一种高强韧球墨铸铁及其制备方法与流程

本发明提供了一种高强韧球墨铸铁及其制备方法，属于铸铁熔炼铸造领域。

技术背景

球墨铸铁是一种高性能的铸铁材料，以含有球状石墨为主要特征，常用来制造强度、塑性、韧性、耐磨性、尺寸稳定性要求较高的零件，广泛应用于轨道交通、冶金采矿、农业、航海等行业，尤其是高强韧球墨铸铁，可以替代铸钢和锻钢的使用，有效地降低成本，有很好的市场前景。

砂型铸造球墨铸铁容易产生组织粗大、偏析、缩松，力学性能较差，需要添加合金元素并进行后续热处理，增加珠光体的数量、提高强度，这会导致生产周期长、成本高。另外，砂型铸造球墨铸铁，强度和塑性相互制约，提高强度会导致塑性大幅度降低，铸件力学性能往往达不到使用要求。

通常，采用金属模具进行铸造，并结合添加合金元素和热处理，来解决上述问题。中国专利(cn111349844a)公开了一种球墨铸铁轮毂的浇注方法，铁液中其各元素成分的质量百分比为：c：3.6-4.0％，si：1.8-2.2％，mn：0.5-0.7％，ni：0.1-0.3％，mg：0.08-0.13％，cu：0.3-0.5％，zr：0.05-0.15％，ti：0.04-0.08％，p：≤0.04％，s：≤0.01％，余量为fe，包括以下步骤：(1)取浇注模具，模具外设有冷却腔；(2)首先将模具进行整体预热至200-260℃；(3)铁水浇注前进行球化处理和孕育处理，孕育处理后进行扒渣，然后进行浇注；(4)将铁液温度控制在1430-1500℃，将铁液浇注至模具内；静置20-25min后，先于冷却腔中通入冷风进行冷却，25-35min后，再于冷却腔中通入冷却水进行冷却，待铸件温度降至300-350℃后，将铸件取出，空冷至室温；最后，将冷却至室温的铸件加热至930-960℃，保温3-4.5h后，先降温至750-780℃，保温30-60min后，降温至360-410℃，保温1-2h，空冷至室温，再进行消除应力退火，制备得到球墨铸铁轮毂。该专利为了获得高强度，添加了ni、cu、zr、ti等多种合金元素，并进行了930-960℃、750-780℃和360-410℃三级温度热处理和消除应力退火。

技术实现要素：

本发明针对高强韧球墨铸铁中容易出现的组织粗大、偏析、缩松和力学性能不可以满足要求的铸造问题，提供了一种高强韧球墨铸铁及其制备方法，无cu、ni等合金元素，无热处理工序，采用砂型模作为内模，在砂型模的上下增加钢板和冷却水系统，调节冷却水温度和水流大小，进而控制冷却速度，调控铸件组织，特别是调控珠光体含量，消除铸造缺陷，无需添加cu、ni等增加珠光体量、提高力学性能的合金元素、无热处理工序，所制备的铸件力学性能优异，实现抗拉强度和塑性同步提高。

本发明提供一种高强韧球墨铸铁及其制备方法，在砂型模具增加钢板，钢板厚度大于等于30mm，夹紧固定后，在钢板周围环绕固定冷却水管，通过调节冷却水的温度和水流大小控制铸件的冷却速度，调控铸件组织，防止出现缩松和偏析，无需添加cu、ni等合金元素、无需热处理，所制备的铸件具有高强度、高伸长率。

本发明是一种高强韧球墨铸铁及其制备方法，其特征在于，所述的一种高强韧球墨铸铁，成分为c:3.6～4.2％，si:2.0～2.5％，mn:0.6～1.2％，p:≤0.1％，s:≤0.03％，mg:0.03～0.08％，余量为fe；按照下列步骤进行：

步骤一：配料

按照成分百分含量(质量)进行配料，球墨铸铁中c:3.6～4.2％，si:2.0～2.5％，mn:0.6～1.2％，p:≤0.1％，s:≤0.03％，mg:0.03～0.08％，余量为fe；

步骤二：模具

根据所需工件的尺寸制备砂型模，在砂模的上下两侧增加钢板，钢板壁厚大于等于30mm，在钢板外围环绕固定冷却管，通入冷却水，冷却水的温度和可以调控，采用顶注式浇注系统，等待浇铸；

步骤三：熔炼

使用感应熔炼炉加热熔炼，首先将步骤一所配料原料装入感应熔炼炉坩埚，加热熔炼，温度为1500±10℃，直至完全熔化、合金化，得到铁水；

步骤四：球化处理

将步骤三制备的铁水倒入已添加球化剂和孕育剂的球化包中，进行球化处理，在反应后期加入除渣剂进行保温和聚渣，除渣剂要覆盖铁水的整个表面，铁水温度保持大于1300℃；

步骤五：浇铸

步骤四球化处理后，从砂型的浇口杯处浇入，在浇铸时随铁水冲入孕育剂进行孕育处理，使铁水快速冷却凝固，得到工件。

本发明步骤二中：砂型模具的上下两侧增加钢板，钢板的壁厚大于等于30mm，在钢板和砂型外侧环绕固定冷却水管，通入冷却水，冷却水的温度和水流大小可以调节控制。

本发明步骤三中：熔炼首先加入球墨铸铁用生铁、废钢和增碳剂，熔炼温度为1400℃，完全熔化后加入锰铁，将温度升至1500℃，出炉。原料加入顺序是球墨铸铁用生铁、废钢、增碳剂、锰铁、硅铁。

本发明步骤四中：浇包中加入除渣剂，完全覆盖铁水表面，保温、聚渣。

本发明的优点和积极效果

1.本发明提供了一种高强韧球墨铸铁及其制备方法，无cu、ni等合金元素，无热处理工序，实现球墨铸铁强度、塑性同步提高，制备得到高强韧球墨铸铁。在砂型模的上下增加钢板，在钢板外围环绕冷却管，根据调节冷却水的温度和水流量，调节冷却速度，控制铸件组织，降低了偏析，获得珠光体含量可达到75％以上，满足生产所需的工件在具备高强度的同时具有良好的塑性要求。

2.本发明提供了一种高强韧球墨铸铁及其制备方法，采用砂型模具、钢板和冷却管组合装置，通过调节冷却水温度和水流量，调节冷却速度，从而控制铸件组织和残余应力，不需要制备高强韧球墨铸铁的热处理工序，同时不需添加任何增加珠光体量、提高力学性能的合金元素cu、ni等，降低了成本，缩短了工艺流程，方法简单，防止了热处理工序可能出现的组织变化和组织不均匀现象。

3.本发明提供了一种高强韧球墨铸铁及其制备方法，使用砂型铸造，降低了模具制备难度和成本，容易形成大批量生产；避免了金属型铸造出现的开模难、损耗大、设备投入大、成本高，并且需要后续热处理、工艺流程长等问题；所制备的铸件抗拉强度大于650mpa，伸长率大于8％，综合性能优于金属模铸造的工件。

4.本发明提供了一种高强韧球墨铸铁及其制备方法，采用砂型模具、钢板和冷却管组合装置，可实现凝固、冷却过程调控，从而实现铸件组织、力学性能调控，缩短了工艺流程，方法简单，量产容易。

附图说明

图1为本发明设计的模具示意图。

图2为实施例一所制备的球墨铸铁金相显微组织照片。

具体实施方式

实施例一

一种高强韧球墨铸铁及其制备方法，步骤如下：

(1)将原料按照成分百分含量进行配料，球墨铸铁中c含量3.8％，si含量2.2％，mn含量0.9％，p含量0.05％，s含量0.03％，mg含量0.05％，余量为fe；

(2)根据所需工件的尺寸制备砂型模，在砂型的上下两侧增加钢板，钢板壁厚30mm，在钢板外侧环绕固定冷却水管，水管内径为10mm，通入冷却水，冷却水温度为20℃，采用顶注式浇注系统，等待浇铸；

(3)使用中频感应电炉进行熔炼，首先加入球墨铸铁用生铁、废钢和增碳剂，熔炼温度为1400℃，完全熔化后加入锰铁、硅铁，升温至1500℃；

(4)将铁水倒入已添加球化剂和孕育剂的球化包中，进行球化处理，在3分钟后加入除渣剂进行保温和聚渣，除渣剂要覆盖铁水的整个表面，铁水温度保持大于1300℃。

(5)球化处理后，从砂型的浇口杯处浇入，在浇铸时随铁水冲入孕育剂进行孕育处理，使铁水快速冷却凝固，得到工件。

所述冷却水的温度为20℃、流量为6m³/h。

实施例二

一种高强韧球墨铸铁及其制备方法，步骤如下：

(1)将原料按照成分百分含量进行配料，球墨铸铁中c含量3.8％，si含量2.2％，mn含量0.9％，p含量0.05％，s含量0.03％，mg含量0.05％，余量为fe；

(2)根据所需工件的尺寸制备砂型模，在砂型的上下两侧增加钢板，钢板壁厚50mm，在钢板外侧环绕固定冷却水管，水管内径为8mm，通入冷却水，冷却水温度为10℃，采用顶注式浇注系统，等待浇铸；

(3)使用中频感应电炉进行熔炼，首先加入球墨铸铁用生铁、废钢和增碳剂，熔炼温度为1400℃，完全熔化后加入锰铁、硅铁，升温至1500℃；

(4)将铁水倒入已添加球化剂和孕育剂的球化包中，进行球化处理，在3分钟后加入除渣剂进行保温和聚渣，除渣剂要覆盖铁水的整个表面，铁水温度保持大于1300℃；

(5)球化处理后，从砂型的浇口杯处浇入，在浇铸时随铁水冲入孕育剂进行孕育处理，使铁水快速冷却凝固，得到工件。

所述冷却水的温度为10℃、流量为5m³/h。

对比例一

(1)将原料按照成分百分含量进行配料，球墨铸铁中c含量3.8％，si含量2.2％，mn含量0.9％，p含量0.05％，s含量0.03％，cu含量0.6％，ni含量0.5％，mg含量0.05％，余量为fe；

(2)根据所需工件的尺寸制备砂型模，不使用钢板和冷却管，采用顶注式浇注系统，等待浇铸；

(3)使用中频感应电炉进行熔炼，首先加入球墨铸铁用生铁、废钢和增碳剂，熔炼温度为1400℃，完全熔化后加入铜、镍、锰铁、硅铁，升温至1500℃；

(4)将铁水倒入已添加球化剂和孕育剂的球化包中，进行球化处理，在3分钟后加入除渣剂进行保温和聚渣，除渣剂要覆盖铁水的整个表面，铁水温度保持大于1300℃；

(5)球化处理后，从砂型的浇口杯处浇入，在浇铸时随铁水冲入孕育剂进行孕育处理，使铁水冷却凝固，得到工件。

对比例二

(1)将原料按照成分百分含量进行配料，球墨铸铁中c含量3.8％，si含量2.2％，mn含量0.9％，p含量0.05％，s含量0.03％，cu含量0.6％，ni含量0.5％，mg含量0.05％，余量为fe；

(2)根据所需工件的尺寸制备金属型模具，将模具预热至250℃，采用顶注式浇注系统，等待浇铸；

(3)使用中频感应电炉进行熔炼，首先加入球墨铸铁用生铁、废钢和增碳剂，熔炼温度为1400℃，完全熔化后加入铜、镍、锰铁，升温至1500℃；

(4)将铁水倒入已添加球化剂和孕育剂的球化包中，进行球化处理，在3分钟后加入除渣剂进行保温和聚渣，除渣剂要覆盖铁水的整个表面，铁水温度保持大于1300℃；

(5)球化处理后，从砂型的浇口杯处浇入，在浇铸时随铁水冲入孕育剂进行孕育处理，使铁水冷却凝固，得到工件。

对比例三

(1)将原料按照成分百分含量进行配料，球墨铸铁中c含量3.8％，si含量2.2％，mn含量0.9％，p含量0.05％，s含量0.03％，cu含量0.6％，ni含量0.5％，mg含量0.05％，余量为fe；

(2)根据所需工件的尺寸制备砂型模，不使用钢板和冷却管，采用顶注式浇注系统，等待浇铸；

(3)使用中频感应电炉进行熔炼，首先加入球墨铸铁用生铁、废钢和增碳剂，熔炼温度为1400℃，完全熔化后加入铜、镍、锰铁，升温至1500℃；

(4)将铁水倒入已添加球化剂和孕育剂的球化包中，进行球化处理，在3分钟后加入除渣剂进行保温和聚渣，除渣剂要覆盖铁水的整个表面，铁水温度保持大于1300℃；

(5)球化处理后，从砂型的浇口杯处浇入，在浇铸时随铁水冲入孕育剂进行孕育处理，使铁水冷却凝固，得到铸件；

(6)热处理：将制备的铸件进行900℃淬火处理，保温2小时后，出炉风冷；再进行600℃回火处理，保温6小时后，出炉空冷，得到工件产品。

对比例四

一种高强韧球墨铸铁及其制备方法，步骤如下：

(1)将原料按照成分百分含量进行配料，球墨铸铁中c含量3.8％，si含量2.2％，mn含量0.9％，p含量0.05％，s含量0.03％，cu含量0.6％，ni含量0.5％，mg含量0.05％，余量为fe。

(2)根据所需工件的尺寸制备砂型模，在砂型的上下两侧增加钢板，钢板壁厚30mm，在钢板外侧环绕固定冷却管，管直径为10mm，通入冷却水，冷却水温度为20℃，采用顶注式浇注系统，等待浇铸。

(3)使用中频感应电炉进行熔炼，首先加入球墨铸铁用生铁、废钢和增碳剂，熔炼温度为1400℃，完全熔化后加入铜、镍、锰铁、硅铁，升温至1500℃。

(4)将铁水倒入已添加球化剂和孕育剂的球化包中，进行球化处理，在3分钟后加入除渣剂进行保温和聚渣，除渣剂要覆盖铁水的整个表面，铁水温度保持大于1300℃。

(5)球化处理后，从砂型的浇口杯处浇入，在浇铸时随铁水冲入孕育剂进行孕育处理，使铁水快速冷却凝固，得到工件。所述冷却水的温度为20℃、流量为6m³/h

对比例五

(1)将原料按照成分百分含量进行配料，球墨铸铁中c含量3.8％，si含量2.2％，mn含量0.9％，p含量0.05％，s含量0.03％，mg含量0.05％，余量为fe。

(2)根据所需工件的尺寸制备砂型模，不使用钢板和冷却管，采用顶注式浇注系统，等待浇铸。

(3)使用中频感应电炉进行熔炼，首先加入球墨铸铁用生铁、废钢和增碳剂，加热温度为1400℃，完全熔化后加入锰铁、硅铁，加热温度为1500℃。

(4)将铁水倒入已添加球化剂和孕育剂的球化包中，进行球化处理，在3分钟后加入除渣剂进行保温和聚渣，除渣剂要覆盖铁水的整个表面，铁水温度保持大于1300℃。

(5)球化处理后，从砂型的浇口杯处浇入，在浇铸时随铁水冲入孕育剂进行孕育处理，使铁水快速冷却，得到铸件。

(6)将制备的铸件进行900℃淬火处理，保温2小时后，出炉风冷；再进行600℃回火处理，保温6小时后，出炉空冷，得到铸件。

对比例六

(1)将原料按照成分百分含量进行配料，球墨铸铁中c含量3.8％，si含量2.2％，mn含量0.9％，p含量0.05％，s含量0.03％，mg含量0.05％，余量为fe。

(2)根据所需工件的尺寸制备砂型模，不使用钢板和冷却管，采用顶注式浇注系统，等待浇铸。

(3)使用中频感应电炉进行熔炼，首先加入球墨铸铁用生铁、废钢和增碳剂，熔炼温度为1400℃，完全熔化后加入锰铁、硅铁，升温至1500℃。

(4)将铁水倒入已添加球化剂和孕育剂的球化包中，进行球化处理，在3分钟后加入除渣剂进行保温和聚渣，除渣剂要覆盖铁水的整个表面，铁水温度保持大于1300℃。

(5)球化处理后，从砂型的浇口杯处浇入，在浇铸时随铁水冲入孕育剂进行孕育处理，使铁水快速冷却，得到工件。

对比例七

(1)将原料按照成分百分含量进行配料，球墨铸铁中c含量3.8％，si含量2.2％，mn含量0.9％，p含量0.05％，s含量0.03％，mg含量0.05％，余量为fe。

(2)根据所需工件的尺寸制备金属型模具，将模具预热250℃，采用顶注式浇注系统，等待浇铸。

(3)使用中频感应电炉进行熔炼，首先加入球墨铸铁用生铁、废钢和增碳剂，加热温度为1400℃，完全熔化后加入锰铁、硅铁，加热温度为1500℃。

(4)将铁水倒入已添加球化剂和孕育剂的球化包中，进行球化处理，在3分钟后加入除渣剂进行保温和聚渣，除渣剂要覆盖铁水的整个表面，铁水温度保持大于1300℃。

(5)球化处理后，从砂型的浇口杯处浇入，在浇铸时随铁水冲入孕育剂进行孕育处理，使铁水快速冷却，得到工件。

分别对实施例和对比例所制备的铸件进行力学性能测试，测试结果如下：