专利名称：准铸态高强韧性贝氏体低碳球铁及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高强韧性贝氏体低碳球铁及其制取方法，属金属材料 技术领域。技术背景铸造行业是机械工业和制造业的基础，我国现有铸铁件产量已排名世 界第一，是世界公认的铸件生产大国。但与发达国家相比，我国在铸造技术的很多方面仍还 存在较大差距，还不是铸铁件生产的强国。尽管我国目前已有2万多家铸造厂，低挡铸件生 产能力已经过剩，但高挡铸件生产能力远远不足的问题依然很难在短时间内得到解决。部 分要求较高的汽车铸件，大口径(Φ ^OOmm)离心球墨铸铁管，空调压缩机用铸件至今还需 进口。不少日本、美国客商要求在我国采购的高档铸铁件目前还找不到合适的生产厂家。传统金属，特别是钢铁材料在工业生产中有着非常广泛的用途，其每一项重大技 术进步，都将对我国机械工业和国民经济带来巨大的影响。钢铁材料的发展历史主要是以 提高其强韧性为驱动力的，它的进一步发展也仍将如此。日趋严格的环境与资源的约束，使 以清洁生产为特征的绿色铸造越来越重要，它将成为21世纪制造业的重要特征。要保证铸 造行业在新世纪的可持续发展，就必须彻底改变铸造行业耗能耗材，严重污染环境的落后 状况，使其更能体现清洁制造和绿色铸造的特征。自1947年英国人Morrgh发现铸态下存在着球状石墨的铸铁以来，球墨铸铁已走 过了半个多世纪的历程。由于球铁具有优良的机械性能、良好的铸造性能以及比铸钢低得 多的成本，因此受到人们高度的重视。但是，球墨铸铁自诞生的那一天起，一直都是沿用共 晶或过共晶成份的高碳优质铁水，经过镁或者稀土等传统球化剂的球化处理，再经过充分 孕育而得到的。在传统球墨铸铁的发展过程中，从未出现过含碳量低于2. 2% C的球墨铸 铁，也从未出现过专门用反球化表面活性元素作为球化剂生产球墨铸铁的先例。奥氏体-贝氏体球墨铸铁(ADI)的出现，被认为是20世纪70年代铸铁冶金学方 面最重大的成就之一，它使球墨铸铁的综合机械性能提高到了一个前所未有的水平。然而， 至今为止国内外工业生产中奥-贝球墨铸铁的生产基本上一直都是沿用加入镍、钼等合金 元素，并通过等温淬火的工艺手段来实现的。通常情况下，奥-贝球墨铸铁要想获得较高的 综合机械性能和理想的组织，只有通过加入一定数量的镍、钼、铜等合金元素，使球铁C曲 线的形状和位置按其需要变为带有两个鼻子的S曲线并使位置右移，从而降低铸件的临界 冷却速度、扩大奥氏体区、提高铸件的淬透性等。只有这样，才能保证铸件获得理想的奥氏 体-贝氏体组织。应该指出的是，加入镍、钼等合金元素虽然能使铸铁在铸态下就获得贝 氏体并使其综合性能得到较大幅度的提高，但由于镍和钼在我国都是较为紧缺的材料，价 钱也比较昂贵，加入镍钼合金将使铸件的成本增加；等温淬火工艺虽然技术比较成熟，但耗 能，耗时严重，对铸件的尺寸大小和形状有很多限制；高温热处理容易使铸件表面氧化，使 壁厚不均的铸件产生变形，对环境还会造成污染。因此，上述举措不但使铸件成本大为增 加，而且还使奥-贝铸铁的推广变得较为困难。人们期望着能够寻求一种不需要加入昂贵 的镍钼合金，也不须进行等温淬火热处理，在铸态下就可以使铸铁获得理想的奥-贝组织， 并具有较高综合机械性能的工艺路线和工艺方法。铸态贝氏体球铁的问世，使奥-贝球铁的生产免去了耗能耗时的等温淬火热处理工序，在一定程度上简化了贝氏体球铁的生产工艺、减少了对环境的污染、降低了铸件的成 本。但这一工艺只有通过加入更多数量的镍、钼、铜等合金元素，借以改变S曲线的形状和 位置，降低铸件的临界冷却速度、扩大奥氏体区、提高铸件的淬透性，才能保证铸件在连续 缓冷的条件下获得以贝氏体为主的基体组织。通常为获得铸态贝氏体组织所须加入的合金 数量为1.0 2.5%Ni，0.5 1.0%Mo，0. 5 2.0% Cu。显然，加大镍钼合金的用量势 必使原来就趋于紧缺的物资更加紧缺；而且，与经过等温淬火的奥-贝球铁相比，铸态贝氏 体球铁的机械性能指标较为分散，总体水平也较低。因此，铸态贝氏体球铁虽然至今已有为 数不少的研究结果报道，但真正用于工业生产的成果却寥寥无几。ZL 92 1 02824. 5发明专利公布了一种低碳球铁，利用含1. 2-2. 2% CU. 8-2. 4% Si的超亚共晶低碳当量(CE ^ 1. 8-2. 6% )铁水，经过由些公认的反球化表面活性元素组 成的变质剂进行变质处理后，在铸态条件下得到一种组织由细小、圆整的石墨球和珠光 体组成，兼有较高机械性能的新型球铁。该材料至今已在机械、冶金、建材、汽车等行业得到 推广应用，具有如下特点1.使含1.2-2. 2% C的铁碳合金得到了合理的开发利用，填补了此含碳范围的铁 碳合金在工业生产上应用的空白。其生产方法中可用70%以上的废钢代替低硫、低磷优质 生铁，避免了传统球墨铸铁生产对优质生铁的依赖；其综合生产成本可比同性能的传统球 铁降低20%以上。2.在铸铁冶金领域开创了直接利用“反球化表面活性元素”在铸态条件下生产球 墨铸铁的先河。从根本上澄清了表面活性元素的球化及反球化作用在一定条件下可以互相 转化的问题，对传统球墨铸铁中石墨的球化理论起到较好的修订和完善作用。3.其生产工艺采用清洁的能源，以电炉代替冲天炉熔化，减少了对环境的污染，使 合金成分及熔炼温度更容易准确控制，铁水更加纯净，冶金质量大大提高，铁水的流动性得 到了充分保证。4.球状石墨及较高的机械性能均可在铸态获条件下得，采用铸态工艺代替了耗能 耗材的热处理。这不但大大降低了能耗和对环境的污染，而且使生产成本得到明显降低。5.具有较好的热锻特性，其毛坯棒料可在一定的温度范围内较为容易地锻压成为 其它形状的机械零件。尽管低碳球铁具有上述种种优点，但迄今为止，低碳球铁通常情况下仍局限于珠 光体基体单一的一种组织结构形式。其性能指标总体水平还不令人满意，在某些恶劣的工 矿条件下，其强韧性，耐磨性还显得远远不足；如须进一步提高其强韧性或耐磨性，不得不 采用加入较多合金元素或者复杂的热处理来完成，这样一来势必使生产成本增高。设法既 保持低碳球铁的各种优点、又能利用简单、价廉的工艺方法得到奥氏体-贝氏体组织，赋予 其更高的强韧性和综合机械性能，对低碳球铁的大面积推广，无疑将起到积极的推动作用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种既能保持现有低碳球 铁的各种优点、又有高强韧性和综合机械性能、生产工艺简单的准铸态高强韧性贝氏体低 碳球铁及其制作方法。本发明的技术内容为准铸态高强韧性贝氏体低碳球铁的基体组织是以贝氏体 为主、奥氏体为辅的复相组织，金属基体上均勻分布着细小、圆整的石墨球，其化学成分为 (质量百分比)1· 2 2. 2% C，2. 0 2. 8% Si，0. 8 1. 6% Μη,Ο. 3 0. 6% Cr,0. 3 0. 8% Cu, P < 0. 1%, S < 0. 1%, 变质剂0. 4 0. 7%，余量为Fe。变质剂是利用表 面活性元素Pb、Cr、釙、Bi、Ti、Al、B当中的全部或几种元素按一定比例与Si、Mn、Fe等一 起熔制、粉碎而成的中间合金(具体元素和含量根据零件性能、铸件尺寸大小、服役条件的 不同要求等实际情况确定)。该准铸态高强韧性贝氏体低碳球铁的生产方法是利用含1. 2 2. 2% C，2. 0 2.8% Si,的低碳当量铁水，经较低级别的Mn-Si-Cr-Cu合金化处理，再经变质剂变质处 理后得到低合金低碳球铁铁水(使不经稀土或镁等传统球化剂处理的低碳当量铁水在铸 态就能析出球状石墨的方法)，其使用的变质剂是利用表面活性元素Pb、Cr、Sb、Bi、Ti、 Al、B当中的全部或几种元素按一定比例与Si、Mn、Fe等一起熔制、粉碎而成。(见发明专 利ZL 92 1 02824.5。其加入量为0. 4 0. 7%，根据零件性能、铸件尺寸大小、服役条件 的不同要求，变质剂的组成及加入量可进行调整。通常是用一定比例的上述表面活性元 素与Si、Mn、Fe等一起熔制成中间合金、并粉碎成为Φ0. 5 1. 5mm的颗粒后加入铁水)； 铁水浇注后用高温打箱、控制冷却、余热淬火及贝氏体转变温度保温的准铸态贝氏体工艺， 得到奥-贝基体组织上均勻分布着细小、圆整石墨球的准铸态高强韧性贝氏体低碳球铁， 其主要性能为 σ b 856-934Mpa, δ 5 6-10%, α k 14_22J/cm2。准铸态贝氏体工艺是根据铸铁凝固动态曲线，控制铸件在砂箱中的冷却时间和 淬火液中的冷却时间，当其主要部分冷却到880 920°C时进行高温打箱落砂(在开始批 量生产前，利用多点电子电位差计，测出不同规格、壁厚铸件在同一浇注温度下在消失模砂 箱中的凝固动态曲线和打箱后将铸件放入指定冷却介质中冷却时的凝固动态曲线，再根据 具体铸件的凝固动态曲线准确控制该铸件浇注后冷却到指定打箱温度所须的冷却时间，以 及打箱后在冷却介质中冷却到贝氏体转变温度所须的时间)；再根据凝固动态曲线反映的 铸件温度与冷却时间的关系，通过控制铸件在冷却介质(即淬火液如经过变质的水玻璃、 聚乙烯醇、淬火油等)中的冷却时间来控制其液淬温度进行余热淬火，当铸件冷却到320 360°C的贝氏体转变温度时从冷却介质中取出，再利用事先升温到贝氏体转变温度的保温 设施(电炉、保温箱等)保温1. 5 2小时，使铸件进行贝氏体转变(或奥氏体-贝氏体转 变)。本发明充分利用低碳球铁自身的凝固特性，通过铸件浇注后高温打箱、控制冷却、 余热淬火及贝氏体转变温度下充分保温的准铸态贝氏体工艺，使低碳球铁的基体组织较稳 定地转变为以贝组织为主、奥氏体为辅的复相组织，从而使铸铁的强韧性及耐磨性得到大 幅度提高。该工艺既克服了传统奥-贝球铁等温淬火耗能耗时严重，工艺技术复杂的缺 点；又避免了纯粹铸态工艺性能指标分散，总体水平较低，需加入较多昂贵的镍钼铜合金使 生产成本增加的不足。它的最大特点在于直接利用铸件浇注后的高温余热，在予定的温度 (时间)下打箱使铸件快冷，当冷却到予定的时间(温度)立即进行保温处理，使其在加入 较低级别，较为便宜的Mn-Si-Cr-Cu合金，并在取消高温奥氏体化加热和硝盐盐浴等温淬 火后，仍然能较好地实现铸铁中奥-贝组织的转变。具有工艺简单可靠、低能耗、低成本，便 于工业化推广应用等优点。
附图为本发明工艺流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明的实质作进一步说明。
实施例1 准铸态贝氏体低碳球铁球磨机磨球原材料地方生铁，废钢，75硅铁，锰铁，铬铁，电解铜。基体组织是以贝氏体为主、奥氏体为辅的复相组织，金属基体上均勻分布着细小、 圆整的石墨球。化学成分为(质量百分比)1.4%C，2. 8% Si,l. 2% Μη,Ο. 3% Cr,0. 3% Cu，0· 08% P，0· 06% S, Sx 变质剂 0· 5% (变质剂中含 Si 35%, Mn 5%, Cr 2%, Sb 1%, Bi l%,Ti 2%, Al 2%,B 1%、其余为铁)，余量为 Fe。具体工艺过程为1、利用负压实型铸造技术制取铁球模具。负压实型铸造技术又称消失模型铸造法，简称EPC法。该技术不须造型合型及加 芯棒等复杂操作，铸件复杂程度及铸件材料不受铸造工艺限制，具有铸件尺寸精确，表面光 洁度高，机加工余量小，铸件内在质量好，生产成本低等优点。该工艺可制造柴油机曲轴、凸 轮轴、缸套、球磨机磨球、衬板、破碎机锤头、轧钢机导位板等铸件，可铸的金属材料有铸铁、 铸钢、有色金属等。本发明首先根据磨球大小，设计铁球塑料模具，发泡制作不同规格的塑 料球和浇注系统模型；2、塑料模粘结装配、上涂料、烘干、装箱、覆盖塑料膜、冲填干砂、设置浇冒口、抽真 空等待浇注；3、低碳球铁配料、熔炼、调整成分为1.4% C,2.8% Si，并进行较低级别的低合金 化处理；然后过热保温、铁水出炉，用0.5%的变质剂(变质剂中含Si 35%,Mn 5%,Cr 2%, Sb l%,Bi l%,Ti 2%,Al 2%,B 1 %、其余为铁)，进行变质处理，再浇注磨球铸件。 第一次浇注时，首先测出不同直径磨球在消失模砂箱中的凝固动态曲线。4、根据凝固动态曲线进行温度-时间转换(控制铸件在浇注后冷却到指定打箱 温度所须的冷却时间，以及打箱后在冷却介质中冷却到贝氏体转变温度所须的时间)，当磨 球在砂箱中冷却至880°C时进行打箱，然后利用经过变质处理的水玻璃淬火、铸件冷却到 320°C从水玻璃中取出，将铸件放入事先升温到320°C的电炉中保温1. 5小时、保温结束取 出空冷到室温。实施例2 准铸态贝氏体低碳球铁破碎机锤头 原材料地方生铁，废钢，75硅铁，锰铁，铬铁，电解铜基体组织是以贝氏体为主、奥氏体为辅的复相组织，金属基体上均勻分布着细小、 圆整石墨球。化学成分为1. 2% C,2. 4% Si, 1. 6% Μη,Ο. 4% Cr,0. 6% Cu，0· 07%P,0. 06% S, &变质剂0.4% (变质剂中含 Si 42%, Mn 6%, Cr 2%, Sb 1%, Pb 1%, Ti 1%, Al 2%,B 1%、其余为铁)，余量为狗。具体工艺过程为1、制取破碎机锤头模具、浇注准备过程同例1 ；2、低碳球铁配料、熔炼、调整成分为1.2% C,2.4% Si，并进行较低级别的低合金 化处理；然后过热保温、铁水出炉，用0.4%的变质剂(变质剂中含Si 42%,Mn 6%,Cr 2%, Sb l%,Pb l%,Ti 1%,A1 2%, B 1 %、其余为铁)，进行变质处理，再浇注成形破碎 机锤头铸件。第一次浇注时，首先测出不同规格破碎机锤头在消失模砂箱中的凝固动态曲线。3、根据凝固动态曲线进行温度-时间转换，破碎机锤头在砂箱中冷却至920°C时 进行打箱(根据破碎机锤头凝固动态曲线，确定破碎机锤头在砂箱中冷却920°C所须时间， 可根据该时间进行打箱)，然后利用聚乙烯醇淬火、铸件冷却到360°C从水玻璃中取出，将 铸件放入事先升温到360°C的电炉中保温2小时、保温结束取出空冷到室温。实施例3 贝氏体低碳球铁轧钢机扭导管原材料地方生铁，废钢，75硅铁，锰铁，铬铁，电解铜基体组织是以贝氏体为主、奥氏体为辅的复相组织，金属基体上均勻分布着细小、 圆整石墨球。化学成分为1. 8% C, 2. 2% Si, 0. 8% Mn, 0. 6% Cr,0. 5% Cu，0. 05%P,0. 06% 3，&变质剂0.7% (变质剂中含 Si 38%,Mn 8%,Pb l%Xr 2%,Sb l%,Bi
Al 2%,B 1%、其余为铁)，余量为狗。具体工艺过程为1、制取轧钢机扭导管模具、浇注准备过程同例1 ；2、低碳球铁配料、熔炼、调整成分为1.8% C,2.2% Si，并进行较低级别的低合金 化处理；然后过热保温、铁水出炉，用0. 7%的变质剂(变质剂中含Si 38%,Mn 8%, Pb l%,Cr 2%, Sb l%,Bi l%,Ti 1%,A1 2%, B 1 %、其余为铁)，进行变质处理，再浇 注成形轧钢机扭导管铸件。第一次浇注时，首先测出不同规格轧钢机扭导管在消失模砂箱 中的凝固动态曲线；3、轧钢机扭导管在砂箱中冷却至900°C时进行打箱(根据轧钢机扭导管凝固动态 曲线，确定轧钢机扭导管在砂箱中冷却900°C所须时间，可根据该时间进行打箱)，然后利 用淬火油淬火、铸件冷却到340°C从淬火油中取出，将铸件放入事先升温到340°C的电炉中 保温2. 0小时、保温结束取出空冷到室温。实施例1磨球性能测试结果为
权利要求
1.一种准铸态高强韧性贝氏体低碳球铁，基体组织上均勻分布着细小、圆整的石墨 球，其特征在于其基体组织是以贝氏体为主、奥氏体为辅的复相组织，化学成分为1.2 2. 2% C，2. O 2. 8% Si，0. 8 1. 6% Μη,Ο. 3 0. 6% Cr,0. 3 0. 8% Cu, P < 0. 1%, S < 0. 1%, Sx变质剂0. 4 0. 7%，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的准铸态高强韧性贝氏体低碳球铁，其特征在于Sx变质剂是表 面活性元素Pb、Cr、Sb、Bi、Ti、Al、B当中的全部或几种元素按一定比例与Si、Mn、Fe 一起 熔制、粉碎而成的中间合金。
3.—种权利要求1所述准铸态高强韧性贝氏体准铸态低碳球铁的生产方法，将 含1.2 2. 2% C、2.0 2.8% Si、CE 2. 0-2. 8 %的低碳当量铁水，经较低级别的 Mn-Si-Cr-Cu合金化处理，再经Sx变质剂变质处理后得到低合金低碳球铁铁水，其特征在 于经Sx变质剂处理后的低碳当量铁水不须再进行孕育处理，直接进行浇注后，利用准铸态 贝氏体工艺得到基体组织为贝氏体加奥氏体，上面均勻分布着细小、圆整石墨球的的高强 韧性贝氏体低碳球铁。
4.根据权利要求3所述的准铸态高强韧性贝氏体低碳球铁的生产方法，其特征在于准 铸态贝氏体工艺为根据低合金低碳球铁特定壁厚铸件的凝固动态曲线，控制铸件在砂箱 中的冷却时间和在冷却介质中的冷却时间，当其主要部分在砂箱中冷却到880 920°C时 进行高温打箱落砂，然后利用冷却介质进行余热淬火，使铸件冷却到320 360°C的贝氏体 转变温度从冷却介质中取出，再利用事先升温到贝氏体转变温度的保温设施保温1. 5 2 小时，使铸件进行贝氏体_奥氏体转变。
5.根据权利要求3或4所述的准铸态高强韧性贝氏体低碳球铁，其特征在于Sx变质剂 是利用表面活性元素Pb、Cr、Sb、Bi、Ti、Al、B当中的全部或几种元素按一定比例与Si、Mn、 Fe 一起熔制、粉碎而成。
全文摘要
本发明涉及一种准铸态高强韧性贝氏体低碳球铁及其制取方法，属金属材料技术领域。其组织为在贝氏铁素体加奥氏体的金属基体上均匀分布着细小、圆整的石墨球。主要工艺步骤包括低碳球铁的配料、低碳球铁的熔炼和变质处理、低碳球铁的准铸态贝氏体处理。具有工艺简单、可操作性强、成本低廉、耗能低、污染小，绿色环保，所得低碳球铁铸件具有高强韧性及高耐磨性的优点。
文档编号C22C33/08GK102080178SQ20041002179
公开日2011年6月1日 申请日期2004年2月8日 优先权日2004年2月8日
发明者王景, 胡汝生, 舒信福, 舒蕊 申请人:昆明理工大学