一种消火栓用低温球墨铸铁材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种消火栓用高性能耐低温球墨铸铁材料及其制备方法，属于铸造合金技术领域。

背景技术：

球墨铸铁是经过孕育和球化处理得到的具有球状石墨的铸铁材料，具有优良的力学性能、加工性能、耐磨性能、吸震性能及生产成本较低等优点，它的综合性能类似于钢，正是因为其优异的性能，使其成功地用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件如汽车零配件、铸铁管件、风电零部件、机床配件、发动机曲轴等。但普通球墨铸铁的缺点是低温抗冲击性能差，因而在应用于低温承受动载荷的工件方面受到一定制约。

消火栓是一种控制可燃物、隔绝助燃物、消除着火源的固定式消防设施，按位置分为室内消火栓和室外消火栓。随着经济的快速发展，城市消防安全的保障越来越重要，而消火栓则对城市消防安全起着至关重要的作用。传统消火栓配件材质一般采用灰铸铁HT200材料，在温度较低的环境下，尤其北方偏冷地区的城市来说，由于该使用材料性能受低温影响，会使得室外消火栓尤其是地上式室外消火栓容易发生脆性开裂进而对城市消防产生安全隐患。因此，生产出一种高性能耐低温并且生产成本相对较低的消火栓是目前急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明正是针对现有技术存在的不足，提供一种消火栓用高性能耐低温球墨铸铁材料及其制备方法。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种消火栓用高性能耐低温球墨铸铁，其化学成分及重量百分比包括：C：3.6-3.9%，Si：1.9-2.3%，Mn<0.2%，P<0.04%，S<0.015%，Cu<0.05%，Cr<0.04%，Sb<0.003%，Mg残余量：0.040-0.045%，RE：0.01-0.02%，其余为Fe。

一种消火栓用高性能耐低温球墨铸铁的制备方法包括以下步骤：

步骤一：熔炼；

采用中频感应电炉熔炼原材料，熔炼时生铁、废钢、回炉料、配入合金等原材料烘干。生铁Q10加入量为30-50%，废钢加入量为20-40%，回炉料加入量为20-30%。

熔炼过程中用热电偶测量铁液的温度，待温度达到1420℃时，进行一次倒包脱硫，脱硫剂加入量为1.0%，使得铁水硫含量低于0.02%，然后再倒入电炉中继续熔炼，待完全溶解后，升温至1450-1480℃取铁液浇注光谱分析试片，由分析结果来确定成分是否在要求范围内。继续升温至1500-1520℃，净置2-4分钟，立即除净炉内熔渣。为了控制好球墨铸铁中残留镁的含量，铁水的出炉温度控制在1490-1510℃。

步骤二：球化、孕育和浇注；

在铁液转入浇包之前进行一次烫包，除去包内水分，在清洁完后的浇包底部一侧加入铁水重量的1.00-1.05%的稀土镁合金球化剂，粒度在6-12mm。然后在球化剂上加入铁水重量的0.18-0.22%的含有Al、Mg元素的硅铁孕育剂，粒度在3-8mm。

铁液出炉前扒净浮渣，然后将熔炼好的铁液注入到浇包，转入浇包过程中进行随流孕育，即首次孕育，加入0.25-0.30%的随流孕育剂，粒度在0.2-0.8mm。浇包进行球化和二次包内孕育后，在浇包上加入铁水重量的0.7%硅钢片覆盖剂。处理后的铁液温度在1360-1380℃，然后保持匀速，浇口杯始终呈充满状态进行浇注，同时在浇口杯处加入0.10-0.15%的随流孕育剂，进行第三次孕育。三次孕育加入总量控制在铁液重量的0.55-0.60%。

步骤三：铸件后处理；

浇注完之后，试样在900-920℃保温2.5小时，然后炉内冷却至700-720℃保温3小时，最后取出铸件并空冷至室温。

作为上述技术方案的改进，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一：熔炼；

采用中频感应电炉熔炼原材料，生铁Q10加入量为40%，废钢加入量为30%，回炉料加入量为30%。

待温度达到1420℃时，进行一次倒包脱硫，脱硫剂加入量为1.0%，使得铁水硫含量低于0.02%，然后再倒入电炉中继续熔炼，待完全溶解后，升温至1460℃取铁液浇注光谱分析试片，由分析结果来确定成分是否在要求范围内。继续升温至1510℃，净置2分钟，立即除净炉内熔渣。为了控制好球墨铸铁中残留镁的含量，铁水的出炉温度控制在1500℃。

步骤二：球化、孕育和浇注；

在清洁完后的浇包底部一侧加入铁水重量的1.00%的稀土镁合金球化剂，粒度在6-12mm。然后在球化剂上加入铁水重量的0.20%的含有Al、Mg元素的硅铁孕育剂，粒度在3-8mm。

铁液出炉前扒净浮渣，然后将熔炼好的铁液注入到浇包，转入浇包过程中加入0.30%的随流孕育剂进行随流孕育，粒度在0.2-0.8mm。浇包进行球化和二次包内孕育后，在浇包上加入铁水重量的0.7%硅钢片覆盖剂。处理后的铁液温度在1360℃，然后保持匀速，浇口杯始终呈充满状态进行浇注，同时在浇口杯处加入0.10%的随流孕育剂，进行第三次孕育。

步骤三：铸件后处理；

浇注完之后，试样在900℃保温2.5小时，然后炉内冷却至700℃保温3小时，最后取出铸件并空冷至室温。

作为上述技术方案的改进，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一：熔炼；

采用中频感应电炉熔炼原材料，生铁Q10加入量为35%，废钢加入量为40%，回炉料加入量为25%。

待温度达到1420℃时，进行一次倒包脱硫，脱硫剂加入量为1.0%，使得铁水硫含量低于0.02%，然后再倒入电炉中继续熔炼，待完全溶解后，升温至1470℃取铁液浇注光谱分析试片，由分析结果来确定成分是否在要求范围内。继续升温至1500℃，净置3分钟，立即除净炉内熔渣。为了控制好球墨铸铁中残留镁的含量，铁水的出炉温度控制在1490℃。

步骤二：球化、孕育和浇注；

在清洁完后的浇包底部一侧加入铁水重量的1.05%的稀土镁合金球化剂，粒度在6-12mm。然后在球化剂上加入铁水重量的0.22%的含有Al、Mg元素的硅铁孕育剂，粒度在3-8mm。

铁液出炉前扒净浮渣，然后将熔炼好的铁液注入到浇包，转入浇包过程中加入0.25%的随流孕育剂进行随流孕育，粒度在0.2-0.8mm。浇包进行球化和二次包内孕育后，在浇包上加入铁水重量的0.7%硅钢片覆盖剂。处理后的铁液温度在1370℃，然后保持匀速，浇口杯始终呈充满状态进行浇注，同时在浇口杯处加入0.13%的随流孕育剂，进行第三次孕育。

步骤三：铸件后处理；

浇注完之后，试样在910℃保温2.5小时，然后炉内冷却至710℃保温3小时，最后取出铸件并空冷至室温。

附图说明

图1为本发明改进方案1实施例的金相图（100X）；

图2为本发明改进方案2实施例的金相图（100X）。

具体实施方式

下面结合具体实施例说明本发明的内容。

本发明所述消火栓用高性能耐低温球墨铸铁，其化学成分及重量百分比：C：3.6-3.9%，Si：1.9-2.3%，Mn<0.2%，P<0.04%，S<0.015%，Cu<0.05%，Cr<0.04%，Sb<0.003%，Mg残余量：0.040-0.045%，RE：0.01-0.02%，其余为Fe。

本发明所述消火栓用高性能耐低温球墨铸铁的制备方法：

步骤一：熔炼；

采用中频感应电炉熔炼原材料，熔炼时生铁、废钢、回炉料、配入合金等原材料烘干。生铁Q10加入量为30-50%，废钢加入量为20-40%，回炉料加入量为20-30%。

熔炼过程中用热电偶测量铁液的温度，待温度达到1420℃时，进行一次倒包脱硫，脱硫剂加入量为1.0%，使得铁水硫含量低于0.02%，然后再倒入电炉中继续熔炼，待完全溶解后，升温至1450-1480℃取铁液浇注光谱分析试片，由分析结果来确定成分是否在要求范围内。继续升温至1500-1520℃，净置2-4分钟，立即除净炉内熔渣。为了控制好球墨铸铁中残留镁的含量，铁水的出炉温度控制在1490-1510℃。

步骤二：球化、孕育和浇注；

在铁液转入浇包之前进行一次烫包，除去包内水分，在清洁完后的浇包底部一侧加入铁水重量的1.00-1.05%的稀土镁合金球化剂，粒度在6-12mm。然后在球化剂上加入铁水重量的0.18-0.22%的含有Al、Mg元素的硅铁孕育剂，粒度在3-8mm。

铁液出炉前扒净浮渣，然后将熔炼好的铁液注入到浇包，转入浇包过程中进行随流孕育，即首次孕育，加入0.25-0.30%的随流孕育剂，粒度在0.2-0.8mm。浇包进行球化和二次包内孕育后，在浇包上加入铁水重量的0.7%硅钢片覆盖剂。处理后的铁液温度在1360-1380℃，然后保持匀速，浇口杯始终呈充满状态进行浇注，同时在浇口杯处加入0.10-0.15%的随流孕育剂，进行第三次孕育。三次孕育加入总量控制在铁液重量的0.55-0.60%。

步骤三：铸件后处理；

浇注完之后，试样在900-920℃保温2.5小时，然后炉内冷却至700-720℃保温3小时，最后取出铸件并空冷至室温。

本发明所述消火栓用高性能耐低温球墨铸铁通过对原生铁和废钢材料的化学成分进行多次试验优化设计，制备的球墨铸铁抗拉强度≥400Mpa，屈服强度≥240Mpa，延伸率≥18%，抗低温冲击≥17J，生产出的消火栓铸件在低温20-40℃环境下仍具有良好的冲击韧性。

本发明制备的球铁碳含量为3.6-3.9%，碳元素是促进石墨化的元素，含碳量高可以提高石墨球数量，降低球径尺寸，减小缩孔缩松倾向；硅含量在2.3%以下，硅也是促进石墨化的元素，硅量的增加，不仅白口倾向减少，铁素体增加，而且能够细化石墨，提高石墨球的圆整度。但硅量过高，会提高韧性-脆性转变温度，使铸件发生脆性断裂。

本发明制备的球铁锰含量在0.2%以下，锰在球铁中通常并非有益元素，由于其严重偏析倾向，会引起基体中碳化物形成和珠光体的增加，进而严重降低低温球铁的冲击功；磷含量在0.04%以下，磷不但会显著提高韧性-脆性转变温度，而且也会降低球铁冲击功。

本发明制备的球铁在熔炼过程对铁液进行脱硫处理，硫含量过高会对石墨的球化和韧性影响较大，硫含量控制在0.02%以下。本发明中球墨铸铁的制备采用球化和孕育处理，低含量稀土球化剂球化效果较佳，能够最低保证1-2级的球化效果，球化率≥95%；三次复合孕育措施效果明显，另外，孕育剂中添加了Al、Mg，Al可以促进石墨化，Mg可以促进孕育剂熔入铁液，减缓冷却速度，降低珠光体的形成率。处理后的石墨数量增加且晶粒得到了细化，提高了铁素体的含量，珠光体的含量低于5%。

本发明制备的球铁其特点是高C低Si、低S、低P以及低微量合金元素（Cu、Cr、Sb、Sn等），通过优化设计控制各元素含量，可得到满足力学性能（高韧高强）并耐低温（20-40℃）的球墨铸铁消火栓。

以下为本发明的具体实施方式。

实施例一：

本发明所述消火栓用高性能耐低温球墨铸铁的制备方式：

步骤一：熔炼；

采用中频感应电炉熔炼原材料，球墨生铁Q10加入量为40%，废钢加入量为30%，回炉料加入量为30%。

待温度达到1420℃时，进行一次倒包脱硫，脱硫剂加入量为1.0%，使得铁水硫含量低于0.02%，然后再倒入电炉中继续熔炼，待完全溶解后，升温至1460℃取铁液浇注光谱分析试片，由分析结果来确定成分是否在要求范围内。继续升温至1510℃，净置2分钟，立即除净炉内熔渣。为了控制好球墨铸铁中残留镁的含量，铁水的出炉温度控制在1500℃。

步骤二：球化、孕育和浇注；

在清洁完后的浇包底部一侧加入铁水重量的1.00%的稀土镁合金球化剂，粒度在6-12mm。然后在球化剂上加入铁水重量的0.20%的含有Al、Mg元素的硅铁孕育剂，粒度在3-8mm。

铁液出炉前扒净浮渣，然后将熔炼好的铁液注入到浇包，转入浇包过程中加入0.30%的随流孕育剂进行随流孕育，粒度在0.2-0.8mm。浇包进行球化和二次包内孕育后，在浇包上加入铁水重量的0.7%硅钢片覆盖剂。处理后的铁液温度在1360℃，然后保持匀速，浇口杯始终呈充满状态进行浇注，同时在浇口杯处加入0.10%的随流孕育剂，进行第三次孕育。

步骤三：铸件后处理；

浇注完之后，试样在900℃保温2.5小时，然后炉内冷却至700℃保温3小时，最后取出铸件并空冷至室温。

本实施例中制备的球墨铸铁球化效果球化级别在1级以上，球化率≥95%，铁素体含量≥95%，抗拉强度≥400MPa，屈服强度≥240MPa，延伸率≥18%，抗低温（在20-40℃）冲击≥17J。生产出的消火栓铸件足以满足性能要求。

图1（a）、（b）为本实施例试样金相图。

实施例二：

本发明所述消火栓用高性能耐低温球墨铸铁的制备方式：

步骤一：熔炼；

采用中频感应电炉熔炼原材料，球墨生铁Q10加入量为35%，废钢加入量为40%，回炉料加入量为25%。

待温度达到1420℃时，进行一次倒包脱硫，脱硫剂加入量为1.0%，使得铁水硫含量低于0.02%，然后再倒入电炉中继续熔炼，待完全溶解后，升温至1470℃取铁液浇注光谱分析试片，由分析结果来确定成分是否在要求范围内。继续升温至1500℃，净置3分钟，立即除净炉内熔渣。为了控制好球墨铸铁中残留镁的含量，铁水的出炉温度控制在1490℃。

步骤二：球化、孕育和浇注；

在清洁完后的浇包底部一侧加入铁水重量的1.05%的稀土镁合金球化剂，粒度在6-12mm。然后在球化剂上加入铁水重量的0.22%的含有Al、Mg元素的硅铁孕育剂，粒度在3-8mm。

铁液出炉前扒净浮渣，然后将熔炼好的铁液注入到浇包，转入浇包过程中加入0.25%的随流孕育剂进行随流孕育，粒度在0.2-0.8mm。浇包进行球化和二次包内孕育后，在浇包上加入铁水重量的0.7%硅钢片覆盖剂。处理后的铁液温度在1370℃，然后保持匀速，浇口杯始终呈充满状态进行浇注，同时在浇口杯处加入0.13%的随流孕育剂，进行第三次孕育。

步骤三：铸件后处理；

浇注完之后，试样在910℃保温2.5小时，然后炉内冷却至710℃保温3小时，最后取出铸件并空冷至室温。

本实施例中制备的球墨铸铁球化效果球化级别在1级以上，球化率≥95%，铁素体含量≥95%，抗拉强度≥400MPa，屈服强度≥240MPa，延伸率≥18%，抗低温（在20-40℃）冲击≥17J。生产出的消火栓铸件足以满足性能要求。

图2（a）、（b）为本实施例试样金相图。

本发明技术方案不局限于以上几种实施方式，还包括具体实施例之间的各种组合变动。