專利名稱：一種低合金耐熱鑄鐵及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種低合金耐熱鑄鐵及其制備方法。屬于耐熱金屬材料技術領域。
背景技術：
耐熱鑄鐵是指可以在高溫下使用，其抗氧化或抗生長性能符合使用要求的鑄鐵。 由于鑄鐵又具有優良的鑄造性能和易加工性能、價格便宜、制造方便，因而被廣泛用于制造有色金屬冶煉用坩堝、玻璃模具、爐篦條、加熱爐附件，如爐底板、換熱器等等。按主要成分的差異，目前，耐熱鑄鐵主要分為硅系耐熱鑄鐵、鉻系耐熱鑄鐵、鋁系耐熱鑄鐵以及鎳系耐熱鑄鐵。硅系耐熱鑄鐵生產及使用的成本較低，綜合性能和鑄造性能較好，但是其最大的難題是其脆性比較大，相關統計表明，中硅耐熱鑄鐵由于脆裂而造成的廢品率高達20 50%,這直接導致其經濟性能和使用性能受到很大的制約。國內外研究研究成果表明，過量的硅(高于3. 3%)溶入鐵素體會引起晶格的變形和扭曲，導致內應力過大從而產生所謂的硅脆現象。同時，硅脆往往還伴生著氫脆現象。硅脆和氫脆的交互作用是硅系耐熱鑄鐵脆裂的實質。根據上述理論，要減少硅系耐熱鑄鐵的脆性，就需要降低鑄鐵中的含硅量，然而， 這又將損害鑄鐵的耐熱性。鉻系耐熱鑄鐵具有很高的使用溫度范圍，但是鉻的價格高昂，鉻元素的大量加入也使得其成本很高。鋁系耐熱鑄鐵隨著鋁含量的增加，其耐熱性能也相應升高，但是使用范圍不大。這是因為鋁系耐熱鑄鐵沒有滿意的加工性能，具有最低的機械性能和很大的脆性。通常，上述系列的耐熱鑄鐵需要很高的合金化程度，以保證其具有較好的抗氧化性能。但是這也相應帶來了自然資源消耗大，生產成本高的問題。耐熱鑄鐵中所含的各合金元素及其含量對材料的鑄造性能、使用性能和經濟性具有重要影響。向鑄鐵中加入足夠的鋁、硅、鉻等元素，使鑄件表面形成一層致密的ai2O3、 SiO2, CrO3等氧化膜，這些氧化膜不僅具有很好的熱力學穩定性，而且氧化過程中離子在其中的擴散速度也是最慢的，所以能明顯提高高溫下鑄鐵材料的抗氧化能力，同時能夠使鑄鐵的基體變為單相鐵素體。此外，硅、鋁可提高相變點，使其在工作溫度下不發生固態相變， 可減少由此而產生的體積變化和顯微裂紋。鉻可形成穩定的碳化物，提高鑄鐵的熱穩定性。 同時，一些研究結果認為，當鑄鐵中的鋁含量較低時，其表面所形成的Al2O3膜層并不連續， 表層氧化皮呈疏松狀態，氧化速度仍然較大；當鋁含量很低時，甚至會出現內氧化現象，因此低鋁含量的鑄鐵其抗氧化性能不會有明顯的提升。但是，從經濟性的角度考慮，上述元素的加入量應當越少越好。所以必須綜合考慮鋁、硅、鉻等元素加入量對鑄鐵的性能和經濟成本的影響。此外，石墨形態對抗氧化性能也很敏感。球化越好，抗氧化性也好。當石墨呈片狀時，其在共晶團內相互聯結，共晶團之間直接接觸，氧直接進入基體內部。因球狀石墨是孤立的，沒有這樣的通道，所以氧化生長率降低。蠕蟲狀石墨彼此間有金屬薄層隔離，碳原子向外擴散及氧原子向內擴散需先經過薄層，氧化生長速度變慢。所以具有球狀石墨組織的鑄鐵其抗氧化性能要好于具有層片狀石墨結構的鑄鐵，而具有蠕蟲狀石墨的鑄鐵其抗氧化性能介于二者之間。馬占平等研究了低合金化的Cr-Al-Si系耐熱鑄鐵的氧化行為(馬占平，馬永慶， 關德林，劉莎.鋁對耐熱鑄鐵抗氧化性能的影響[J].機械工程材料，1994,18 ) :32-34.)， 其研究的一種合金化程度低的耐熱鑄鐵，其化學成分及其質量百分數比為C 3. 05%, Al 2. 82%, Si 2. 17%, Cr :0. 62%, Mn :0. 22%, S 0. 09%, P :0. 09%。該成分耐熱鑄鐵中未含有鍶(Sr)元素，抗氧化性能有待改善；上述組分配比的耐熱鑄鐵900°C條件下，5 和 150h (外推)平均氧化速率分別為22. 367g/m2 · h和21. 110g/m2 · h。專利CN1213408A公布了兩種灰口鐵尤其是低硫灰口鐵的孕育劑組分，它包括稀土、鍶(Sr)、鈣(Ca)、鋁(Al)、硅(Si)、鐵(Fe)等，其中鍶(Sr)含量分別僅為0. 5 1. 5%、 0.7 1.0%，鋁(Al)含量分別要求不大于2.0%和0.5%，并且該項發明專利中的耐熱鑄鐵要求包含有稀土組分。總所周知，Sr元素的價格是比較高的，尤其是稀土元素更為昂貴， 較多的添加上述組分必然導致鑄鐵成本的增加。另一方面來說，稀土元素是化學性質非常活潑的物質，很容易氧化失效，其儲存和添加的難度都比較大，步驟繁瑣，而且生產中在向高溫鐵水中添加時稀土元素很容易發生嚴重燒損使造成產品中該組分的實際含量不確定。專利CN1030613A公布了一種蠕墨鑄鐵中球狀、團狀石墨的抑制劑及其使用方法。 該專利抑制劑的組分是60 75%的碳酸鍶(SrCO3)、15 30%的氯化鍶(SrCl2)、5 15% 的氧化鈣(CaO)，另外添加上述三種混合物總質量40 55%的水玻璃或25 40%的石蠟 (以上均為質量百分比)。該專利抑制劑的用量為鐵水質量的0.04 0. 10%。該專利抑制劑處理后的鑄鐵中鍶(Sr)的含量不高于0.044% ；并且該專利抑制劑制備工序繁瑣，需要多種原材料，不符合現代工業生產中短流程化制造的發展趨勢，增加了生產中需要控制的因素，這也必然會增加工藝成本。同時，該專利抑制劑申明能使鐵水中較強烈促進白口傾向的元素——稀土元素含量明顯降低，對稀土——鈣系蠕墨鑄鐵和稀土——鈣——鎂系蠕墨鑄鐵有較好的適應性，這表明該項發明專利技術的適用性受到較大限制，并不適合其它非稀土普通鑄鐵。一種現有的常規鑄鐵材料，其含有的化學成分及質量百分數比為C:2.6% ；Si 2.8% ；Cr 0. 3% ；Mn 0. 6% ；P 0. 1% ；S 0. 02% ；余量為狗。該種常規鑄鐵材料的的合金化程度低，但是其耐熱性能卻并不理想，采用該種成分的鑄鐵澆注出的有色金屬冶煉用坩堝往往因為高溫氧化而逐漸減薄，進而發生開裂，導致坩堝報廢，甚至有可能造成生產事故，通過實際生產驗證，其使用壽命僅為15天左右。工廠中所使用的坩堝一般都具有較大的體積和質量，更換起來費時費力，并需要暫停生產，這嚴重影響了生產的效率，提高了生產的成本。所以，迫切需要開發一種經濟性好，同時又具有良好抗氧化性能的耐熱鑄鐵材料。
發明內容
本發明目的在于解決現有耐熱鑄鐵的不足，而提供一種低合金化的耐熱鑄鐵及其制備方法，以提高鑄鐵的抗氧化性能，并同時保證其具有很好的經濟性即成本低的優勢。本發明一種低合金耐熱鑄鐵，包括下述組分按質量百分數比組成C :2.5 3. 5%;Si :2.5 3. 5%;
Cr :0.1 1.0%;Al :1.8 4.0%;Sr :0· 05 0. ；Mn < 1. 0% ；P < 0. 3% ；S < 0. ；余量為 Fe。本發明一種低合金耐熱鑄鐵的制備方法，包括下述步驟第一步將廢鋼、生鐵等物料分別進行成分檢測以確定其組分含量；第二步將已確定成分的廢鋼、生鐵、鉻鐵、硅鐵、錳鐵等物料以及純鋁、鋁鍶中間合金按目標產物中的化學成分質量百分數比配料，C 2. 5 3. 5% ；Si 2. 5 3. 5% ；Cr 0. 1 1. 0% ；Mn 0. 4% ；P 0. 1% ；S 0. 02% ；Al 1. 8 4. 0% ；Sr 0. 05 0. ；余量為 1 ;其中，先根據Sr含量確定所需的鋁鍶中間合金質量，再相應計算出所需補充添加的純鋁的質量；第三步將廢鋼、鉻鐵和生鐵混合由沖天爐投料口放入爐中加熱熔化后，再加入硅鐵、錳鐵，鐵水出爐溫度為1440°C 1510°C ；第四步將純鋁破碎至塊以下；將鋁鍶中間合金破碎至300g/塊以下；然后將上述純鋁塊和鋁鍶中間合金塊在150 200°C條件下烘烤0. 5 1. 5h去除表面水汽； 將純鋁置于澆包底部，然后加入鐵水，待鋁塊融化后再加入塊狀鋁鍶中間合金，并隨流加入 75SiFe孕育劑，對澆包內溶液進行攪拌，使鋁(Al)、鍶(Sr)元素擴散均勻；隨后進行扒渣， 最后進行澆注。本發明由于采用上述組分配比及制備方法，制備的耐熱鑄鐵主要特點是具有很低的鉻、硅以及鋁含量，并添加鋁鍶中間合金進行多元合金化。以下就本發明低合金耐熱鑄鐵材料所添加各種組分作用機理及其相應含量的具體限制范圍(以下均為質量百分比)的原因進行說明(1)碳(C) :2· 5 3. 5%碳是促進石墨化元素，適量增加碳含量可以強烈促進石墨化，有利于進一步球化； 但是如果碳含量過高則會引起初生石墨增多，造成石墨漂浮，產生球化過大或者不均勻從而影響鑄鐵基體的組織及其性能。本發明低合金耐熱鑄鐵選擇將其成分中的碳含量限定在 2. 5 3. 5%的范圍內，可以很好的發揮其優點。(2)硅(Si) :2. 5 3. 5%硅是強烈促進石墨化的元素，也是影響球鐵中鐵素體量的主要元素。增加硅量，可減少甚至消除鑄態組織中的碳化物；但鑄鐵中含硅量過高，則減少組織中珠光體的數量。另外，硅還可提高球鐵的抗氧化性能和抗生長性能，鑄鐵中加入硅元素，能形成致密的SiO2表面氧化膜，從而提高鑄鐵的擊打表面抗氧化能力，使鑄鐵的幾何尺寸較為穩定。但過高的硅會引起鑄鐵脆性增大，鑄鐵的沖擊值明顯下降。所以本發明低合金耐熱鑄鐵成分中硅含量限制在2. 5 3. 5%的范圍，這樣可以發揮其優化鑄鐵抗氧化性能的作用，同時避免了增加鑄件的脆性。(3)錳(Mn) :1.0% 或更少錳是弱碳化物形成元素，在共析轉變過程中，促進珠光體轉變，穩定和細化珠光體。本發明為了控制鑄態下自由滲碳體的數量和保證基體為珠光體，硅和錳的合理匹配很重要，確定的合適的錳含量為不大于1.0%。由于錳的價格較高，本發明低合金耐人鑄鐵僅添加少量的錳，這也有利于進一步降低成本。(4)鉻(Cr) :0. 1 1. 0%鉻是單一鐵素體形成元素，并有利于石墨球化。鉻能穩定碳化物，與硅相似，也能提高共析轉變溫度。鑄鐵中加入鉻能促進珠光體的生成，提高鑄鐵的硬度。鉻也能在鑄鐵表面形成致密的CrO3氧化膜，提高耐熱鑄鐵的抗氧化性能。鉻同時還具有穩定并細化珠光體的作用。但是鉻是縮小共晶溫度區域元素，鉻容易形成鐵鉻碳化物、促進白口。另一方面鉻的價格非常昂貴，而且熔化較困難、收得率低，所以本發明低合金耐人鑄鐵中鉻含量應控制在0. 1. 0%的范圍是比較合適的。(5)磷(P) :0.3% 或更少磷易在晶界處析出磷共晶，顯著地降低常溫韌性。應嚴格控制爐料、合金材料和處理劑中的磷量。鐵液中的含磷量應嚴格控制。當P含量高時，出現網狀磷化物組織，這種組織脆性大且熔點低，分布在晶界上，降低鑄鐵塑性。磷化物易受外界高溫影響，使體積增大或熔化，降低鑄鐵強度或促使鑄鐵生長和變形。所以，從理論上講，一般希望能盡可能降低磷的含量。但是這又不得不顧及到工藝可行性和生產成本的問題，所以綜合考慮本發明要求控制磷含量不大于0.3%。(6)硫(S) 0. 或更少硫含量高時，易產生熱裂，球化不良，此外，硫會與鑄鐵中的Al、Mn、！^e作用形成 Al2S3、MnS和FeS夾雜物。所以，應嚴格控制爐.料和燃料的含硫量，鐵液中的含硫量應盡可能少。本發明低合金鑄鐵中硫含量宜低于0.1%。(7)鋁(Al) :1.8 4.0%鋁能促進石墨化，有利于形成單一鐵素體。鋁含量為1 7%或18 時，有利于促進石墨化，在Al含量為8 18 %范圍內，則阻礙石墨化；當Al > 25 %時，則產生Al4C3， 組織。鋁含量為20 M%的鑄鐵，處于第二個石墨化區，這對鑄鐵球化有利。同時，鋁容易擴散到材料表面形成致密的Al2O3膜，可以阻礙鐵原子向表面擴散，因此，含鋁鑄鐵具有良好的抗氧化性和抗生長性。另外，鋁還具有脫氧和細化晶粒的作用。雖然中大量添加鋁元素能很好的提高鑄鐵的抗氧化性能，而這必然大幅度提高耐熱鑄鐵的成本；一般來說，若僅向鑄鐵中添加極少的鋁則起不到滿意的抗氧效果。雖然本發明低合金耐熱鑄鐵中鋁含量為1. 8 4. 0%，這實際是非常低的范圍，但是，由于本發明中適量添加了鍶等組分的配合作用，所以仍能起到很好的抗氧化能力。(8)鍶(Sr) 0. 05 0.鍶具有很強的石墨化能力和消除白口能力，而不增加共晶團的數量，因而有利于改善鑄鐵件中石墨的形態和分布狀況。在本發明低合金耐熱鑄鐵的組分中含有1.8 4. 0%的鋁、0. 1 1. 0%的鉻和2. 5 3. 5%的硅，適量加入鍶元素可以起到細化晶粒、阻礙碳化物生長的作用，同時還可以提高鑄件產品的致密度，提高其使用性能。綜合考慮，合理的鍶含量為0. 05 0. 1 %。本發明充分利用鋁和鋁鍶中間合金球化處理的配合作用，使鑄鐵中形成穩定的鐵素體組織，提高了低鋁合金化鑄鐵表面富鋁保護膜層的致密度和強度，因而保護膜層不易破裂和剝落，從而減少了通過氧化膜層的擴散，使氧化速度降低；其次，向原成分鑄鐵中添加了少量的鋁和微量鍶，提高了鑄鐵的石墨化程度，并促進石墨由細長片狀轉變為細小球狀，這樣有效切斷了氧在高溫條件下向鑄鐵內部入侵的通道，減緩或阻止了鑄鐵內部組織的繼續氧化。此外，由于低的鋁含量和鍶的配合作用，也細化了氧化皮的晶粒，提高了氧化皮的韌性，增強了氧化皮與基體的結合力，減少或消除了氧化層中的微孔洞，這些原因使氧化皮不易剝落，有效地降低了基體的繼續氧化。在擁有相對于其它常規耐熱鑄鐵非常低的鉻、鋁和硅等元素的含量、降低了鑄鐵成本的同時仍具有非常優異的抗氧化性能。相對于原有成分的鑄鐵材料，本發明低合金耐熱鑄鐵僅增加了少量的鋁(1.8 4.0%)和鍶 (0. 05 0. )元素，成本僅提高不到5%，但是其抗氧化性能大幅度提高，而且不會損害鑄鐵原有的機械性能。與現有技術相比，本發明低合金耐熱鑄鐵主要具有以下優點1、合金化程度非常低的同時具有非常出色的抗氧化能力，高溫使用性能良好。2、成本較低，經濟性好。不需要像現有常規耐熱鑄鐵那樣加入較多的合金元素， 硅、鉻、鋁、鍶、錳等組分添加量很少，尤其是價格高昂的鉻加入量非常少。也沒有使用稀土孕育劑。3、生產工藝簡便易行。所需原材料采購方便，由于添加的合金種類及數量較少，降低了生產制備的難度，生產的鑄件可以不經退火等后續熱處理步驟即可使用。經實際生產驗證，使用本發明優選的化學成分及其質量百分數比為C 2. 7% ；Si 2. 9% ；Cr 0. 3% ；Mn :0. 6% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al 3. 0% ；Sr :0. 075% ；余量為 Fe 的新型低合金耐熱鑄鐵鑄造的坩堝等鑄件可以在其使用條件下服役40 45天，比原有成分鑄鐵(不含鋁和鍶元素)坩堝使用壽命延長一倍以上。綜上所述，本發明工藝方法簡單、操作方便，可以有效提高鑄鐵的高溫抗氧化性能，并同時保證其具有很好的經濟性即成本低的優勢；可以適應各種需經受重復加熱和冷卻的應用過程，例如有色金屬冶煉用坩堝、爐排、鍍鋅槽、臺架等。適于工業化生產。
圖1(a)為原有的化學成分及質量百分數比為C :2.6% ;Si :2. 8% ;Cr :0. 3% ;Μη: 0. 6% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；余量為!^e的鑄鐵氧化前的金相顯微組織像。圖1(b)為原有的化學成分及質量百分數比為C :2.6% ;Si :2. 8% ;Cr :0. 3% ;Μη: 0. 6% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；余量為!^e的鑄鐵氧化后的金相顯微組織像。
1(c)為原有的化學成分及質量百分數比為C :2.6% ;Si :2. 8% ;Cr :0. 3% ;Μη: 0. 6% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；余量為!^e的鑄鐵氧化前后的宏觀形貌像。圖2(a)為本發明提出的一種化學成分及質量百分數比為C:3.5% ；Si 3.5% ； Cr 1. 0% ；Mn :0. 4% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al :4. 0% ；Sr :0. 1% ；余量為 Fe。并采用鋁鍶中間合金球化處理的低合金耐熱鑄鐵，氧化前的金相顯微組織像。圖2(b)為本發明提出的一種化學成分及質量百分數比為C:3.5% ；Si 3.5% ； Cr 1. 0% ；Mn :0. 4% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al :4. 0% ；Sr :0. 1% ；余量為 Fe。并采用鋁鍶中間合金球化處理的低合金耐熱鑄鐵，氧化后的金相顯微組織像。圖2(c)為本發明提出的一種化學成分及質量百分數比為C:3.5% ；Si 3.5% ；Cr 1. 0% ；Mn :0. 4% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al :4. 0% ；Sr :0. 1% ；余量為 Fe。并采用鋁鍶中間合金球化處理的低合金耐熱鑄鐵，氧化后的宏觀形貌像。圖3(a)為本發明提出的一種化學成分及質量百分數比為C:2.7% ；Si 2.9% ； Cr 0. 3% ；Mn :0. 4% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al :3. 0% ；Sr :0. 075% ；余量為 Fe，并采用鋁鍶中間合金球化處理的低合金耐熱鑄鐵，氧化前的金相顯微組織像。圖3(b)為本發明提出的一種化學成分及質量百分數比為C:2.7% ；Si 2.9% ； Cr 0. 3% ；Mn :0. 4% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al :3. 0% ；Sr :0. 075% ；余量為 Fe，并采用鋁鍶中間合金球化處理的低合金耐熱鑄鐵，氧化后的金相顯微組織像。圖3(c)為本發明提出的一種化學成分及質量百分數比為C:2.7% ；Si 2.9% ； Cr 0. 3% ；Mn :0. 4% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al :3. 0% ；Sr :0. 075% ；余量為 Fe，并采用鋁鍶中間合金球化處理的低合金耐熱鑄鐵，氧化后的宏觀形貌像。圖4(a)為本發明提出的一種化學成分及質量百分數比為C:2.5% ；Si 2.5% ； Cr 0. 1% ；Mn :0. 4% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al :1. 8% ；Sr :0. 05% ；余量為 Fe。并采用鋁鍶中間合金球化處理的低合金耐熱鑄鐵，氧化前的金相顯微組織像。圖4(b)為本發明提出的一種化學成分及質量百分數比為C:2.5% ；Si 2.5% ； Cr 0. 1% ；Mn :0. 4% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al :1. 8% ；Sr :0. 05% ；余量為 Fe。并采用鋁鍶中間合金球化處理的低合金耐熱鑄鐵，氧化后的金相顯微組織像。圖4(c)為本發明提出的一種化學成分及質量百分數比為C:2.5% ；Si 2.5% ； Cr 0. 1% ；Mn :0. 4% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al :1. 8% ；Sr :0. 05% ；余量為 Fe。并采用鋁鍶中間合金球化處理的低合金耐熱鑄鐵，氧化后的宏觀形貌像。圖5(a) —種低合金化耐熱鑄鐵材料，其含有的化學成分及質量百分數比為C: 2. 6% ；Si 2. 8% ；Cr 0. 4% ；Mn 0. 4% ；P 0. 1% ；S 0. 02% ；Al 3. 0% ；余量為 Fe，但未采用鋁鍶中間合金進行球化處理的鑄鐵，氧化前的金相顯微組織像。圖5(b) —種低合金化耐熱鑄鐵材料，其含有的化學成分及質量百分數比為C 2. 6% ；Si 2. 8% ；Cr 0. 4% ；Mn 0. 4% ；P 0. 1% ；S 0. 02% ；Al 3. 0% ；余量為 Fe，但未采用鋁鍶中間合金進行球化處理的鑄鐵，氧化后的金相顯微組織像。圖5(c) —種低合金化耐熱鑄鐵材料，其含有的化學成分及質量百分數比為C 2. 6% ；Si 2. 8% ；Cr 0. 4% ；Mn 0. 4% ；P 0. 1% ；S 0. 02% ；Al 3. 0% ；余量為 Fe，但未采用鋁鍶中間合金進行球化處理的鑄鐵，氧化后的宏觀形貌像。從圖1(a)可以看出該組分試樣氧化前的顯微組織中的石墨主要以長片狀形式存在，分布很不均勻，并且很多長片狀石墨相互連通或纏結在一起。從圖1(b)中可以看出，經氧化試驗后樣品表面形成了非常厚的氧化層，氧化層內產生了大量的孔洞，連通、纏結的片狀石墨成為氧化繼續向內部深入進行的通道。從圖1(c)中可以看出該組分試樣氧化時有嚴重的氧化層剝落現象。這說明原成分鑄鐵(不含有鋁和鍶元素)其抗氧化性能很差。從圖2(a)可以看出該組分試樣氧化前的顯微組織中的石墨化程度與原有成分鑄鐵相比顯著提高，長片狀石墨有所減少，出現了較多的球狀石墨，但這些球狀石墨尺寸不太均勻。從圖2(b)中可以看出，添加了 1. 8%的鋁和0. 075%的鍶后試樣在高溫下形成了比較致密、牢固的富鋁保護膜層，經氧化試驗后試樣表面只形成了很薄的、不連續的氧化層。從圖2(c)中可以看出經氧化后該組分試樣表面整體氧化狀況很好。這說明本發明的低合金成分鑄鐵(含有鋁和鍶元素)其抗氧化性能很好。從圖3(a)可以看出該組分試樣氧化前的顯微組織中的石墨化程度與原有成分鑄鐵相比明顯提高，主要形成了大量細小的球狀石墨，并且分布很均勻。從圖3(b)中可以看出，添加了 3.0%的鋁和0.075%的鍶后試樣在高溫下形成了非常致密、牢固的富鋁保護膜層。并且細小的球狀石墨不能形成氧向樣品內部擴散的通道， 經氧化試驗后試樣表面只出現了極少量、不連續的氧化現象。從圖3(c)中可以看出經氧化后該組分試樣表面整體氧化狀況非常好。這說明本發明的低合金成分鑄鐵(含有鋁和鍶元素)其抗氧化性能很好。這說明本發明的低合金成分鑄鐵(含有較高鋁含量和鍶含量)其抗氧化性能非常好。從圖4(a)可以看出該組分試樣氧化前的顯微組織中的石墨化程度與原有成分鑄鐵相比有一定提高，主要形成了較多細長的片狀石墨和少量的球狀石墨。從圖4(b)中可以看出，添加了 3. 0%的鋁和0. 05%的鍶后試樣在高溫下形成的富鋁保護膜層雖然比較致密、牢固但是明顯不如含有較多鍶(含量為0.075%)的試樣，經氧化試驗后試樣表面出現了較淺的氧化現象。但是，試樣表層組織中存在的長片狀石墨為氧向內部擴散提供了通道，促進了氧化。從圖4(c)中可以看出，試樣經氧化后，表面氧化情況較好，但比鍶含量為0.075% 的低合金耐熱鑄鐵要差，這說明當鍶含量較少時本低合金耐熱鑄鐵的抗氧化性能也下降。從圖5(a)可以看出該組分試樣氧化前的顯微組織中的石墨化程度與原有成分鑄鐵相比沒有明顯的提高，但石墨仍主要以細長的片狀石墨和細小的球狀石墨的形式存在。從圖5(b)中可以看出，經氧化試驗后試樣表面出現了較淺的氧化現象。經氧化試驗后樣品表面形成了一層比較厚的氧化層，氧化層內出現了一些較小的孔洞，并有連通、擴展的發展趨勢。連通、纏結的片狀石墨成為氧化繼續向內部深入進行的通道。這說明僅添加了 3. 0%的鋁而未添加鍶的試樣在高溫下形成的富鋁保護膜層比較疏松、明顯不如同時含有鋁和鍶的試樣所形成的富鋁保護膜層牢固，從而其抗氧化性能不太理想。從圖5(c)中可以看出該組分試樣氧化時有一定程度的氧化層剝落現象，但要好于原成分鑄鐵(不含有鋁和鍶元素)。這說明鍶的存在對于本低合金耐熱鑄鐵的抗氧化性能有重要影響，當鍶含量較少時本低合金耐熱鑄鐵的抗氧化性能也下降。
具體實施例方式下面結合對比例及實施例對本發明進行詳細闡述對比例一種現有的常規鑄鐵材料(不含鋁和鍶元素)，其含有的化學成分及質量百分數比為:C 2. 6% ；Si 2. 8% ；Cr :0. 3% ；Mn :0. 6% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；余量為 Fe。將廢鋼、鉻鐵、生鐵、硅鐵按目標產物中的化學成分質量百分數比進行配料，采用沖天爐進行熔煉。采用粒度為3 IOmm的75SWe隨流沖入進行孕育處理，進行扒渣等工序處理后進行澆注并取樣。所取試樣冷卻到500 600°C時(呈暗紅色時)將其從砂型中取出并水淬。 將冷卻后的樣品加工成OlOXlOmm的試樣，測定其硬度值和抗氧化性能。其中，抗氧化性能測定在SiC電阻爐中進行，氧化實驗溫度為850°C，氧化實驗持續時間為100h。測得試樣的硬度值為200HB ；之后測定試樣的氧化速率和生長率分別為14. 00g/m2 · h，13. 62%。實施例一本發明提供的一種低合金化耐熱鑄鐵材料，其含有的化學成分及質量百分數比為:C 3. 5% ；Si 3. 5% ；Cr :1. 0% ；Mn :0. 4% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al :4. 0% ；Sr 0. 1%;余量為狗。將廢鋼、鉻鐵、生鐵、硅鐵、純鋁、鋁鍶中間合金(Al-IOSr中間合金)按目標產物中的化學成分質量百分數比進行配料，在150 200°C烘烤0. 5 1. 5h去除表面水汽，采用沖天爐進行熔煉。其中，將所配的純鋁提前放置于澆包底部再放鐵水進入澆包，待鋁塊融化后再加入塊狀鋁鍶中間合金，之后隨流沖入粒度為3 IOmm的75SWe孕育劑，然后迅速對澆包內鐵合金液進行充分攪拌約lmin，使Al、Sr元素擴散均勻。進行扒渣等工序處理后，于1440°C進行澆注并取樣。所取試樣冷卻到500 600°C時(呈暗紅色時)將其從砂型中取出并水淬。將冷卻后的樣品加工成ΦΙΟΧΙΟπιπι的試樣，測定其硬度值和抗氧化性能。其中，抗氧化性能測定在SiC電阻爐中進行，氧化實驗溫度為850°C，氧化實驗持續時間為100h。測得試樣的硬度值為223HB ；之后測定試樣的氧化速率和生長率分別為1. 31g/ τα · h，3. 96%。實施例二本發明提供的一種低合金化耐熱鑄鐵材料，其含有的化學成分及質量百分數比為:C 2. 7% ；Si 2. 9% ；Cr 0. 3% ；Mn :0. 4 ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al 3. 0% ；Sr 0. 075%;余量為狗。將廢鋼、鉻鐵、生鐵、硅鐵、純鋁、鋁鍶中間合金(Al-IOSr中間合金)按目標產物中的化學成分質量百分數比進行配料，在150 200°C烘烤0. 5 1. 5h去除表面水汽，采用沖天爐進行熔煉。其中，將所配的純鋁提前放置于澆包底部再放鐵水進入澆包， 待鋁塊融化后再加入塊狀鋁鍶中間合金，之后隨流沖入粒度為3 IOmm的75SWe孕育劑， 然后迅速對澆包內鐵合金液進行充分攪拌約lmin，使Al、Sr元素擴散均勻。進行扒渣等工序處理后，于1480°C進行澆注并取樣。進行扒渣等工序處理后進行澆注并取樣。將冷卻后的樣品加工成OlOXlOmm的試樣，測定其硬度值和抗氧化性能。其中，抗氧化性能測定在 SiC電阻爐中進行，氧化實驗溫度為850°C，氧化實驗持續時間為100h。測得試樣的硬度值為203HB ；之后測定試樣的氧化速率和生長率分別為0. 34g/m2 · h，2. 36%。實施例三一種低合金化耐熱鑄鐵材料，其含有的化學成分及質量百分數比為 C 2. 5% ；Si 2. 5% ；Cr 0. 1% ；Mn 0. 4% ；P 0. 1% ；S 0. 02% ；Al 1. 8% ；Sr 0. 05% ；余量為1^。將廢鋼、鉻鐵、生鐵、硅鐵、純鋁、鋁鍶中間合金(Al-IOSr中間合金)按目標產物中的化學成分質量百分數比進行配料，在150 200°C烘烤0. 5 1.證去除表面水汽，采用沖天爐進行熔煉。其中，將所配的純鋁提前放置于澆包底部再放鐵水進入澆包，待鋁塊融化后再加入塊狀鋁鍶中間合金，之后隨流沖入粒度為3 IOmm的75SWe孕育劑，然后迅速對澆包內鐵合金液進行充分攪拌約lmin，使Al、Sr元素擴散均勻。進行扒渣等工序處理后，于 1510°C進行澆注并取樣。進行扒渣等工序處理后進行澆注并取樣。將冷卻后的樣品加工成 Φ 10 X IOmm的試樣，測定其硬度值和抗氧化性能，其中氧化性能測定在SiC電阻爐中進行， 氧化實驗溫度為850°C，氧化實驗持續時間為100h。測得試樣的硬度值為209HB。測得試樣的氧化速率和生長率分別為5. 72g/m2 · h，7. 91%。實施例四一種低合金化耐熱鑄鐵材料，其含有的化學成分及質量百分數比為 C 2. 6% ；Si 2. 8% ；Cr 0. 4% ；Mn 0. 4% ；P 0. 1% ；S 0. 02% ；Al 3. 0% ；余量為 Fe。將廢鋼、鉻鐵、生鐵、硅鐵、純鋁(按目標產物中的化學成分質量百分數比進行配料，在150 200°C烘烤0. 5 1. 5h去除表面水汽，采用沖天爐進行熔煉，。其中，將所配的純鋁提前放置于澆包底部再放鐵水進入澆包，采用粒度為3 IOmm的75SWe隨流沖入進行孕育處理， 進行扒渣等工序處理后，于1490°C進行澆注并取樣。將冷卻后的樣品加工成Φ IOXlOmm的試樣，測定其硬度值和抗氧化性能。其中，抗氧化性能測定在SiC電阻爐中進行，氧化實驗溫度為850°C，氧化實驗持續時間為100h。測得試樣的硬度值為206HB。之后測定試樣的氧化速率和生長率分別為9 · 31g/m2 · h，10. 9%。 將本發明實施例1-4所制備的低合金化耐熱鑄鐵材料與對比例制備的進行比較， 可以明顯看出本發明制備的低合金化耐熱鑄鐵材料硬度較對比例制備的合金略有提高， 但是氧化速率和生長率則遠遠低于對比例制備的合金。
權利要求
1.一種低合金耐熱鑄鐵，包括下述組分按質量百分數比組成 C :2· 5 3. 5% ；Si 2. 5 3. 5% ； Cr 0. 1 1. 0% ； Al 1. 8 4. 0% ； Sr 0. 05 0. ； Mn < 1. 0% ； P < 0. 3% ； S < 0. 1% ；余量為 Fe。
2.根據權利要求1所述的一種低合金耐熱鑄鐵，包括下述組分按質量百分數比組成 C :2· 6 3. 2% ；Si 2. 6 3. 2% ； Cr 0. 2 0. 5% ； Al 2. 5 3. 5% ； Sr 0. 06 0. 89% ； Mn < 0. 8% ； P < 0. 2% ；S < 0. 05% ；余量為 Fe。
3.根據權利要求1所述的一種低合金耐熱鑄鐵，包括下述組分按質量百分數比組成 C 2. 7% ；Si 2. 9% ；Cr 0. 3% ；Al 3. 0% ；Sr 0. 075% ；Mn < 0. 6% ；P < 0. 1% ；S < 0. 02% ；余量為 Fe。
4.制備如權利要求1-3任意一項所述的一種低合金耐熱鑄鐵的方法，包括下述步驟 第一步將廢鋼、生鐵等物料分別進行成分檢測以確定其組分含量；第二步將已確定成分的廢鋼、生鐵、鉻鐵、硅鐵、錳鐵等物料以及純鋁、鋁鍶中間合金按目標產物中的化學成分質量百分數比配料，C :2. 5 3. 5% ；Si 2. 5 3. 5% ；Cr :0. 1 1. 0% ；Mn 0. 4% ；P 0. 1% ；S 0. 02% ；Al 1. 8 4. 0% ；Sr 0. 05 0. ；余量為 Fe ；其中，先根據Sr含量確定所需的鋁鍶中間合金質量，再相應計算出所需補充添加的純鋁的質量；第三步將廢鋼、鉻鐵和生鐵混合由沖天爐投料口放入爐中加熱熔化后，再加入硅鐵、 錳鐵，鐵水出爐溫度為1440°C 1510°C ；第四步將純鋁破碎至不大于塊；將鋁鍶中間合金破碎至不大于300g/塊；然后將上述純鋁塊和鋁鍶中間合金塊在150 200°C條件下烘烤0. 5 1. 5h去除表面水汽； 將純鋁置于澆包底部，然后加入鐵水，待鋁塊融化后再加入塊狀鋁鍶中間合金，并隨流加入75SWe孕育劑，對澆包內溶液進行攪拌，使鋁(Al)、鍶(Sr)元素擴散均勻；隨后進行扒渣、澆注。
全文摘要
一種低合金耐熱鑄鐵，成分為C2.5～3.5％；Si2.5～3.5％；Cr0.1～1.0％；Mn＜1.0％；P＜0.3％；S＜0.1％；Al1.8～4.0％；Sr0.05～0.1％；余量為Fe。其制備方法是將廢鋼、鉻鐵、生鐵、硅鐵、純鋁、鋁鍶中間合金按目標產物中化學成分質量百分數比進行配料、熔煉，其中，純鋁提前放置于澆包底部，待鋁塊融化后加入鋁鍶中間合金，隨流沖入75SiFe孕育劑，攪拌后扒渣、澆注；本發明采用低的鋁含量配合以鋁鍶中間合金對鐵水進行球化處理；高溫下，促使鑄鐵表面形成保護膜層。本發明工藝方法簡單、操作方便，生產成本低，綜合機械性能良好，抗氧化性能高；適應各種需經受重復加熱和冷卻的應用過程，例如有色金屬冶煉用坩堝、爐排等。適于工業化生產。
文檔編號C22C33/08GK102337452SQ201110257989
公開日2012年2月1日 申請日期2011年11月9日 優先權日2011年11月9日
發明者宋陽, 曾敏, 李慧中, 李立, 梁霄鵬 申請人:中南大學