一種超高強度灰鑄鐵變質劑及其變質處理工藝的制作方法

專利名稱：一種超高強度灰鑄鐵變質劑及其變質處理工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種灰鑄鐵提高強度所用新型變質劑，特別是涉及一種超高強度灰鑄鐵的制備技術。
背景技術：
鑄鐵是一種歷史悠久的傳統結構材料。2011年1-10月中國鑄鐵件產量為2390余萬噸，由此可見，鑄鐵在我國的國民經濟發展中占有舉足輕重的低位，尤其是灰鑄鐵。灰鑄鐵件曾經占世界鑄鐵件產量的70%左右。但由于其強度較低，在要求結構件具有高強度的工況下被蠕墨鑄鐵和球墨鑄鐵所取代。灰鑄鐵具有耐磨、耐熱、耐氧化、耐腐蝕、耐酸堿及好的減震性。同時，與其它合金相比具有熔點低、充型性好、加工性好、生產設施和成型過程簡單以及成本低廉的優勢。因此，長期以來灰鑄鐵在鑄鐵件中仍占非常大的比重。為了保持灰鑄鐵在鑄鐵件中的主導地位，必須提高其極限強度。當前環境污染是世界亟待解決的重 大問題。所以，發動機的設計向采用爆發式點火的趨勢發展，目的是提高燃燒效率、減少環境污染。因此，對發動機缸體、缸蓋強度的要求越來越高。目前，國際上的發動機缸體、缸蓋絕大多數采用灰鑄鐵鑄造生產。因此，提高灰鑄鐵的強度是世界鑄鐵界的重大理論與技術難題。世界鑄鐵界的廣大科研工作者和工程技術人員一直在致力于提高灰鑄鐵的強度，在優化灰鑄鐵成分設計、微合金化元素組成等方面開展了大量研究工作(主要是通過加入一定量的鉻、鑰、銅、鎳、釩和稀土等合金元素)，使灰鑄鐵的強度不斷地提高，目前，世界上報道的微合金化灰鑄鐵在潮模砂型中澆注出的直徑30毫米、長度280毫米的標準試棒的抗拉強度最高值已達到395兆帕，詳見發明專利“微合金化高強度灰鑄鐵”(專利號2005100168785)，還沒達到400兆帕以上。當前，公認的提高灰鑄鐵強度的途徑有如下四個方面(1)增加初生奧氏體枝晶的個數；(2)細化珠光體片間距；(3)細化石墨、使石墨彎曲和鈍化；(4)細化共晶團。本發明通過設計一種新的變質劑組成，發明出新的變質劑，將本發明變質劑加入到灰鑄鐵鐵水中，獲得了意想不到的結果，使灰鑄鐵獲得了網絡框架結構的初生奧氏體枝晶，且枝晶小、個數增多；珠光體團簇的層片厚度薄與片間距小，同時，珠光體團簇交錯排布；石墨個數增多、細小、彎曲、尖角鈍化；共晶團得到細化的組織，使高灰鑄鐵的強度得到了十分顯著的提高，標準試棒的抗拉強度達到了 440兆帕。技術內容本發明的目的是發明一種新的變質劑組成，將本發明變質劑加入到灰鑄鐵的鐵水中，使灰鑄鐵獲得等軸的網絡框架結構的初生奧氏體枝晶，且枝晶細小、個數增多；珠光體團簇的層片厚度變薄、片間距減小，且交錯排布；石墨個數增多、細小、彎曲、尖角鈍化；共晶團尺寸減小的組織，使灰鑄鐵的強度的到了十分地顯著提高，標準試棒的抗拉強度達到了 440兆帕。本發明的上述目的是這樣實現的發明一種重量百分比化學成分為V :20-29 ；Zr :5-10 ；Ti :5-10 ；Mn :3_6 ；N :11-15 ；RE :3_4 ；Ca :3_4 ;其余為 Si 的超高強度灰鑄鐵變質齊U。將本發明所述變質劑加入到含有C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Sn的灰鑄鐵鐵水中，變質劑中的元素進入到灰鑄鐵的鐵水中，得到了一種超高強度灰鑄鐵。一種上述的超高強度灰鑄鐵變質劑的變質處理工藝，采用澆包內沖入法將變質劑放入灰鑄鐵澆包的底部，當沖天爐或電爐中熔化的灰鑄鐵鐵水溫度達到1480-1550度時，將鐵水倒入灰鑄鐵澆包中，高溫鐵水將變質劑熔化，變質劑中的元素進入灰鑄鐵鐵水中，得到超聞強度灰鑄鐵。其組織初生奧氏體枝晶為發達的等軸網絡框架結構，且二次枝晶臂十分細化、個數明顯增多；珠光體層片厚度與片間距顯著細化，且珠光體團簇交錯排布；石墨個數多、明顯細小、彎曲、尖角鈍化；共晶團尺寸明顯減小、個數增多。使灰鑄鐵的強度得到十分顯著的提高，在潮模砂型中澆注出的直徑30毫米、長度280毫米的灰鑄鐵的標準試棒的抗拉強度達到了 440兆帕。
采用本發明變質劑處理的超高強度高灰鑄鐵的鑄態組織與目前世界的主流技術-采用硅鐵孕育處理的加Mo合金化高強度灰鑄鐵(含有C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Sn元素)相比，初生奧氏體由普通的粗大、非等軸枝晶(參閱圖1(a)所示)轉變為等軸網絡框架結構枝晶，且枝晶非常細小、個數明顯增多(參閱圖1(b)所示)；珠光體由大片間距、厚的鐵素體和滲碳體層片(參閱圖2(a)所示)轉變為非常小的片間距和十分薄的鐵素體與滲碳體層片(參閱圖2(b)所示)，且兩個珠光體團簇晶界處的層片由按大角排布(參閱圖2 (a)所示)轉變為小角排布(參閱圖2(b)所示)；石墨由個數少、粗大、平直、尖角尖銳(參閱圖3(a)所示)轉變為個數明顯增多、細小、彎曲、尖角鈍化(參閱圖3(b)所示)；共晶團由個數少、尺寸大(參閱圖4(a)所示)轉變為個數顯著數多、尺寸明顯小(參閱圖4(b)所示)。組織的轉變使灰鑄鐵的強度得到了意想不到的顯著提高，標準試棒的抗拉強度達到了 440兆帕。本發明變質劑具有的主要技術優點是使灰鑄鐵的組織發生了意想不到的轉變，初生奧氏體由普通的粗大、非等軸枝晶轉變為等軸網絡框架結構枝晶，且枝晶非常細小、個數明顯增多；珠光體由大片間距、厚的鐵素體和滲碳體層片轉變為非常小的片間距和十分薄的鐵素體與滲碳體層片，且兩個珠光體團簇晶界處的層片由按大角排布轉變為小角排布；石墨由個數少、粗大、平直、尖角尖銳轉變為個數明顯增多、細小、彎曲、尖角鈍化；共晶團由個數少、尺寸大轉變為個數顯著增多、尺寸明顯小。由主要技術優點帶來的效果是組織的轉變使灰鑄鐵的強度得到了十分顯著地提高，標準試棒的抗拉強度達到了 440兆帕，而采用硅鐵孕育處理的加Mo合金化高強度灰鑄鐵的標準試棒的最高抗拉強度僅為350兆帕。同時，帶來的經濟成本優勢是采用本發明變質劑處理的超高強度灰鑄鐵的每噸材料成本比采用硅鐵孕育處理的加Mo合金化高強度灰鑄鐵大約節省150-300人民幣元，經濟效益將是十分顯著。


圖I為初生奧氏體枝晶形態，其中圖1(a)為硅鐵孕育處理的加Mo合金化高強度灰鑄鐵的普通、粗大、非等軸網絡框架結構奧氏體枝晶；
圖I (b)為本發變質劑變質處理的超高強度灰鑄鐵的奧氏體枝晶為等軸網絡框架結構，且枝晶十分細小。圖2為珠光體形態，其中圖2(a)為硅鐵孕育處理的加Mo合金化高強度灰鑄鐵的珠光體的層片厚度與間距大，同時，珠光體團簇平行排布；圖2(b)為本發變質劑變質處理的超高強度灰鑄鐵的珠光體的層片厚度與片間距十分細小，且珠光體團簇交錯排布。圖3為石墨形態，其中 圖3 (a)為硅鐵孕育處理的加Mo合金化高強度灰鑄鐵的石墨平直、粗大、個數少、分布不均勻；圖3(b)為本發變質劑變質處理的超高強度灰鑄鐵的石墨非常細小、彎曲、個數多、分布均勻。圖4為共晶團形態，其中圖4(a)為硅鐵孕育處理的加Mo合金化高強度灰鑄鐵的共晶團尺寸大、個數少；圖4(b)為本發變質劑變質處理的超高強度灰鑄鐵的共晶團尺寸明顯減小、個數多。
具體實施例方式下面結合附圖所示實施例，進一步說明本發明的具體內容及其實施方式。本發明變質劑的變質處理工藝采用鑄鐵澆包內沖入法將變質劑放入灰鑄鐵澆包的底部，當沖天爐或電爐中熔化的灰鑄鐵(按重量百分比計，C :3. 10 3. 25 ；Si 2. 10 2. 25 ；Mn 0. 30 O. 45 ；P :0. 020 O. 040 ；S :0. 09 O. 12 ；Cr :0. 20 O. 35 ；Cu :0. 50 O. 65 ；Sn 0. 030 O. 040)鐵水溫度達到1480-1550度時，鐵水倒入灰鑄鐵澆包中，高溫鐵水將變質劑熔化，變質劑中的元素進入到灰鑄鐵鐵水中，得到了超高強度灰鑄鐵。本發明優化設計變質劑組成的積極效果在于改善灰鑄鐵的初生奧氏體枝晶、珠光體、石墨和共晶團組織，從而提高灰鑄鐵的抗拉強度，其結果得到了意想不到的十分顯著的效果，在潮模砂型中澆注出的直徑30毫米、長度280毫米的灰鑄鐵的標準試棒的抗拉強度達到了 440兆帕。本發明變質劑組成對灰鑄鐵的初生奧氏體枝晶、珠光體、石墨和共晶團組織顯著改善的作用機制。(I)初生奧氏體由普通的粗大、非等軸枝晶轉變為等軸網絡框架結構枝晶，且枝晶非常細小、個數明顯增多。變質劑中的Ti、Zr、V、N，在高溫的鐵液(1480-1550 °C )中形成TiN、TiC、ZrN, ZrC, VN 和 VC，它們的熔點分別為 3290 °C >3067 °C >2960 °C >3540 °C >2340 °C和2800 V，它們的(001)晶面與奧氏體(Fe-r)的(110)晶面的晶格錯配度均小于15 % (TiN(OOl)//Fe-r(110) =13. 4 %, TiC(001)//Fe-r(110) =13. 2 %, ZrN(OOl)//Fe-r (110)=12. 4%, ZrC(001)//Fe-r (110)=13. 6%, VN(001)//Fe-r (110) =14%, VC(001)//Fe-r (110) =13. 9%。)。因此，TiN、TiC、ZrN、ZrC, VN和VC均可作為初生奧氏體結晶的非自發核心，使高碳當量灰鑄鐵中的初生奧氏體枝晶個數增多、枝晶細化、形成等軸網絡框架結構，參閱圖1(a)和(b)所示。(2)珠光體由大片間距、厚的鐵素體和滲碳體層片轉變為非常小的片間距和十分薄的鐵素體與滲碳體層片，且兩個珠光體團簇晶界處的層片由按大角排布轉變為小角排布。①V可形成合金滲碳體,形成合金滲碳體所需的碳量低于形成滲碳體所需的碳量，加快了滲碳體中合金滲碳體的生長速度，減小了鐵素體層片的厚度，加快了共析轉變的速度，結果導致珠光體的片間距的減小。②在鐵素體相界面處析出的VN、VC或V (C，N)相，有效地阻止了鐵素體晶粒的長大，使基體中的珠光體細。③V是縮小奧氏體區的元素，使奧氏體區WAjPA3點上升,A4點下降，增大了珠光體轉變的過冷度，細化了珠光體片間距。
④N含量增加，使灰鑄鐵的共析轉變溫度降低，共析轉變區變寬，過冷度增加，從而細化了珠光體。⑤初生奧氏體枝晶個數增多、枝晶細化、形成等軸網絡框架結構，使珠光體的層片厚度與片間距明顯減小，珠光體團簇交錯排布。⑥Mn是擴大奧氏體區元素，有效地降低了奧氏體共析轉變溫度，促使珠光體片細化、片間距減小。上述V、N、Mn、Ti、Zr的作用使珠光體的層片厚度變薄、片間距減小，且珠光體團簇交錯排布，參閱圖2(a)和(b)所示。(3)石墨由個數少、粗大、平直、尖角尖銳轉變為個數明顯增多、細小、彎曲、尖角鈍化。①初生奧氏體枝晶的二次枝晶的顯著細化、個數增多及二次枝晶臂間距的明顯減小，導致了奧氏體枝晶的等軸網絡框架結構的空間數量顯著增多、尺寸非常明顯的變小，造成石墨形核率顯著增多，石墨生長受到嚴重限制，使石墨變得十分細小、彎曲、個數增多。②在共晶凝固過程中N不斷吸附在石墨生長前沿和石墨片兩側，以游離狀態富集在石墨或共晶團的邊界，導致石墨在結晶過程中，其周圍N濃度增高，尤其在石墨伸向鐵水中的尖端，從而影響固-液界面上石墨的生長，使石墨變短、變粗。同時，由于N原子吸附在生長石墨的缺陷位置，使石墨生長時產生分枝，石墨分枝的增加，是石墨變短的另一個原因。③Si是促進石墨化元素，增加石墨個數。④RE、Ca和鐵液中的S、0反應生成稀土硫化物、氧化物和CaS、CaO，這些化合物可作為石墨的形核的非自發核心，增加了石墨形核的核心數量，使石墨數量增多、尺寸減小；RE的吸附作用，使石墨尺寸減小，形狀彎曲、尖角鈍化。⑤Mn與S形成MnS, MnS可作為石墨非自發形核的核心,使石墨細化。⑥Ti具有石墨化作用，增加石墨個數。上述V、Zr、N、RE、Ca、Si、Mn、Ti的作用使石墨個數增多、細小、彎曲、尖角鈍化，參閱圖3(a)和(b)所示。(4)共晶團由個數少、尺寸大轉變為個數顯著數多、尺寸明顯小。①RE、Ca和鐵液中的S、0反應生成稀土硫化物、氧化物和CaS、CaO，這些化合物可作為石墨的形核的非自發核心，細化了共晶團；
②Mn與S形成MnS，MnS可作為石墨非自發形核的核心，使共晶團細化。③初生奧氏體枝晶的二次枝晶細化、個數多及二次枝晶臂間距的減小，導致了奧氏體枝晶的等軸網絡框架結構的空間數量增多、尺寸變小，使石墨形核率增多，生長受到限制，導致共晶團尺寸減小。④Ti、Zr和V均能增加共晶團的數量，使共晶團尺寸減小、個數增多。上述Ti、Zr、V、N、RE、Ca和Mn的作用使共晶團個數顯著增多、尺寸明顯小，參閱圖4(a)和(b)所示。本發明“一種超聞強度灰鑄鐵變質劑”對灰鑄鐵的初生奧氏體枝晶、珠光體、石墨和共晶團組織產生了意想不到的改善，其強化機制①大量彎曲、細小、尖角鈍化的石墨使裂紋不易萌生、擴展時不斷改變方向；②共晶團個數多、尺寸小使裂紋擴展路徑更加曲折，阻力增大；
③裂紋擴展時必然受到眾多的等軸網絡框架結構分布的尺寸、層片厚度與片間距十分細小的珠光體團簇(該團簇交錯排布)的嚴重阻礙，造成裂紋必須穿過框架結構分布的珠光體才能擴展，消耗更大的能量，同時，珠光體團簇交錯排布，進一步消耗能量。上述三種阻礙裂紋擴展的機制使灰鑄鐵的強度顯著提高。本發明“一種超高強度灰鑄鐵變質劑”的成分與力學性能參閱表I所示，由表I表明，采用本發明不同變質劑組成處理的超高強度灰鑄鐵的標準試棒的抗拉強度達到了 440兆帕。表I本發明“一種超高強度灰鑄鐵變質劑”的成分與力學性能
權利要求
1.一種超高強度灰鑄鐵變質劑，其特征在于，所述變質劑主要由V、Zr、Ti、N、Mn、RE、Ca、Si元素組成，其重量百分比化學成分為V :20-29 ；Zr :5-10 ；Ti :5-10 ；Mn :3_6 ；N 11-15 ；RE 3-4 ；Ca :3_4 ;其余為 Si。
2.如權利要求I所述的一種超高強度灰鑄鐵變質劑，其特征在于，所述變質劑的重量百分比化學成分為V :20 ；Zr 5 ；Ti 10 ；Mn :6 ；N 12 ；RE :4 ；Ca :3 ;其余為 Si。
3.如權利要求I所述的一種超高強度灰鑄鐵變質劑，其特征在于，所述變質劑的重量百分比化學成分為V :20 ；Zr 7 ；Ti 7 ；Mn :5 ；N :11 ；RE :3 ；Ca :3 ;其余為 Si。
4.如權利要求I所述的一種超高強度灰鑄鐵變質劑，其特征在于，所述變質劑的重量百分比化學成分為V :25 ；Zr 10 ；Ti :5 ；Mn :3 ；N :15 ；RE :3 ；Ca :4 ;其余為 Si。
5.如權利要求I所述的一種超高強度灰鑄鐵變質劑，其特征在于，所述變質劑的重量百分比化學成分為V :29 ；Zr 7 ；Ti :6 ；Mn :4 ；N :13 ；RE :4 ；Ca :3 ;其余為 Si。
6.如權利要求I所述的一種超高強度灰鑄鐵變質劑，其特征在于，所述變質劑的重量百分比化學成分為V :29 ；Zr 5 ；Ti :9 ；Mn :6 ；N 15 ；RE :4 ；Ca :4 ;其余為 Si。
7.如權利要求I至6任一項所述的一種超高強度灰鑄鐵變質劑的變質處理工藝，其特征在于，采用澆包內沖入法將變質劑放入灰鑄鐵澆包的底部，當沖天爐或電爐中熔化的灰鑄鐵鐵水溫度達到1480-1550度時，將鐵水倒入灰鑄鐵澆包中，高溫鐵水將變質劑熔化，變質劑中的兀素進入灰鑄鐵鐵水中，得到超聞強度灰鑄鐵，其組織初生奧氏體枝晶為發達的等軸網絡框架結構。
8.如權利要求7所述的變質處理工藝，其特征在于，所述灰鑄鐵鐵水按重量百分比含有C :3. 10 3. 25 ；Si :2. 10 2. 25 ；Mn :0. 30 O. 45 ；P :0. 020 O. 040 ；S :0. 09 O. 12 ;Cr :0. 20 O. 35 ；Cu :0. 50 O. 62 ；Sn :0. 030 O. 04。
全文摘要
本發明涉及一種超高強度灰鑄鐵變質劑及其變質處理工藝，所述變質劑主要由V、Zr、Ti、N、Mn、RE、Ca、Si元素組成，其重量百分比化學成分為V20-29；Zr5-10；Ti5-10；Mn3-6；N11-15；RE3-4；Ca3-4；其余為Si。所述變質處理工藝，采用澆包內沖入法將變質劑放入灰鑄鐵澆包的底部，當鐵水溫度達到1480-1550度時倒入澆包中，將變質劑熔化并使之進入灰鑄鐵鐵水中，得到超高強度灰鑄鐵。本發明變質劑使高強度灰鑄鐵的初生奧氏體枝晶、珠光體、石墨和共晶團組織得到了意想不到的顯著改善，使強度十分顯著地提高，標準試棒的抗拉強度達到了440兆帕。
文檔編號C22C33/08GK102816966SQ201210330659
公開日2012年12月12日 申請日期2012年9月9日 優先權日2012年9月9日
發明者姜啟川, 逄偉, 王金國, 鄧剛, 侯駿 申請人:吉林大學