一种高强度钢性球铁及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种高强度高韧性球铁及其制造方法，是在熔化铁液时使用60％至95％以上大量的废钢，很少量使用优质高炉生铁和回炉料，经过高温过热获得高性能、高强度、高延伸性、高韧性重力浇注无铸造缺陷的、似钢的低碳低硅亚共晶或共晶的低成本高强度钢性球铁的制造方法。
【专利说明】一种高强度钢性球铁及其制造方法
【技术领域】
[0001]一种高强度钢性球铁的制造方法其特征是在熔化铸铁溶液时，向冲天炉或电炉内投放总容量60%至95%以上的大量的废钢得到的。
【背景技术】
[0002]高强度钢性球铁的特征是低碳低硅的球铁，化学成分是共晶或亚共晶的，即共晶度< I。这种似钢的钢性球铁较球铁在1947年发明以来强调的首要条件是共晶度> I有明显不同。
[0003]中国专利公开CN101265546A公开了一种用废钢生产球墨铸铁的方法，包括在中频炉中加入废钢熔炼，将废钢化成铁水后升温至1550~1600°C，按铁水重量的5~7%加入增碳剂、按铁水重量的I~3%加入硅铁，进行增碳补硅，将在增碳补硅时有所下降的铁水温度升温至1550~1600°C，按0.6~1.2%加入脱硫剂进行脱硫处理，将在脱硫时有所下降的铁水温度升温至1550~1600°C，进行补氧降锰，并进行脱磷处理，进行炉前化学成分分析，调整化学成分，使铁水温度达到1550~1600°C，出炉，然后在铁水包内进行球化处理。
【发明内容】
[0004]本发明提供 了一种高强度钢性球铁及其制造方法。
[0005]本发明的钢性球铁在低碳低硅的条件下获得了比过共晶球铁有更高物理性能、抗拉强度高、延伸率大、铸造缺陷明显减少的特点。由于大量使用废钢，成本大幅降低，资源利用状况发生良好变化，也有利减少废钢氧化铁对自然环境的污染。本发明的高强度钢性球铁的制造方法是获得低成本、高性能球铁的最简便、最新颖的有效办法。
[0006]本发明的钢性球铁是通过将60~95重量％的、含碳量平均为0.2~0.9重量％(例如0.5~0.9重量％ )的废钢和5-30重量％的高炉生铁或回炉料在1560~1600°C的高温下熔炼，其中在熔炼时，在炉内加石墨电极与的废钢一起熔炼，使得刚性球铁的碳含量为1.5~3.0重量％，任选进行除硫(例如通过添加苏打，每吨铁水添加15~20公斤苏打)，然后球化和孕育，获得刚性球铁，所述钢性球铁的化学成分和主要元素组成为--碳1.5% -3.0%、硅 1.2 ~2.8%，优选 1.7% -2.7%、硫〈0.6%、磷〈0.06%、锰0.5% -1.2%,优选0.5~1.0%，其余为铁，％以刚性球铁的重量为基准计。合金化时可加入钥
0.2% -0.6%、铜0.4% -0.9%或其他的合金元素。
[0007]关于碳:本发明的钢性球铁主要控制碳当量(碳量+1/3硅+1/3磷含量)等于
4.3%或小于4.3% (质量分数)。制成共晶的或亚共晶的球铁，由于碳含量低，比重大于普通现有的球铁，而强度、延伸性又高于现有的球铁。为区别这两种球铁，对大量废钢制造的低含碳量的性能似钢的本发明方法制造的球铁定名为“钢性球铁”。
[0008]在上述化学成分中铁元素是加入总量60%-95%以上的废钢实现的。废钢含碳量平均为0.5% -0.9%，在熔炼过程中可加入5% -30%的高炉生铁或回炉料。大量采用废钢可获得含碳量1.5%的铁水，这种低碳的铁合金有效截面增加，晶粒得到细化，在其后球化时可获得明显高的抗拉强度和延伸性，这种钢性球铁的铸造缺陷明显减少，几乎不会出现缩松、气孔、皮下气孔、石墨漂浮、夹渣等现象。现有过共晶球铁，大量碳原子在固体内扩散引发的缺陷使材料性能明显下降的现象得到了改善，低碳低硅钢性球铁的晶粒细小、宏观特性、力学性质、耐腐蚀性都得到了大幅提高，这种制造方法容易获得质量稳定、成品率高的铸件。资源和废旧物资再生循环得到充分高效利用，是节省金属材料的有效途径。
[0009]本发明的含碳量1.5% -3.0%的铁液的制造方法是在电炉(如中频电炉)中熔制时，需在炉内加石墨电极(50毫米X 50毫米块状)I %-2.5% (质量分数)与平均含碳量
0.5%的废钢一起熔炼。本发明主张低碳当量，以亚共晶和共晶状态为主导。例如碳量1.5%时铸态晶粒十分细致，宏观颜色呈银亮色、无兰色的氧化铁表面，由于过热或急冷通常的铸造缺陷不见了，晶粒细化、力学性能大幅提高。仅此采用低碳含量的一个举措就可将现有球铁冶炼水平提高一个质量等级。大量采用废钢的低碳低硅的钢性球铁的性能，一般都可以达到GB500-9以上水平。明显好于使用优质高炉生铁现有球铁的性能。[0010]关于硅:本发明钢性球铁的硅含量的特征是将硅量控制在1.7% -2.7%之间。本发明的加硅工艺是将全部或部分(例如4/5)的硅用于孕育处理，在炉中仅加入1/5的硅，甚至在炉中不加硅。由于本方法的含碳量低，熔化温度高，仅仅是由于加入适量的孕育硅，提高铁水的流动性、细化晶粒是加硅的主要目的。本方法采取将硅敷在包底，分两次冲入铁水、随流撒细硅铁粒二至三次瞬时孕育的方法，分别将不需预热的硅铁加入铁流中。大孕育剂和本方法表3中列举的球化剂、变质剂一起加入的办法，处理铁水是十分重要的。
[0011]合金化元素:在钢性球铁的熔炼过程中，可以在铁液中加入各种合金元素。本方法的特征在于在电炉中开始熔炼时一次性将各种合金元素一并加入，以降低共熔点，得到过热，达到细化晶粒的目的。藉助球化反应后高温状态时的充分搅拌铁水可细化共晶体，获得均匀的无宏观局域或微晶偏析的高质量铸件。
[0012]除硫方法:铁液熔化后,烧注前,冲入烧包中的铁水应在烧包中除硫,每吨铁水加15-20公斤苏打，可去除硫约55% -65%。加入1/2苏打先用纸袋包装放在包底。另1/2在冲入包内铁水1/2时加入，反应3分钟后加少量石灰或打渣剂除渣，铁水的晶莹程度提高、增加流动性。
[0013]本方法实施例之一的典型配方如下(质量组分):碳1.8%、硅2.7%、硫0.02%、磷0.05%、锰0.5%、铜0.3%、钥0.2%、残余镁0.03%、残余稀土 0.02%、其余为铁。在熔化时使用90%的废钢和10%高炉生铁，废钢的平均含碳量为0.5%，废钢为工业废料。
[0014]本发明方法使用的变质剂如附表4的编号为1、2、3、4等四种，球化剂如附表3中所列举的1、2、3、4等四种。
[0015]高强度高韧性球铁的制造方法的主要特征是在熔炼铁含佥溶液时大量采用废钢，明显区别现有技术大量采用优质高炉生铁的方法。废钢是指工业下角料或日常生活中的废钢质器材、旧汽车、船舶、军火、钢结构等废料。经破碎小于熔炉直径的料块，加入碳硅等合佥元素高温冶炼得到的钢性球铁。本方法的优质钢性球铁铸件首先选用碳素钢废钢，合金结构钢废钢。用废钢是指在熔炼时采用不少于60%-95%以上总重的废钢。大部分废钢做原料时，可以获得较优质高炉生铁更为优秀的高质量铸件。钢性球铁强度明显高于现有球铁强度。本发明大量采用廉价的废钢制造优秀铸件获得了材料学的突破。[0016]使“钢-铁〃合二而一，高强度高韧性球铁的出现具有钢的性能，而低碳钢的钢性球铁这种新材料又可以像铁一样的方便的实行铸造生产重要零部件。低碳含量的钢性球铁内基体组织中引起应力集中的碳的割裂作用减小，结晶温度范围宽、初生奥氏体枝晶发达而使强度高于过共晶球铁。
[0017]在大量采用废钢熔炼时，废钢平均含碳量分别为0.2% -0.9%。需在熔炼时增碳。本方法增碳在电炉中熔炼则需要将配方要求的碳量计算后用加石墨电极50毫米左右的块状物，在开始熔炼时与炉料一起放在坩埚底部。碳元素经过本发明方法的孕育、变质、球化处理和高温过热可完全溶于基体组织，得到任意含碳量的高强度的钢性球墨铸铁。含硅量应在1.2% -2.8%、锰0.5% -1.2%、硫〈0.6%、磷〈0.09以及较少量的残余稀土和残余镁。总体上控制碳当量≤4.3。当铁液为亚共晶时应含碳1.5%以上。碳当量可控制在2.0-4.3之间。
[0018]大量采用废钢达60% -95%时，应用本发明的熔炼方法增碳3%以上，使碳当量等于或大于4.3时获得的钢性球铁，强度较亚共晶钢性球铁略低，可在大型铸件上应用，这时比重较接近7.3，充型能力、流动性更好、材质致密是主要特征。
[0019]在熔炼钢性球铁时将所使用的硅铁的少量(例如1/5)放入炉中熔炼，而将全部或4/5的硅铁做为孕育剂，在铁水出炉后分别在包底和浇注铁流中加入大量的孕育硅成核作用强烈，晶粒特别细化。同时采用有效避免白口倾向的三次孕育、瞬时孕育，细小的硅铁粒在高温铁流状态下加入时的效果是既不熔化也不会聚集成杂质，均匀分布于金属液中，形成固相晶核、细化共晶体作用明显。本发明方法使用的孕育剂的配方含量为硅50%左右、钙10% -18%、铝1.2% -2.2%、钡5% -16%的强化孕育剂或使用球化孕育变质三元复合剂。
[0020]在球化变质处理过程中充分搅拌高温溶液。只有充分搅拌才可能破坏界面的溶质层，有效的防止偏析，同时促进石墨小球从金属液中不断迅速析出，而杂质和气泡也因搅拌强烈而上浮，搅拌使比重不同的元素在液体中尽可能处于均匀状态，有效防止重力偏析，同时破坏枝晶形成，促使等轴品长大，利用温度起伏，使枝晶重熔，得到动态细化晶粒的效果。现有技术对搅拌的作用并不强调。本发明方法的特征是在高温铁水中有足够高的铁水温度可供充分搅拌时的需要，而不会防碍后来的高温浇注。剧烈搅拌后镇静铁液并进行除渣，保温液面再行浇注。搅拌可充分利用孕育变质球化反应时溶液中的温度起伏提高铁水流动性、均匀细化品粒，获得无白口的以珠光体和铁素体为主的钢性球铁铸态组织。
[0021]本发明方法如说明书中所述的高温熔炼，高温浇注的主要特征是温度明显高于现有技术水准，通过1560°C -1600°C高温过热处理的铁水可大幅改善材料的质量，改变其原有性能，获得重力浇注无缺陷铸件的新方法是本发明方法的特征之一。由于熔化浇注时的高温冷却急刷收缩可获得无缩孔、无冷隔、无气泡、无夹渣的充满复杂型腔的完整致密、轮廓清晰的铸件。高温熔化可在浇注时，在浇包中有足够的时间镇静铁水，铁水净化，难溶的固体质点熔化，未熔的质点和气体有机会上浮，铁水的流动性、均匀性增加同时减少晶粒阻塞浇道，避免浇不全的现象发生。
[0022]本方法对废钢的化学成分并无明确的要求。由于废钢中的合金元素显然是多种多样的。高强度钢性球铁的化学成分首先应当是亚共晶的或共晶的。
[0023]废钢可不进行除油除锈，由于高温过热是本方法的主要特征，在高温中氧化铁可加剧在炉中的熔化速度，诸多杂质均在高温后搅拌镇静过程中消除，获得高质量的铁液。[0024]由定量的经仔细计算设计较细小的铁水流浇注成的经过层状冷却而获得无浇口冒口补缩作用的完整的铸件。铁水得用率可达90% -95%以上。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]本发明附图1是工艺流程框图。在附图1中将本发明制造方法的工艺流程自上端左面从废钢加入熔炉中起向下以框图形式表达如附图1所示。
【具体实施方式】
[0026]本发明提供了一种钢性球铁，它是通过将60~95重量％的、含碳量平均为0.5~
0.9重量％的废钢和5-30重量％的高炉生铁或回炉料在1560~1600°C的高温下熔炼，其中在熔炼时，在炉内加石墨电极与的废钢一起熔炼，使得刚性球铁的碳含量为1.5~3.0重量％，然后球化和孕育，获得刚性球铁所述钢性球铁的化学成分和主要元素组成为:碳
1.5% -3.0%、硅 1.7% -2.7%、硫〈0.6%、磷〈0.06%、锰 0.5% -1.0%，其余为铁，％ 以刚性球铁的重量为基准计。合金化时可加入钥0.2% -0.6%、铜0.4% -0.9%或其他的合金元素。
[0027]本方法可 以用控制不同的铁水流量的方法得到比重7.2-7.07不同比重的逐渐分层冷却的重力浇注的无缺陷的铸件。在浇注零件浇口中不产生补缩现象，这时仅比重略有降低，实现了无压头、无冒口、无缩松、不需补缩的铁水利用率非常高的铸件制造方法。
[0028]白口倾向的防止方法:大量使用废钢的低碳低硅的亚共晶或共晶成分的钢性球铁，在理论上容易出现白口倾向，渗碳体会大量形成，但本发明方法的特征在于对铁水熔化采用高出传统方法很高的高温和过热、熔化温度高、浇铸温度高，高温铁水在型内释放大量的热量直接提高了金属型或砂型型壁的温度。高温的结果是铸件获得大量的铁素体和珠光体组织，实际上促进了石墨化的过程。传统方法从来不用高温铁水加热型腔壁，铸件铁液温度低又被铸型激冷，出现白口，皮下气孔，浇不全等多种铸造缺陷是必然的。本发明方法大量采用废钢时铁液中少量的碳化物、氮化物分布在奥氏体的晶界上，阻碍奥氏体晶粒长大，合金化元素形成的弱碳化物，含碳量少时凝固在高温作用下更易于溶在奥氏体的固溶相中，而使晶粒得到特别细化，宏观断口很像钢。由于含碳量少，自由状态的石墨呈球状，形成的孔洞大为减少，缺口敏感性也大幅减少。由于少量的碳在大量铁原子的包围下，在硅、锰等元素大量晶核的作用下，石墨析出物被迅速细化，结晶很细小致密，无宏观石榴状结晶，不像一般球铁而有很像“钢”的断口，这种似钢的钢性球铁有很高的物理性能，外观和内在质量都很像钢。而化学成分中决定性的碳元素却比钢高，比铸铁低，是一种介于铁和钢之间的铁碳合金，而综合物理性能却高于铁和钢。例如一种本发明方法制造的钢性球铁的碳当量是3.10，是用90%的含碳0.5%的废钢、加入硅2.7%、高炉生铁7%、少量铜、钥熔化后球化变质处理得到的。抗拉强度达到980Nm，延伸率3.6%的优质钢性球铁。为防止出现白口，在孕育变质过程中，加入大量的硅，产生了许多弥散分布的硅酸盐质点，其晶格常数与石墨六方晶格常数十分接近，易于生成大量晶核。这些亚共晶铁水中的富硅区的浓度起伏相当于共晶区或过共晶区经过球化外理的铁水，可在凝固时即时析出球状石墨，这些自由碳在高温热能动力学作用下没有足够的碳去生成渗碳体，大量的铁素体占主导因素，从而避免了白口倾向的产生。由于制造了大量的“人工晶核”变质处理和球化过程避免了白口倾向，最主要的特征是高温过热使上述过程更为充分，防止了白口倾向。铸件不必退火即可进行机械加工。石墨在溶液或固溶液中直接结晶的过程析出石墨或渗碳体，由于本方法高温过热的铁水溶液在浇注时也用较高的温度，冲天炉1460°C、电炉1560°C至1600°C在这样高温作用下少量的碳原子摄取了十分少的铁原子和它结合在一起，高温的激活能使少量的碳原子问的结合力大于异类原子的结合力，使碳原子无法大量与铁原子结合在一起，破坏了形成渗碳体的条件，且碳在溶液中析出时由于球化剂的作用其扩散过程是控制过程，原子从各方面均匀流入可将碳结晶成园球形状，而很少形成渗碳体，这样的铸件加工性能良好，可免去石墨化退火。当然如果由于铸型或工艺原因出现白口时，本方法的高强度钢性球铁铸件也可在石墨化退火后进行机械加工，而对高强度的特性没有不良的影响。如用电炉1600°C以上高温过热熔化的铁液铸件其退火时间可较现有技术的退火时间减少1/2以上，即可全部消除渗碳体，退火时间明显减少，节约能源显著。
[0029] 钢性球铁增碳后加硅孕育变质球化时的铁水温度要尽量的高。例如冲天炉1500 0C，此时可用暖风炉或吹氧提高炉温，浇注温度1450°C左右，更有效的方法是用中频电炉熔炼或用电炉增温的双联冶炼。使出炉温度不低于1500°C，熔炼过热时要尽量采用高温，例如1560°C -1600°C之间的高温过热。经过如此高温过热处理的铁液铸件质量特别完美，是重力浇注无缺陷铸件的简便有效的关键方法。高温铁水有像水一般的流动性，可瞬时充满铸型，枝间晶形成倾向减小，高温铁水冲刷铸型壁，有利于铸件凝固时石墨化充分，复杂薄壁的铸件在高温液流高雷诺数的作用下可迅速被充满，随后的过冷不但避免了白口又特别地细化了晶粒，提高了铸件的质量和成品率。高温消耗的能量有限，而近百分之百的成品率和无冒口无压头的浇注系统的铁水利用’率明显高于现有的铸造工艺方法。本方法首先突破“高温禁区”获得了明显的效果，高温使铸件质量明显得到改善。流动性对通常铁水在1500°C球化处理时石墨呈较大球状，而后再提高至1550°C处理时，石墨球呈雪花状的不规整园球形，性能下降，而本方法采用1560°C -1600°C的高温处理时,雪花状石墨被高温热能激活后结晶成更为细小的园整的石墨球。低温时球径为20 μ -350 μ，高温时细化的球径可达到I μ至20 μ高温浇注的另一个好处是铁水流动性特别好，高温铁液中杂质和气泡易于上浮，夹渣明显减少，分散缩孔减少，是获取密实无缺陷铸件的简便有效方法。例如在电炉中的高温铁水质量除气效果好，通常的说法是高温时铁水易吸收气体，实际上高温时铁液中的气体被铁水的高比重排挤到大气中去了。在电炉熔化铁水时，15000C -1600°c之间出现大量的气泡上浮，沸腾如煮水。开锅时一样，气泡反复发生不止，但在继续的升温过程中气泡和沸腾现象停止了，铁水呈现平静的镜面状态，显然这时的铁水质量十分均匀，无杂质也无宏观和微晶偏析，清彻晶融的铁水明显好于低温易大量生长枝间晶，粗糙的“粘”的，流动性不好的铁水。现有铸造行业流行的工艺方法是“高温出炉、低温浇注”，本发明新的工艺方法是将其改为“甚高温出炉、高温浇注〃改变使基体组织结晶条件发生变化。由于高温浇注，铸型温度的提高改善了凝固条件，避免白口倾向又细化了晶粒，在铸型内冷时铁水大量的热量直接影响初生晶的形成，促进了石墨化。在奥氏体铁液中已经球化了的石墨在过后的降温时并未改变石墨的形状。液体温度高，表面张力降低，流动性好。粘滞系数小，使铸件成形容易，高温使冷却缓慢，降低了结晶转化温度和速度，可使奥氏体分介产物的分散性增加而得到组织细化的钢性球铁，其铸态组织为大量铁素体和珠光体，没有渗碳体。数量不多的碳元素，高温时溶介的碳在浇注后自液体中析出的数量也明显减少，这使铸造缺陷得以减少，而金属的均匀性增加，强度和塑性得到提高。在1400°C -1600°C之间随着冶炼温度的升高，铸件的抗拉强度也随之提高，温度和质量呈线性关系，是本方法的主要特征之一。相关数据见附表2和附表1。
[0030]综上所述本发明加入大量废钢熔炼高强度钢性球铁的方法较现有铸造球铁大量使用高炉优质生铁的方法有明显的区别。最主要的特征在于大量使用废钢时可以获得明显高于使用高炉生铁时的优质无缺陷高质量的钢性球铁铸件。纵观国内国外几乎没有没有废钢的城市或乡村，大量无用的废钢应用本发明的制造方法可以变成更为优良的铸件是本发明最主要的特征。总之，本发明的钢性球性球铁的制造方法，是21世纪制造新产品的有效方法，十分简便的工艺方法应用废旧资源获得的却是优良的高质量、低成本的铸件。
[0031]本方法具有明显的社会效益和很高的经济效益，推广应用前景十分广阔。
[0032]实施例
[0033]使用90%的废钢和10%高炉生铁，废钢的平均含碳量为0.5%，废钢为工业废料，在1600 V下熔炼，其中在熔炼时，在炉内加石墨电极与的废钢一起熔炼，使得刚性球铁的碳含量为1.5~3.0重量％，然后球化和孕育，获得刚性球铁。用低镁低稀土球化剂进行球化处理。球化剂粒度在3-10mm之间。球化剂化学成分如下所示:
【权利要求】
1.一种钢性球铁，其是通过将60~95重量％的、含碳量平均为0.2~0.9重量％的废钢和5-30重量％的高炉生铁或回炉料在1560~1600°C的高温下熔炼，其中在熔炼时，在炉内加石墨电极与的废钢一起熔炼，使得刚性球铁的碳含量为1.5~3.0重量％，然后球化和孕育，获得刚性球铁，所述钢性球铁的化学成分和主要元素组成为--碳1.5% -3.0%、硅1.2% -2.8%、硫〈0.6%、磷〈0.06%、锰0.5% -1.2%，其余为铁，％以刚性球铁的重量为基准计。
2.根据权利要求1所述的刚性球铁，其特征在于，在熔炼时加入钥0.2%-0.6%和/或铜 0.4% -0.9%。
3.根据权利要求1所述的刚性球铁，其特征在于，所述废钢是指工业下角料或日常生活中的废钢质器材、旧汽车、船舶、军火、钢结构的废料。
4.一种刚性球铁的制造方法，其包括: 将60~95重量％的、含碳量平均为0.2~0.9重量％的废钢和5-30重量％的高炉生铁或回炉料在1560~1600°C的高温下熔炼，其中在熔炼时，在炉内加石墨电极与的废钢一起熔炼，使得刚性球铁的碳含量为1.5~3.0重量％，然后球化和孕育，获得刚性球铁，所述钢性球铁的化学成分和主要元素组成为:碳1.5% -3.0%、硅1.7% -2.7%、硫〈0.6%、磷〈0.06%、锰0.5% _1.0%，其余为铁，％以刚性球铁的重量为基准计。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在熔炼时加入钥0.2% -0.6%和/或铜0.4% -0.9%。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述废钢是指工业下角料或日常生活中的废钢质器材、旧汽车、船舶、军火、钢结构的废料。
【文档编号】C22C33/08GK103924167SQ201410177216
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】郑巨澜, 黄为, 廖成智, 陈建平, 童攀 申请人:长沙金龙铸造实业有限公司