CN114318118B

CN114318118B - 碳化硅增强合成蠕墨铸铁材料及其制备方法

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Publication number: CN114318118B
Application number: CN202111001888.7A
Authority: CN
Inventors: 李�远; 陶栋; 杨忠; 张嘉晨; 贾旭明; 王震; 李建平; 杨喜岗
Original assignee: Xian Technological University
Current assignee: Xian Technological University
Priority date: 2021-08-30
Filing date: 2021-08-30
Publication date: 2022-10-14
Anticipated expiration: 2041-08-30
Also published as: CN114318118A

Abstract

本发明属于金属材料铸造技术领域，公开了一种碳化硅增强合成蠕墨铸铁材料及其制备方法。本发明蠕墨铸铁按质量百分比包括如下成分：C：3.0‑4.0%，Si：1.0‑2.0%，Mn：0.0‑0.2%，P<0.03%，S<0.03%，Ti：0.00‑0.05%，Cu：0.0‑1.2%，Mg：0.006‑0.03%，余量为Fe和不可避免的杂质。制备方法分为碳化硅预处理、配料、熔炼、出炉蠕化孕育处理、浇注五个步骤。本发明通过加入3%‑9%预处理过的微米级碳化硅和石墨增碳控制合成蠕墨铸铁溶体铁液质量，净化铁液，改善石墨形态，细化强化基体组织，提高蠕墨铸铁综合强度的前提下，降低原材料生铁的使用量，降低生产成本，提高经济效益；并且，本发明的碳化硅增强合成蠕墨铸铁可以推广到所有铸造零件的制备，显著提高成品率。

Description

碳化硅增强合成蠕墨铸铁材料及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料铸造技术领域，涉及一种碳化硅增强合成蠕墨铸铁材料及其制备方法。

背景技术

随着现代新型车用柴油发动机功率密度不断的提高，导致了发动机机体、缸盖等关键零部件机械负荷和热负荷的增加，因而对它们的强度、刚度、耐热性能、抗疲劳性能及工艺性能等提出了更为苛刻的要求。常规灰铸铁很难满足服役需求，往往未达到使用寿命就失效，且导致事故频发，严重影响人们的安全出行，对人们的生命安全造成很大威胁。

蠕墨铸铁是铸铁族中较新的一种材料，它的抗拉强度比得上可锻铸铁或者球墨铸铁，它的铸造性能比灰铸铁好。它的组织特点在于石墨相互连接，形状介于灰铸铁的片状石墨和球墨铸铁的球状石墨之间。蠕墨铸铁因具有较高的室温强度、高温强度、抗热疲劳和抗热冲击性以及良好的铸造性能和热物理性能，因而是制造高性能柴油发动机机体及气缸盖的理想材料。然而，传统铸造的原材料使用大量生铁，且对生铁的使用有严格要求，高品质低硫低磷，但我国的生铁已无法满足高性能铸铁溶体制备的使用需求，需从美洲、非洲一些国家进口，价格高昂且受控于人，易受国际环境影响，而受生铁质量波动影响导致产品出品率低卖废品多，与此同时工业生产剩余的大量废钢边角料，急需处理。

如何快速消耗工业生产剩余的大量废钢边角料，如何提高蠕墨铸铁综合强度的前提下，减少使用生铁，降低生产成本，提高经济效益、如何提高铸件产品的成品率一直是困扰我国大中型铸造企业的技术难题。

发明内容

本发明要提供一种碳化硅增强合成蠕墨铸铁材料及其制备方法，在提高蠕墨铸铁综合强度的前提下，减少生铁的使用量，降低生产成本，提高使用寿命和安全经济效益，提高铸件产品的成品率。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：碳化硅增强合成蠕墨铸铁材料，按质量百分比包括如下成分，C：3.0-4.0％，Si：1.0-2.0％，Mn：0.0-0.2％，P<0.03％，S<0.03％，Ti：0.00-0.05％，Cu：0.0-1.2％，Mg：0.006-0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。

碳化硅增强合成蠕墨铸铁材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照合金成分设计，将回炉料、石墨增碳剂和碳化硅的混合物、废钢和其它铁合金按照顺序依次加入到中频感应电炉中熔化，加入的碳化硅为设计加入量的2/3，碳化硅经过预处理；

(2)铁液温度为1480℃-1500℃一次出炉，预热浇包并记录铁液溶体重量，随后将其回炉中进行二次加热；

(3)蠕化孕育处理准备：称量碳化硅、占铁水重量3％-4％的铁屑、占铁水重量0.4-0.8％的蠕化剂和占铁水重量0.5％-0.8％的孕育剂，称量误差应＜0.003％，此时碳化硅加入量为设计加入量的1/3；蠕化孕育处理采用包底三明治法：底层为蠕化剂和碳化硅，中间为孕育剂，上面为干净铁屑；

(4)待铁液温度为1400℃，将所需的废铜加入溶体进行熔炼，熔化后不断进行造渣，扒渣，高温静置6-8分钟，达到1530-1535℃铁液后出炉，出炉时进行蠕化孕育处理；出炉完搅拌铁液1分钟。

进一步，碳化硅的预处理工艺为使用工业级40％HF处理3-6小时，晾干后预热干燥，预热温度为300-320℃，保温1h。

进一步，蠕化剂和孕育剂的粒度为6-12mm，石墨增碳剂的粒度为5-10mm。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、本发明在提高铸件质量经济效益降低生产成本的基础上，可稳定获得蠕化率大于85％蠕墨铸铁材料。与已公知蠕墨铸铁合金相比，大量使用废钢，减少生铁的使用量，降低生产成本，提高经济效益。

2、本发明通过加入3％-9％预处理过的微米级碳化硅和石墨增碳控制合成蠕墨铸铁溶体铁液质量，净化铁液，改善石墨形态，细化强化基体组织，提高蠕墨铸铁综合强度的前提下，同时降低原材料生铁的使用量。

3、适用范围广：本发明的碳化硅增强合成蠕墨铸铁可以推广到所有铸造零件的制备，显著提高成品率。

附图说明

图1为实施例1中碳化硅增强合成蠕墨铸铁的石墨形貌；

图2为实施例1中碳化硅增强合成蠕墨铸铁的基体组织；

图3为实施例2中碳化硅增强合成蠕墨铸铁石墨形貌；

图4为实施例2中碳化硅增强合成蠕墨铸铁的基体组织。

具体实施方式

本发明提供一种碳化硅增强合成蠕墨铸铁材料及其制备方法，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

一种碳化硅增强合成蠕墨铸铁材料，按质量百分比包括如下成分，C：3.0-4.0％，Si：1.0-2.0％，Mn：0.0-0.2％，P<0.03％，S<0.03％，Ti：0.00-0.05％，Cu：0.0-1.2％，Mg：0.006-0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明中蠕墨铸铁的碳当量为4.3-4.6％，CE＝C+0.3Si，式中各元素代表相应元素的质量百分比。

实施例中，采用的采用设备为1000kg中频感应电炉。

具体原料为：微米级碳化硅、石墨增碳剂、废钢、回炉料、废紫铜、Mg-Ga-Y蠕化剂和75SiFe孕育剂。

所述的碳化硅为市售的碳化硅颗粒是由一个碳原子和一个硅原子组成的化合物，平均颗粒大小3-10mm，碳化硅预处理工艺为使用工业级40％HF处理4小时，晾干后预热干燥，预热温度为300℃，保温1h，可减少水分提高吸收率。

实施例1：一种碳化硅增强合成蠕墨铸铁材料，配料计算：各元素质量百分比为：C：3.8％，Si：1.6％，Mn：0.015％，P<0.03％，S<0.03％，Ti：0.03％，Cu：1.0％，Mg：0.016％，余量为Fe和不可避免杂质。

具体的制备过程是：

(1)熔炼浇注：将45质量份的回炉料和43份的10废钢、2质量份的碳化硅(所需碳化硅量的2/3)和粒度为5-10mm、10质量份的石墨增碳剂加入到中频感应电炉中熔化。炉料的加入顺序为：回炉料—增碳剂和碳化硅的混合物—废钢—其他铁合金，增碳剂和碳化硅放在炉体中间，待熔化后测量铁液中的C、Si元素含量是否满足设计要求，通过加入增碳剂和硅铁进行微调，使C、Si元素含量满足设计溶体质量要求。在制备过程中加入碳化硅和石墨增碳剂控制合成蠕墨铸铁溶体铁液质量，净化铁液质量。

(2)铁液温度为1480℃出炉，预热浇包并记录铁液重量，随后将铁液倒入中频感应电炉中进行二次加热。

(3)蠕化孕育处理准备：根据铁液重量和成分设计，称量1份质量的碳化硅(所需碳化硅量的1/3)、占铁水总重0.52％的蠕化剂、占铁水总重0.63％孕育剂；蠕化孕育处理采用包底冲入法，具体分为三层：底层为蠕化剂和碳化硅，中层为孕育剂，铁水重量4％的铁屑覆盖其上；蠕化剂、孕育剂粒度为6-12mm。

(4)待铁液回炉后将：占铁水总重1.0％的废铜加入炉中进行熔炼，待温度升高到1400℃后不断进行造渣，扒渣，保证铁液纯净，静置8分钟，1530℃出炉。出炉时进行蠕化孕育处理，出炉完后搅拌铁液1分钟，以提高碳化硅吸收率。

出炉后用热电偶检测铁液温度，铁液温度为1460℃±10℃时进行浇注。10分钟浇注完成，在产品本体第一个浇注和最后一个浇注的分别取样检测。图1-1为实施例1中蠕墨铸铁的首件铸件本体石墨形貌，图1-2为实施例1中蠕墨铸铁的最后一个末件铸件本体石墨形貌，图2-1为实施例1中第一个首件铸件本体蠕墨铸铁的基体金相组织，图2-2为实施例1中末件铸件本体蠕墨铸铁的基体金相组织，根据GB/T 26656-2011中蠕化率定量分析软件，可得出炉材料的蠕化率分别为95.2％，96.1％，珠光体含量分别为75.5％，78.2％。

实施例2：一种碳化硅增强合成蠕墨铸铁材料，配料计算：各元素质量百分比为：C：3.6％，Si：2.0％，Mn：0.01％，P<0.03％，S<0.03％，Ti：0.05％，Cu：0.8％，Mg：0.020％，余量为Fe和不可避免杂质。

具体的制备过程是：

(1)熔炼浇注：将50质量份的回炉料和45份的45废钢、6份质量份的碳化硅(所需碳化硅量的2/3)和粒度为5-10mm、10份的石墨增碳剂加入到中频感应电炉中熔化。炉料的加入顺序为：回炉料—增碳剂和碳化硅—废钢—其他铁合金，增碳剂和碳化硅放在炉体中间，待熔化后测量铁液中的C、Si元素含量是否满足设计要求，通过加入增碳剂和硅铁进行微调，使C、Si元素含量满足设计溶体质量要求。

(2)铁液温度为1500℃出炉，预热浇包并记录铁液质量，随后将铁液倒入中频感应电炉中进行二次加热。

(3)蠕化孕育处理准备：根据铁液重量和成分设计，称量3份质量的碳化硅(所需碳化硅量的1/3)、占铁水总重0.55％的蠕化剂、占铁水总重0.66％孕育剂；蠕化孕育处理采用包底冲入法，具体分为三层：底层为蠕化剂和碳化硅，中层为孕育剂，铁水重量4％的铁屑覆盖其上；蠕化剂、孕育剂粒度为6-12mm。

(4)待铁液回炉后将占铁水总重0.8％的废铜加入炉中进行熔炼，待温度升高到1400℃后不断进行造渣，扒渣，保证铁液纯净，静置10分钟，1535℃出炉。出炉时进行蠕化孕育处理，出炉完后搅拌铁液1分钟，以提高碳化硅吸收率。

出炉后用热电偶检测铁液温度，铁液温度为1450℃±10℃进行浇注。10分钟浇注完成，在产品本体第一个浇注和最后一个浇注的分别取样检测。图3-1为实施例2中蠕墨铸铁的首件铸件本体石墨形貌，图3-2为实施例2中蠕墨铸铁的最后一个末件铸件本体石墨形貌，图4-1为实施例2中第一个铸件首件本体蠕墨铸铁的基体金相组织，图4-2为实施例2中最后末件铸件本体蠕墨铸铁的基体金相组织，根据GB/T 26656-2011中蠕化率定量分析软件，可得出炉材料的蠕化率分别为93.5％，90.2％，珠光体含量分别为85.2％，83.5％。

表1实施例合金的化学成分(余量为Fe及不可避免杂质，单位wt.％)

编号	C	Si	Mn	P	S	Cu	Mg	RE
									实施例1	3.78	1.60	0.012	0.02	0.018	0.95	0.0195	0.008
实施例2	3.65	1.96	0.01	0.015	0.019	0.80	0.0185	0.005

表2实施例合金的力学性能、金相组织

Claims

1.碳化硅增强合成蠕墨铸铁材料，其特征在于：

按质量百分比包括如下成分，C：3.0-4.0％，Si：1.0-2.0％，Mn：0.0-0.2％，P<0.03％，S<0.03％，Ti：0.00-0.05％，Cu：0.0-1.2％，Mg：0.006-0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质；

所述的碳化硅增强合成蠕墨铸铁材料的制备方法，包括以下步骤：

(4)待铁液温度为1400℃，将所需的废铜加入溶体进行熔炼，熔化后不断进行造渣，扒渣，高温静置6-8分钟，达到1530-1535℃铁液后出炉，出炉时进行蠕化孕育处理；出炉完搅拌铁液1分钟；

碳化硅的预处理工艺为使用工业级40％HF处理3-6小时，晾干后预热干燥，预热温度为300-320℃，保温1h；

蠕化剂和孕育剂的粒度为6-12mm，石墨增碳剂的粒度为5-10mm。