本发明涉及一种铸铁制备工艺，尤其涉及一种纳米粉体改性强化铸铁的制备工艺。
背景技术
随着柴油发动机的不断升级，对发动机的材料性能要求也在不断提高，除了要求发动机材料的抗拉强度、硬度外，增加了材料的拉压疲劳受命、材料的耐磨性、腐蚀性等等的要求。
为了提高铸铁材料的拉压疲劳受命、耐磨性、腐蚀性等等的要求，需要在原来的铸铁材料基础上进行优化提高。现根据材料的特性要求，在原来的铸铁基础上，加入一定量的纳米粉体来提高材料的拉压疲劳受命、耐磨性、腐蚀性等性能要求。纳米粉体是一种材料变质剂，主要由碳(c)、硅(si)、铜(cu)、铬(cr)、钼(mo)、镍(ni)等成分组成。现加入纳米粉体的生产方式有两种：1.炉料采用生铁、废钢、回炉铁及其它合金加入中频炉中熔炼成铁液，成分检验合格后，在炉内加入的纳米粉体，搅拌均均后，出铁孕育浇注。采用硅钙钡孕育剂进行包内冲入法孕育处理。2.炉料采用生铁、废钢、回炉铁及其它合金加入中频炉中熔炼成铁液，成分检验合格后，采用硅钙钡孕育剂+纳米粉体进行包内冲入孕育处理，然后出铁孕育浇注，。但是，现有纳米粉体采用盒装或袋装，纳米粉体加入比较集中，纳米粉体比表面积大容易导致粉体结块，无法充分溶到铁液中。纳米粉体的比重较小，很容易就被浮在铁液表面上，无法溶解到铁液中，不能充分体现出纳米粉体的效果，造成原材料的浪费，同时导致材料的性能无法稳定保证。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种纳米粉体改性强化铸铁的制备工艺，该工艺中将纳米粉体与铜混合制成颗粒状或块状纳米颗粒预制料后再加入铁液中，由于纳米颗粒预制料的比重较大能够分散在铁液中，使纳米粉体能够分散于铁液中，从而完全溶解于铁液中。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：纳米粉体改性强化铸铁的制备工艺，步骤依次包括熔炼铁液、铁液精炼、铁液包孕育、浇铸成型，其中，在铁液包孕育中加入主要由铜(cu)与纳米粉体制成的颗粒状或块状的纳米颗粒预制料。
本发明中，所述纳米颗粒预制料中，铜的质量分数为70～90％，所述纳米粉体的质量分数为10～30％。在本发明中，可采用铜粉和纳米粉体混合后制成颗粒或压制成块状；或者采用铜箔包裹定量纳米粉体后压制成块状。
本发明中，所述的纳米颗粒预制料的添加量按照铁液中所需添加纳米粉体的量进行计算。作为本发明的一个实施例，所述的纳米颗粒预制料的添加量为铁液总质量的0.3-0.5％。
所述熔炼铁液中，取废钢、回炉铁、碳化硅、增碳剂、锰铁、铜、硅铁和镍熔炼成铁液。具体地，所述熔炼铁液中，将废钢和回炉铁组成的炉料置于频炉中熔炼，当炉中熔有大约三分之一量的铁液后加入增碳剂对铁液进行增碳处理，待炉料熔清，加入锰铁、铜、硅铁和镍。所述的废钢质量分数为50-70％，回炉铁的质量分数为30-50％。所述增碳剂、锰铁、铜、硅铁、镍的添加量根据铁液中上述元素的目标值进行调整加入。
所述铁液精炼采用常规工艺，精炼温度控制在1520-1550℃之间，保温10分种以上。
所述孕育剂添加量为铁液总质量的0.4-0.7％。所述孕育剂包括但不限于硅钙钡孕育剂、稀土孕育剂、75硅铁孕育剂、锆硅铁孕育剂或锶硅铁孕育剂。
所述浇铸成型步骤中，浇注温度控制在1380-1440℃之间，并自然冷却成型。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明将纳米粉体与铜(cu)混合在一起制备成粒状或块状，使纳米粉体以块状或颗粒状的形式存在，比重增大，延长纳米粉体在铁液中的停留时间，可以使纳米粉体有充分时间在铁液中溶解，提高纳米粉体在铁液中的溶解量。
2.本发明的块状或颗粒状的纳米颗粒预制料中，纳米粉体的含量只有10-30％，铜(cu)含量占了70-90％，即以铜(cu)为分散剂分散纳米粉体，有利于防止纳米粉体加入铁液后结块，加大了纳米粉体与铁液的接触面积，使纳米粉体得到充分溶解。另外，虽然铁液中添加了铜使得纳米粉体的纯度发生了变化，但并不会降低铸铁的性能。
3.本发明中的纳米颗粒预制料选择铜作为纳米粉体的分散剂，在纳米颗粒预制料投入铁液后，铜受高温熔融，由于其粘度高能粘附纳米粉体，使纳米粉体能够分散于铁液中，而不会浮至铁液表面。
4.与现有的铸铁产品相比，在抗拉强度、硬度性能均等同的情况下，本发明生产的铸铁的拉压疲劳强度、耐磨性、耐腐蚀性、冷热冲击性均高于现有产品。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制，任何人在本发明权利要求范围所做的修改，仍在本发明的权利要求范围内。
实施例一
纳米颗粒预制料制备：按质量分数取70％铜粉与30％纳米粉体混合均匀后制成颗粒，得到纳米颗粒预制料。
熔炼铁液：按质量分数取废钢70％和回炉铁30％配制炉料。将炉料置于中频炉中熔炼，当炉中熔有大约三分之一量的铁液后，加入增碳剂对铁液进行增碳处理，待炉料基本熔清，按铁液各元素目标值加入锰铁、铜、硅铁、镍等合金，得到铁液。铁液中化学成分的质量分数(wb％)为：c：3.0-3.5％、si：1.4-1.8％、s：0.050-0.120％、p＜0.05％、mn：0.5-1.0％、cu：0.3-0.8％、cr：0.15-0.4％。
铁液精炼：精炼温度控制在1520-1550℃之间，保温10分种以上。
铁液包孕育：采用包内冲入法孕育处理铁液，即往经过精炼后的铁液中按铁液总质量为计算基准加入0.5％硅钙钡孕育剂和0.3％纳米颗粒预制料进行孕育处理，孕育剂粒度为3-8mm。
浇铸成型：将孕育处理后的铁液浇入砂型铸型，浇注温度控制在1380-1440℃之间，浇注时间控制在15分钟内完成。所得的铸件自然冷却至400度以下开箱流转清理。
实施例二
纳米颗粒预制料制备：按质量分数取90％铜粉与10％纳米粉体混合均匀后压制成块状，得到纳米颗粒预制料。
熔炼铁液：按质量分数取废钢50％和回炉铁50％配制炉料。将炉料置于在中频炉中熔炼，当炉中熔有大约三分之一量的铁液后，加入增碳剂对铁液进行增碳处理，待炉料基本熔清，按铁液各元素目标值加入锰铁、铜、硅铁、镍等，得到铁液。铁液中化学成分质量分数(wb％)为：c：3.0-3.5％、si：1.4-1.8％、s：0.050-0.120％、p＜0.05％、mn：0.5-1.0％、cu：0.3-0.8％、cr：0.15-0.4％。
铁液精炼：精炼温度控制在1520-1550℃之间，保温10分种以上。
铁液包孕育：采用包内冲入法孕育处理铁液，即往经过精炼后的铁液中按铁液总质量为计算基准加入0.5％硅钙钡孕育剂和0.5％纳米颗粒预制料进行孕育处理，孕育剂粒度为3-8mm。
浇铸成型：将孕育处理后的铁液浇入砂型铸型，浇注温度控制在1380-1440℃之间。所得的铸件自然冷却至400度以下开箱流转清理。
实施例三
纳米颗粒预制料制备：按质量分数取80％铜箔与20％纳米粉体，将纳米粉体包裹在铜箔内然后压制成状，得到纳米颗粒预制料。这里还可以是将纳米粉体等量分为几份，然后每一份用铜箔包裹然后压制成块。
熔炼铁液：按质量分数取废钢60％和回炉铁40％炉料。将炉料置于在中频炉中熔炼，当炉中熔有大约三分之一量的铁液后，加入增碳剂对铁液进行增碳处理，待炉料基本熔清，按铁液各元素目标值加入锰铁、铜、硅铁、镍等，得到铁液。铁液中化学成分的质量分数(wb％)为：c：3.0-3.5％、si：1.4-1.8％、s：0.050-0.120％、p＜0.05％、mn：0.5-1.0％、cu：0.3-0.8％、cr：0.15-0.4％。
铁液精炼：精炼温度控制在1520-1550℃之间，保温10分种以上。
铁液包孕育：采用包内冲入法孕育处理铁液，即往经过精炼后的铁液中按铁液总质量为计算基准加入0.5％硅钙钡孕育剂和0.4％纳米颗粒预制料进行孕育处理，孕育剂粒度为3-8mm。
浇铸成型：将孕育处理后的铁液浇入砂型铸型，浇注温度控制在1380-1440℃之间。所得的铸件自然冷却至400度以下开箱流转清理。
实施例四
纳米颗粒预制料制备：按质量分数取85％铜粉与15％纳米粉体混合均匀后制成颗粒，得到纳米颗粒预制料。
熔炼铁液：按质量分数取废钢70％和回炉铁30％配制炉料。将炉料置于在中频炉中熔炼，当炉中熔有大约三分之一量的铁液后，加入增碳剂对铁液进行增碳处理，待炉料基本熔清，按铁液各元素目标值加入锰铁、铜、硅铁、镍等，得到铁液。铁液质中化学成分的质量分数(wb％)为：c：3.0-3.5％、si：1.4-1.8％、s：0.050-0.120％、p＜0.05％、mn：0.5-1.0％、cu：0.3-0.8％、cr：0.15-0.4％。
铁液精炼：精炼温度控制在1520-1550℃之间，保温10分种以上。
铁液包孕育：采用包内冲入法孕育处理铁液，即往经过精炼后的铁液中按铁液总质量为计算基准加入0.5％硅钙钡孕育剂和0.45％纳米颗粒预制料进行孕育处理，孕育剂粒度为3-8mm。
浇铸成型：将孕育处理好后的铁液浇入砂型铸型，浇注温度控制在1380-1440℃之间。所得铸件自然冷却至400度以下开箱流转清理。
对比例一
熔炼铁液：按质量分数取废钢70％和回炉铁30％配制炉料。将炉料置于在中频炉中熔炼，当炉中熔有大约三分之一量的铁液后，加入增碳剂对铁液进行增碳处理，待炉料基本熔清，按铁液各元素目标值加入锰铁、铜、硅铁、镍等，得到铁液。铁液中化学成分的质量分数(wb％)为：c：3.0-3.5％、si：1.4-1.8％、s：0.050-0.120％、p＜0.05％、mn：0.5-1.0％、cu：0.3-0.8％、cr：0.15-0.4％。
铁液精炼：精炼温度控制在1520-1550℃之间，保温10分种以上。
铁液包孕育：采用包内冲入法孕育处理铁液，即往经过精炼后的铁液中按铁液总质量为计算基准加入0.5％硅钙钡孕育剂及0％纳米粉体进行孕育处理，孕育剂粒度为3-8mm。
浇铸成型：将孕育处理后的铁液浇入砂型铸型，浇注温度控制在1380-1440℃之间。所得铸件自然冷却至400度以下开箱流转清理。