，具有铸造用镍钒钛合金生铁的遗传特性；(2)具有下列成分：C 3.5-4.0％,Si 2.2-3.0％,Mn 0.2-0.8％,P＜0.1％,S＜0.05％,Ni 0.1-0.3％,V0.2-0.5％Ti 0.03-0.16％,RE 0.03-0.1％，余为Fe及总量＜0.2％的Cr,Co,Cu等微量元素；(3)该元件为珠光体铁素体混合基体，球化率20-50％，蠕化率80-50％；(4)该元件耐磨性和耐热疲劳开裂损坏性能分别是普通灰铸铁元件的2-5倍和1-3倍。
一种中镍钒钛稀土(中Ni-V-Ti-RE)合金蠕墨铸铁内燃机缸体(缸盖、缸套、机床构件)，其特征在于：(1)“选择”含Ni 1.0-2.0％,V 0.3-0.6％,Ti 0.04-0.6％的铸造用镍钒钛合金生铁做原料，经熔化并采用低钛稀土合金蠕化剂作蠕化处理再经孕育后浇铸而成，具有铸造用镍钒钛合金生铁遗传特性；(2)具有下列成分：C 3.0-3.8％,Si 2.0-2.8％,Mn 0.2-0.6％,P＜0.06％,S＜0.02％,Ni 1.0-2.0％,V0.3-0.6％,Ti 0.04-0.14％,RE 0.02-0.06％，余为Fe及总量小于0.2％的Cr,Co,Cu等微量元素；(3)该铸件具有铁素体珠光体混合基体,蠕化率＞75％；(4)该铸件具有高的组织均匀性和低废品率，其耐磨性，耐热裂渗漏性能和耐海水腐蚀性能是普通铸铁件的1-3倍。
本发明的优点在于：(1)所采用的普通铁矿、钒钛磁铁矿、镍工业边界品位的含镍硫铁矿、硅镁镍矿等矿源丰富，不与镍工业争原料；(2)所采用的普通高炉冶炼法、钒钛生铁高炉冶炼法，技术成熟、设备现成、能源消费少、成本低；(3)产品性能优异、用途广泛、市场广阔。
实施例1：取含镍为0.47％，含铁为44.3％，含硫为38.4％的含镍硫铁矿，送硫酸厂焙烧制酸，得到含镍0.58％，含铁56.1％，含硫2.6％的含镍硫酸渣，再将该含镍硫酸渣经球磨机细磨到-200目，加入8％的焦粉，2％的皂土，6％左右的水分，混合制粒(2-6mm)，送烧结机高温烧结，再将烧结料破碎后进行重选和磁选，获得一种含硫为0.28％，含铁为61.3％，含镍为0.57％的含镍硫酸渣精矿。将这种含镍硫酸渣精矿以15％的比例混入钒钛磁铁精矿烧结矿配料组分中，烧结成碱度为1.73左右的自熔性混合烧结矿，最后按含钒生铁冶炼工艺，通过钒钛炼铁高炉制得铸造用镍钒钛合金生铁。其成分为：C 4.12％,Si 0.42％,Mn 0.47％,P 0.06％,S 0.04％,Ni 1.19％,V 0.38％,Ti 0.27％,Cr 0.12％,Co 0.008％,Cu 0.04％,W 007％,Nb 0.002％，余为铁。
实施例2：在冶炼普通铸造生铁小高炉的炉料中，按每炼一吨生铁均匀分批加入含镍量为12.4％的粗制镍铁214公斤，和含V2O527.7％的钒渣83公斤，其余按冶炼普通铸造生铁的配料和熔炼工艺，制得中镍高钒低钛铸造用镍钒钛合金生铁，其成分为：C 3.92％,Si 2.81％,Mn 0.37％,P 0.057％,S 0.038％,Ni 2.49％,V 0.97％,Ti 0.04％,Cr 0.12％余为Fe。
实施例3，取含Ni 2.59％,V 0.97％,Ti 0.08％的铸造用镍钒钛合金生铁作原料，按常规方法加入废钢等在电炉中熔化、过热、精确调配碳当量、铁液温度达1490±20℃时扒渣出炉，用低钛稀土镁硅合金进行球化处理(实际球化率达87％)，再用0.6％的铝硅钙合金进行孕育处理后，用金属模进行浇铸，然后对铸件进行不完全等高温淬火处理获得贝氏体与奥氏体(36％)的混合组织，再经精细机械加工成为高镍高钒低钛奥贝球铁曲轴。其疲劳强度、韧性、和钢制曲轴接近，而耐磨性，减震性更好，成本却大大降低。
实施例4：取含Ni 0.26％,V 0.23％,Ti 0.25％的铸造用镍钒钛合金生铁做原料，只须按常规方法调配碳、硅量在冲天炉中进行熔化，用低钛稀土硅铁合金对铁水进行变质处理后进行浇铸，铸件经机械加工制得低镍钒钛合金半球半蠕铸铁制动鼓，该制动鼓的耐磨性和耐热疲劳开裂损坏性能是现有普通铸铁制动鼓的2.8和1.3倍。该铸件为铁素体珠光体混合基体，含有40.8％的球状石墨。
实施例5：取Ni 1.47％,V 0.44％,Ti 0.28％的铸造用镍钒钛合金生铁进入电炉熔炼，按常规方法精确调配碳硅含量，铁液在1480±20℃出炉用低钛稀土硅镁合金进行蠕化处理并用0.5％的硅铁进行孕育，浇铸成铸件后进行时效处理，获得中镍钒钛合金蠕墨铸铁(蠕化率为88.3％)内燃机缸体铸件。