一种厚大断面灰铸铁气缸套组织控制方法与流程

本发明属于铸造技术领域，涉及一种厚大断面灰铸铁气缸套组织控制方法。

背景技术：

船舶柴油机的核心部件灰铸铁气缸套，长期工作在高温、高速、高压等工况环境下，其性能以及内在质量的好坏直接影响船舶柴油机的寿命和可靠性，而其性能主要取决于灰铸铁气缸套厚大断面部位的石墨形态和基体组织。灰铸铁气缸套铸件重量3吨以上、长度大于2500mm、最大壁厚大于150mm，要求石墨形态为片状A型，长度2～4级，不允许出现不良石墨形态(A型石墨长度过长或粗大；D型、E型石墨；块状石墨)；基体组织为片层状珠光体，基体组织中的磷共晶和碳化物应分布均匀。

在实际生产中，厚大断面灰铸铁铸件内部，会出现A型石墨长度过长或粗大，以及微观缩孔疏松的现象，使得边缘和中心部位组织均匀性差，另外厚大断面边缘有时也会出现D型石墨，这就严重影响了铸铁的力学性能。

为了控制厚大断面的组织状态，现有的加工方法中除了采用常规的冒口、冷铁等方式外，还通过改善型砂和涂料的方式来控制厚大断面灰铸铁件的冷却速度，缩短其冷却时间，使石墨没有充足的时间长大。

中国专利(专利号：ZL201410512427.X，专利名称：一种改善厚大断面灰铸铁石墨等级的方法，公开号：104263888，公开日：2015.01.07)公开了一种利用铬矿砂较高的导热系数和蓄热系数，改善厚大断面灰铸铁(150mm×150mm×150mm)石墨等级的方法，但这种方法对于重量大于3吨、长度大于2500mm的气缸套铸件来说，效果不明显。

此外，也有部分厂家从铸造方法的角度出发制造灰铸铁气缸套，中国专利(专利号：ZL201510084208.0，专利名称：船用低速柴油机气缸套铸造方法，公开号：104762547，公开日：2015.07.08)公开了一种船用低速柴油机气缸套铸造方法，能够改善石墨、硬质相形态及分布，但没有公开对厚大断面组织石墨形态和基体组织影响的内容。

中国专利(专利号：ZL200510027454.9，专利名称：船用大缸径气缸套的铸造方法)公开了一种船用大缸径气缸套的铸造方法，其中未涉及对厚大断面组织状态如何控制。

上述方法均未提及控制灰铸铁气缸套铸件厚大断面部位组织和性能的均匀性的方法，灰铸铁气缸套铸件厚大断面组织和性能由于受石墨生长方式、分布形态等因素影响而不合格，其根本原因在于原材料、化学成分、铁液温度、孕育工艺和冷却条件的控制，导致气缸套厚大断面内部存在微观组织不均匀和微观缩孔疏松的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种厚大断面灰铸铁气缸套组织控制方法，解决了厚大断面组织均匀性问题和微观缩孔疏松问题。

本发明所采用的技术方案是，一种厚大断面灰铸铁气缸套组织控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1，配料：

选用优质废钢、铸造用生铁及回炉铁为主要原料，再根据铁液成分范围配增碳剂、硅铁、锰铁、磷铁、硫铁、硼铁、铜和钒铁，使各合金成分控制在如下范围内：碳：3.0～3.3％；硅：1.1～1.2％；锰：0.65～0.75％；磷0.20～0.25％；硫：0.04～0.08％；硼：0.02～0.03％；铜：1.20～1.50％；钒0.05～0.15％，以上皆为重量百分比，其余为铁；

步骤2，熔炼：采用中频炉熔炼，具体包括以下步骤：a)投料熔化；b)过热静置；c)孕育处理；

步骤3，浇注：将温度为1340～1350℃的铁水注入砂型中成型，当浇注1/5～1/3铁水时，均匀加入粒度为0.4～1mm的孕育剂；

步骤4，分阶段冷却。

本发明的特点还在于，

其中步骤1中原料配比为：60％废钢+30％回炉铁+10％生铁。

其中步骤2中步骤a)投料熔化的具体过程为：将生铁加入炉底，再加入部分废钢，待出现熔融金属液时加入一半增碳剂，续加废钢，待炉料熔化1/3～1/2时，加入剩余的增碳剂，待加完废钢后加入回炉料，全部熔化后依次加入硅铁、锰铁、磷铁、硫铁、硼铁、铜和钒铁；

其中步骤2中步骤b)过热静置的具体过程为：经步骤a熔化后，将铁水温度加热至1500～1520℃，保温5～10min，降温至出铁温度1460～1480℃；

其中步骤2中步骤c)孕育处理的具体过程为：当出铁1/5～1/3时均匀加入粒度为3～7mm的孕育剂，孕育剂的加入量为熔炼出铁量的0.3～0.5％。

其中步骤2的步骤c)中孕育剂为稀土钙钡复合孕育剂。

其中步骤3中孕育剂为稀土钙钡复合孕育剂，孕育剂的加入量为熔炼出铁量的0.1～0.3％。

其中步骤4分阶段冷却的具体过程：首先采用石墨冷铁快冷，使气缸套外表面凝固结壳，建立强度；然后当气缸套温度为780℃～830℃时，开箱落砂，将气缸套厚大断面冷却至室温，即得目标材质的气缸套铸件。

本发明的有益效果是，通过控制气缸套不同凝固阶段的外部冷却条件，控制冷却速度，改善了气缸套的组织和性能均匀性，减少微观缩孔疏松，且易于掌握和操作。

附图说明

图1是本发明的气缸套厚大断面取样示意图；

图2是本发明一种厚大断面灰铸铁气缸套组织控制方法实例2所生产的气缸套厚大断面内测部位(E处)的金相组织(100倍)图；

图3为本发明一种厚大断面灰铸铁气缸套组织控制方法实例2所生产的气缸套厚大断面中心部位(F处)的金相组织(100倍)图；

图4为本发明一种厚大断面灰铸铁气缸套组织控制方法实例2所生产的气缸套厚大断面外测部位(G处)的金相组织(100倍)图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种厚大断面灰铸铁气缸套组织控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1，配料：选用优质废钢、铸造用生铁及回炉铁为主要原料，原料配比为：60％废钢+30％回炉铁+10％生铁，再根据铁液成分范围配增碳剂(增碳剂为铸铁用增碳剂)、硅铁、锰铁、磷铁、硫铁、硼铁、铜和钒铁，使各合金成分控制在如下范围内：碳：3.0～3.3％；硅：1.1～1.2％；锰：0.65～0.75％；磷0.20～0.25％；硫：0.04～0.08％；硼：0.02～0.03％；铜：1.20～1.50％；钒0.05～0.15％，以上皆为重量百分比，其余为铁；

增碳剂的加入为铁液提供了大量弥散分布的非均质结晶核心，降低了铁液的过冷度，促使生成以A型石墨为主的石墨组织，分布均匀；熔炼过程中通过控制金属液的纯净度，降低有害元素含量，抑制有害元素对石墨形态的影响，有利于改善组织。

步骤2，熔炼：采用中频炉熔炼，具体包括以下步骤：

a)投料熔化：将生铁加入炉底，再加入部分废钢，待出现熔融金属液时加入一半增碳剂，续加废钢，待炉料熔化1/3～1/2时，加入剩余的增碳剂，待加完废钢后加入回炉料，全部熔化后依次加入硅铁、锰铁、磷铁、硫铁、硼铁、铜和钒铁；

b)过热静置：经步骤a熔化后，将铁水温度加热至1500～1520℃，保温5～10min，降温至出铁温度1460～1480℃；

c)孕育处理：当出铁1/5～1/3时均匀加入粒度为3～7mm的孕育剂，孕育剂的加入量为熔炼出铁量的0.3～0.5％，孕育剂为稀土钙钡复合孕育剂；

步骤3，浇注：将温度为1340～1350℃的铁水注入砂型中成型，当浇注1/5～1/3铁水时，均匀加入粒度为0.4～1mm的孕育剂，孕育剂为稀土钙钡复合孕育剂，孕育剂的加入量为熔炼出铁量的0.1～0.3％；

步骤2和步骤3中加入的复合孕育剂打破磷共晶的连续网状分布，使其基本成为均匀分布的块状或点状，其中的微量元素有利于A型石墨的形成。

步骤4，分阶段冷却：首先采用石墨冷铁快冷，使气缸套外表面凝固结壳，建立强度；然后当气缸套温度为780℃～830℃时，开箱落砂，将气缸套厚大断面冷却至室温，使气缸套厚大断面凝固，得到目标材质的气缸套铸件。

步骤4中通过控制气缸套不同凝固阶段的外部冷却条件，控制冷却速度，改善了气缸套的组织和性能均匀性，减少微观缩孔疏松，且易于掌握和操作。

实施例1

厚大断面气缸套材料的各组分及重量百分比为：碳3.0％；硅1.15％；锰0.65％；磷0.20％；硫0.04％；硼0.02％；铜1.2％；钒0.05％，其余为Fe。将上述材料按照所给出的组分进行配料，然后用中频电炉进行熔炼，熔炼时将生铁加入炉底，再加入部分废钢，待出现熔融金属液时加入一半增碳剂，续加废钢，待炉料熔化1/3时，加入剩余的增碳剂，待加完废钢后加入回炉料，全部熔化后依次加入硅铁、锰铁、磷铁、硫铁、硼铁、铜和钒铁；再将铁水温度加热至1500℃，保温5min，降温至出铁温度1460℃，当出铁1/5时均匀加入粒度为3mm的稀土钙钡复合孕育剂，孕育剂的加入量为熔炼出铁量的0.3％；然后将温度为1340℃的铁水注入砂型中成型，当浇注1/5铁水时，均匀加入粒度为0.4mm的稀土钙钡复合孕育剂，孕育剂的加入量为熔炼出铁量的0.1％；最后，对铸件进行冷却；通过预先埋设的多点测温热电偶进行实时测温，当气缸套温度为780℃时，开箱落砂，将气缸套厚大断面冷却至室温，使气缸套厚大断面凝固，得到目标材质的气缸套铸件。

实施例2

厚大断面气缸套材料的各组分及重量百分比为：碳3.2％；硅1.1％；锰0.7％；磷0.22％；硫0.06％；硼0.022％；铜1.5％；钒0.1％，其余为Fe。将上述材料按照所给出的组分进行配料，然后用中频电炉进行熔炼，熔炼时将生铁加入炉底，再加入部分废钢，待出现熔融金属液时加入一半增碳剂，续加废钢，待炉料熔化1/2时，加入剩余的增碳剂，待加完废钢后加入回炉料，全部熔化后依次加入硅铁、锰铁、磷铁、硫铁、硼铁、铜和钒铁；再将铁水温度加热至1515℃，保温10min，降温至出铁温度1480℃，当出铁1/3时均匀加入粒度为7mm的稀土钙钡复合孕育剂，孕育剂的加入量为熔炼出铁量的0.5％；然后将温度为1345℃的铁水注入砂型中成型，当浇注1/3铁水时，均匀加入粒度为1mm的稀土钙钡复合孕育剂，孕育剂的加入量为熔炼出铁量的0.3％；最后，对铸件进行冷却，通过预先埋设的多点测温热电偶进行实时测温，当气缸套温度为790℃时，开箱落砂，将气缸套厚大断面冷却至室温，使气缸套厚大断面凝固，得到目标材质的气缸套铸件，该铸件壁厚151mm，在壁厚内侧、中心、外侧部位取样，进行金相和力学性能的检测，取样位置见图1，金相组织分别见图2、3和4(图2、3、4中图(a)表示石墨形态；(b)基体组织)，测试结果见表1。

表1

由表1中的分析结果可知，采用本发明的厚大断面灰铸铁组织控制方法，可得到满足“石墨形态为片状A型，长度2～4级；基体组织为片层状珠光体，基体组织中磷共晶和碳化物的应分布均匀”的技术要求，且该方法易于操作，便于控制。

实施例3

厚大断面气缸套材料的各组分及重量百分比为：碳3.3％；硅1.2％；锰0.75％；磷0.25％；硫0.08％；硼0.03％；铜1.35％；钒0.15％，其余为Fe。将上述材料按照所给出的组分进行配料，然后用中频电炉进行熔炼，熔炼时将生铁加入炉底，再加入部分废钢，待出现熔融金属液时加入一半增碳剂，续加废钢，待炉料熔化2/5时，加入剩余的增碳剂，待加完废钢后加入回炉料，全部熔化后依次加入硅铁、锰铁、磷铁、硫铁、硼铁、铜和钒铁；再将铁水温度加热至1520℃，保温8min，降温至出铁温度1470℃，当出铁1/4时均匀加入粒度为5mm的稀土钙钡复合孕育剂，孕育剂的加入量为熔炼出铁量的0.4％；然后将温度为1350℃的铁水注入砂型中成型，当浇注1/4铁水时，均匀加入粒度为0.8mm的稀土钙钡复合孕育剂，孕育剂的加入量为熔炼出铁量的0.2％；最后，对铸件进行冷却，通过预先埋设的多点测温热电偶进行实时测温，当气缸套温度为830℃时，开箱落砂，将气缸套厚大断面冷却至室温，使气缸套厚大断面凝固，得到目标材质的气缸套铸件。

本发明一种厚大断面灰铸铁气缸套组织控制方法各步骤的特点为：

1)原料成分控制：通过废钢增碳工艺，减少生铁用量，削弱生铁中粗大石墨组织遗传性和有害元素对组织和性能的影响。增碳剂的加入为铁液提供了大量弥散分布的非均质结晶核心，降低了铁液的过冷度，促使生成以A型石墨为主的石墨组织，且分布均匀，从根本上改善石墨的形态，提高合金铸铁的性能。同时原材料的纯净度对其组织和性能也有很大影响，生铁原始组织中粗大的石墨具有一定的遗传型，通常熔炼过程中，生铁中的粗大石墨不能完全熔化，导致新型合成铸铁组织中出现C型石墨，从而影响组织及性能。一定量的V能促进并细化珠光体，以及细小、均匀分布的磷共晶可提高铸件的耐磨性和力学性能，若熔体纯净度不高，会加剧碳化物和磷共晶不利分布。因此应选用优质的生铁，废钢应选择表面质量及纯净度高的废钢。

2)过热静置：过热静置有利于增碳剂的吸收和均匀化，有利于石墨的细化，有利于提高铁液的纯净度，但是铁液在高温(1520℃以上)长时间保温则会降低铁液形核能力，造成石墨形态恶化，产生不良石墨形态(D型、E型石墨)，因此应对过热静置的温度、时间进行控制。

3)孕育处理(本发明的步骤2和步骤3中均有孕育处理的工艺)：孕育处理对石墨形态的影响较大，其作用在于改变铸铁共晶结晶的凝固条件，达到消除白口、促进石墨化、细化晶粒、细化片状石墨并使过冷石墨转变为无方向性均布的A型石墨，提高性能和组织均匀性。但孕育衰退会造成铸件石墨形态不稳定，容易出现D型过冷石墨。灰铸铁气缸套中的磷会以磷共晶的形式存在于铸铁组织的晶界，且呈连续粗大网状分布，严重割裂基体，显著降低铸铁的机械强度，增加脆性，复合孕育剂中的稀土会打破磷共晶的连续网状分布，使其基本成为均匀分布的块状或点状，从而提高机械强度，减小脆性；钙、钡等微量元素有利于A型石墨的形成。

4)分阶段冷却：对于这种厚大断面气缸套(本发明采用的厚大断面≥150mm柴油机气缸套)，冷却过慢，石墨有充足的时间长大、变粗，严重影响铸铁的力学性能；冷却速度过快，则会造成D型石墨的生成，从而影响其性能。本发明通过控制气缸套不同凝固阶段的外部冷却条件进行分阶段重点冷却，即首先采用石墨冷铁快冷，使气缸套外表面迅速凝固结壳，建立强度，当表面凝固层厚度达到一定程度时，内部大面积处于糊状区时，进行同时凝固冷却处理，使气缸套厚大断面同时凝固，从而提高组织均匀性，减少微观缩孔疏松。