改变灰铸铁初生奥氏体生长形貌的变质剂及其制备方法和应用

摘要

本发明涉及一种改变灰铸铁初生奥氏体生长形貌的变质剂及其制备方法和应用。所述变质剂的组成包括质量百分比10％～20％的钒、3％～5％的氮、10％～20％的硅、2％～5％的钙、2％～5％的铬，余量为铁。变质剂的制备方法是将含有钒、氮、铬、硅、钙元素的铁合金混合、熔炼、冷却后破碎成4～8毫米尺寸的颗粒，采用浇包内变质方法加入灰铸铁溶液中。所述的变质剂应用于处理易加工高强度灰铸铁。采用本发明变质剂处理使亚共晶灰铸铁初生奥氏体生长形貌发生了意想不到的改善，同时，能够得到细小、弯曲的石墨组织，使灰铸铁的力学性能得到大幅度提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种改变灰铸铁初生奥氏体生长形貌的变质剂，用于改变亚共晶灰铸铁在凝 固过程中析出初生奥氏体的生长方式，得到纵横交错的空间网络状初生奥氏体，从而达到制 约灰铸铁共晶凝固的发展，得到细小弯曲的石墨组织，以提高灰铸铁的力学性能。

背景技术

由于灰铸铁有良好的耐磨性、减震性以及切削加工性能，其在铸造生产中有着非常广泛 的应用，尤其是在汽车行业的应用。大马力发动机的缸体以及缸盖大多使用高强度灰铸铁为 材质，而一般发动机材质也大量使用灰铸铁，据统计，1995年世界主要汽车公司生产的265.2 万吨发动机缸体以及缸盖铸件中，灰铸铁材质的缸体铸件占93.4％。2006年世界9136.8万 吨铸铁铸件中，灰铸铁铸件产量为4253.9万吨，我国生产的灰铸铁铸件占世界总量的32.7％。 可见，虽然灰铸铁由于强度等问题，受到球墨、蠕墨铸铁、有色金属以及塑料等的强力竞争， 但是需求量依然很大。

长期以来，国内外学者和专家为了提高灰铸铁的强度开展了大量、系统的研究工作，其 途径如下：(1)降低碳当量，提高灰铸铁抗拉强度。但存在铸造工艺性能变差；白口倾向增 大，难以加工；应力大，容易产生裂纹；铁液收缩大，易产生缩松，造成渗漏；铸件断面敏 感性高，容易产生废品等关键理论与技术难题。(2)对高碳当量灰铸铁进行合金化(加入Mo、 Ni等)，但由于世界范围内Mo、Ni等价格的快速升高，存在成本高和加工性能较差的关键 理论与技术难题，制约了产品在市场中的竞争力。

普遍认为，灰铸铁组织中的石墨形态、尺寸、数量等特征对灰铸铁的力学性能、切削加 工性能有着至关重要的影响，控制灰铸铁组织中的石墨特征即能够获得所需的灰铸铁性能。

对于亚共晶灰铸铁，其凝固过程首先在液态中析出初生奥氏体，随着凝固温度的降低， 初生奥氏体枝晶不断长大，当温度降低到共晶温度时，尚未凝固的液相开始发生石墨与共晶 奥氏体的共晶反应，凝固组织为石墨与共晶奥氏体所组成的共晶团。此时的凝固组织为初生 奥氏体+共晶奥氏体+石墨。随着温度的继续降低，灰铸铁组织中的奥氏体转变为珠光体或珠 光体+铁素体。

如果在灰铸铁凝固过程中控制初生奥氏体的生长，使初生奥氏体呈空间网络发展，则能 够限制共晶凝固过程中石墨的生长，有利于获得形状弯曲、尺寸细小的石墨，从而达到提高 灰铸铁力学性能的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种加入量少、成本低、工艺简单的改变灰铸铁初生奥氏体生长形 貌的变质剂，此种变质剂采用浇包内变质方法，能够改变亚共晶灰铸铁凝固过程中初生奥氏 体的生长形貌，形成空间结构复杂的网络，达到限制共晶石墨的生长空间，得到细小、弯曲 的石墨组织，从而提高亚共晶灰铸铁强度的目的。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种用于改变灰铸铁初生奥氏体生长形貌的变质剂，包括质量百分比10％～20％的钒、 3％～5％的氮、10％～20％的硅、2％～5％的钙、2％～5％的铬，余量为铁。

一种用于改变灰铸铁初生奥氏体生长形貌的变质剂的制备方法，是将含有钒、氮、铬、 硅、钙元素的铁合金混合、熔炼、冷却后破碎成4～8毫米尺寸的颗粒，采用浇包内变质方 法加入灰铸铁溶液中。

采用所述的变质剂处理易加工高强度灰铸铁，合金成分按质量百分比计：3.19～3.35C、 1.90～2.06Si、0.31～0.48Mn、0.013～0.03P、0.075～0.09S、0.46～0.66Cu、0.18～0.35Cr，采用500Kg 工频熔炼炉熔炼，热电偶测温，铁水出炉温度1530℃，浇包内孕育及变质，充分搅拌后在 树脂砂型中浇注抗拉强度测定及组织分析试样，试样尺寸Φ30mm×300mm，变质剂加入量 为0.45～0.8％。

图例说明

图1实施例1试验灰铸铁A初生奥氏体组织。

图2实施例1试验灰铸铁B初生奥氏体组织。

图3实施例1试验灰铸铁C初生奥氏体组织。

图4实施例1试验灰铸铁D初生奥氏体组织。

图5实施例2试验灰铸铁A石墨组织。

图6实施例2试验灰铸铁B石墨组织。

图7实施例2试验灰铸铁C石墨组织。

图8实施例2试验灰铸铁阶梯试样试样厚度与硬度的关系

具体实施方式

1、采用500Kg工频熔炼炉熔炼，热电偶测温，铁水出炉温度1530℃，浇包内孕育及变 质，充分搅拌后在树脂砂型中浇注抗拉强度测定及组织分析试样，试样尺寸Φ30mm×300mm。 变质剂加入量为0.3％～0.6％。试验合金成分如表1所示。

表1试验合金的化学成分

图1～4为试验灰铸铁经过奥氏体化退火处理后的组织。其中呈黑色条状的为石墨，亮白 色的为初生奥氏体组织，而灰黑色的为珠光体组织。

可以看出没有加入本发明变质剂的试样A中(图1)，石墨分布均匀，几乎看不到明显 的共晶团，或者说共晶团的尺寸很大，采用50倍放大倍数的显微镜观察，看不到一个完整 的共晶团。此种情况说明当灰铸铁的凝固温度达到共晶反应温度时，开始发生石墨与共晶奥 氏体的共晶反应，由于初生奥氏体的结构简单，使得共晶团的生长受到的限制减少，从而得 到平直、分布均匀的石墨组织。

从图3～4的组织照片看，加入本发明变质剂后，随着变质剂加入量的增加，共晶团的形 貌发生明显变化，尺寸减小、数量增多。而且随着本发明变质剂加入量的增加，共晶团之间 的奥氏体及珠光体组织明显增多，这同样是与灰铸铁的凝固过程相对应。在亚共晶灰铸铁的 凝固过程中，首先析出初生奥氏体，随着凝固温度的不断降低，初生奥氏体不断长大，当合 金的温度降低到共晶反应温度时，剩余的液相发生共晶反应，以共晶团的形式结晶形成石墨 与共晶奥氏体，本发明变质剂的加入，能够促进初生奥氏体呈空间网络生长，而初生奥氏体 的不断生长能进一步促进尚未凝固液相中碳浓度的提高，从而当凝固温度达到共晶反应温度 时，共晶反应在初生奥氏体网络空间发生，促使大量结晶核心的生成，增加共晶团的数量， 同时，由于初生奥氏体呈空间网络发展，限制了共晶团的生长，得到细小的共晶团，石墨呈 细小、弯曲形态。

对于高强度灰铸铁而言，其常温下的组织为95％以上的珠光体+5％以下的铁素体基体+ 片状的石墨，珠光体是由初生奥氏体和共晶奥氏体转化而来，是高强度灰铸铁具有高力学性 能的基本保证，而组织中的片状石墨则相当于基体组织中的微裂纹，片状石墨的尺寸越大、 形状越平直，则对基体组织的割裂作用越明显，引起高强度灰铸铁的力学性能降低。采用本 发明变质剂变质处理，能够获得空间网络复杂的初生奥氏体，同时，获得细小的共晶团，石 墨的生长变得细小弯曲，从而能够提高高强度灰铸铁的力学性能。表2为实验合金灰铸铁的 抗拉强度测定结果，可见，变质剂加入量增加，提高了灰铸铁的抗拉强度。

表2试验高强度灰铸铁的抗拉强度(MPa)

2、采用500Kg工频熔炼炉熔炼，热电偶测温，铁水出炉温度1530℃，浇包内孕育及变 质，充分搅拌后在树脂砂型中浇注抗拉强度测定及组织分析试样，试样尺寸Φ30mm×300mm。 变质剂加入量为0.45％～0.8％。试验合金成分如表3所示。

表3实验高强度灰铸铁A、B、C化学成分(wt.％)

图5～7为实验灰铸铁的石墨组织，可以看出：实验灰铸铁的石墨组织都是A型石墨， 但随着本发明变质剂加入量的增加，灰铸铁中的石墨变得更加细小、弯曲，而细小、弯曲的 石墨是获得高强度灰铸铁的先决条件之一。表4为采用本发明变质剂处理灰铸铁的力学性能 测定结果，可见，变质剂加入量增加，使灰铸铁的抗拉强度得到了明显提高。

表4试验高强度灰铸铁的抗拉强度(MPa)

图8为试验灰铸铁阶梯试样不同壁厚处的硬度测定结果，可以看出随着试样壁厚的增 加，试样的硬度减小，这一点自然是与壁厚不同，冷却速度不同，得到的合金组织不同，壁 厚越薄，冷却速度越高，铸铁的组织越细小，因此，硬度也越高；另一方面，可以看出，随 着本发明变质剂加入量的增多，阶梯试样不同壁厚处的硬度差异减小，也即是灰铸铁的组织 相对更加均匀，对提高灰铸铁的加工性能具有优异的好处。