CN104328239B - 一种大断面球墨铸铁的组织均匀性与性能的提升方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大断面球墨铸铁的组织均匀性与性能的提升方法，揭示了大断面铁素体基球墨铸铁中石墨球不圆整、尺寸粗大和性能最差的位置不在大断面铸件凝固时间最长的中心，而位于距大断面球墨铸铁件外边缘的20mm~40mm的一近环形区域内。通过选择合理的化学成分、优质的球化剂和孕育剂，添加适量的微量元素Sb，采用包底孕育+出铁孕育+随流孕育的复合孕育方式，改善大断面球墨铸铁这一区域内的组织，提升大断面球墨铸铁的组织均匀性和性能，获得低温高韧性大断面铁素体基球墨铸铁件，在-20℃、-40℃下具有优异的抗冲击性且拉伸性能良好，解决了大断面球墨铸铁件易出现组织不均匀和强度与低温冲击韧性综合性能差的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种大断面球墨铸铁的组织均匀性与性能提升方法，具体为一种提升壁厚≥300mm的低温高韧性风电用铁素体基球墨铸铁件的组织均匀性和性能的方法。
背景技术
铁素体基球墨铸铁以其兼具良好的低温冲击韧性和拉伸强度，广泛应用于风电关键部件的生产。然而，随着风电设备的功率不断提高，关键部件的尺寸愈来愈大，给铁素体基球墨铸铁的发展带来了新的问题。
大断面铁素体基球墨铸铁中心部位由于凝固速度缓慢，经常出现畸变石墨，缩松，缩孔等组织缺陷：凝固过程中，铸件心部长时间处于液态，极易发生球化衰退和孕育衰退，使厚大铸件心部石墨球稀少，不圆整；石墨球间隙大，导致碳元素扩散所需的过冷度增大，部分碳元素以渗碳体的形式析出，珠光体较高；石墨球具有补缩能力，中心位置石墨球少，易产生缩松、缩孔，不可避免地产生组织不均匀，上述问题都会降低中心位置的低温韧性。
本发明在大量研究的基础上发现并非大断面中心位置石墨球最少、形态最差，球墨铸铁大断面组织和性能最差的位置位于距大断面球墨铸铁件外边缘的20mm~40mm的一近环形区域内。该区域内由于微量元素特别是RE的偏析，降低了奥氏体壳层的强度，抑制了石墨的形核，导致石墨球少，形态差，珠光体含量较高，甚至出现碎块状石墨，从而影响了该位置的低温韧性和延伸率，降低了大断面铁素体基球墨铸铁的综合性能，制约了球墨铸铁在大型风电零部件上的应用。
球墨铸铁的性能与组织密切相关。因此，改善组织是提高大断面球墨铸铁综合性能的关键。由于上述位于大断面距边界中心20mm~40mm的环形“薄弱区”的存在，所以本发明集中于改善这个最差位置的组织，提升组织均匀性，从而提高大断面球墨铸铁的综合性能。
发明内容
发明目的：为了克服背景技术中存在的问题，本发明提供了一种大断面球墨铸铁的组织均匀性与性能的提升方法：通过采用炉内预处理+包底孕育+出铁孕育+随流孕育的搭配处理方式，解决了传统孕育方式孕育效果有限的问题，增加了大断面的单位面积石墨球数；同时通过添加微量元素Sb部分中和了RE元素的偏析，改善了环形“薄弱区”的组织形态，提升了球墨铸铁大断面的组织均匀性，提高了整个断面的；另外，本发明将最差位置和中心位置的组织和性能共同作为衡量大断面球墨铸铁性能水平的参量。
技术方案：一种大断面球墨铸铁的组织均匀性与性能的提升方法，包括如下步骤：
（1）熔炼：
A、选取炉料，炉料包括重量为30%-35%的生铁、25%-30%的废钢和35%-45%的回炉料；
B、添加预处理剂，预处理剂一定要在炉料熔化之前添加，以起到固定氧的作用，添加量为待出炉铁液重量的0.15%-0.2%；
C、待炉料熔清后，扒渣并取炉前试样，检测C、Si、Mn、P、S含量，根据检测结果，添加适量的75硅铁和增碳剂，调整C和Si的成分；脱硫处理使S含量低于0.02质量%；
D、将铁水调整至出水温度1490±10℃，准备出炉进入球化包；
（2）炉前处理：
A、将堤坝式球化包用1500℃以上的铁水烫包，在球化包的一侧依次加入占待出炉铁液重量1.0%-1.1%的球化剂、占待出炉铁液重量0.4%的包内孕育剂、球铁压板、生铁和占待出炉铁液重量50-100ppm的Sb；
B、出铁球化，铁液对着没有球化剂的一侧冲入，待铁液漫过堤坝时发生球化和包内孕育；
C、当铁液出炉到待出炉铁液质量的2/3时，加入占待出炉铁液重量0.2%的包内孕育剂，进行出铁孕育；
D、球化和孕育处理结束后，扒渣后测温并取光谱试样分析成分；
（3）浇注：
A、采用呋喃树脂砂造型，造型时保证砂子紧实，铸件的吃砂量在100-200mm之间；
B、当包内温度降至1340-1360℃时开始浇注，浇注时采用随流孕育剂进行瞬时孕育，孕育量为待出炉铁液重量的0.15%-0.20%；
C、待铸件温度降至300℃以下时开箱、抛丸。
作为优化：所述的大断面铁素体基球墨铸铁，其组成成分按质量百分比为：C含量为3.80%-3.85%，Si含量为2.0%-2.2%，Mn含量≤0.2%，P含量≤0.05%，S含量≤0.02%，Sb含量为50-100ppm，其余为Fe及不可避免的微量元素。
作为优化：所述步骤（1）中，预处理剂的成分质量百分比为：Si：62%-69%，Ca：0.6%-1.9%，Zr：3%-5%，Al：3%-5%，其余为Fe及不可避免的微量元素。
作为优化：所述步骤（2）中，球化剂为轻稀土球化剂，其成分质量百分比为：Mg：5.55%-6.15%，Al：0.4%-1.0%，Si：44%-48%，Ca：0.8%-1.2%，RE：0.85%-1.15%，其余为Fe及不可避免的微量元素。
作为优化：所述步骤（2）中，包内孕育剂为高钙钡孕育剂，其成分质量百分比为：Si：72%-78%，Al：0%-1.5%，Ca：1.0%-2.0%，Ba：2.0%-3.0%，其余为Fe及不可避免的微量元素。
作为优化：所述步骤（3）中，随流孕育剂为硫氧孕育剂，其成分质量百分比为：Si：70%-76%，Ca：0.75%-1.25%，Ce：1.5%-2.0%，Al：0.75%-1.25%，S：≤1.0%，O：≤1.0%，其余为Fe及不可避免的微量元素。
有益效果：本发明解决了厚大断面球墨铸铁中心和环形“薄弱区”组织和性能差的缺点，提供的低温高韧性球墨铸铁材料完全能符合风力电机大型零部件的要求。
本发明与现有技术相比：
（1）揭示了大型球墨铸铁件厚大部位性能最差的位置并非传统理论认为的中心部位，而是位于距大断面球墨铸铁件外边缘的20mm~40mm的一近圈环形区域内，即上述的“薄弱区”，并将该区域与中心部位协同作为衡量大断面球墨铸铁性能的评价位置，解决了现有方法以中心作为组织和性能评价位置的局限性；
（2）采用了预处理剂在原料熔化之前添加的新颖处理技术，弥补了现有技术在铁液中添加预处理剂效果不佳的缺点，并结合多重孕育处理，有效的提高了大断面铁素体球墨铸铁件的石墨等级；
（3）通过添加含量与铸件尺寸匹配的Sb元素，中和了微量元素特别是RE元素偏析的影响，有效地改善了“薄弱区”的组织形态，提升了大断面的组织均匀性，使球墨铸铁整个厚大断面的性能水平得到了提高。
附图说明
图1是本发明揭示的大断面球墨铸铁组织和性能最差位置—“薄弱区”的示意图；
图2是未使用本发明专利前，尺寸为300mm的立方试块中心面中心位置腐蚀前后的金相照片；
图3是未使用本发明专利前，尺寸为300mm的立方试块中心面“薄弱区”腐蚀前后的金相照片；
图4是实施例一中所得的300mm厚立方试块中心面的中心位置腐蚀前后的金相照片；
图5是实施例一中所得的300mm厚立方试块中心面的“薄弱区”腐蚀前后的金相照片；
图6是实施例二中所得的360mm厚立方试块中心面的中心位置腐蚀前后的金相照片；
图7是实施例二中所得的360mm厚立方试块中心面的“薄弱区”腐蚀前后的金相照片；
图8是实施例三中所得的360mm厚立方试块中心面的中心位置腐蚀前后的金相照片；
图9是实施例三中所得的360mm厚立方试块中心面的“薄弱区”腐蚀前后的金相照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例一：
一种大断面球墨铸铁的组织均匀性与性能提升方法，涉及的大断面球墨铸铁，其各组分按质量百分比为：C含量为3.80%，Si含量为2.0%，Mn含量为0.126%，P含量为0.022%，S含量为0.017%，Sb含量为50ppm，其余为Fe及不可避免的微量元素；
所述的大断面球墨铸铁的组织均匀性与性能提升方法包括以下步骤：
（1）熔炼
A、选取炉料，炉料包括生铁（30%）、废钢（30%）、回炉料（40%）；
B、添加占待出炉铁液重量0.15%的预处理剂，和炉料一起加入；
C、待炉料熔清后，扒渣并取炉前试样，检测C、Si、Mn、P、S含量，调整C和Si并脱硫，最后炉中的成分为：C：3.80%，Si：1.1%，Mn：0.127%，P：0.022%，S：0.017%；
D、将铁水调整至出水温度1490℃，准备出炉进入球化包；
（2）炉前处理
A、将堤坝式球化包用1510℃的铁水烫包，在球化包的一侧依次加入占待出炉铁液重量1.0%的轻稀土球化剂、占待出炉铁液重量0.4%的高钙钡孕育剂、球铁压板、生铁和占待出炉铁液重量50ppm的Sb；
B、出铁球化，铁液对着没有球化剂的一侧冲入，待铁液漫过堤坝时发生球化和包内孕育；
C、当铁液出炉到待出炉铁液质量的2/3时，加入占待出炉铁液重量0.2%的高钙钡孕育剂，进行出铁孕育；
D、球化和孕育处理结束后，扒渣后测温并取光谱试样分析成分，得到的终水成分为：C：3.80%，Si：2.0%，Mn：0.126%，P：0.022%，S：0.017%，Mg：0.049%，Ce为0.010%；
（3）浇注
A、采用呋喃树脂砂造型，造型时保证砂子紧实，铸件的吃砂量在100-200mm之间；
B、始浇温度为1340℃，浇注时采用硫氧孕育剂进行瞬时孕育，孕育量为待出炉铁液重量的0.15%。
C、待铸件温度降至300℃以下时开箱、抛丸。
所述步骤（1）中，预处理剂的成分质量百分比为：Si：62%，Ca：0.6%，Zr：3%，Al：3%，其余为Fe及不可避免的微量元素。
所述步骤（2）中，球化剂为轻稀土球化剂，其成分质量百分比为：Mg：5.55%，Al：0.4%，Si：44%，Ca：0.8%，RE：0.85%，其余为Fe及不可避免的微量元素。
所述步骤（2）中，包内孕育剂为高钙钡孕育剂，其成分质量百分比为：Si：72%，Al：1.5%，Ca：1.0%，Ba：2.0%，其余为Fe及不可避免的微量元素。
所述步骤（3）中，随流孕育剂为硫氧孕育剂，其成分质量百分比为：Si：70%，Ca：0.75%，Ce：1.5%，Al：0.75%，S：≤1.0%，O：≤1.0%，其余为Fe及不可避免的微量元素。
铸件的尺寸为300mm×300mm×300mm，按照GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法和GB/T229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法，对铸件中心一片300mm×300mm×25mm的方板进行拉伸和V型缺口冲击试验，并按GB/T9441-2009球墨铸铁金相检验标准对方板进行组织观察，腐蚀液为4%的硝酸酒精。
铸件厚大断面上的组织和性能如下表所述，其中“薄弱区”为大断面上距边界中心20mm~40mm的一圈环形区域，见图1所示，低温冲击功为三个单值的平均值。
实施例二：
一种大断面球墨铸铁的组织均匀性与性能提升方法，涉及的大断面球墨铸铁，其各组分按质量百分比为：C含量为3.83%，Si含量为2.09%，Mn含量为0.127%，P含量为0.021%，S含量为0.018%，Sb含量为80ppm，其余为Fe及不可避免的微量元素；
所述的大断面球墨铸铁的组织均匀性与性能提升方法包括以下步骤：
（1）熔炼
A、选取炉料，炉料包括生铁（30%）、废钢（25%）、回炉料（45%）；
B、添加占待出炉铁液重量0.17%的预处理剂，和炉料一起加入；
C、待炉料熔清后，扒渣并取炉前试样，检测C、Si、Mn、P、S含量，调整C和Si并脱硫，最后炉中的成分为：C：3.83%，Si：1.16%，Mn：0.127%，P：0.021%，S：0.017%；
D、将铁水调整至出水温度1480℃，准备出炉进入球化包；
（2）炉前处理
A、将堤坝式球化包用1510℃的铁水烫包，在球化包的一侧依次加入占待出炉铁液重量1.05%的轻稀土球化剂、占待出炉铁液重量0.4%的高钙钡孕育剂、球铁压板、生铁和占待出炉铁液重量80ppm的Sb；
B、出铁球化，铁液对着没有球化剂的一侧冲入，待铁液漫过堤坝时发生球化和包内孕育；
C、当铁液出炉到待出炉铁液质量的2/3时，加入占待出炉铁液重量0.2%的高钙钡孕育剂，进行出铁孕育；
D、球化和孕育处理结束后，扒渣后测温并取光谱试样分析成分，得到的终水成分为：C：3.83%，Si：2.09%，Mn：0.127%，P：0.021%，S：0.018%，Mg：0.048%，Ce为0.011%；
（3）浇注
A、采用呋喃树脂砂造型，造型时保证砂子紧实，铸件的吃砂量在100-200mm之间；
B、始浇温度为1350℃，浇注时采用硫氧孕育剂进行瞬时孕育，孕育量为待出炉铁液重量的0.18%。
C、待铸件温度降至300℃以下时开箱、抛丸。
所述步骤（1）中，预处理剂的成分质量百分比为：Si：69%，Ca：1.9%，Zr：5%，Al：5%，其余为Fe及不可避免的微量元素。
所述步骤（2）中，球化剂为轻稀土球化剂，其成分质量百分比为：Mg：6.15%，Al：1.0%，Si：48%，Ca：1.2%，RE：1.15%，其余为Fe及不可避免的微量元素。
所述步骤（2）中，包内孕育剂为高钙钡孕育剂，其成分质量百分比为：Si：78%，Al：1%，Ca：2.0%，Ba：3.0%，其余为Fe及不可避免的微量元素。
所述步骤（3）中，随流孕育剂为硫氧孕育剂，其成分质量百分比为：Si：76%，Ca：1.25%，Ce：2.0%，Al：1.25%，S：≤1.0%，O：≤1.0%，其余为Fe及不可避免的微量元素。
铸件的尺寸为360mm×360mm×360mm，按照GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法和GB/T229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法，对铸件中心一片360mm×360mm×25mm的方板进行拉伸和V型缺口冲击试验，并按GB/T9441-2009球墨铸铁金相检验标准对方板进行组织观察，腐蚀液为4%的硝酸酒精。
铸件厚大断面上的组织和性能如下表所述，其中“薄弱区”为大断面上距边界中心20mm~40mm的一圈环形区域，见图1所示，低温冲击功为三个单值的平均值。
实施例三：
一种大断面球墨铸铁的组织均匀性与性能提升方法，涉及的大断面球墨铸铁，其各组分按质量百分比为：C含量为3.85%，Si含量为2.2%，Mn含量为0.133%，P含量为0.021%，S含量为0.014%，Sb含量为100ppm，其余为Fe及不可避免的微量元素；
所述的大断面球墨铸铁的组织均匀性与性能提升方法包括以下步骤：
（1）熔炼
A、选取炉料，炉料包括生铁（35%）、废钢（30%）、回炉料（35%）；
B、添加占待出炉铁液重量0.2%的预处理剂，和炉料一起加入；
C、待炉料熔清后，扒渣并取炉前试样，检测C、Si、Mn、P、S含量，调整C和Si并脱硫，最后炉中的成分为：C：3.85%，Si：1.23%，Mn：0.131%，P：0.023%，S：0.016%；
D、将铁水调整至出水温度1495℃，准备出炉进入球化包；
（2）炉前处理
A、将堤坝式球化包用1510℃的铁水烫包，在球化包的一侧依次加入占待出炉铁液重量1.1%的轻稀土球化剂、占待出炉铁液重量0.4%的高钙钡孕育剂、球铁压板、生铁和占待出炉铁液重量100ppm的Sb；
B、出铁球化，铁液对着没有球化剂的一侧冲入，待铁液漫过堤坝时发生球化和包内孕育；
C、当铁液出炉到待出炉铁液质量的2/3时，加入占待出炉铁液重量0.2%的高钙钡孕育剂，进行出铁孕育；
D、球化和孕育处理结束后，扒渣后测温并取光谱试样分析成分，得到的终水成分为：C：3.85%，Si：2.2%，Mn：0.133%，P：0.021%，S：0.014%，Mg：0.045%，Ce为0.006%；
（3）浇注
A、采用呋喃树脂砂造型，造型时保证砂子紧实，铸件的吃砂量在100-200mm之间；
B、始浇温度为1360℃，浇注时采用硫氧孕育剂进行瞬时孕育，孕育量为待出炉铁液重量的0.20%。
C、待铸件温度降至300℃以下时开箱、抛丸。
所述步骤（1）中，预处理剂的成分质量百分比为：Si：66%，Ca：0.9%，Zr：4%，Al：4%，其余为Fe及不可避免的微量元素。
所述步骤（2）中，球化剂为轻稀土球化剂，其成分质量百分比为：Mg：5.75%，Al：0.7%，Si：47%，Ca：0.9%，RE：0.95%，其余为Fe及不可避免的微量元素。
所述步骤（2）中，包内孕育剂为高钙钡孕育剂，其成分质量百分比为：Si：75%，Al：1.2%，Ca：1.8%，Ba：2.4%，其余为Fe及不可避免的微量元素。
所述步骤（3）中，随流孕育剂为硫氧孕育剂，其成分质量百分比为：Si：73%，Ca：0.85%，Ce：1.7%，Al：1.5%，S：≤1.0%，O：≤1.0%，其余为Fe及不可避免的微量元素。
铸件的尺寸为360mm×360mm×360mm，按照GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法和GB/T229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法，对铸件中心一片360mm×360mm×25mm的方板进行拉伸和V型缺口冲击试验，并按GB/T9441-2009球墨铸铁金相检验标准对方板进行组织观察，腐蚀液为4%的硝酸酒精。
铸件厚大断面上的组织和性能如下表所述，其中“薄弱区”为大断面上距边界中心20mm~40mm的一圈环形区域，见图1所示，低温冲击功为三个单值的平均值。
本发明用到的主要化学元素符号及名称解释如下：C：碳，Si：硅，Mn：锰，P：磷，S：硫，Al：铝，Fe：铁，Ca：钙，O：氧，Ba：钡，Zr：锆，Sb：锑，Mg：镁；Ce：铈，RE：全称为RareEarth，指稀土元素，稀土元素即为元素周期表中镧系元素以及与镧系元素密切相关的钪(Sc)元素与钇(Y)元素。
对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种大断面球墨铸铁的组织均匀性与性能的提升方法，其特征在于：
包括如下步骤：
(1)熔炼：
A、选取炉料，炉料包括重量为30％-35％的生铁、25％-30％的废钢和35％-45％的回炉料；
B、添加预处理剂，预处理剂一定要在炉料熔化之前添加，以起到固定氧的作用，添加量为待出炉铁液重量的0.15％-0.2％；
C、待炉料熔清后，扒渣并取炉前试样，检测C、Si、Mn、P、S含量，根据检测结果，添加适量的75硅铁和增碳剂，调整C和Si的成分；脱硫处理使S含量低于0.02质量％；
D、将铁水调整至出水温度1490±10℃，准备出炉进入球化包；
(2)炉前处理：
A、将堤坝式球化包用1500℃以上的铁水烫包，在球化包的一侧依次加入占待出炉铁液重量1.0％-1.1％的球化剂、占待出炉铁液重量0.4％的包内孕育剂、球铁压板、生铁和占待出炉铁液重量50-100ppm的Sb；
B、出铁球化，铁液对着没有球化剂的一侧冲入，待铁液漫过堤坝时发生球化和包内孕育；
C、当铁液出炉到待出炉铁液质量的2/3时，加入占待出炉铁液重量0.2％的包内孕育剂，进行出铁孕育；
D、球化和孕育处理结束后，扒渣后测温并取光谱试样分析成分；
(3)浇注：
A、采用呋喃树脂砂造型，造型时保证砂子紧实，铸件的吃砂量在100-200mm之间；
B、当包内温度降至1340-1360℃时开始浇注，浇注时采用随流孕育剂进行瞬时孕育，孕育量为待出炉铁液重量的0.15％-0.20％；
C、待铸件温度降至300℃以下时开箱、抛丸。
2.根据权利要求1所述的大断面球墨铸铁的组织均匀性与性能的提升方法，其特征在于：所述的大断面球墨铸铁，其组成成分按质量百分比为：C含量为3.80％-3.85％，Si含量为2.0％-2.2％，Mn含量≤0.2％，P含量≤0.05％，S含量≤0.02％，Sb含量为50-100ppm，其余为Fe及不可避免的微量元素。
3.根据权利要求1所述的大断面球墨铸铁的组织均匀性与性能的提升方法，其特征在于：所述步骤(1)中，预处理剂，其成分质量百分比为：Si：62％-69％，Ca：0.6％-1.9％，Zr：3％-5％，Al：3％-5％，其余为Fe及不可避免的微量元素。
4.根据权利要求1所述的大断面球墨铸铁的组织均匀性与性能的提升方法，其特征在于：所述步骤(2)中，球化剂为轻稀土球化剂，其成分质量百分比为：Mg：5.55％-6.15％，Al：0.4％-1.0％，Si：44％-48％，Ca：0.8％-1.2％，RE：0.85％-1.15％，其余为Fe及不可避免的微量元素。
5.根据权利要求1所述的大断面球墨铸铁的组织均匀性与性能的提升方法，其特征在于：所述步骤(2)中，包内孕育剂为高钙钡孕育剂，其成分质量百分比为：Si：72％-78％，Al：0％-1.5％，Ca：1.0％-2.0％，Ba：2.0％-3.0％，其余为Fe及不可避免的微量元素。
6.根据权利要求1所述的大断面球墨铸铁的组织均匀性与性能的提升方法，其特征在于：所述步骤(3)中，随流孕育剂为硫氧孕育剂，其成分质量百分比为：Si：70％-76％，Ca：0.75％-1.25％，Ce：1.5％-2.0％，Al：0.75％-1.25％，S：≤1.0％，O：≤1.0％，其余为Fe及不可避免的微量元素。
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