低锡硅钼蠕墨铸铁及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料冶金领域，特别涉及一种低锡硅钼蠕墨铸铁及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 现代柴油机升功率高、结构紧凑、铸件形状复杂、热负荷大、强化程度高等特点，不 仅对其设计技术，而且对柴油机机体、气缸盖等关重件的材料及制造技术也提出了新的更 高的要求，要求材料既具有高的室温和高温力学性能、优良的导热减震性能和优良的热疲 劳性能，又要求具有很高的致密性、均匀性和可靠性。铸铁中的石墨形态有片状、蠕虫状和 球状，蠕虫状石墨是介于片状石墨和球状石墨之间的一种中间形态石墨，光学显微镜下观 察时，在视场中大部分是互不连续的石墨短片。经深度腐蚀后用扫描电镜观察，可以看到 它们在共晶团内部是互相连接的。这一点和片状石墨相似，不同的是蠕墨铸铁的长厚比较 小，致密度高。同时，在扫描电镜下可看见蠕墨铸铁的端部较圆钝，有的就呈球状结构，和球 状石墨十分相似。蠕墨铸铁具有非常优良的室温和高温力学性能、优良的抗热疲劳性能和 耐磨性能、良好的铸造成形性能，逐渐成为高功率柴油机的机体、气缸盖等关键件的理想材 料。
[0003] 传统的蠕墨铸铁由于蠕化率偏低和综合性能差等原因严重的阻碍了其推广和应 用。虽然，国内外在蠕墨铸铁方面做了大量的工作，取得了许多成果，但是该材料在工业上 推广应用过程中遇到了很多难题，主要表现在该材料在制备时蠕化处理不稳定、蠕化率偏 低且较难控制，并且综合性能差。
【发明内容】
[0004] 本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种低锡硅钼蠕墨铸铁，所述 的低锡硅钼蠕墨铸铁白口倾向小，蠕虫状石墨的长厚比较小，低锡硅钼蠕墨铸铁的强度、耐 磨性能和抗热疲劳性能优异。同时，还提供一种制备上述低锡硅钼蠕墨铸铁的方法，使得到 蠕墨铸铁蠕化率高，综合性能好，工艺操作过程简单，适于工业化大规模生产。
[0005] 本发明采用的技术方案如下：一种低锡硅钼蠕墨铸铁，所述低锡硅钼蠕墨铸 铁按重量百分比计由如下成分组成：碳为3. 4-3. 8%，硅为2. 1-2. 6%，钼为0. 1-0. 3%，锰 为 0· 2-0. 3%，铌为 0· 2-0. 3%，铬为 0· 1-0. 2%，锡为 0· 01-0. 03%，锑为 0· 01-028%，钒为 0. 1-0. 18%，钛为0. 15-0. 25%，磷和硫的总含量不超过0. 06%，余量为铁及其不可避免的杂 质。
[0006] 进一步，所述低锡硅钼蠕墨铸铁按重量百分比计由如下成分组成：碳为3. 55%，硅 为2. 2%，钼为0. 15%，锰为0. 27%，铌为0. 24%，铬为0. 15%，锡为0. 025%，锑为0. 023%，钒为 0. 14%，钛为0. 18%，磷和硫的总含量不超过0. 06%，余量为铁及其不可避免的杂质。
[0007] 在本发明所用原料中，铬无论共晶、共析过程均阻碍石墨化，促进珠光体生成，由 于铬元素和铁元素均为体心立方结构，铬原子半径与α-Fe的原子半径非常接近，无论在 室温还是较高温度下，铬在α-Fe中的溶解度均较高，使铬能固溶入铁基体中，置换铁元 素，起到固溶强化作用，铬还可形成高硬度复杂的Fe-Cr-C化合物，对基体起到弥散强化作 用；碳是促进石墨化的元素，碳含量越高，蠕墨铸铁中石墨化过程越容易进行，蠕墨铸铁组 织中石墨数量就多，一般蠕墨铸铁中碳的含量控制在3. 4-3. 8%的范围内，碳含量在该范围 内铁水流动性好，易补缩，收缩小，可获得优良的铸造性能；硅含量对基体影响十分显著，主 要用来防止白口，控制基体中珠光体含量。随着硅量增加，基体中珠光体量逐渐减少，铁素 体量逐渐增加。为了获得较高的性能要求，且得到珠光体基体的蠕墨铸铁，可以适当减少硅 量，综合考虑，本发明中的硅含量控制在2. 1-2. 6% ;锰在蠕墨铸铁中起稳定珠光体的作用， 在常规含量内对石墨蠕化无影响，因此未减少锰带来的影响，本发明中猛地含量在常规含 量之内。本发明原料中的钒和钛能有效地细化、稳定珠光体，同时钒和钛与碳、氮均有高的 亲和力而形成显微硬度极高的硬化相钒钛碳氮化合物，提高强度、耐磨性能和耐热疲劳性 能，另外，钒和钛增加了白口倾向，属于干扰元素即反球化元素，可以适当拓宽蠕化范围，有 利于蠕化处理。
[0008] 在本发明所用原料中，锑是一个强烈促进珠光体的金属元素，主要起强化铸铁机 体组织、细化晶粒的作用，用以提高铸铁的硬度和耐磨性，查阅研究数据表明，当锑的含量 超过0.07%时，蠕墨会发生变态，周围会出现分解、细小分枝。同时加入的锑元素还可以和 磷形成低熔点的共晶体，在共晶团之间最后析出，形成含锑的磷共晶组织，锑金属形成的珠 光体，可以稳定钒钛质点和磷共晶体，使得硬度和耐磨性显著提高，故对于耐磨件可适当提 高磷的含量；蠕墨铸铁中加入锡是为了提高蠕墨铸铁的耐磨性，有助于蠕墨铸铁耐热疲劳 性能的提高，提高蠕墨铸铁的耐龟裂和耐开裂性能，由于锡使铸铁中石墨细化，数量减少， 稳定并细化珠光体，使得珠光体层片间距减小，起到了钉扎位错的作用，进而提高了耐磨性 能；铌是活性元素，它与碳有极强的亲和力，阻碍石墨化，但若添加量合适时，在蠕墨铸铁中 铌与碳、氮、硫氧等组成的夹杂物可成为石墨核心，因此铌对石墨化起促进作用；稀土对铁 液而言都是强烈的变质元素，具有很强的中和干扰元素的能力，稀土加入到铁液中首先与 硫等元素反应，使铁液净化，铁液净化后残留的少量稀土就能对石墨起变质作用，因此本发 明采用稀土镁钙蠕化剂来蠕化处理，稀土和镁在比较宽的配比范围内，都可以得到蠕虫状 石墨。
[0009] 进一步，本发明还包括一种低锡硅钼蠕墨铸铁的制备方法，包括以下步骤： 步骤1、原料准备及铁液熔炼，铁液熔炼时，将原料铁放入转炉中加热熔化，待原料铁全 部熔化后，调节熔池温度，使熔池温度控制在1400°C左右，然后向熔池中加入脱碳剂，脱硫 剂，脱氧剂，对熔池里的铁水进行脱碳、脱硫、脱氧； 步骤2、脱碳、脱硫、脱氧工序完成后，升温熔池温度，使之达到1440Γ，然后向熔池中， 连续加入铬铁和锰铁，使熔池中的铬含量和锰含量达到预定要求，调节温度，使温度控制在 1470°C，保持 IOmin ; 步骤3、步骤2完成后，加入脱氧剂进彳丁二次脱氧，之后加入钥铁、银铁、金属锡、f凡铁和 钛铁，使钢中的合金成分达到预定要求，然后微调钢液中的化学成分； 步骤4、将占铁液总重量0. 55 %的CaC2粉体装于空心T形耐火材料管内，将T形管插 入铁液包内，使其按65rad/min速度搅拌，搅拌时间5min ; 步骤5、将浇注处理包在40(TC进行烘烤，然后将蠕化剂、孕育剂和覆盖剂和金属锑置 于包底； 步骤6、将步骤4得到铁液进行合金成分检验，检验合格后，用冲入法将铁液倒入浇注 处理包中，出炉温度控制在1470°C，当出铁液到包内约3/4时，停止出铁，然后加入占铁液 重量0. 9 %的稀土镁钙蠕化剂和0. 45%的75硅铁孕育剂，出铁槽冲入法孕育；孕育处理完 成后，将剩余的1/4的铁液倒入钢包内，并搅拌5min ; 步骤7、步骤6完成后，采用占铁水重量0. 25 %的珍珠岩除渣剂进行扒渣2次，用0. 3 % 珍珠岩保温覆盖剂在铁水表面形成40_厚的保温覆盖层；防止包内铁水快速降温及蠕化 元素的自然逸出； 步骤8、蠕化处理后，在17 min内将铁水浇注完毕，得到铸件。
[0010] 进一步，得到的铸件还需进行热处理，其热处理工艺为：将铸件置于热处理炉中加 热至920°C，保温3h，然后再放入340°C的硝盐中保温2h，最后空冷至室温。
[0011] 在上述的制备方法中，为了得到缺陷少，成分合格的低锡硅钼蠕墨铸铁，在加料顺 序上，先加入不易烧损的合金元素，如锰和铬等，然后加