钒钛蠕墨铸铁蠕化处理工艺

摘要

本发明公开了一种钒钛蠕墨铸铁蠕化处理工艺，包括以下步骤：将原料按重量百分比配置为以下组分：碳为3.4～3.9％，硅为2.1～2.8％，锰为0.5～0.9％，磷≤0.10％，硫≤0.07％，钒为0.10～0.35％，钛为0.1～0.25％，余量为铁和不可避免的杂质。将钒钛磁铁矿熔化后获得的1320℃～1350℃的高温铁水直接转入中频电炉进行熔炼，铁水炉前成分化验合格后，于1450℃～1480℃出炉，采用冲入法将铁水倒入浇注处理包进行蠕化处理和孕育处理，处理完成后静置2-3min可用于浇注。发明所述工艺流程简单，能耗低，且用本发明所述的工艺制备得到的钒钛蠕墨铸铁性能优越，各方面的指标都满足要求。

说明书

技术领域

本发明涉及材料冶金领域，特别涉及一种蠕墨铸铁蠕化处理工艺。

背景技术

由于灰铸铁具有较好的铸造性能，被应用于多个领域。但是灰铸铁制备的产品的物理力学性能、机械强度、耐低温性能及抗热疲劳性能在实用过程中难以令人满意，且在使用过程中容易出现热裂纹和磨损快的现象，造成一定的安全隐患。通过加入合金元素可以得到高强度合金灰铸铁，如英美等国主要采用高C低合金V、Mo灰铸铁，俄罗斯等国主要采用Cr、Ni、Mo合金灰铸铁，但由于加入了Ni、Mo等贵合金元素，使上述合金铸铁的生产成本较高。如国内外许多企业在生产汽车用制动鼓或制动盘时，就主要是采用低合金灰铸铁材质。

因此，从运营成本及安全性角度出发，开发具有机械强度高，导热性能好，抗热疲劳性能优良、不易出现热裂纹、耐低温等综合性能优良的新型材料来代替灰铸铁材料具有重要的工程应用价值和现实意义。

目前铸铁的熔炼方法是采用高炉生产铸造生铁，然后用冲天炉或电炉二次熔化生产铸铁。在国外，主要采用冲天炉加电炉双联熔炼法，得到优质铸造铁水，形成大批量生产。在国内，大型企业采用了与国外相同的冲天炉加电炉双联熔炼法生产铸铁，还有较多的中小企业采用单独冲天炉熔化生产铸铁或电炉熔化生产铸铁。冲天炉熔化的铁水温度低，生产的铸铁质量不高；电炉熔化铁水温度高，生产的铸铁质量高，但是能源消耗量大，成本高。以上国内外的生产模式均存在二次熔化过程。

蠕化剂类型的选择和蠕化剂加入量、加入方法是蠕化处理工艺中两个关键性问题。目前使用的蠕化剂主要有镁系蠕化剂、稀土系蠕化剂和钙系蠕化剂。镁系蠕化剂蠕化能力最强，有自沸腾能力，但其加入范围较小，且吸收率低；钙系蠕化剂蠕化能力最弱，其加入范围较宽，但反应较慢，无自沸腾能力；稀土系蠕化剂的蠕化能力和反应速度介于镁系蠕化剂和钙系蠕化剂之间，蠕化能力适中，但无自沸腾能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钒钛蠕墨铸铁蠕化处理工艺，利用钒钛磁铁矿熔化后获得的1320℃～1350℃高温铁水直接转入中频炉进行熔炼，熔炼温度大于1500℃，节省了二次熔化过程，提高了铁水的质量，极大地节省了能源。且本发明利用攀枝花的生铁富含V、Ti元素的特点，在不加入其它合金元素的情况下，即可制备综合性能优于加入Ni、Mo等合金元素的铸造产品，成本相对降低。本发明中涉及的混合蠕化剂兼有镁系蠕化剂和稀土蠕化剂的优点，既有自沸腾功能，蠕化剂的加入量范围也较宽，当含硫量在一定范围内波动时仍能获得蠕化率较高的钒钛蠕墨铸铁。本发明中的蠕化剂加入方法简单，蠕化工艺稳定，效果显著。应用本发明蠕化处理工艺生产的钒钛蠕墨铸铁产品性能稳定，优于普通灰铸铁、合金灰铸铁产品的性能。

根据本发明所述的钒钛蠕墨铸铁蠕化处理工艺，包括以下步骤：

a制备原料，将原料按重量百分比配置为以下组分：碳为3.4～3.9％，硅为2.1～2.8％，锰为0.5～0.9％，磷≤0.10％，硫≤0.07％，钒为0.10～0.35％，钛为0.10～0.25％，余量为铁和不可避免的杂质；

b将钒钛磁铁矿熔化后获得的1320℃～1350℃高温铁水直接转入中频炉进行熔炼，熔炼温度大于1500℃；

c铁水出炉前，将浇注处理包在300～450℃进行烘烤，然后将蠕化剂、2/3孕育剂和覆盖剂置于包底捣实；

d铁水炉前成分化验合格后，于1450℃～1480℃出炉，采用冲入法将铁水倒入浇注处理包进行蠕化处理和孕育处理；

e蠕化处理时将炉内铁水倒入浇注处理包，先倒入浇注包容量2/3的铁水，待搅拌处理均匀后再倒入浇注包容量1/3的铁水，同时将剩余的1/3孕育剂随流加入，之后加入覆盖剂于铁水表面，静置2-3min后可用于浇注，浇注温度为1340℃～1380℃。

根据本发明所述的钒钛蠕墨铸铁蠕化处理工艺，其中，所述蠕化剂为稀土镁硅铁和稀土硅铁的混合物，且所述蠕化剂的加入量为铁水重量的1.2％～1.8％。

根据本发明所述的钒钛蠕墨铸铁蠕化处理工艺，其中，所述蠕化剂由稀土镁硅铁和稀土硅铁混合而成，其中稀土硅铁的重量百分比为60％～80％。稀土硅铁和稀土镁硅铁以细小颗粒状加入，稀土硅铁颗粒的粒度为5～10mm，稀土镁硅铁颗粒的粒度为10～15mm。

根据本发明所述的钒钛蠕墨铸铁蠕化处理工艺，其中，所述孕育剂为75SiFe，且所述孕育剂的加入量为铁水重量的0.6％～1.2％。

根据本发明所述的钒钛蠕墨铸铁蠕化处理工艺，其中，所述覆盖剂为聚渣覆盖剂或草木灰。

根据本发明所述的钒钛蠕墨铸铁蠕化处理工艺，其中，所述75SiFe的粒度为5～10mm。

根据本发明所述的钒钛蠕墨铸铁蠕化处理工艺，其中，所述b步骤的熔炼温度为1500℃～1560℃。

具体实施方式

本发明的原料按重量百分比配置为以下组分：碳为3.4～3.9％，硅为2.1～2.8％，锰为0.5～0.9％，磷≤0.10％，硫≤0.07％，钒为0.10～0.35％；钛为0.10～0.25％，余量为铁和不可避免的杂质。

其中碳和硅都是强烈促进石墨化的元素。碳和硅含量高，铸件组织中石墨数量多。对耐热、耐磨性能要求较高的汽车制动鼓等特殊铸件，组织中要求有一定数量的石墨，即有较高碳当量CE，其中CE＝C+1/3(Si+P)。提高碳当量有助于减小白口倾向，但是碳当量CE不能过高，否则组织中的珠光体数量不足，铁素体含量增加，使力学性能(强度和硬度)降低，从而达不到制品所要求的力学性能，因此蠕墨铸铁的CE＝4.3％～4.8％。

碳的含量一般取3.0％～4.0％，在生产中一般将碳含量控制在3.4～3.9％范围内，该范围内可使铁水流动性好，易补缩，收缩小，可获得优良的铸造性能。

硅对基体影响十分显著，主要用来防止白口，控制基体中珠光体数量。随着硅量增加，基体中珠光体量逐渐减少，铁素体量增加。为了获得较高的性能要求，需获得珠光体基体的蠕墨铸铁，此时，可以适当减少硅量。由于蠕化剂中一般含有大量的硅，故配料时，原铁水必须低硅。硅的最终含量可控制在2.1～2.8％，最优含量控制在2.3～2.7％。

锰在常规含量内对石墨蠕化无影响。锰在蠕墨铸铁中起稳定珠光体的作用，由于蠕墨铸铁中石墨分枝繁多导致锰的作用减弱。如果要求获得韧性较高的铁素体基体蠕墨铸铁，则锰含量应小于0.4％。在本发明中，为了适应所需的强度性能要求，且基体中珠光体的含量应该在50％以上，因此选定锰含量范围为0.5％～0.9％，以便获得较多的珠光体基体。

硫和所有蠕化元素(主要为镁和稀土)都有很大亲和力，蠕化元素加入铁液中首先消耗于脱硫和脱氧，将铁液中硫含量降至小于0.03％，剩余蠕化元素才使石墨蠕化。原铁液含硫越多，消耗蠕化剂也越多。蠕化剂加入量越多，形成的硫化夹渣也越多，既不经济，又危害材质的性能，加速蠕化衰退。但是，硫在一定范围内有扩大蠕化剂加入量的作用，即在较宽的蠕化剂加入量范围内均可获得蠕墨铸铁。这是硫对蠕墨铸铁生产有利的一方面。综合考虑后本发明中硫含量控制在≤0.07％。

磷含量过高会形成磷共晶体，它降低冲击韧度，提高脆性转变温度，使铸件易出现缩松和冷裂。因此磷的含量一般宜控制在0.08％以下。但一定量的磷所形成的磷共晶体弥散分布有助于提高硬度，耐磨性能提高，故对于耐磨件可适当提高磷的含量。综合考虑后本发明中磷含量控制在≤0.10％。

本发明所用原料中含有0.3％左右的V和0.25％左右的Ti，这有效地细化、稳定珠光体，同时V和Ti与碳、氮有高的亲和力而形成显微硬度极高的硬化相钒钛碳氮化合物，提高强度、耐磨性能和耐热疲劳性能。另外，V、Ti增加了白口倾向，Ti属于干扰元素即反球化元素，可以适当拓宽蠕化范围，有利于蠕化处理，因此本发明中钒的含量为0.10％～0.35％，钛的含量为0.10％～0.25％。若钒钛含量低于0.10％，形成的碳氮化合物很少，起不到提高强度和耐磨性的作用。当钒钛含量高于上限时，形成的钒钛碳氮化合物过多，强度硬度值过高，不易加工，且反球化作用过强，不利于蠕化处理。

本发明直接利用钒钛磁铁矿熔炼后的高温铁水经电炉调整成分获得钒钛蠕墨铸铁，避免了二次熔炼过程，节约了能源。本发明充分利用富含V、Ti元素的生铁，如攀枝花等钒钛基地生产的富含钒钛的生铁；本发明的钒钛蠕墨铸铁经蠕化处理，提高了铸铁材料的抗拉强度和耐磨性能，可广泛应用于综合性能要求较高的铸铁产品。如用来生产汽车用制动鼓、制动盘，以及发动机缸体缸盖、排气歧管等，使这些产品的综合性能得到很大提高。

目前市场上的稀土镁硅铁合金蠕化剂兼有了镁系蠕化剂和稀土系蠕化剂的优点，由于本发明采用的高温钒钛铁水中除含有普通反球化元素硫外，还含有钛等反球化元素，而国家标准中没有稀土与镁比例合适的稀土镁硅铁合金蠕化剂可以作为高温钒钛铁水的蠕化剂，如使用国家标准中的单一稀土镁硅铁合金蠕化剂，则蠕化效果差且不稳定，因此最终采用本发明中的混合蠕化剂。采用本发明中提及的混合蠕化剂兼有镁系蠕化剂和稀土蠕化剂的优点，既有自沸腾功能，蠕化剂的加入量范围也较宽，当含硫量在一定范围内波动时仍能获得蠕化率较高的钒钛蠕墨铸铁。本发明中的蠕化剂加入方法简单，蠕化工艺稳定，效果显著。

本发明所述钒钛蠕墨铸铁蠕化处理工艺，包括以下步骤：制备原料，将原料按重量百分比配置为以下组分：碳为3.4～3.9％，硅为2.1～2.8％，锰为0.5～0.9％，磷≤0.10％，硫≤0.07％，钒为0.10～0.35％，钛为0.10～0.25％，余量为铁和不可避免的杂质；将钒钛磁铁矿熔化后获得的1320℃～1350℃高温铁水直接转入中频炉进行熔炼，熔炼温度大于1500℃，最优为1500～1560℃；上述铁水出炉前，将浇注处理包在300℃～450℃进行烘烤，然后将蠕化剂、2/3孕育剂和覆盖剂置于包底捣实；上述铁水炉前成分化验合格后，于1450℃～1480℃出炉，采用冲入法将铁水倒入浇注处理包进行蠕化处理和孕育处理；蠕化处理时将炉内铁水倒入浇注处理包，先倒入浇注包容量2/3的铁水，待搅拌处理均匀后再倒入浇注包容量1/3的铁水，同时将剩余的1/3孕育剂随流加入，之后加入覆盖剂于铁水表面，静置2-3min后可用于浇注，浇注温度为1340℃～1380℃。

根据本发明所述的钒钛蠕墨铸铁蠕化处理工艺，其中，所述蠕化剂为稀土镁硅铁和稀土硅铁的混合物，且所述蠕化剂的加入量为铁水重量的1.2％～1.8％。所述蠕化剂由稀土镁硅铁和稀土硅铁混合而成，其中稀土硅铁的重量百分比为60％～80％。稀土硅铁和稀土镁硅铁以细小颗粒状加入，稀土硅铁颗粒的粒度为5～10mm，稀土镁硅铁颗粒的粒度为10～15mm。

根据本发明所述的钒钛蠕墨铸铁蠕化处理工艺，其中，所述孕育剂为75SiFe，所述75SiFe的粒度为5～10mm，且所述孕育剂的加入量为铁水重量的0.6％～1.2％。

根据本发明所述的钒钛蠕墨铸铁蠕化处理工艺，其中，所述覆盖剂为聚渣覆盖剂或草木灰。

实施例1

本实施例用于制备汽车发动机缸盖。本实施例的原料按重量百分比配置为以下组分：碳为3.4％，硅为2.8％，锰为0.9％，磷0.10％，硫0.07％，钒为0.10％；钛为0.10％，余量为铁和不可避免的杂质。将钒钛磁铁矿熔化后获得的1320℃高温铁水直接转入中频炉进行熔炼，熔炼温度为1560℃。铁水出炉前，将浇注处理包在300℃进行烘烤，然后将蠕化剂、2/3的75SiFe和聚渣剂置于包底捣实；其中蠕化剂为稀土硅铁(牌号及化学成分见表1)和稀土镁硅铁(牌号及化学成分见表2)的混合物，其中稀土硅铁加入重量百分比为60％，稀土硅铁与稀土镁硅铁的具体成分如表1和表2所示，所述蠕化剂加入量为铁液重量的1.8％；孕育剂为75SiFe，加入量为铁液重量的0.6％。稀土硅铁和稀土镁硅铁以细小颗粒状加入，稀土硅铁颗粒的粒度为5mm，稀土镁硅铁颗粒的粒度为10mm。铁水炉前成分化验合格后，于1480℃出炉，采用冲入法将铁水倒入浇注处理包进行蠕化处理和孕育处理；蠕化处理时将炉内铁水倒入浇注处理包，先倒入浇注包容量2/3的铁水，待搅拌处理均匀后再倒入浇注包容量1/3的铁水，同时将剩余的1/3孕育剂随流加入，之后加入聚渣覆盖剂于铁水表面，静置2min后可用于浇注，浇注温度为1380℃。

对于汽车发动机缸盖，目前市场上其材料主要有HT200，HT250以及铝合金等，一般要求缸盖本体强度大于200Mpa，硬度大于180HBS。本实施例制备的汽车发动机缸盖的性能如表3所示，由表3可知，本实施例制备的汽车发动机缸盖的性能远远优于其它材料的汽车发动机缸盖。

表1稀土硅铁合金牌号及化学成分(按照GB/T 4137-2004执行)

表2稀土镁硅铁合金牌号及化学成分(按照GB/T 4138-2004执行)

实施例2

本实施例用于制备汽车制动鼓。本实施例的原料按重量百分比配置为以下组分：碳为3.7％，硅为2.6％，锰为0.7％，磷0.09％，硫0.05％，钒为0.20％；钛为0.15％，余量为铁和不可避免的杂质。将钒钛磁铁矿熔化后获得的1330℃高温铁水直接转入中频炉进行熔炼，熔炼温度为1530℃。铁水出炉前，将浇注处理包在350℃进行烘烤，然后将蠕化剂、2/3的75SiFe和聚渣置于包底捣实；其中蠕化剂为稀土硅铁和稀土镁硅铁的混合物，其中稀土硅铁加入重量百分比为70％，稀土硅铁与稀土镁硅铁的具体成分如表1和表2所示，所述蠕化剂的加入量为铁液重量的1.5％；孕育剂为75SiFe，加入量为铁液重量的0.9％。稀土硅铁和稀土镁硅铁以细小颗粒状加入，稀土硅铁颗粒的粒度为10mm，稀土镁硅铁颗粒的粒度为12mm。铁水炉前成分化验合格后，于1460℃出炉，采用冲入法将铁水倒入浇注处理包进行蠕化处理和孕育处理；蠕化处理时将炉内铁水倒入浇注处理包，先倒入浇注包容量2/3的铁水，待搅拌处理均匀后再倒入浇注包容量1/3的铁水，同时将剩余的1/3孕育剂随流加入，之后加入草木灰于铁水表面，静置3min后可用于浇注，浇注温度为1350℃。本实施例制备的制动鼓的性能指标详见表3。

对于汽车制动鼓的性能指标，现在没有具体实施标准(标准JB 531-1984和QC/T 485-1999规定的技术要求都已作废)。JB 531-1984中提及的制动鼓材料为HT15-33(HT150)、HT20-40(HT200)和HT25-47(HT250)，随着汽车技术的发展，目前制动鼓的材料主要为HT250、HT300、合金铸铁以及钒钛铸铁等，根据表3可知，钒钛蠕墨铸铁制动鼓的性能明显优于目前普通制动鼓。

实施例3

本实施例用于制备汽车制动盘。实施例3的原料按重量百分比配置为以下组分：碳为3.9％，硅为2.1％，锰为0.5％，磷0.08％，硫0.03％，钒为0.35％；钛为0.25％，余量为铁和不可避免的杂质。将钒钛磁铁矿熔化后获得的1350℃高温铁水直接转入中频炉进行熔炼，熔炼温度为1500℃。铁水出炉前，将浇注处理包在450℃进行烘烤，然后将蠕化剂、2/3的75SiFe和聚渣置于包底捣实；其中蠕化剂为稀土硅铁和稀土镁硅铁的混合物，其中稀土硅铁加入重量百分比为80％，稀土硅铁与稀土镁硅铁的具体成分如表1和表2所示，所述蠕化剂的加入量为铁液重量的1.2％；孕育剂为75SiFe，加入量为铁液重量的1.2％。稀土硅铁和稀土镁硅铁以细小颗粒状加入，稀土硅铁颗粒的粒度为8mm，稀土镁硅铁颗粒的粒度为15mm。铁水炉前成分化验合格后，于1450℃出炉，采用冲入法将铁水倒入浇注处理包进行蠕化处理和孕育处理；蠕化处理时将炉内铁水倒入浇注处理包，先倒入浇注包容量2/3的铁水，待搅拌处理均匀后再倒入浇注包容量1/3的铁水，同时将剩余的1/3孕育剂随流加入，之后加入聚渣覆盖剂于铁水表面，静置3min后可用于浇注，浇注温度为1340℃。

对于汽车制动盘，目前没有具体实施标准。目前市场上应用的主要材料是HT250和合金铸铁，其抗拉强度为250Mpa～300Mpa，硬度值为200HBS～250HBS，伸长率低于1％，且热疲劳性和耐磨性较差。参照列车制动盘标准JB/T 2980-2000规定，列车制动盘采用RuT300或者HT300制造，其具体力学性能指标如表4所示。用本实施例制备的制动盘产品的性能指标详见表3。根据表3和表4可知，钒钛蠕墨铸铁制动盘的抗拉强度和硬度到达了JB/T2980-2000中列车制动盘的标准。因此，用本发明中的钒钛蠕墨铸铁制造汽车制动盘性能非常优越，远远超过目前市场上的汽车制动盘。

表3实施例1-3制备的产品的性能指标

表4标准JB/T 2980-2000规定的列车制动盘材料及力学性能

实施例1-3制备的产品的硬度平均值为225～273HBW，抗拉强度平均值为364～422MPa，各实施例的蠕化率都在70％以上，基体组织中的珠光体含量均在60％以上，珠光体呈细片状。各项指标均满足各种产品应达到性能指标要求及实际生产需要。与现有技术生产的上述各种产品相比较，按照本发明方法生产的产品具有强度、硬度以及伸长率等综合力学性能高的特点，避免了合金元素的大量加入，减少了传统生产方式中的二次熔炼过程，生产成本低，应用前景广阔。

本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种变形和修改。