CN112322962A

CN112322962A - 一种蠕墨铸铁及其制备方法

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Publication number: CN112322962A
Application number: CN202011230035.6A
Authority: CN
Inventors: 郭进京; 孙世贵; 付君义; 刘永锋
Original assignee: Zhongyuan Neipai Group Co ltd
Current assignee: Zhongyuan Neipai Group Co ltd
Priority date: 2020-11-06
Filing date: 2020-11-06
Publication date: 2021-02-05
Anticipated expiration: 2040-11-06
Also published as: CN112322962B

Abstract

本发明提供了一种蠕墨铸铁，其包括3.60～3.95wt％的C，2.20～2.80wt％的Si，0.20～0.70wt％的Mn，0.50～1.20wt％的Cu，0.03～0.07wt％的Sn，0.03～0.07wt％的Ti，0.005～0.020wt％的Mg，≤0.015wt％的S，≤0.06wt％的P，余量为Fe。本申请还提供了蠕墨铸铁的制备方法，其通过离心铸造获得毛坯，使得抗拉强度稳定达到550MPa以上，硬度可达260～330HBW，机械性能高于普通合金灰铸铁，耐蚀性好，生产工艺简单，成本低廉，具有较高的使用价值和经济价值。

Description

一种蠕墨铸铁及其制备方法

技术领域

本发明涉及铸铁技术领域，尤其涉及一种蠕墨铸铁及其制备方法。

背景技术

蠕墨铸铁作为一种新型铸铁材料出现在20世纪60年代。我国是研究蠕墨铸铁最早的国家之一。通常蠕墨铸铁是铸造以前加蠕化剂(镁或稀土)，随后凝固而制得的。

根据当下市场的要求高爆压、耐磨和耐蚀的需求，针对市场和今后发展的这一需求，蠕墨铸铁是一种很好的选择，蠕墨铸铁可以较好地实现高强度远高于灰铸铁，而切削性能优于球墨铸铁的效果。

在现有技术中，通过采用离心铸造的方法来制造蠕墨铸铁仍是研发阶段，实验室生产出来的蠕墨铸铁的碳化物和铁素体很多，主要靠热处理消除。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种蠕墨铸铁，被申请提供的蠕墨铸铁具有高强度、高耐磨、耐蚀和低摩擦系数的特点。

有鉴于此，本申请提供了一种蠕墨铸铁，包括：

优选的，所述C的含量为3.70～3.90wt％，Si的含量为2.60～2.80wt％。

优选的，所述Mn的含量为0.50～0.6wt％，所述Cu的含量为0.70～1.00wt％。

优选的，所述Sn的含量为0.04～0.06wt％，所述Ti的含量为0.035～0.060wt％。

优选的，所述S的含量为0.003～0.015wt％，所述P的含量≤0.02wt％。

本申请还提供了所述的蠕墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

按照权利要求1蠕墨铸铁的合金成分将合金原料熔炼，得到铁液；

将所述铁液进行蠕化处理和二次孕育，然后离心浇注，得到毛坯；

将所述毛坯进行冷却、抛丸，得到蠕墨铸铁。

优选的，所述熔炼的温度为1400～1600℃；所述离心浇注的温度为650～900℃，所述离心浇注的转速为900～1100r/min，所述离心浇注的出型温度为650～900℃；所述冷却具体为先风冷再空冷，所述冷却的速度为60～80℃/min。

优选的，所述蠕化处理采用“三明治”覆盖冲入法进行，所述“三明治”覆盖冲入法是依次包括的草木灰、蠕化剂、孕育剂和铁屑。

优选的，所述蠕化处理的孕育剂和所述二次孕育的孕育剂独立的选自普通孕育剂或硅锶孕育剂，所述蠕化处理的蠕化剂选自低镁低稀土蠕化剂；所述蠕化处理的孕育剂和所述二次孕育的孕育剂为所述铁液的0.50～1.50wt％，所述蠕化剂为所述铁液的0.30～0.80wt％。

本申请还提供了一种制品，由所述的蠕墨铸铁或所述的制备方法所制备的蠕墨铸铁制备得到。

本申请提供了一种蠕墨铸铁，其包括3.60～3.95wt％的C，2.20～2.80wt％的Si，0.20～0.70wt％的Mn，0.50～1.20wt％的Cu，0.03～0.07wt％的Sn，0.03～0.07wt％的Ti，0.005～0.020wt％的Mg，≤0.015wt％的S，≤0.06wt％的P，余量为Fe。本发明中Mn、Cu、Sn等合金元素的加入能够得到最佳的铸态珠光体组织，细化石墨，强化基体，Ti的加入，干扰石墨球化，更有利于形成蠕虫状石墨；本发明主要通过各种元素的搭配组合，得到最佳的铸铁性能，铜、锡相互组合，减少铁素体含量，提高铸态珠光体含量，细化珠光体形态，从而提高铸铁的强度、弹性模量及耐蚀性等。

实验结果表明，本发明通过优化设计合金成分和铸造工艺，使铸铁的强度大大提高，且成本相对低廉，工艺简单，其硬度260～330HB，抗拉强度大于550MPa，本发明中铸铁铸态基体为细片状珠光体加少量铁素体(≤30％)，石墨为蠕虫状(≥80％)，组织稳定，容易保证缸套尺寸稳定性，大幅提升了耐蚀性能。本发明的铸铁成分由于合金含量相对较低，故其综合成本要远远低于其他高合金铸铁。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的蠕墨铸铁的石墨形态的金相照片；

图2为本发明实施例1制备的蠕墨铸铁的基体组织的金相照片；

图3为本发明实施例2制备的蠕墨铸铁的石墨形态的金相照片；

图4为本发明实施例2制备的蠕墨铸铁的基体组织的金相照片；

图5为本发明实施例3制备的蠕墨铸铁的石墨形态的金相照片；

图6为本发明实施例3制备的蠕墨铸铁的基体组织的金相照片。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

鉴于蠕墨铸铁的发展现状，本申请提供了一种低成本、高强度的离心铸造铸态珠光体蠕墨铸铁，由其制备得到的蠕墨铸铁缸套具有高强度、高耐磨、耐蚀和低摩擦系数，且制造成本低，无需热处理。具体的，本发明实施例公开了一种蠕墨铸铁，包括：

在本申请中，所述C的质量为3.60～3.95wt％，在具体实施例中，所述C的含量为3.70～3.90wt％，过低的碳会造成碳化物很多，过高的碳会造成石墨漂浮。本发明中有别于普通蠕铁较高的碳当量设计，在冷却速度较高的金属模离心铸造条件下，有效避免了铸态组织中较多碳化物的现象。

所述S的含量≤0.015wt％，在具体实施例中，所述S的含量为0.003～0.015％，过低的硫会造成石墨形核核心过少，过高的硫会消耗过多的蠕化剂造成蠕化效果差。本申请控制低的含硫、含磷量，更有利于形成蠕虫状石墨。

所述Si的含量为2.20～2.80wt％，在具体实施例中，所述Si的含量为2.60～2.80wt％，终硅高主要是由于孕育量较大造成，孕育量小容易出现过多的莱氏体，但硅也不能过高否则会造成铁素体较多。

所述Mn的含量为0.20～0.70wt％，在具体实施例中，所述Mn的含量为0.50～0.60wt％。所述Cu的含量为0.50～1.20wt％，在具体实施例中，所述Cu的含量为0.70～1.00wt％，更具体的，所述Cu的含量为0.80～0.90wt％，较高的铜是得到较多珠光体的主要保证。

所述Sn的含量为0.30～0.70wt％，在具体实施例中，所述Sn的含量为0.040～0.060wt％，更优选为0.045％，少量的锡也是为了得到较多珠光体。

所述Ti的含量为0.03～0.07wt％，在具体实施例中，所述Ti的含量为0.035～0.060wt％，少量的钛干扰石墨球的生成，有利于提高蠕化率。

所述Mg的含量为0.005～0.020wt％，在具体实施例中，所述Mg的含量为0.007～0.015wt％。本发明控制比常规蠕铁生产含量更低的残余镁含量(常规0.02～0.035％，本发明0.005～0.020％)，更适合冷却速度较高的金属模离心铸造生产蠕墨铸铁。

鉴于此，本申请还提供了蠕墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

按照蠕墨铸铁的合金成分将合金原料熔炼，得到铁液；

将所述毛坯进行风冷冷却、抛丸、粗加工和精加工，得到蠕墨铸铁。

本发明对所述合金原料没有特殊的限制，本领域技术人员根据所需获得的铸铁成分采用含有相关合金元素的单质或合金即可。

在本发明中，所述熔炼为本领域技术人员熟知的熔炼，对其具体实施方式本申请不进行特别的限制；本申请中，所述熔炼的温度为1480～1550℃，在具体实施例中，所述熔炼的温度为1490～1520℃，更具体地，所述熔炼的温度为1500～1510℃。

本申请然后将所述铁液进行蠕化处理和二次孕育，所述蠕化处理采用“三明治”覆盖冲入法进行，所述“三明治”覆盖冲入法是依次包括的草木灰、蠕化剂、孕育剂和铁屑，上述蠕化处理方式能够增强蠕化剂的吸收。所述蠕化剂为普通低镁低稀土蠕化剂(如埃肯Compactmag5503、宁夏铸峰ZFCV4号等)，可由市场购买获得。所述蠕化剂的含量为所述铁液的0.30～0.80wt％，所述蠕化剂量过少容易造成蠕化不足形成片状石墨，致使强度大幅下降；蠕化剂量过多则造成球化，形成球墨，会使导热性、减震性等性能下降。上述草木灰主要是防止蠕化剂粘包底，铁屑主要作用是覆盖延缓蠕化反应的时间。本发明所述蠕化处理的孕育剂和所述二次孕育的孕育剂独立的为普通孕育剂或硅锶孕育剂，所述孕育剂的含量为所述铁液的0.50～1.50wt％，其中蠕化处理中的孕育剂占85wt％，二次孕育的孕育剂占15wt％；所述孕育剂量过高会使基体中铁素体含量较多。

本申请然后将蠕化处理和二次孕育处理后的铁液进行离心浇注，以得到毛坯，所述离心浇注的温度为1360～1450℃，在具体实施例中，所述离心浇注的温度为1380～1420℃，更具体地，所述离心浇注的温度为1400℃。在本发明中，所述离心浇注的转速为900～1100r/min，在具体实施例中，所述离心浇注的转速为970～1030r/min。在本发明中，所述离心浇注的出型温度为650～900℃，在具体实施例中，所述离心浇注的出型温度为650～850℃，更具体地，所述离心浇注的出型温度为750～820℃。

本申请最后将毛坯进行冷却、抛丸、粗加工和精加工，即得到蠕墨铸铁；在本发明中，所述冷却优选采用风扇或压缩空气吹至温度为550～650℃后进行空冷，更优选为580～620℃，最优选为600℃。在本发明中，所述冷却过程中的冷却速度为60～80℃/min。在上述冷却之后，则得到蠕墨铸铁。

本申请还提供了一种制品，其由上述方案所述的蠕墨铸铁或上述方案所述的制备方法所制备的蠕墨铸铁制备得到。

在本申请中，所述制品具体为蠕墨铸铁缸套。

为了得到尺寸精准的蠕墨铸铁制品，本发明对所述蠕墨铸铁进行粗加工，所述粗加工的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的粗加工方法获得所需形状的缸套即可。

在粗加工之后，本申请将粗加工后的蠕墨铸铁进行精加工，本发明对所述精加工的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的精加工的方法获得所需尺寸精度的缸套即可。

本发明提供的铸铁易于生产，仅采用最普通的铸造工艺，就可以生产合格铸件，其铸造工艺复杂程度与其他合金灰铸铁的铸造难度相当，铸铁成分中仅含有少量铜、锡贵重金属，但含量较其他同等强度合金灰铸铁的贵重金属含量要低得多，因此材料成本也大大降低。

本发明提供了一种缸套，所述缸套的材质为上述技术方案所述的高强度铸态珠光体蠕墨铸铁，所述缸套的制备方法与上述技术方案所述高强度铸态珠光体蠕墨铸铁的制备方法一致，在此不再赘述。

本发明提供的铸铁抗拉强度达到550MPa以上，远高于灰铸铁最高牌号HT350(抗拉不低于350MPa)和贝氏体合金铸铁(≥400MPa)，耐腐蚀性能甚至达到了标准腐蚀平均腐蚀深度10μm以下(普通合金灰铸铁约50～190μm)。

与现有技术相比，本发明通过优化设计合金成分和铸造工艺，使铸铁的强度大大提高，且成本相对低廉，工艺简单，其硬度260～330HB，抗拉强度大于550MPa，本发明中铸铁铸态基体为细片状珠光体加少量铁素体(≤30％)，石墨为蠕虫状(≥80％)，组织稳定，容易保证缸套尺寸稳定性，大幅提升了耐蚀性能。本发明的铸铁成分由于合金含量相对较低，故其综合成本要远远低于其他高合金铸铁。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的蠕墨铸铁及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

将合金元素进行熔炼，得到铁水，所述熔炼的温度控制在1500～1510℃；

将得到的铁水进行蠕化处理，采用“三明治”覆盖，冲入法蠕化，包要适度干燥，不能太热导致蠕化剂发粘，先草木灰，再蠕化剂约0.35％～0.60％，然后再是适量(约0.80％～1.20％)硅铁孕育剂覆盖，上面再加一层铁屑，注意：各层覆盖物都要适度撞紧；蠕化处理时采用的孕育剂为宁夏铸峰的硅铁孕育剂、蠕化剂为埃肯Compactmag5503；

将获得的铁水二次孕育后离心浇注成毛坯，浇注温度控制在1380～1420℃，浇注过程中离心转速为1000r/min，800℃出型；

将获得的毛坯经过风扇吹冷冷却至600℃，之后空冷，冷却期间的冷却速度约60～80℃/min。

将冷却后的毛坯经过粗加工之后，精加工成缸套成品。

采用光电直读光谱仪根据GB/T24234-2009《铸铁多元素的测定火花放电原子发射光谱法》进行缸套成分的检测，检测结果为，缸套成分为：C：3.84wt％，Si：2.60wt％，P：0.022wt％，S：0.008wt％，Mn：0.548wt％，Cu：0.873wt％，Sn：0.058wt％，Ti：0.040wt％，残Mg：0.007wt％，余量为Fe。图1为本发明实施例1制备的蠕墨铸铁的石墨形态的金相照片(×100)；图2为本发明实施例1制备的蠕墨铸铁的基体组织金相照片(×100)。

将实施例1制备的缸套进行机械性能检测，按照GB/T231.1-2018《金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》的标准检测，检测结果为：HBW：278；

采用万能材料试验机WDW-300，按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》的标准检测，检测结果为：抗拉强度：595MPa；

按照GB/T22315-2008《金属材料弹性模量和泊松比试验方法》标准检测，检测结果为：气缸套的弹性模量：147GPa；

按照《灰铸铁气缸套耐腐蚀性能试验方法》的标准检测，平均腐蚀深度为4.2μm。

实施例2

将合金原料熔炼，得到铁水；熔炼温度控制在1500～1510℃；

将得到的铁水进行蠕化处理，蠕化剂选用宁夏铸峰ZFCV4号，孕育剂选用宁夏铸峰的硅铁孕育剂，采用如实施例1所述的“三明治”覆盖，使用冲入法进行蠕化处理；

将获得的铁水二次孕育后离心浇注成毛坯，浇注温度控制在1390～1420℃，离心转速为1020r/min；810℃出型；

将获得的毛坯经过风扇冷却至620℃，之后空冷，冷却期间冷却速度大于60～80℃/min；

将冷却后的毛坯经过粗加工之后，精加工成缸套成品。

按照实施例1的方法，检测本发明实施例2制备的缸套的成分，检测结果为：C：3.79wt％，Si：2.51wt％，P：0.020wt％，S：0.007wt％，Mn：0.556wt％，Cu：0.878wt％，Sn：0.057wt％，Ti：0.055wt％，残Mg：0.010wt％，余量为Fe。

图3为本发明本实施例制备的蠕墨铸铁的石墨形态的金相照片(×100)；图4为本发明本实施例制备的蠕墨铸铁的基体组织金相照片(×100)。

按照实施例1的检测方法，对本发明实施例2制备的缸套进行机械性能检测，检测结果为：HBW：285，抗拉强度：612MPa，弹性模量：150GPa，平均腐蚀深度为4.1μm。

实施例3

将合金原料熔炼，得到铁水；熔炼温度控制在1490～1510℃；

将上述铁水进行蠕化处理，蠕化剂选用宁夏铸峰ZFCV4号，孕育剂选用宁夏铸峰的硅锶孕育剂；采用如实施例1所述的“三明治”覆盖，使用冲入法进行蠕化处理；

将获得的铁水二次孕育后离心浇注成毛坯，浇注温度控制在1400～1420℃，离心转速为1030r/min；835℃出型；

将获得的毛坯经过风扇冷却至590℃，之后空冷，冷却期间冷却速度约60～80℃/min；

将冷却后的毛坯经过粗加工之后，精加工成缸套成品。

按照实施例1的方法，检测本发明实施例3制备的缸套的成分，检测结果为：C：3.70wt％，Si：2.52wt％，P：0.004wt％，S：0.008wt％，Mn：0.54wt％，Cu：0.890wt％，Sn：0.045wt％，Ti：0.045wt％，残Mg：0.015wt％，余量为Fe。

图5为本发明本实施例制备的蠕墨铸铁的石墨形态的金相照片(×100)；图6为本发明本实施例制备的蠕墨铸铁的基体组织金相照片(×100)。

按照实施例1的方法，对本发明实施例3制备的缸套进行机械性能检测，检测结果为：HBW305，抗拉强度：625MPa，弹性模量：154GPa，平均腐蚀深度为3.6μm。

实施例4

制备方法及参数如实施例1相同，区别在于：合金元素的含量如表1所示，表1中编号1、2按照常规残余镁要求，编号3、4按照本发明要求；检测制备的缸套的组织形貌，具体如表2所示；

表1编号1～4制备的缸套的合金成分数据表(wt％)

编号	C	S	Si	P	Mn	Cu	Sn	Mg
									1	3.72	0.021	2.39	0.000	0.710	0.800	0.037	0.024
2	3.71	0.017	2.41	0.006	0.700	0.800	0.038	0.023
									3	3.69	0.002	2.53	0.000	0.650	0.840	0.044	0.009
4	3.64	0.002	2.55	0.000	0.64	0.840	0.047	0.010

表2编号1～4制备的缸套的显微组织形貌表

编号

检测部位

蠕状

球状

珠光体

铁素体

莱氏体

1

内壁

70％

30％

50％

20％

30％

1

中间

90％

10％

80％

20％

1

外壁

20％

80％

20％

2

内壁

90％

10％

40％

20％

40％

2

中间

70％

30％

50％

20％

30％

2

外壁

20％

80％

40％

10％

50％

3

内壁

80％

20％

80％

20％

3

中间

80％

20％

80％

20％

3

外壁

80％

20％

80％

20％

4

内壁

90％

10％

70％

30％

4

中间

90％

10％

70％

30％

4

外壁

90％

10％

70％

30％

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种蠕墨铸铁，包括：

S≤0.015wt％；

P≤0.06wt％；

余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的蠕墨铸铁，其特征在于，所述C的含量为3.70～3.90wt％，Si的含量为2.60～2.80wt％。

3.根据权利要求1所述的蠕墨铸铁，其特征在于，所述Mn的含量为0.50～0.6wt％，所述Cu的含量为0.70～1.00wt％。

4.根据权利要求1所述的蠕墨铸铁，其特征在于，所述Sn的含量为0.04～0.06wt％，所述Ti的含量为0.035～0.060wt％。

5.根据权利要求1所述的蠕墨铸铁，其特征在于，所述S的含量为0.003～0.015wt％，所述P的含量≤0.02wt％。

6.权利要求1所述的蠕墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

将所述毛坯进行冷却、抛丸，得到蠕墨铸铁。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼的温度为1400～1600℃；所述离心浇注的温度为650～900℃，所述离心浇注的转速为900～1100r/min，所述离心浇注的出型温度为650～900℃；所述冷却具体为先风冷再空冷，所述冷却的速度为60～80℃/min。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述蠕化处理采用“三明治”覆盖冲入法进行，所述“三明治”覆盖冲入法是依次包括的草木灰、蠕化剂、孕育剂和铁屑。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述蠕化处理的孕育剂和所述二次孕育的孕育剂独立的选自普通孕育剂或硅锶孕育剂，所述蠕化处理的蠕化剂选自低镁低稀土蠕化剂；所述蠕化处理的孕育剂和所述二次孕育的孕育剂为所述铁液的0.50～1.50wt％，所述蠕化剂为所述铁液的0.30～0.80wt％。

10.一种制品，由权利要求1～5任一项所述的蠕墨铸铁或权利要求6～9任一项所述的制备方法所制备的蠕墨铸铁制备得到。