CN114525374A

CN114525374A - 一种高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂及制备方法

Info

Publication number: CN114525374A
Application number: CN202210105407.5A
Authority: CN
Inventors: 宋向阳; 靳存文; 邢贝贝; 徐清军; 张学魁; 张新霞
Original assignee: Henan Golden Sun Precision Casting Co ltd
Current assignee: Henan Golden Sun Precision Casting Co ltd
Priority date: 2022-01-28
Filing date: 2022-01-28
Publication date: 2022-05-24

Abstract

本发明涉及一种高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂及制备方法，包含以下质量百分比的元素：Si 36～37％，V 6～7％，Mn 1.5～2.5％，Cr 5.2～6.4％，N 2.0～2.4％，Ca 0.4～0.6％，余量为Fe。该孕育剂加入钒、锰、铬元素，以及其他少量元素，通过单一元素和各元素之间的协同作用提高孕育效果，促进了弯曲、细小、钝化的A型石墨的形成；增加了珠光体的含量，减小珠光体层片间距和优化了共晶团组织，提高了灰铸铁的强度、刚度，改善了铸件的切削加工性能。

Description

一种高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂及制备方法

技术领域

本发明涉及铸件铸造生产技术领域，具体涉及一种高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂及制备方法。

背景技术

灰铸铁由于其优良的铸造性能、切削加工性能、良好的耐磨和减振性能，被广泛用于生产机床零部件、国防科技、交通运输等行业。随着国家制造业的高速发展，现有生产的灰铸铁材质已不能满足高性能要求，特别是对于工业母机-机床行业的零部件产品，要求高强度、高刚度和低应力等高性能指标。也就意味着对灰铸铁组织中的石墨形态尺寸、珠光体基体特征、初生奥氏体枝晶形态以及共晶团特征这四种因素有着更高的要求。因此在铸件生产过程中，通常在熔炼过程中加入硅、钙等合金元素进行孕育处理，以达到消除白口，细化珠光体组织，促进石墨化的目的，进而改善铸件的性能的目的。

发明内容

本发明是为了提高细小均匀分布的A型石墨，同时对基体的石墨进行钝化，改善灰铸铁铸件的切削加工性能，降低白口倾向，细化珠光体组织，提高灰铸铁铸件抗拉强度、刚度和硬度，生产出具有高强度、高刚度、低应力和高耐磨性的机床床身铸件，从而提供一种高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂，包含以下质量百分比的元素：Si 36～37％，V 6～7％，Mn 1.5～2.5％，Cr 5.2～6.4％，N 2.0～2.4％，Ca 0.4～0.6％，余量为Fe。

进一步优选，还包含Sc，Sc的质量百分比为1.7～2.1％。

进一步优选，还包含Y，Y的质量百分比为0.70～0.86％。

进一步优选，还包含Zn，Zn的质量百分比为0.15～0.2％。

高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂的制备方法，包括如下步骤：

S1：称取原料：硅铁、氮化钒铁、氮化锰铁、铬铁、钪钇石和金属锌，并将各原料破碎成小块备用；

S2：将S1制备的硅铁、氮化钒铁、氮化锰铁、铬铁和金属锌小块混合并熔炼熔合；

S3：将S2熔炼后料浆浇注至水冷模型中进行铸锭；

S4：将S3铸锭完成后的产物进行冷却、破碎、筛分；

S5：将S1破碎后的钪钇石与S4处理后的产物进行二次破碎，之后进行机械混合，即可得到含钪钇的钒锰铬孕育颗粒。

进一步优选，S1中各原料破碎成4～8mm的小块。

进一步优选，S2中采用100KW的感应电炉进行熔炼，其中电炉的频率为200—1000HZ，熔炼温度为1350℃～1400℃，熔炼时间为25～30分钟。

进一步优选，所述感应电炉内采用氩气置换出炉内空气，用于使得感应电炉内处于氩气保护状态。

进一步优选，S3中的水冷模型是由下模和镶块组成，所述模腔内充有氩气作为保护气体，镶块内带有双层水循环通道，用于加快冷却速度，减小温度差。

进一步优选，S5中所制备出含钪钇的钒锰铬孕育颗粒的粒度为0.5～7mm。

有益效果：一种高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂，包含以下质量百分比的元素：Si 36～37％，V 6～7％，Mn 1.5～2.5％，Cr 5.2～6.4％，N 2.0～2.4％，Ca 0.4～0.6％，余量为Fe，其中各元素的机理如下：

主要元素：

Si：孕育剂的主要成分，可以降低碳在奥氏体中的溶解度，促进石墨形核，改变石墨的形态及细化程度，含量不能过低，否则会产生白口；

V：细化石墨和基体，促进珠光体的形成，但V含量过高会产生白口，同时增加成本；

Mn：溶于基体及碳化物中，形成大量结晶核心，抑制铁素体的形成，细化珠光体，提高孕育效果，含量不宜过高；

Cr：属于反石墨化元素，细化珠光体，加入Cr适量能够提高灰铸铁硬度和耐磨性；

微量元素：

Ca：微量元素，强脱硫剂，有利于石墨成核；

N：可使石墨片长度缩短，弯曲程度增加，端部钝化，少量的氮元素可以稳定珠光体，抑制铁素体的生成，若N含量较高促进D型石墨和氮气孔的生成。

以上各元素之间具有协同作用：Mn可以与S形成MnS，成为石墨的核心，促进石墨化，在Cr的共同作用下强烈促进了珠光体的形成，提高灰铸铁的硬度和耐磨性；Ca：可与O和S形成化合物，更有利于石墨成核；少量N和C能与V反应生成细小的钒碳氮化合物，可以增加初生奥氏体枝晶数目，获得较高数量的共晶团组织，可以显著提高铸件的耐磨性。

附图说明

图1是本发明中对照组和优化组灰铸铁试样的石墨组织对照图；

图2是本发明中对照组和优化组灰铸铁试样基体组织样貌对照图；

图3是本发明中对照组和优化组灰铸铁试样的初生奥氏体枝晶形貌对照图；

图4是本发明中对照组和优化组灰铸铁试样的共晶团组织。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图1～4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1：

一种高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂，包含以下质量百分比的元素：Si：36.2％，V：6.5％，Mn：2％，Cr：5.8％，N：1.62％，Ca 0.49％，Sc：1.9％，Y 0.78％，Zn 0.2％；

S1：称取原料：硅铁(72％Si，1％Ca，1.5％Al)48.6份、氮化钒铁(65％V，16.5％N)10份、氮化锰铁(78.5％Mn，5.2％N)2.5份和铬铁(50％Cr)11.6份、钪钇石(34％Sc，13.9％Y，21.8％Si，30％O)5.6份和金属锌0.175份，并将各原料使用锤式破碎机破碎成4～8mm小块，备用，钪钇石原料单独存放；

S2：将S1制备的硅铁、氮化钒铁、氮化锰铁、铬铁和金属锌小块进行混合干燥，随后放入100KW(200—1000HZ)的中频感应电炉中(除钪钇石)，进行熔炼熔合，其中熔炼温度为1350℃～1400℃，时间为25～30分钟左右；熔炼时，用氩气置换炉内空气，使电炉中处于氩气保护气氛，可减少元素的氧化、烧损和挥发。另外，在熔炼时采用磁力搅拌方式进行不断搅拌，使得金属液中的各元素更加均匀混合，直至完全熔化，无生料；

S3：将S2熔炼后料浆浇注至充有惰性气体氩气作为保护气体的水冷模型中进行铸锭；其中，浇注水冷模型由上下模和镶块组成，模腔内充入氩气作为保护气，镶块内带有双层水循环通道，能使冷却温度梯度减小，加快冷却速度，提高组织致密性和孕育剂的质量；

S4：将S3铸锭完成后的产物进行冷却、破碎、筛分；

S5：将S1破碎后的钪钇石与S4处理后的产物进行二次破碎，采用机械混合，制得颗粒粒度为0.5～7mm的含钪钇的钒锰铬孕育颗粒。

实施例2：

一种高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂，包含元素及质量百分比为：Si36％，V 6.5％，Mn 2％，Cr 5.8％，N 1.62％，Ca 0.486％，Sc 1.7％，Y 0.7％，Zn 0.2％。

S1：称取原料：硅铁(72％Si，1％Ca，1.5％Al)48.6份、氮化钒铁(65％V，16.5％N)9.2份、氮化锰铁(78.5％Mn，5.2％N)1.9份和铬铁(50％Cr)10.4份、钪钇石(34％Sc，13.9％Y，21.8％Si，30％O)5份和金属锌0.15份，并将各原料使用锤式破碎机破碎成4～8mm小块，备用，钪钇石原料单独存放；

S2：S2：将S1制备的硅铁、氮化钒铁、氮化锰铁、铬铁和金属锌小块进行混合干燥，随后放入100KW(200—1000HZ)的中频感应电炉中(除钪钇石)，进行熔炼熔合，其中熔炼温度为1350℃～1400℃，时间为25～30分钟左右；熔炼时，用氩气置换炉内空气，使电炉中处于氩气保护气氛，可减少元素的氧化、烧损和挥发。另外，在熔炼时采用磁力搅拌方式进行不断搅拌，使得金属液中的各元素更加均匀混合，直至完全熔化，无生料；

S4：将S3铸锭完成后的产物进行冷却、破碎、筛分；

实施例3：

一种高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂，包含元素及质量百分比为：Si：36.3％，V：7％，Mn：2.5％，Cr：6.4％，N：1.92％，Ca 0.495％，Sc：2.1％，Y 0.86％，Zn0.2％；

S1：称取原料：硅铁(72％Si，1％Ca，1.5％Al)48.6份、氮化钒铁(65％V，16.5％N)10.7份、氮化锰铁(78.5％Mn，5.2％N)3.1份和铬铁(50％Cr)12.8份、钪钇石(34％Sc，13.9％Y，21.8％Si，30％O)6.2份和金属锌0.2份，之后将上述原料使用锤式破碎机破碎成4～8mm小块，备用，钪钇石原料单独存放；

S4：将S3铸锭完成后的产物进行冷却、破碎、筛分；

该孕育剂的作用机理：

(1)主要元素：

Si(35％)：孕育剂的主要成分，可以降低碳在奥氏体中的溶解度，促进石墨形核，改变石墨的形态及细化程度，含量不能过低，否则会产生白口；

V(6～7％)：细化石墨和基体，促进珠光体的形成，但V含量过高会产生白口，同时增加成本；

Mn(1.5～2.5％)：溶于基体及碳化物中，形成大量结晶核心，抑制铁素体的形成，细化珠光体，提高孕育效果，含量不宜过高；

Cr(5.2～6.4％)：属于反石墨化元素，细化珠光体，加入Cr适量能够提高灰铸铁的硬度和耐磨性。

(2)微量元素：

Ca(0.4～0.6％)：微量元素，强脱硫剂，有利于石墨成核；

N(2.0～2.4％)：可使石墨片长度缩短，弯曲程度增加，端部钝化，少量的氮元素可以稳定珠光体，抑制铁素体的生成，若N含量较高，则会促进D型石墨和氮气孔的生成；

Sc(1.7～2.1％)和Y(0.7～0.86％)：强烈的脱硫、脱氧能力使铁液净化，石墨化能力和抗衰退性能较好，使石墨尖端钝化，增加并细化奥氏体枝晶，为石墨析出提供了大量外来核心，为改善铸铁的组织和性能创造了条件，也可以抑制激冷。Zn(0.2％)：含量极低时可以促进石墨的形成，也可以稳定和细化珠光体，提高力学和使用性能，含量较高会导致白口倾向增加。

协同效果：

本发明的高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂的中含有元素Si、V、Mn、Cr、N、Ca、Sc、Y和Zn等，各元素之间具有协同作用。Mn可以与S形成MnS，成为石墨的核心，促进石墨化，在Cr的共同作用下强烈促进了珠光体的形成，提高灰铸铁的硬度和耐磨性；Ca：可与O和S形成化合物，更有利于石墨成核；少量N和C能与V反应生成细小的钒碳氮化合物，可以增加初生奥氏体枝晶数目，获得较高数量的共晶团组织，可以显著提高铸件的耐磨性。同时Sc、Y、Zn的共同作用，可以降低铁液中的S和O含量，净化铁液，还可以钝化石墨尖端，使石墨更加弯曲，有利于获得细小均匀分布的A型石墨，可以提高灰铸铁的强度和硬度。

应用案例：

通过实施例1～3制备出的含钪钇的钒锰铬孕育剂均具有良好的孕育能力，其中实施例1制备的孕育剂效果最好，该高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂能促进灰铸铁的石墨化，提高基体中的共晶团组织数量，提高灰铸铁的抗拉强度和硬度，有利于获得细小均匀分布的A型石墨，使石墨尖端钝化，同时抑制了白口倾向，提高灰铁的耐磨性、强度和硬度，适当的改善了切削加工性能。

以下以实施例1为例，将一定比例的生铁废钢干燥后，在100KW(200—1000Hz)中频感应熔炼，为保证铁水具有良好的流动性和充型性，铁液出炉温度为1480～1500℃；随后将铁液进行包内孕育，钢包孕育剂粒度为0.5mm～7mm，加入量为铁液质量的0.4％，使用前保证干燥。铁液充分孕育后，将铁液在1360℃～1380℃浇铸到直径为φ30mm×300mm的树脂砂试样中冷却，得到优化后的灰铸铁试样，将72硅铁孕育剂孕育的铁液设置为对照组，对照组的熔炼出炉温度和浇铸温度与优化组保持一致。为保证灰铸铁成分符合设计要求，在浇铸前取少量铁液制作白口试样，利用直读光谱仪进行成分测定，测定结果如下表1：

表1灰铸铁试样化学成分(wt.％)

对优化组灰铸铁与对照灰铸铁试样进行力学性能测试，其对比结果如下表2所示：

表2灰铸铁试样力学性能

由表2可以得出：对照组灰铸铁试样中的抗拉强度、布氏硬度以及弹性模量较低，优化后灰铸铁试样中共晶团组织的数量有明显增加，尺寸也更加细小，且分布较均匀，同时试样中初生奥氏体枝晶数量增多，减小了枝晶间距，细化了二次枝晶，石墨形态更加弯曲、细小，同时珠光体组织更加细化，进而提高了灰铸铁的强度、刚度和硬度。

如图1所示，图1(a)为对照组灰铸铁石墨组织，图1(b)为优化组灰铸铁石墨组织，对照组灰铸铁试样中石墨为A型石墨和D型石墨(约10％)，石墨相对较长，为3～4级。优化组灰铸铁试样中石墨为A型石墨，石墨形状更加弯曲，端部钝化，石墨长度为4级，可以看出，优化组孕育处理后石墨的形态得到进一步改善，是因为本发明中孕育剂中Sc、Y能与O、S反应生成氧化物和硫化物，增加了石墨的形核。

如图2所示，图2(a)和图2(b)对照组灰铸铁试样基体组织形貌，图2(c)和图2(d)为优化组灰铸铁试样的基体组织形貌。优化组灰铸铁试样的基体组织均为珠光体和少量铁素体，且孕育优化后组织更加细化，珠光体量增加含量在98％以上，铁素体量减少。这是因为优化组的孕育剂中Cr元素的加入，强烈促进珠光体形成的元素，与其他元素共同作用使得基体中的白亮铁素体数量减少。同时优化组的孕育剂中的Mn元素，抵消了硫阻碍石墨化的作用，促进了珠光体的形成，细化了组织，使粗片状珠光体减少，珠光体组织更加细化，提高灰铸铁的耐磨性、强度和硬度。

如图3所示，图3(a)为对照组灰铸铁试样的初生奥氏体枝晶形貌，图3(b)为优化组灰铸铁试样的初生奥氏体枝晶形貌。优化组灰铸铁试样中初生奥氏体枝晶间距较大，数量较少，有一定的网络结构，是由于优化组所采用的孕育剂中少量N能与V反应生成氮化物，增加了灰铸铁试样中初生奥氏体枝晶数量，使空间网络结构更加复杂，减小了枝晶间距较小，细化了二次枝晶，阻碍了石墨的生长，使石墨形态更加弯曲、细小，提高了灰铁的抗拉强度和硬度。

如图4所示，图4(a)为对照组灰铸铁试样的共晶团组织，图4(b)为优化组灰铸铁试样的共晶团组织。对照组灰铸铁试样中的共晶团组织尺寸较大，共晶团数量较少；优化组灰铸铁试样中共晶团组织的数量有明显增加，尺寸也更加细小，且分布较均匀。这是因为优化组孕育后灰铸铁组织中初生奥氏体枝晶数量增多，这可以促进共晶团的形核，由于初生奥氏体枝晶较为细化，共晶团在生长时组织受到空间限制，从而共晶团组织得到了细化，进而提高了灰铸铁的强度和刚度。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂，其特征在于：包含以下质量百分比的元素：Si 36～37％，V 6～7％，Mn 1.5～2.5％，Cr 5.2～6.4％，N 2.0～2.4％，Ca 0.4～0.6％，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的一种高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂，其特征在于：还包含Sc，Sc的质量百分比为1.7～2.1％。

3.根据权利要求1所述的一种高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂，其特征在于：还包含Y，Y的质量百分比为0.70～0.86％。

4.根据权利要求1所述的一种高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂，其特征在于：还包含Zn，Zn的质量百分比为0.15～0.2％。

5.根据权利要求1～4任一项所述高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S3：将S2熔炼后料浆浇注至水冷模型中进行铸锭；

S4：将S3铸锭完成后的产物进行冷却、破碎、筛分；

6.根据权利要求5所述高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂的制备方法，其特征在于：S1中各原料破碎成4～8mm的小块。

7.根据权利要求5所述高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂的制备方法，其特征在于：S2中采用100KW的感应电炉进行熔炼，其中电炉的频率为200—1000HZ，熔炼温度为1350℃～1400℃，熔炼时间为25～30分钟。

8.根据权利要求5所述高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂的制备方法，其特征在于：所述感应电炉内采用氩气置换出炉内空气，用于使得感应电炉内处于氩气保护状态。

9.根据权利要求5所述高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂的制备方法，其特征在于：S3中的水冷模型是由下模和镶块组成，所述模腔内充有氩气作为保护气体，镶块内带有双层水循环通道，用于加快冷却速度，减小温度差。

10.根据权利要求5所述高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂的制备方法，其特征在于：S5中所制备出含钪钇的钒锰铬孕育颗粒的粒度为0.5～7mm。