一种灰铸铁及其冶炼方法与流程

本发明属于冶金材料
技术领域：
，具体涉及一种灰铸铁及其冶炼方法，尤其涉及一种采用全废旧料所生产的高强度机床类灰铸铁及其冶炼方法。
背景技术：
：灰铸铁因具有良好的阻尼性能或减震性以及高耐磨性，因而被广泛应用于制作机床基础件。尤其是作为机床关键部件的导轨，由于在机床工作时需反复受力，因此通常采用高强度的灰铸铁制造。为严格控制灰铸铁的冶金性能，一般需严格限定灰铸铁的化学成分，相应的，用于冶炼灰铸铁的原料多是以化学成分较为确定的钢板和生铁作为主炉料，或者以钢板和增碳剂作为主炉料，并通过加入适量的镍、铬、钼、铜等贵重合金以调节合金元素的成分，这样虽然能够获得具有理想冶金性能的灰铸铁，但同时也会导致大大提高灰铸铁的原料成本。特别是随着近几年金属行业生铁、钢板以及各类合金材料的价格上涨，进一步增加了灰铸铁的原料成本。专利申请cn101709424a中公开了一种灰铸铁熔炼配方，该配方包括优质增碳剂、废钢和回炉料，三者的比例为15-25％：45-55％：25-35％。该技术所涉及灰铸铁配方以优质增碳剂为主，加入废钢和回炉料比例不高，因此对原料成本的控制幅度有限；并且，所得到的灰铸铁为一般灰铸铁，材料力学性能较低。专利申请cn103074538a中公开了一种微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的制备方法，该技术所涉及灰铸铁主要针对缸盖等超高强度产品，因此主要原料为废钢和优质增碳剂，并需额外加入多种合金原料，以及通过加入re-ca-si-v-ti-n强化剂和zr-mn-si强化剂等引入合金元素强化组织，因此原料成本更高。发表在期刊《铸造》中的论文《ht300合成铸铁力学性能及断裂特征》中尝试采用废钢、增碳剂及一定比例的回炉旧料作为铸铁原料，而不使用高成本的生铁，以降低原料成本并同时消减生铁遗传性所带来的不利影响。但是由于使用了相当量的增碳剂，因此铸铁的原料成本降低幅度有限。由此可见，目前关于灰铸铁的冶炼铸造，虽然已有报道探索采用废钢以及回炉旧料作为主炉料，但由于现有灰铸铁对合金种类和含量的要求较为严格，因此废钢、回炉旧料等在主炉料中的占比有限，原料成本降低幅度也有限。因此，开发出一款适合机床基础件的灰铸铁新配方，并且能够利用废铁料、废钢料等废旧料作为主炉料，仍旧是目前需要解决的问题。技术实现要素：针对现有技术中的上述缺陷，本发明提供一种灰铸铁，其能够用于机床基础件并能够利用废旧料作为主炉料。本发明还提供上述灰铸铁的冶炼方法，采用废旧料作为主炉料，能够大幅度降低灰铸铁的原料成本并保证灰铸铁的机械性能。为实现上述目的，为本发明所提供的灰铸铁，其化学成分包括非金属合金元素、金属合金元素、余量的铁以及不可避免的杂质，其中，以灰铸铁总质量为100％计，非金属合金元素包括c：2.8-3.2％、si：2.2-2.4％、p：≤0.2％和s：≤0.15％；金属合金元素包括cr：0.25-0.35％以及mn、cu、mo、ni、sn和sb中的至少一种，且金属合金元素除cr外的总含量为1.5-1.6％。本发明合理设计了灰铸铁的化学成分，通过mn、cu、mo、ni、sn和sb中的至少一种金属合金元素以及cr元素来保证铸件的强度，并设计合理的c、si以及碳当量来确保灰铸铁石墨化程度，从而确保灰铸铁具有较高的品质。尤其是，本发明所提供的灰铸铁，由于能够包含cr以及mn、cu、mo、ni、sn、sb等较多种类的金属合金元素组合，并且金属合金元素的总含量高于传统灰铸铁，因此拓宽了原料的种类和加入比例范围，特别是能够使用废铁料和废钢料作为主炉料以确保非金属合金元素的含量并引入金属合金元素，因此无需使用生铁、钢板、增碳剂，也无需大量加入贵重金属等高成本的原料，从而提高了原料选择及配比的灵活性，同时还降低了原料成本。具体的，灰铸铁的微观组织为铁素体与珠光体的复合组织，其中珠光体的面积比例为98％以上，其余为铁素体。在本发明具体实施过程中，一般珠光体的面积比例为98-99％，相应铁素体的面积比例为2-1％。进一步的，在本发明某些实施例中，通常灰铸铁中石墨长度大于12mm且不大于25mm(12mm＜石墨长度≤25mm)。按照国家标准gb/t7216-1987《灰铸铁的金相组织标准》划分，石墨长度级别为4级。在本发明一些实施例中，该灰铸铁是由包括有如下步骤的方法冶炼得到：配制并熔炼原料，使所得到的目标铁水中si的含量达到1.6-1.9％，除si之外的非金属合金元素含量以及金属合金元素均满足灰铸铁的化学成分要求；对目标铁水实施孕育处理和浇注成型，使成型铸件的si含量达到灰铸铁的化学成分要求。本发明所提供的灰铸铁，其可以采用传统灰铸铁的原料，比如采用化学成分较为准确的生铁、钢板以及增碳剂作为原料，并加入适量的贵金属，只要能够达到灰铸铁的化学成分及微观组织即可。如前所述，由于本发明所提供的灰铸铁中可含有较多种类的金属元素组合，且金属合金元素的总含量较高，因此，该灰铸铁尤其可以采用废钢料和废铁料作为主炉料，以在非金属合金元素达到工艺要求的同时，还进一步引入cr、mo、cu、ni、sn、sb等中的至少一种金属合金元素，然后根据灰铸铁的化学成分要求加入适量的锰铁和/或铬铁，甚至无需加入锰铁和铬铁，从而大幅度降低原料成本，并同时保证灰铸铁的性能达到机床基础件的要求。具体的，采用废铁料和废钢料配置并熔炼原料的工艺过程包括：配制并熔炼废铁料和废钢料，使所得到的第一铁水中除si之外的非金属合金元素含量满足灰铸铁的化学成分要求，si的含量达到1.6-1.9％；向上述第一铁水中加入锰铁和/或铬铁并继续熔炼，得到目标铁水。在上述冶炼过程中，采用废铁料和废钢料作为主炉料，熔炼所得到第一铁水中c的含量达到2.8-3.2％、si的含量达到1.6-1.9％、p的含量不超过0.2％、s的含量不超过≤0.15％；同时还可能引入了cr元素以及mn、cu、mo、ni、sn和sb中的至少一种金属合金元素。若第一铁水中的金属合金元素含量达到了灰铸铁的化学成分要求，即cr的含量达到了0.25-0.35％，同时除cr以外的金属合金元素的总含量达到了1.5-1.6％，则无需加入其它炉料，第一铁水即为目标铁水，可继续实施孕育处理和浇注成型。反之，若cr的含量小于0.25％，则可向第一铁水中加入适量的铬铁以使cr含量达到灰铸铁的化学成分要求；若mn、cu、mo、ni、sn和sb的含量之和小于1.5％，则可向第一铁水中加入适量的锰铁以达到工艺要求。上述原料经过熔炼所得到的目标铁水中，除si以外的合金元素均达到了灰铸铁的成分要求，然后即可实施孕育处理和浇注成型，并在此过程中实现si的补足，最终得到理想化学成分及微观结构的灰铸铁铸件。本发明还提供上述灰铸铁的冶炼方法，包括如下步骤：配制并熔炼原料，使所得到的目标铁水中si的含量达到1.6-1.9％，除si之外的非金属合金元素含量以及金属合金元素均满足灰铸铁的化学成分要求；对目标铁水实施孕育处理和浇注成型，使成型铸件的si含量达到灰铸铁的上述化学成分要求。如前所述，在本发明一些实施例中，是采用废铁料和废钢料作为主炉料，然后可根据实际情况确定是否要进一步加入其它合金原料，以得到所需要的目标铁水。其中，若cr含量不足，则可相应加入适量的铬铁；若除cr之外的其它金属合金元素的含量不足，则可继续引入mn以使除cr之外的其它金属合金元素总含量达到1.5-1.6％。具体的，配置并熔炼原料的过程可以包括：配制并熔炼废铁料和废钢料，使所得到的第一铁水中除si之外的非金属合金元素含量满足灰铸铁的化学成分要求，si的含量达到1.6-1.9％；向第一铁水中加入锰铁和/或铬铁并继续熔炼，得到目标铁水。通常情况下，由于只能大致了解而不能准确获知废铁料和废钢料的化学成分，因此一般是将废铁料和废钢料分至少两批次加入到熔炼炉中进行熔炼。在本发明具体实施过程中，可以取部分废铁料和部分废钢料进行熔炼，并根据所得第二铁水的含碳量和含硅量分别确定废铁料的含碳量和含硅量；然后根据废铁料的含碳量和含硅量确定补足废铁料和补足废钢料的加入量，继续熔炼，得到第一铁水。当然，也可以分更多次加入废铁料和废钢料，以确保得到满足工艺要求的第一铁水。具体的，由于废钢料中c元素和si元素的含量相对较小，比如通常所用的废钢料为废置不用的低碳钢(含碳量小于等于0.25％)和/或废置不用的中碳钢(含碳量大于0.25％且小于等于0.61％)，因此可近似认为第二铁水乃至第一铁水中的c和si均是由废铁料带入，所以可根据第二铁水的含碳量和含硅量粗略确定废铁料的含碳量和含硅量，然后确定后续补足废铁料以及补足废钢料的加入量，最终使第一铁水达到工艺要求。具体的，可以取相当于目标灰铸铁铸件质量80-95％的部分废铁料和部分废钢料进行熔炼，得到第二铁水；其中以部分废铁料和部分废钢料的质量之和为100份计，部分废铁料的质量不低于70份，通常为70-100份，一般为70-95份。比如目标灰铸铁铸件总质量为5t，则所需目标铁水总质量约为5t，第一批次加入的废铁料和废钢料(部分废铁料和部分废钢料)的质量之和可控制在4t至4.75t，且第一批次的原料中，废铁料所占的质量比为70-95％，余量为废钢料。第一批次废铁料和废钢料熔炼所得的第二铁水，若其化学成分达到了工艺要求，则补足废铁料和补足废钢料仍旧以原有比例继续加入，并使铁水总质量达到5t。反之，若第二铁水的元素含量未达到工艺要求，则需根据实际情况计算和调整补足废铁料和补足废钢料的加入量。本发明对于废铁料的成分不做严格限定。可以理解，若废铁料的化学成分与目标灰铸铁的化学成分相近，尤其是含有一定量的金属合金元素，则更有利于原料的配制以及减少锰铁和铬铁的加入量，从而能够进一步降低原料成本和原料配制难度。在本发明一些实施例中，所使用的废铁料的化学成分中含有c：2.9-3.5％、si：1.7-2.3％，以及cu、mo、ni、sn和sb中的至少一种，且cu、mo、ni、sn和sb的总质量含量以不超过1.6％为宜。具体的，可以采用车间积压废铁料，比如可以是球磨铸铁废料或者灰铸铁废料，包括但不限于ht150至ht350、qt350至qt800、rut300至rut500等近20种铸铁牌号。在本发明具体实施过程中，若采用满足上述化学成分的废铁料并配合废钢料，一般废铁料与废钢料的质量之和占炉料总量(即废铁料、废钢料、锰铁和铬铁的质量之和)的95％以上，一般可达到95-99％。也正因为铬铁和/或锰铁所占比例非常小，因此通过铬铁和/或锰铁所引入的c和si元素可基本忽略。在本发明具体实施过程中，孕育处理具体包括：采用包内冲入法对目标铁水实施包内孕育，并在将目标铁水注入到浇包的过程中随流加入硅钡孕育剂，以及在浇注成型用水口箱内加入含锆孕育剂；其中，浇包底部的设置有硅铁孕育剂。具体的，孕育处理具体包括三次孕育处理，其中第一次孕育是在将出炉的目标铁水注入到浇包的过程中所实施的随流孕育，在此过程中，硅钡孕育剂可均匀加入以实现消除结晶过冷倾向的目的。第二次孕育是将目标铁水注入到浇包中所实施的包内孕育，具体的，可事先将硅铁孕育剂装入浇包中，经过随流孕育的目标铁水冲入浇包中，硅钡孕育剂中的si元素进入目标铁水中以促进石墨化，最终控制所得灰铸铁中的石墨具有理想形态，完成包内孕育。第三次孕育是在浇注成型过程中完成，具体在浇注时，事先在水口箱内放置适量且具有一定粒度的含锆孕育剂，浇注开始后，完成包内孕育的目标铁水冲入水口箱并形成涡流，放置在水口箱内的含锆孕育剂在铁液涡流的搅拌作用下充分熔化于目标铁液中，水口箱拔塞后，目标铁液进入型腔以完成浇注。本发明中，孕育处理几乎贯穿了从铁液出炉到铁液进入型腔浇注的整个过程中。通过实施多次孕育并结合多种孕育方式，能够保证所得到的灰铸铁具有均匀良好的组织，尤其能够控制石墨的形态，同时还能够细化晶粒，减少白口倾向，避免铸件局部硬度过高或过低，从而使铸件具有良好的机械性能和加工性能。其中，目标铁水注入到浇包时的温度具体可控制在1450-1500℃，即目标铁水的出炉温度为1450-1500℃，因此可视为随流孕育以及包内孕育是在此温度下进行，以确保硅钡孕育剂与硅铁孕育剂能够与目标铁水充分、均匀熔合，从而有利于获得理想的金相组织以确保灰铸铁的冶金性能，同时还有利于完成了孕育处理的目标铁水达到后续的浇注温度。目标铁水注入到水口箱时的温度一般控制在1360-1370℃，即可视为第三次孕育处理是在此温度下进行，以确保含锆孕育剂与目标铁水充分、均匀熔合，从而有利于获得理想的金相组织以确保灰铸铁具有良好的冶金性能，同时还能控制完成了第三次孕育处理的目标铁水在进入型腔时的浇注温度。目前国内外通用的硅钡孕育剂的主要成分为si：≥72％、ba：1.0-2.0％、ca：1.0-2.0％、al：1.0-2.0％；75硅铁孕育剂的主要成分为si：72-80％、ca：≤1.0％、al：≤1.5％，余量为fe。本发明具体实施过程中，所使用的硅钡孕育剂的粒度具体可以为5-10mm、加入量可以具体可以为目标铁水质量的1.9-2.1‰；硅铁孕育剂具体可以为75硅铁孕育剂，其粒径可以为5-50mm，加入量一般为目标铁水质量的5-6‰；含锆孕育剂的粒径可以为0.2-0.7mm，含锆量为1.3-2％，加入量可以为目标铁水质量的1.8-2.2‰。需要特别说明的是，由于硅钡孕育剂和含锆孕育剂相对于铁水的加入量过小，且硅钡孕育剂中的ba元素和含锆孕育剂中的zr元素含量都较低，因此检测最终铸件的化学成分时很难检测到ba、zr元素。进一步的，在实施孕育处理之前，还可以包括：将目标铁水升温至1510-1520℃，保持至少1分钟，然后适当降温并出炉。在本发明具体实施过程中，是将目标铁水升温至1510-1520℃，并在此温度下静置1-3分钟，以完成铁水的净化和脱氧，避免后续浇注过程中产生气孔，同时还可消除粗大石墨，然后降温至1450-1500℃并出炉。本发明提供的灰铸铁，通过合理设计其化学成分，尤其是c、si含量以及碳当量以确保石墨化程度，以及mn、cu、mo、ni、sn和sb中的至少一种合金元素以及cr元素以保证铸件的强度，最终确保灰铸铁具有较高的强度和硬度，尤其能够满足机床基础件的性能需求。尤其是，由于该灰铸铁能够包含较多种类的金属合金元素组合以及较高含量的金属合金元素，因此拓宽了原料的种类和加入比例范围，特别是能够使用废铁料和废钢料作为主炉料，无需加入增碳剂、生铁、钢板以及贵重金属等高成本的原料，不仅提高了原料选择及配比的灵活性，而且降低了原料成本及生产成本。本发明提供的灰铸铁的冶炼方法，以废铁料和废钢料作为主炉料，且可以选择加入少量甚至不加锰铁和铬铁，无需加入增碳剂、生铁、钢板等高成本主炉料，也无需加入铜、镍、钼铁等贵重合金原料，从而在保证灰铸铁冶金质量的前提下，显著降低了灰铸铁的原料成本。该冶炼方法特别适用于产品材质繁杂、废旧铁料和钢料积压严重或以外购废旧铁料为主要炉料来源的铸造企业。并且，通过采用多种孕育方式并结合多次孕育，确保所得到的灰铸铁具有均匀良好的金相组织，使灰铸铁的抗拉强度达到了300mpa以上、硬度达到了200hbw以上，因此得到了高品质的灰铸铁铸件。附图说明图1为本发明实施例1中所得铸件的金相组织照片(石墨形态，×100)；图2为本发明实施例1中所得铸件的金相组织照片(基体组织，×100)。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例1本实施例以车间生产的某型号机床床身(牌号ht300)为例进行描述。1、原料熔炼①所需铸件质量为5t。首先将部分废铁料3200kg和部分废钢板800kg(即相当于铸件所需铁水质量的80％，且部分废铁料和部分废钢料的质量含量分别为80％和20％)一次加入到5t中频感应电炉中熔化，得到第二铁水。待第二铁水熔清后，将炉温升至1400℃左右，取光谱试样检测炉前成分及其质量百分比为：2.81％c、1.68％si、0.5％mn、0.035％p、0.02％s、0.24％cu、0.12％mo、0.08％ni、0.0003％sn、0.002％sb、0.01％cr，余量为fe和不可避免的杂质。②根据c、si检测结果，可推算所用废铁料的含碳量约为3.5％(即2.81％÷80％≈3.5％)，含硅量约为2.1％(1.68％÷80％≈2.1％)，由于c、si元素含量均符合工艺范围，则补足废铁料和补足废钢板仍按以上比例加入，即80％的废铁料(800kg)和20％的废钢板(200kg)，熔炼得到第一铁水。③由第一铁水的合金元素含量可知，废铁料和废钢料带入了mn、cu、mo、ni、sn和sb，且上述金属合金元素的总含量为0.9423％，未达到1.5-1.6％的工艺要求，则增加mn量来使其达到工艺要求。按照质量百分比计，锰铁的化学成分具体为mn：60.0-65.0％，c：5.0-7.0％、si：0.5-1.0％、p：0.1-0.2％、s：0.01-0.02％，余量为fe以及不可避免的杂质。经计算，锰铁的加入量应为50kg。第一铁水中，废铁料和废钢料所带入的cr仅为0.01％，则需增加cr量来使其达到工艺要求的含量0.25-0.35％。按照质量百分比计，锰铁的化学成分具体为cr：52.0-60.0％、c：4.0-6.0％、si：3.0-5.0％、p：0.04-0.06％、s：0.04-0.06％，余量为fe和不可避免的杂质。经计算，需加入铬铁25kg。④将50kg的锰铁和25kg的铬铁加入到第一铁水中，熔清后，继续升温到1450℃左右，再次取样化验，所得铁水的化学成分及其质量百分比为：2.84％c、1.72％si、1.12％mn、0.036％p、0.025％s、0.25％cu、0.13％mo、0.09％ni、0.0004％sn、0.002％sb、0.27％cr，余量为fe和不可避免的杂质，符合工艺要求，得到目标铁水。将炉温升到1510-1520℃，静置1-3分钟后，温度降至1480℃左右，出炉。2、孕育处理：采用不同阶段多次孕育，即出铁时的孕育+浇包内的孕育+浇注成型时的孕育，其中：①出铁时的孕育采用粒度为5-10mm的硅钡孕育剂(主要成分为si：≥72％、ba：1.0-2.0％、ca：1.0-2.0％、al：1.0-2.0％，余量为fe)，相对于目标铁水的加入量为2kg/t；②浇包内的孕育采用粒度为5-50mm的fesi75(主要成分为si：72-80％、ca：≤1.0％、al：≤1.5％，余量为fe)，相对于目标铁水的加入量为4kg/t；③浇注之前事先向浇口箱中加入粒度为0.2-0.7mm的含锆复合孕育剂(主要成分为si：70-75％、ca：2.0-2.5％、al：1.0-1.5％、zr：1.3-2.0％，余量为fe)，相对于目标铁水的加入量为2kg/t。3、性能检测对按上述步骤生产的铸件产品进行化学成分、机械性能、金相组织检测，其中化学成分检测结果如表1所示，机械性能和金相组织检测结果如表2所示，石墨形态和基体组织的金相照片分别如图1和图2所示。由图1可知，所得铸件中的石墨为片状石墨，进一步遵照美国标准astma-247和中国标准gb/t7216-1987《灰铸铁的金相组织标准》，可确定铸件中的石墨属于a型石墨；按照gb/t7216-1987，可确定石墨长度级别为4级。由图2可知，所得铸件为珠光体和铁素体的复合组织；经进一步测量，珠光体的面积比例略大于98％，其余为铁素体。表1化学成分检测结果元素csimnpsni含量(wt％)2.812.281.120.0320.020.09元素cumosnsbcrfe含量(wt％)0.220.140.0040.0020.26余量表2机械性能和金相组织检测结果由上述表2以及图1和图2可知，本实施例所提供的灰铸铁，抗拉强度达到了300mpa以上、硬度在200hbw以上，因此得到了高强度和高硬度的机床类灰铸铁铸件。并且，本发明冶炼时的主炉料全部采用废旧料(废铁料和废钢料)，且废旧料占原料总质量的98％以上，也无需加入铜、镍、钼铁等贵重合金以及高品质的增碳剂等，因此大幅度降低了原料成本，特别适用于产品材质繁杂、废旧铁料和废旧钢料积压严重或以外购废旧铁料为主要炉料来源的铸造企业。需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一铁水”和“第二铁水”仅用于方便描述不同冶炼阶段的铁水，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。当前第1页12