非合金化铸态高强度铸铁型材的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种非合金化铸态高强度铸铁型材的制备方法，在型材连铸过程中经历共析转变时，施加“三次喷冷”处理，使型材的基体转变成珠光体组织，得到高强度铸铁型材。本发明非合金化铸态高强度铸铁型材的制备方法，使铸铁型材基体组织在较大的冷却速度下经历共析转变，基体中珠光体的数量显著增加，从而达到不通过合金化或热处理而得到高强度铸铁型材的目的，大幅度降低高强度铸铁型材的生产成本，实现低成本下通过水平连铸、“三次喷冷”工艺得到高强度铸铁型材。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明属于铸铁水平连铸【技术领域】，具体涉及一种非合金化铸态高强度铸铁型材 的制备方法。 非合金化铸态高强度铸铁型材的制备方法
【背景技术】
[0002] 水平连铸铸铁型材按基体组织分主要为珠光体基体铸铁型材和铁素体基体铸铁 型材。珠光体基体的铸铁型材较铁素体基体的铸铁型材具有更高的强度，称为高强度铸铁 型材。在实际生产应用中，珠光体基体的铸铁型材占有更大的份额。为了得到高强度铸铁 型材，就必须改善铸铁型材的基体组织，使其成为珠光体基体的铸铁型材（或以珠光体为 主）。
[0003] 在铸铁水平连铸过程中，铁水经结晶器冷却，凝固成型材，称为"一次冷却"。型材 出结晶器时，外壳是固体内部仍为高温液芯，型材的表面温度通常在l〇〇〇°C左右。为了提高 生产率（也为了防止拉漏），在结晶器的出口处对红热的型材喷水冷却，称为"二次喷冷"。 二次喷冷后，型材外壳的厚度进一步增加，表面温度有所降低。随后，在自然空冷中液芯凝 固，型材降温并发生共析转变。由于共析转变发生在自然空冷的条件下，冷却速度不大，型 材的基体组织通常是铁素体或以铁素体为主，型材的强度不高。
[0004] 迄今为止，国内外对于改善铸铁型材基体组织可采取的技术主要有两种：一种是 加入合金元素 Cu、Mn、Ni、Mo等（简称高合金化），使型材在连铸过程中基体组织直接转变 为珠光体；另一种是对铸态的型材进行正火热处理，通过热处理使其基体组织转变为珠光 体。两种方法虽然都能得到高强度铸铁型材，但由于前一种方法需要加入贵重的合金元素， 后一种方法需要大量的电能消耗，它们都会使型材的生产成本大幅度增加，降低了铸铁型 材的技术经济效益。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种非合金化铸态高强度铸铁型材的制备方法，解决了现有 技术中高强度铸铁型材的优异性能与高生产成本之间相矛盾的问题。
[0006] 本发明所采用的技术方案是，非合金化铸态高强度铸铁型材的制备方法，在型材 连铸过程中经历共析转变时，施加"三次喷冷"处理，使型材的基体转变成珠光体组织，得到 高强度铸铁型材。
[0007] 本发明的特点还在于：
[0008] "三次喷冷"处理所采用的装置为"三次喷冷"装置，其结构为：包括导管，导管上设 有三个水包，每个水包上均匀设有八个喷水口，每个喷水口上分别设有雾化喷头，每个水包 上分别设有流量表和冷却水阀，导管上还设有压力表和调节水阀，三个水包下面还设有集 水槽。
[0009] 水包直径为Φ300πιπι，相邻两个水包之间的间距D可根据实际需要自由调节，以获 得不同的喷水覆盖面积；雾化喷头的喷射角Θ不小于60°。
[0010] 本发明的有益效果是，本发明非合金化铸态高强度铸铁型材的制备方法，使铸铁 型材基体组织在较大的冷却速度下经历共析转变，基体中珠光体的数量显著增加，从而达 到不通过合金化或热处理而得到高强度铸铁型材的目的，大幅度降低高强度铸铁型材的生 产成本，实现低成本下通过水平连铸、"三次喷冷"工艺得到高强度铸铁型材。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1是本发明中"三次喷冷"装置的结构示意图；
[0012] 图2是本发明中"三次喷冷"装置中雾化喷头的喷水形式图；
[0013] 图中，1.水包，2.雾化喷头，3.球铁型材，4.流量表，5.导管，6.压力表，7.调节水 阀，8.冷却水阀，9.喷水口，10.集水槽。
[0014] 图3是实施例1中"三次喷冷"处理前铸铁型材的冷却曲线；
[0015] 图4是实施例1中未经过"三次喷冷"处理的试样的组织形貌图，其中，a是型材表 层组织，b是型材1/2半径处组织，c是型材心部组织；
[0016] 图5是实施例1中2个水包、水阀为2/3开时型材的基体组织形貌；其中，a是型 材表层组织，b是型材1/2半径处组织，c是型材心部组织；
[0017] 图6是实施例1中水包个数对铸铁型材的硬度影响曲线；
[0018] 图7是实施例1中水包个数对铸铁型材的强度影响曲线；
[0019] 图8是实施例1中喷水强度为3. toV1时试样的组织形貌图；
[0020] 图9是实施例1中喷水强度为5. 82ΠΛΓ1时试样的组织形貌图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0022] 本发明非合金化铸态高强度铸铁型材的制备方法，在型材连铸过程中经历共析转 变时，施加"三次喷冷"处理，使型材的基体转变成珠光体组织，得到高强度铸铁型材。
[0023] 如图1和图2所示，"三次喷冷"处理所采用的装置为"三次喷冷"装置，其结构为： 包括导管5,导管5上设有三个水包1,水包1直径为C>300mm,相邻两个水包之间的间距D 可根据实际需要自由调节，以获得不同的喷水覆盖面积，每个水包1上均匀设有八个喷水 口 9,每个喷水口 9上分别设有雾化喷头2,雾化喷头2的喷射角Θ不小于60°，每个水包 1上分别设有流量表4和冷却水阀8,通过流量表4测定水的流量；导管5上还设有压力表 6和调节水阀7,调节水阀7开合的不同程度控制了喷水的强度；压力表6用来保证喷头雾 化所必需的最低水压；三个水包1下面还设有集水槽10。
[0024] 本发明非合金化铸态高强度铸铁型材的制备方法，使铸铁型材基体组织在较大的 冷却速度下经历共析转变，基体中珠光体的数量显著增加，从而达到不通过合金化或热处 理而得到高强度铸铁型材的目的，大幅度降低高强度铸铁型材的生产成本，实现低成本下 通过水平连铸、"三次喷冷"工艺得到高强度铸铁型材。
[0025] 实施例1
[0026] 所用设备为冲天炉、ZSL-02型铸铁水平连铸机及"三次喷冷"装置。首先将炉料加 入冲天炉中熔炼，炉料经高温熔炼呈液态，通过冲天炉过桥流入前炉，使铁液的成分和温度 均匀。开始连铸生产时，铁液自前炉经由出铁槽流入铁水包，在铁水包内进行球化和孕育处 理。
[0027] 铁水球化处理采用筑有堤坝的"圆筒形"浇包进行球化处理，"圆筒形"浇包指的是 浇包上下直径相同或相近，并对包内修筑使其深度与内径之比H/D = 1. 5?2. 0。球化剂为 稀土镁合金球化剂，化学成分为：Re4 %?6 %，Mg7 %?9 %，Si38 %?44 %，余量为Fe。孕 育剂为普通孕育硅铁，化学成分为：Si73. 19%，C0. 087%，余量为Fe。
[0028] 球化和孕育处理后的铁水直接送往保温炉进行浇注，铁水包送到保温炉上方，在 开始浇注的时候采用简易耐火轻质材料制得的工具蓖住铁水液面浮渣，铁水经由浮渣下部 流出并注入保温炉内，铁水在保温炉内依靠高的铁水压头流入直径为Φ75mm的结晶器内 顺序凝固，以步进式牵引出结晶器得到球铁型材。
[0029] 结合图3可知，CE区间的型材温度处于奥氏体温度和共析转变温度之间，为了得 到珠光体基体组织，本次试验拟在该区域将球铁型材3放在"三次喷冷"装置中。使用红外 辐射测温仪观测型材的温度，在型材表面温度为720°C时（此时型材心部温度在750°C以 上），开始实行"三次喷冷"工艺。本次试验中去应力退火型材所需温度定在500°C?550°C， 因此要求在"三次喷冷"以后，型材表面温度要大于500°C，以保证喷水后型材具有足够的去 应力退火所需的余温。
[0030] "三次喷冷"装置中冷却水流量的设计依据为冷却水阀7开关的开放程度，设计为 1/3开、2/3开和全开三个水平。记录水阀7开放不同程度时的流量值，以表示喷水强度大 小。
[0031] 首先对未实施"三次喷冷"工艺的试样进行组织观察和力学性能检测，图4为"三 次喷冷"处理前球铁型材试样的组织形貌（a是型材表层组织，b是型材1/2半径处组织， c是型材心部组织）。由图4可知，试样基体组织以铁素体为主，可判断该种球铁型材为典 型的铁素体球铁型材。测得硬度为165HB，强度为409MPa，断后伸长率为18%，冲击韧性为 120J · cm 2。
[0032] 实施例1 "三次喷冷"处理中冷却水温度为20°C，水包喷射角Θ > 60°，喷水压 力P的改变是为了保证喷头有足够的喷射角θ。
[0033] 通过对球铁型材按照不断增加水包个数的方式实施喷水工艺，同时将水阀设计为 1/3开、2/3开和全开三个水平。图5为2个水包、水阀为2/3开时型材的基体组织形貌（a 是型材表层组织，b是型材1/2半径处组织，c是型材心部组织）。
[0034] 结合图4?图5可知，在球铁型材非合金化"三次喷冷"处理中，型材随喷水水包 个数的递增，其基体内珠光体组织增多。
[0035] 结合图6?图7可知，在球铁型材非合金化"三次喷冷"工艺中，型材随喷水水包 个数的递增，其硬度、强度有大幅度的增加。
[0036] 结合图8?图9可知，在球铁型材非合金化"三次喷冷"工艺中，型材基体中珠光 体的数量增减趋同于水包个数增加对球铁型材珠光体组织的影响。
[0037] 不同水包个数和喷水强度下，试样的硬度、抗拉强度、断后伸长率和冲击韧性的测 试结果如表1所示。
[0038] 表1不同水包个数和喷水强度下，试样的硬度、抗拉强度、断后伸长率和冲击韧性 的测试结果
[0039] 试样I水包个数I喷水强度q I布氏硬度I抗拉强度I断后伸长率I冲击初性 编号 / 个 /m3h_1 /HB /MPa /% /J-cm'2 ~1 1 ?3 ?70 450 ?5 --? ~2 ? L62 ?75 452 13 95 ^3 1 L94 180 452 13 9S ^4 2 Ζ6 239 510 10 72 ~5 2 ?Μ 240 5?0 ?〇 69 ~6 2 ?88 244 512 9 67 ~7 3 3^9 283 616 6 42 ^8 3 4Μ 285 630 6 41 ^9 3 5^82 287 642 6 41
[0040] 由表1可知，在球铁型材非合金化"三次喷冷"工艺中，其喷水强度值除受到节流 阀通流面积的影响外，还受到水包个数的间接影响。节流阀通流面积越大，则喷水强度越 大，水包个数越大，则喷水强度越大，且随着喷水强度的提高，型材的硬度和强度均呈阶梯 式递增趋势。
[0041] 从实施例1可以看出，在铸铁水平连铸生产过程中，通过型材表面红外测温跟踪， 选用20°C的冷却水，在3个水包下，喷水强度达到5. 82ΠΛΓ1时，得到了非合金化铸态高强度 铸铁型材，其力学性能为：硬度287HB，强度642MPa。
【权利要求】
1. 非合金化铸态高强度铸铁型材的制备方法，其特征在于，在型材连铸过程中经历共 析转变时，施加"三次喷冷"处理，使型材的基体转变成珠光体组织，得到高强度铸铁型材。
2. 根据权利要求1所述的非合金化铸态高强度铸铁型材的制备方法，其特征在于，所 述"三次喷冷"处理所采用的装置为"三次喷冷"装置，其结构为：包括导管（5)，所述导管 (5)上设有三个水包（1),每个水包（1)上均匀设有八个喷水口（9)，每个喷水口（9)上分别 设有雾化喷头（2)，每个水包（1)上分别设有流量表（4)和冷却水阀（8)，所述导管（5)上 还设有压力表（6)和调节水阀（7)，三个水包（1)下面还设有集水槽（10)。
3. 根据权利要求2所述的非合金化铸态高强度铸铁型材的制备方法，其特征在于，所 述水包⑴直径为〇300mm，相邻两个水包⑴之间的间距D可根据实际需要自由调节，以 获得不同的喷水覆盖面积；所述雾化喷头（2)的喷射角Θ不小于60°。
【文档编号】B22D11/124GK104117646SQ201410313054
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】张云鹏, 张甜甜, 刘永辉, 刘党伟 申请人:西安理工大学, 陕西华安铸铁型材有限公司