一种锡铌复合合金化灰铸铁及其生产工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种锡铌复合合金化灰铸铁，包括以下重量百分比含量的元素：C：3.5-4.0%，Si：1.8-2.8%，Mn：0.6-1.0%，P：0.02-0.08%，S：0.02-0.10%，Sn：0.02-0.10%，Nb：0.07-0.40%，Fe余量。根据性能的要求，可以添加如下的一种或几种元素：Cu：0.3-0.8%，Cr：0.2-0.7%，Ni：0.2-2.0%，Mo：0.2-1.0%，V：0.01-0.07%，Ti：0.01-0.07%。该灰铸铁采用复合加入Sn，Nb合金显著细化了铸铁中石墨和珠光体，且使珠光体含量提高到98%以上，显著提高了铸铁的硬度、抗压强度、弹性模量。可用于高档汽车制动盘、发动机气缸盖、活塞环，性能稳定，成本低廉。
【专利说明】一种锡铌复合合金化灰铸铁及其生产工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种锡铌复合合金化灰铸铁，属于铸造合金领域。
【背景技术】
[0002]灰铸铁具有优良的铸造成型性能、切削加工性能、耐磨耐热性能、减震性能且成本低廉，被广泛的应用于机械制造、冶金、石油化工、交通运输、建筑和国防工业各部门。[0003]磨损是机械零件失效的三大(磨损、腐蚀、断裂)主要形式之一。根据大量的数据统计，80%以上的损坏零件都是由磨损直接或间接导致的。与其他金属材料相比，灰铸铁具有良好的减磨作用，因为在摩擦时石墨本身起着润滑剂的作用，而在加润滑油的情况下，石墨剥落处能储存润滑油，保证使用过程中油膜的连续性。因此，灰铸铁作为耐磨材料被广泛应用于刹车盘、发动机汽缸盖、活塞环、机床导轨等。上述零件都在较高的温度下工作，所以还要求灰铸铁具有高的高温强度和优良的热疲劳性能。普通灰铸铁已不能满足现代工业的要求。微合金化能显著提高灰铸铁的强度，同时使灰铸铁具有优良的热疲劳性能。专利CN101781734A公开了一种制动鼓用钒钛铸铁，该方案中灰铸铁碳当量较低，导热性能相对较差，易出现热裂纹；专利CN101586206A公开了一种铜铬高硅合金灰铸铁。本发明提出了一种Sn，Nb复合合金化对铸铁中片状石墨和珠光体组织同时起到显著细化作用的高碳当量灰铸铁及其生产方法，使灰铸铁的强度得到有效提高。
【发明内容】
[0004]本发明提出一种Sn，Nb复合合金化的高强度高碳当量灰铸铁及其生产方法。Sn，Nb复合合金化显著细化了铸铁中的石墨和珠光体组织，并增加了珠光体含量，有效地提高了灰铸铁的强度，所得铸铁的硬度大于160HB，抗压强度大于600MPa。
[0005]本发明的Sn，Nb复合合金化灰铸铁的成分(重量百分比)为:C:3.5-4.0%，Si:
1.8-2.8%, Mn:0.6-1.0%, P:0.02-0.08%, S:0.02-0.10%, Sn:0.02-0.10%, Nb:0.07-0.40%,Fe余量。根据需要还可添加如下的一种或几种元素=Cu:0.3-0.8%, Cr:0.2-0.7%，Ni:
0.2-2.0%, Mo:0.2-1.0%, V:0.01-0.07%, Ti:0.01-0.07%。其中，Sn, Nb 复合合金化灰铸铁中的珠光体含量在98%以上。
[0006]本发明还提供了上述铸铁的生产工艺，包括如下步骤:
(I)合金熔炼:采用铸造生铁、低、中碳碳素废钢材、回收的同类铸铁、纯铜、纯锡、锰、铌、铬、镍、钥、钒、钛等合金材料为原料。按各元素重量百分比进行配料:c:3.5-4.0%，Si:
1.8-2.8%, Mn:0.6-1.0%, P:0.02-0.08%, S:0.02-0.10%, Sn:0.02-0.10%, Nb:0.07-0.40%,Fe余量。根据性能的要求，可以添加如下的一种或几种元素:Cu:0.3-0.8%，Cr:0.2-0.7%，Ni:0.2-2.0%, Mo:0.2-1.0%, V:0.01-0.07%, Ti:0.01-0.07%
合金铸铁采用常规的中频感应炉熔炼，先将铸造生铁、低、中碳碳素废钢材、回收的同类铸铁件加入炉内，根据性能要求可同时加入其它合金元素Cu, Cr，Ni, Mo。然后升温到14000C~1430°C，根据炉内铁液成分化验结果调整成分，调整好成分后将铁水温度提高到1490°C _1540°C，所有原料熔化后在炉内保温10-20分钟使其成分均匀化后出铁水。铁水出炉温度控制在1500°C~1550°C。Nb在铁水出炉前10-15分钟时加入炉内。如果需要加入V, Ti合金则在出炉前10-15分钟加入炉内；
(2)孕育及变质改性处理:在包内加入铁水重量0.3-0.6%的孕育剂(75SiFe)和一定量的金属锡，将步骤(1)中所得铁水倒入浇包内进行包内孕育及变质改性处理，适度搅拌并孕育2-5分钟,孕育完马上烧注；
(3)浇注:将经过步骤(2)处理后的铁水在温度为1400±20°C时进行浇注，10分钟内浇注完毕。
[0007]本发明所得的高碳当量Sn，Nb复合合金化灰铸铁中，利用了锡对铸铁中片状石墨的显著细化和铌显著细化珠光体组织的作用，同时锡、铌还能提高珠光体的转变量。复合加入Sn, Nb后，铸铁中石墨和珠光体都显著细化(附图1、2、3、4)，且使组织中的珠光体含量提高到98%，从而显著提高了铸铁的硬度、抗压强度、弹性模量。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为普通灰铸铁的石墨形貌
图2为锡铌复合合金化灰铸铁的石墨形貌
图3为普通灰铸铁中珠光体片间距的金相图
图4为锡铌复合合金化灰铸铁中珠光体片间距的金相图。
【具体实施方式】
[0009]实施例一:
本发明锡铌复合合金化灰铸铁的一种配方为:C:3.82%，S1:1.97%, Mn:0.68%，P:0.05%, S:0.05%, Sn:0.058%, Nb:0.19%, Fe 余量这种灰铸铁的生产工艺，包括以下步骤:
(1)合金熔炼:采用铸造生铁、低、中碳碳素废钢材、回收的同类铸铁、纯锡、锰铁、铌铁等为原料
合金铸铁采用常规的中频感应炉熔炼，先将铸造生铁、低、中碳碳素废钢材、回收的同类铸铁件加入炉内。然后升温到1400°C~1430°C，根据炉内铁液成分化验结果调整成分，调整好成分后将铁水温度提高到1490°C _1540°C，所有原料熔化后在炉内保温10-20分钟使其成分均匀化后出铁水。Nb在铁水出炉前10-15分钟时加入炉内，铁水出炉温度控制在15000C ~1550°C ；
(2)孕育及变质改性处理:在包内加入铁水重量0.3-0.6%的孕育剂(75SiFe)和一定量的金属锡，将步骤(1)中所得铁水倒入浇包内进行包内孕育及变质改性处理，适度搅拌并孕育2-5分钟,孕育完马上烧注；
(3)浇注:将经过步骤(2)处理后的铁水在温度为1400±20°C时进行浇注，10分钟内浇注完毕
实施例二:
本发明锡铌复合合金化灰铸铁的一种配方为:C:3.78%，S1:2.48%，Mn:0.66%，P:0.04%, S:0.06%, Cu:0 .41%, Cr:0.33%, Sn:0.037%, Nb:0.12%, Fe 余量。(Cu、Cr 随冷料一起加入炉内，其它生产工艺同实施例一)
实施例三:
本发明锡铌复合合金化灰铸铁的一种配方为:C:3.86%，Si:2.15%，Mn:0.64%，P:0.05%, S:0.06%, Cu:0.45%, Cr:0.29%, V:0.06%, T1:0.07%, Sn:0.029%, Nb:0.094%, Fe 余量。(Cu、Cr随冷料一起加入炉内，V、Ti合金在出炉前10-15分钟加入炉内，其它生产工艺同实施例一)
实施例四:
本发明锡铌复合合金化灰铸铁的一种配方为:C:3.89%，S1:2.33%，Mn:0.63%，P:0.05%, S:0.05%, Cu:0.46%, Cr:0.36%, Mo:0.24%, Sn:0.037%, Nb:0.13%, Fe 余量。(Cu,Cr,
Mo随冷料一起加入炉内，其它生产工艺同实施例一)
实施例五: 本发明锡铌复合合金化灰铸铁的一种配方为:C:3.94%，S1:2.18%，Mn:0.68%，P:0.05%, S:0.05%, Cu:0.44%, Cr:0.39%, N1:0.25%, V:0.06%, T1:0.07%, Sn:0.039%, Nb:0.098%，Fe余量。(Cu、Cr、Ni随冷料一起加入炉内，V、Ti合金在出炉前10-15分钟加入炉内，其它生产工艺同实施例一)
实施例六:
本发明锡铌复合合金化灰铸铁的一种配方为:C:3.72%，S1:2.61%，Mn:0.68%，P:0.05%, S:0.05%, Cu:0.45%, Cr:0.36%, N1:0.25%, Mo:0.24%, V:0.06%, T1:0.07%, Sn:0.041%，Nb:0.12%，Fe余量。(Cu、Cr、N1、Mo随冷料一起加入炉内，V、Ti合金在出炉前10-15分钟加入炉内，其它生产工艺同实施例一)
实施例七:
本发明锡铌复合合金化灰铸铁的一种配方为:C:3.53%，S1:2.28%，Mn:0.69%，P:0.04%, S:0.06%, Cu:0.49%, Cr:0.31%, Mo:0.26%, V:0.06%, T1:0.07%, Sn:0.041%, Nb:
0.26%，Fe余量。(Cu、Cr、Mo随冷料一起加入炉内，V、Ti合金在出炉前10-15分钟加入炉内，其它生产工艺同实施例一)
实施例八:
本发明锡铌复合合金化灰铸铁的一种配方为:C:3.52%，S1:1.86%, Mn:0.55%，P:
0.04%, S:0.06%, Cu:0.7%, Cr:0.22%, Mo:0.22%, Ni:0.21%, Sn:0.07%, Nb:0.23%, Fe 余量。(Cu、Cr、N1、Mo随冷料一起加入炉内，其它生产工艺同实施例一)
实施例九:
本发明锡铌复合合金化灰铸铁的一种配方为:C:3.52%，S1:2.08%，Mn:0.56%，P:
0.04%, S:0.06%, Cu:0.66%, Cr:0.19%, Ni:0.28%, Sn:0.059%, Nb:0.28%, Fe 余量。(Cu,Cr,
Ni随冷料一起加入炉内，其它生产工艺同实施例一)。
【权利要求】
1.一种锡铌复合合金化灰铸铁，其特征在于该灰铸铁所含的合金元素为(重量百分数):C:3.5-4.0%, Si:1.8-2.8%, Mn:0.6-1.0%, P:0.02-0.08%, S:0.02-0.10%, Sn:0.02-0.10%, Nb:0.07-0.40%, Fe 余量。
2.根据权利要求1所述的一种锡铌复合合金化灰铸铁，其特征在于，根据性能的要求，可以添加如下的一种或几种元素:Cu:0.3-0.8%，Cr:0.2-0.7%，N1:0.2-2.0%，Mo:0.2-1.0%, V:0.01-0.07%, Ti:0.01-0.07%。
3.根据权利要求1所述的一种锡铌复合合金化灰铸铁，其特征在于，该灰铸铁的组织特征为珠光体+石墨，珠光体含量在98%以上，其碳当量CE为4.1-5.0%。
4.一种锡铌复合合金化灰铸铁的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤: (1)合金熔炼: 采用铸造生铁、低、中碳碳素废钢材、回收的同类铸铁、纯铜、纯锡、锰、铌、铬、镍、钥、钒、钛等合金材料为原料，按各元素重量百分比进行配料:c:3.5-4.0%，S1:1.8-2.8%，Mn:0.6-1.0%, P:0.02-0.08%, S:0.02-0.10%, Sn:0.02-0.10%, Nb:0.07-0.40%, Fe 余量，根据性能的要求，可以添加如下的一种或几种元素:Cu:0.3-0.8%，Cr:0.2-0.7%，N1:0.2-2.0%，Mo:0.2-1.0%, V:0.01-0.07%, Ti:0.01-0.07% 合金铸铁采用常规的中频感应炉熔炼，先将铸造生铁、低、中碳碳素废钢材、回收的同类铸铁件加入炉内，根据性能要求可同时加入其它合金元素Cu，Cr, Ni, Mo，然后升温到1400°C~1430°C，根据炉内铁液成分化验结果调整成分，调整好成分后将铁水温度提高到14900C _1540°C，所有原料熔化后在炉内保温10-20分钟使其成分均匀化后出铁水，铁水出炉温度控制在1500°C~1550°C，Nb在铁水出炉前10-15分钟时加入炉内，如果需要加入V，Ti合金则在出炉前10-15分钟加入炉内； (2)孕育及变质改性处理: 在包内加入铁水重量0.3-0.6%的孕育剂(75SiFe)和一定量的金属锡，将步骤(1)中所得铁水倒入浇包内进行包内孕育及变质改性处理，适度搅拌并孕育2-5分钟，孕育完马上浇注； (3)浇注: 将经过步骤(2 )处理后的铁水在温度为1400 土 20 °C时进行浇注，10分钟内浇注完毕。
5.根据权利要求4所述的生产工艺，其 特征在于:Nb在铁水出炉前10-15分钟加入炉内；如果需要加入V，Ti合金则在出炉前10-15分钟加入炉内。
6.根据权利要求4所述的生产工艺，其特征在于:金属锡破碎成小于5mm的颗粒或块在浇注前与孕育剂一起用纸或铝箔包好，在铁水注入铁水浇包的1/3后将孕育剂与金属锡的混合料丢进铁水包里，利用冲入的铁水使孕育剂和金属锡在铁水中混合均匀。
【文档编号】C22C37/10GK103834852SQ201410100589
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2014年3月19日
【发明者】黄维刚, 秦英, 黄雪飞 申请人:四川大学