用于灰铸铁的非晶孕育剂及其制备方法和使用方法与流程

本发明属于铸铁合金，特别是涉及用于灰铸铁的非晶孕育剂及其制备方法和使用方法。

背景技术：

灰铸铁具有良好的耐磨性、减震性和切削加工性，并具有较高的抗压强度，故在工业上应用极广。

由于灰铸铁中的碳主要以片状石墨的形式分布于金属基体中，其断口呈暗灰色，因此可把灰铸铁看作是钢的基体加上片状石墨组成。由于石墨的强度相对于金属基体来说是极小的，所以灰铸铁的组织可看作是钢的基体上存在着许多“裂纹”，因而它的抗拉强度、塑性和冲击韧度就有极限，为此提高灰铸铁性能成为铸造业追求的目标。

目前提高灰铸铁性能的主要方法是：1、合理选择化学成分，对灰铸铁性能影响最大的因素是碳当量。根据所希望获得的组织和性能，选取合适的碳、硅含量。降低碳当量可减少石墨数量、细化石墨、增加初析奥氏体枝晶量，但降低碳当量会导致铸造性能降低、铸件断面敏感性增大、铸件内应力增加、硬度上升、加工困难等问题。2、改变炉料组成，灰铸铁的金属炉料一般由新生铁、废钢、回炉料和铁合金等组成。加入废钢，降低铁液含碳量，可以提高灰铸铁的力学性能。但对废钢的化学成分有严格要求并且不能有锈蚀。3、铁液孕育处理，在高强度灰铸铁生产中，采用孕育处理时提高强度、改善石墨形状及其分布的很有效手段，已得到普遍应用。但主要缺点有俩个方面：一是孕育剂消耗量大；二是孕育不良将导致白口倾向的加大及力学性能的下降。4、低合金化，灰铸铁的合金化是提高其力学性能和使用性能。但是合金元素的加入，增加材料成本。

现在普遍使用的孕育剂是细粒状料、由粉料加粘结剂制成的块料或预制块，存在改性不彻底特别是对于铸件强度的改善效果差的实际问题。

授权公告号CN103111609B公开了一种非晶态合金孕育处理铸造铝合金方法，所述孕育剂包括Zr系、Ni系、Cu系、Al系和Ti系多元非晶合金，成分按原子百分比为：Zr50Cu50；Zr55Cu30Al10Ni5；Zr65Cu15Al10Ni10；(Zr55Cu30Al10Ni5)95La5；Ni60Nb25Ti15；Ni70Nb10Ti10Zr10；Cu47Ti34Zr11Ni8；Cu47Ti34Zr11Ni8；Ti50Cu45Ni5；Ti50Cu45Ni5；Al84Ni10La6；(1)孕育剂的制备：a)在高纯氩气的保护下，将按一定比例混合的纯金属物料，在高真空多功能电弧炉中熔炼成合金，并吸铸成棒材；b)然后将棒材通过高真空感应加热单辊旋淬系统制成非晶条带。孕育处理的工艺参数为：将制备好的非晶薄带在铝合金浇铸之前加入铝合金熔体，铝合金熔体温度为750℃-770℃；非晶孕育剂加入量为铝合金重量的0.05-1.0wt.％；孕育处理时间为15-600秒；辅助机械搅拌0-300秒；辅助超声震荡0-180秒。该方法的孕育剂是薄条带状，便于在熔体中分散、均匀，其团簇和纳米晶逐步分散于铝合金熔体中，作为α-Al的异质形核核心，显著地增加了铝合金熔体中初生α-Al形核的核心数量，从而十分明显地细化了α-Al晶粒。

授权公告号CN102011026B公开了航空紧固件用钛合金及其制备方法，其中涉及的非晶钛合金孕育剂的原料按元素的质量百分比为Cu：10％～15％、Ni：10％～15％、Al：1％～5％、V：1％～5％、Fe：3％～10％、B：1％～5％、Zr：5％～10％、Cr：1％～5％，余量为Ti；非晶钛合金孕育剂的制备采用极速冷却法，首先在真空电弧炉的真空度压力值＞2×10^-3Pa，起弧后的弧电流200A～300A，原料全部熔化后随炉冷却至室温，得到钛合金铸锭，再将所得钛合金铸锭在水冷铜坩埚中反复上述熔化和冷却至室温的熔炼操作过程4次～6次，得到成分相对均匀的钛合金铸锭，再将该成分相对均匀的钛合金铸锭在抽真空至真空度＞2×10^-3Pa的真空退火炉中于900℃～1100℃温度均匀化退火7h～10h，制得成分完全均匀化的钛合金铸锭；最后高纯氩气至真空度的压力值为0.06Pa～0.08Pa，将原料放入非自耗真空电弧炉的水冷铜坩埚中，调节钨电极位置，使之与水冷铜坩埚内放入的非晶钛合金孕育剂原料之间的距离为0.5mm～1.5mm，关闭炉门和放气阀，抽真空至真空度压力值＞2×10^-3Pa后，随后充入高纯氩气至真空度的压力值为0.06Pa～0.08Pa，起弧后调节弧电流逐步上升至200A～300A，整个过程都用高纯氩气保护，至全部原料熔化，随炉冷却至室温，得到钛合金铸锭，再将所得钛合金铸锭在水冷铜坩埚中反复上述熔化和冷却至室温的熔炼操作过程4次～6次，得到成分相对均匀的钛合金铸锭，将该成分相对均匀的钛合金铸锭在抽真空至真空度＞2×10^-3Pa的真空退火炉中于900℃～1100℃温度均匀化退火7h～10h，制得成分完全均匀化的钛合金铸锭；最后通过快淬法得到非晶钛合金条带，即为非晶钛合金孕育剂。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于公开一种用于灰铸铁的非晶孕育剂，另一目的在于公开所述非晶孕育剂的制备方法，再一个目的在于提供所述非晶孕育剂的使用方法。

本发明为实现上述目的采取以下技术方案：本发明的用于灰铸铁的非晶孕育剂，包括以下重量百分比的各元素：45-78的Si，0.8-3的Al，0-1的Sr，0-6的Ba，0-7的Zr，0-2的Mn，0-4的Cr，0-0.4的Cu，余量为Fe。

所述非晶孕育剂各元素重量百分比组成是：72-76的Si，0.8-2的Al，0-2的Mn，0-4的Cr，0-0.4的Cu，余量为Fe。

所述非晶孕育剂各元素重量百分比组成是：45-50的Si，0.8-2的Al，0-2的Mn，0-0.4的Cu，余量为Fe。

所述非晶孕育剂各元素重量百分比组成是：60-70的Si，0.8-3的Al，5-7的Zr，0-2的Mn，0-0.4的Cu，余量为Fe。

所述非晶孕育剂各元素重量百分比组成是：73-78的Si，0.8-2.5的Al，0.6-1的Sr，0-2的Mn，0-0.4的Cu，余量为Fe。

所述非晶孕育剂各元素重量百分比组成是：55-60的Si，0.8-2.5的Al，3-4的Ba，0-2的Mn，0-4的Cr，0-0.4的Cu，余量为Fe。

所述非晶孕育剂各元素重量百分比组成是：60-65的Si，0.8-2的Al，4-6的Ba，0-2的Mn，0-0.4的Cu，余量为Fe。

所述非晶孕育剂各元素重量百分比组成是：73-78的Si，0.8-3的Al，0-1.5的Zr，0-2的Mn，0-0.4的Cu，余量为Fe。

本发明的非晶孕育剂制备方法：将粒度为2-8mm的非晶孕育剂合金原料放入真空快淬炉的水冷铜坩埚，调节电极位置，使之与坩埚内的原料合金颗粒之间的距离为0.5～1.5mm，关闭炉门、进出料口和放气阀，抽真空至3-4×10^-3Pa后充入氩气，真空快淬炉压力保持在-0.04～-0.06Pa，起弧后调节弧电流逐步上升至650～800A，将坩埚内的原料合金熔化，待该合金全部熔化成液态时，倾斜该坩埚使得该合金熔液通过流道引至高速旋转的水冷钼轮使之极速凝固形成薄带状并沿钼轮切线方向抛出，落入真空炉体下部的收料仓得到非晶孕育剂，钼轮边缘线速度为46～55m/秒，钼轮表面温度为10～12℃。

所述薄带状非晶孕育剂，其平均厚度0.1～0.2mm，平均宽度0.3～0.7mm，平均长度0.7～0.8mm。

本发明非晶孕育剂的使用方法：在浇注前，将灰铸铁熔液从运转包倒入浇注包时随铁流添加非晶孕育剂；或，将非晶孕育剂直接铺设在浇注包底面，灰铸铁熔液从运转包倒入浇注包时与其混合，非晶孕育剂的添加量是浇注包灰铸铁熔液的0.03-0.12WT.％。

本发明的有益效果和优点在于：本非晶孕育剂可以降低界面能，使得液态时的原子间的结合能力大大减少，增加原子跳跃、移动的能力，从而使得液态原子近程有序的长度变短，提高了铁水的流动性；并且使液态高铬铸铁凝固时的过冷度增加，形核核心显著增加，改变了凝固方式，减少凝固温度区间，提高了形核率、增加了形核量。本非晶孕育剂可以使灰铸铁的共晶团数增多，石墨片长度变短，据比较共晶团数较一般灰铸铁平均增加40％以上、石墨片长度平均缩短23％以上，抗拉强度可提高15％以上。

本发明的非晶孕育剂中特定元素具有如下作用：

Si：促进石墨化、脱氧、脱氮作用；

Al：促进石墨化、脱氧、脱氮作用；

Sr：脱氧、脱硫、除气作用、减小白口、防止缩松缺陷、抗衰退；

Ba：脱氧、脱氮、抗衰退作用、减小铸铁断面敏感性；

Zr：脱氧、脱硫、除气作用，抗衰退、减少白口倾向；

Mn：降低熔点、使非晶孕育剂合金原料更容易熔入铁水、脱氧；

Cr和Cu：促进凝固石墨化，稳定珠光体的作用。

本发明的非晶孕育剂针对不同特性的灰铸铁以及对灰铸铁性能的要求细分为7种型号，各型号的非晶孕育剂分别由上述基本元素和可选择元素组合组成，均具有使相应灰铸铁显微组织高度均匀化和大幅度提高灰铸铁铸件的综合机械性能的突出优点。

附图说明

附图1是实施例1X射线多晶衍射仪连续扫描(1deg/min)的衍射谱图。

附图2是实施例1石墨形态100X对照图。

附图3是实施例2石墨形态100X对照图。

附图4是实施例3石墨形态100X对照图。

附图5是实施例4石墨形态100X对照图。

附图6是实施例5石墨形态100X对照图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步说明本发明。

实施例1

1型非晶孕育剂各元素重量百分比的组成是：

72的Si，2.0的Al，2.0的Mn，4.0的Cr，0.4的Cu，余量为Fe；或者是：74的Si，1.5的Al，1.0的Mn，2.0的Cr，余量为Fe；或者是：76的Si，0.8的Al，0.1的Cu，余量为Fe。

1型非晶孕育剂的制备方法：

将粒度为2-8mm的1型非晶孕育剂合金放入真空快淬炉的水冷铜坩埚内，调节电极位置，使之与坩埚内的原料合金颗粒之间的距离为0.5～1.5mm，关闭炉门、进出料口和放气阀，抽真空至3-4×10-3Pa后，充入保护气体氩气，真空快淬炉压力保持在-0.04～-0.06Pa范围内均可。起弧后调节弧电流逐步上升至650～800A，将坩埚内的原料合金熔化，待该合金全部熔化成液态时，倾斜该坩埚使得该合金熔液通过流道引至高速旋转的水冷钼轮使之极速凝固形成薄带状并沿钼轮切线方向抛出，落入真空炉体下部的收料仓得到非晶孕育剂。钼轮边缘线速度为46～55m/秒，钼轮表面温度为10～12℃。薄带状的非晶孕育剂其平均厚度0.1～0.2mm，平均宽度0.3～0.7mm，平均长度0.7～0.8mm。

1型非晶孕育剂的使用方法：将温度为1400～1500℃的HT300(牌号)灰铸铁熔液从运转包倒入浇注包时，随铁流添加1型非晶孕育剂而使两者混合，1型非晶孕育剂的添加量范围是浇注包中灰铸铁熔液的0.03-0.12WT.％。经孕育处理的灰铸铁熔液按常规方法实施浇铸。

图1表明1型非晶孕育剂在X射线多晶衍射仪连续扫描(1deg/min)的衍射谱图中呈非晶体状态。

图2中，图2a是未添加实施例1本孕育剂的试样石墨形态，石墨平均长度129.83μm。图2b是添加1型非晶孕育剂(实施例1第1种组成)试样石墨形态，石墨平均长度97.92μm。

实施例2

2型非晶孕育剂各元素重量百分比的组成是：

45的Si，2.0的Al，2.0的Mn，0.4的Cu，余量为Fe；或者是：47的Si，1.5的Al，1.0的Mn，余量为Fe；或者是：50的Si，0.8的Al，0.1的Cu，余量为Fe。

2型非晶孕育剂的制备方法和使用方法同实施例1。

图3中，图3a是未添加本实施例2孕育剂的试样石墨形态，石墨平均长度146.73μm，图3b是添加2型非晶孕育剂(实施例2第2种组成)试样石墨形态，石墨平均长度106.34μm。

实施例3

3型非晶孕育剂各元素重量百分比的组成是：

60的Si，3.0的Al，7.0的Zr，2.0的Mn，0.4的Cu，余量为Fe；或者是：65的Si，2.0的Al，6.0的Zr，1.0的Mn，余量为Fe；或者是：70的Si，0.8的Al，5.0的Zr，0.1的Cu，余量为Fe。

3型非晶孕育剂的制备方法和使用方法同实施例1。

图4中，图4a是未添加本实施例3孕育剂的试样石墨形态，石墨平均长度138.69μm，图4b是添加3型非晶孕育剂(实施例3第3种组成)试样石墨形态，石墨平均长度98.66μm。

实施例4

4型非晶孕育剂各元素重量百分比的组成是：

73的Si，2.5的Al，1.0的Sr，2.0的Mn，0.4的Cu，余量为Fe；或者是：75的Si，1.5的Al，0.8的Sr，1.0的Mn，余量为Fe；或者是：78的Si，0.8的Al，0.6的Sr，0.1的Cu，余量为Fe。

4型非晶孕育剂的制备方法同实施例1。

将4型非晶孕育剂直接铺设在浇注包底面后从运转包倒入温度为1400～1500℃的HT250(牌号)灰铸铁熔液，随灰铸铁熔液的倒入使4型非晶孕育剂与其混合，4型非晶孕育剂的添加量范围是运转包中灰铸铁熔液的0.03-0.12WT.％。

图5中，图5a是未添加本实施例4孕育剂的试样石墨形态，石墨平均长度133.87μm，图5b是添加4型非晶孕育剂(实施例4第1种组成)试样石墨形态，石墨平均长度102.37μm。

实施例5

5型非晶孕育剂各元素重量百分比的组成是：

55的Si，2.5的Al，3.0的Ba，2.0的Mn，4.0的Cr，0.4的Cu，余量为Fe；或者是：57的Si，1.5的Al，3.5的Ba，1.0的Mn，2.0的Cr，余量为Fe；或者是：60的Si，0.8的Al，4.0的Ba，0.1的Cu，余量为Fe。

5型非晶孕育剂的制备方法同实施例1，使用方法同实施例4。

图6中，图6a是未添加本实施例5孕育剂的试样石墨形态，石墨平均长度139.66μm，图6b是添加5型非晶孕育剂(实施例5第2种组成)试样石墨形态，石墨平均长度104.55μm。

实施例6

6型非晶孕育剂各元素重量百分比的组成是：

60的Si，2.0的Al，6.0的Ba，2.0的Mn，0.4的Cu，余量为Fe；或者是：62的Si，1.5的Al，5.0的Ba，1.0的Mn，余量为Fe；或者是：65的Si，0.8的Al，4.0的Ba，0.1的Cu，余量为Fe。

6型非晶孕育剂的制备方法同实施例1，使用方法同实施例4。

实施例7

7型非晶孕育剂各元素重量百分比的组成是：

73的Si，3.0的Al，1.5的Zr，2.0的Mn，0.4的Cu，余量为Fe；或者是：75的Si，2.0的Al，0.5的Zr，余量为Fe；或者是：78的Si，0.8的Al，0.5的Mn，0.1的Cu，余量为Fe。

7型非晶孕育剂的制备方法同实施例1，使用方法同实施例4。

涉及实施例6、7的石墨形态100X对照图与实施例5提供的石墨形态100X对照图近似，故省略。

以下通过列表对比说明以上各实施例试样与未添加本孕育剂试样在共晶团数量、石墨长度和抗拉强度的状况。

上表说明本发明的非晶态孕育剂各实施例其共晶团数量明显高于使用一般孕育剂的灰铸铁。

上表说明本发明的非晶态孕育剂各实施例其石墨长度明显小于使用一般孕育剂的灰铸铁。

上表说明本发明的非晶态孕育剂各实施例其灰铸铁抗拉强度明显优于使用一般孕育剂的灰铸铁。

以上各表数据的测定方法按照下列标准执行：

金相试样制备按GB/T13298金属显微组织检验方法的规定执行；

共晶团数量、石墨长度的评定方法按GB/T7216-2009评定；

抗拉强度检测按GB/T228金属材料室温拉伸试验方法执行；

灰铸铁牌号和性能指标按GB/T9439-2010标准执行。