一种耐低温高镍奥氏体球墨铸铁及其制备方法

摘要

本发明公开了一种耐低温高镍奥氏体球墨铸铁及其制备方法，其中所述耐低温高镍奥氏体球墨铸铁包括以下组分：2.1～2.2wt%的碳、1.6～1.8wt%的硅、34～34.5wt%的镍、2.0～2.1wt%的铬、1.5~1.7wt%的锰，且其碳当量为4.1～4.4%，铜的含量小于0.5wt%，磷的含量小于0.05wt%，硫的含量小于0.03wt%，不含有铅及铝。本发明的耐低温高镍奥氏体球墨可在奥氏体基体上得到基本不含有片状石墨、蠕虫状石墨、碎块状石墨，而全部为球状石墨的金相组织，金相组织中球状石墨的含量超过80%，石墨大小为6级，材料具有优异的拉伸性能，抗热膨胀性能及耐低温性。

说明书

技术领域

本发明涉及球墨铸铁，特别是高镍奥氏体球墨铸铁的技术领域。

背景技术

球墨铸铁是一种高强度铸铁材料，主要通过球化和孕育处理在铸铁的金相结构中得到球状的石墨，从而有效提高了铸铁的机械性能，特别是塑性和韧性。球墨铸铁综合性能接近于钢，具有高强度、高韧性、高耐磨性，可在受力情况复杂，强度、韧性、耐磨性要求高的环境下使用，达到“以铁代钢”的效果。目前球墨铸铁已迅速发展为仅次于灰铸铁的、应用十分广泛的铸铁材料。

高镍奥氏体球墨铸铁是指镍含量为13~36%，在铸态下获得奥氏体基体，且其中石墨呈球状的铸铁，为球墨铸铁中的特殊品种。在结构方面奥氏体球墨铸铁具有原子紧密堆积的面心立方晶格结构，在常温下具有稳定的奥氏体组织，因此具有比普通球墨铸铁和硅钼球墨铸铁都高的热化学稳定性在性能方面，在性能方面，其综合了球墨铸铁、高镍铸铁、奥氏体铸铁的优势之处，具备优异的抗热冲击性、抗热蠕变性、耐蚀性、高温抗氧化性以及低的热膨胀性和低温冲击韧性，可广泛应用于制造海水泵、阀、增压器壳体、排气管、气门座等耐热、耐蚀的零部件产品，应用前景十分广阔。

发明内容

本发明的目的在于得到一种金相组织完美，工艺性能优良，生产成本低的耐低温高镍奥氏体球墨铸铁，本发明的目的还在于得到一种制备过程简单易控，制备成本较低，可得到该高镍奥氏体球墨铸铁的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种耐低温高镍奥氏体球墨铸铁，包括以下组分： 2.1～2.2wt%的碳、1.6～1.8wt%的硅、34～34.5wt%的镍、2.0～2.1wt%的铬、1.5~1.7wt%的锰，且其碳当量为4.1～4.4%，铜的含量小于0.5wt%，磷的含量小于0.05wt%，硫的含量小于0.03wt%，不含有铅及铝。

此处，碳当量是指的将铸铁中各合金元素折算为碳的含量的总和，其极大地反映了材料的加工性能与应用性能。

在国标中有对高镍奥氏体球墨铸铁的化学成分的要求，如高镍球墨铸铁中的一种QTANi35Cr3，其在GB/T26648-2011中的化学成分要求如下：

但对于铸铁材料而言，其中不同组分间具体成分含量的不同，对实际产生的金相组织形态、材料应用性能、加工难度及成品质量的影响是极大的。

如高镍球墨铸铁中碳的含量不仅决定了石墨的数量和分布形态, 而且对加工中材料的流动性、收缩性、白口倾向等铸造工艺性能的影响极大，若碳含量过低，得到的球墨铸铁的强度较低，碳含量过高，会使石墨成碎块状分布，均不利于得到性能优良的高镍球墨铸铁。

高镍球墨铸铁中硅的含量会影响材料的耐热性，同时其与高镍球墨铸铁中的碳含量与镍含量会协同影响铸铁中石墨的形态，当碳、硅、镍三者间含量搭配不恰当时，石墨会以碎块状的形态出现。

高镍球墨铸铁中镍的含量一方面影响材料的应用性能，如抗氧化性、热膨胀性，另一方面也影响材料中奥氏体的形成与形态，及石墨的形态，当其中镍的含量过小时，奥氏体不能在一般温度下形成，其抗氧化性也较差，其含量过大时，生产成本较高，材料中石墨不能以球状形态出现。

高镍球墨铸铁中的铬是一种重要元素, 少量的铬能熔于奥氏体基体, 有利于奥氏体的稳定, 并能与镍协同作用获得更好的耐热性和耐蚀性，但另一方面铬是强碳化物形成元素, 其可以形成铬合金碳化物分布于晶间, 影响材料的切削性能, 降低材料的伸长率和抗冲击性，同时会增加高镍球墨铸铁的缩松倾向，增加铸造难度。

此外，高镍球墨铸铁中的锰的偏析会生成硬化组织, 磷一般以磷共晶的形式存在于晶界，在含量过大时，两者均会影响材料的力学性能。

本发明进一步提出了一种耐低温高镍奥氏体球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

（1）将铬铁加入熔炼炉炉底，再依次加入高纯生铁、无锈废钢及回炉料，进行熔化，得到第一铁水；

（2）将第一铁水升温至1410~1460℃，其后加入电解铜、锰铁、单质镍，得到第二铁水；

（3）将第二铁水继续升温至1500℃~1550℃，进行球化处理与孕育处理，得到第三铁水；

（4）将第三铁水进行浇注，即得到所述高镍奥氏体球墨铸铁；

其中所述铬铁、高纯生铁、无锈废钢、回炉料、电解铜、锰铁、单质镍及球化处理中使用的球化剂、孕育处理中使用的孕育剂的总量满足使得所述高镍奥氏体球墨铸铁中包括以下组分： 2.1～2.2wt%的碳、1.6～1.8wt%的硅、34～34.5wt%的镍、2.0～2.1wt%的铬、1.5~1.7wt%的锰，且其碳当量为4.1～4.4%，铜的含量小于0.5wt%，磷的含量小于0.05wt%，硫的含量小于0.03wt%，不含有铅及铝。

此处所述回炉料为在耐低温高镍奥氏体球墨铸铁制备过程中产生的废铸件、浇口、冒口等废金属。

熔炼炉优选使用无芯中频感应电炉，加入熔炼炉中的各成分要干净纯洁，尤其不能混入铅和铝，若铁水中混入0.003%的铅，则显微组织中就可能出现魏氏石墨，使材料力学性能明显降低，若混入铝，则可能使材料中出现针孔缺陷，其它微量元素如Pb、Ti、As等也不应混入其中，这些微量有害元素的干扰是产生片状石墨的原因之一。

因镍有极强的吸气性，为防止铁水吸气，镍在步骤（2）中的加入应当为最后加入，其后铁水要加保温除渣覆盖剂进行熔炼。

在上述步骤，加入熔炼炉中的各成分除在基本加入外，还可在光谱测量铁水成分后进行调整性加入。

高镍球墨铸铁的熔点较高, 铁水的流动性较差, 因此为保证足够的浇注温度,铁水出炉前的过热温度优选比一般球墨铸铁高50~100℃。

高镍奥氏体球墨铸铁熔炼过程中铁水的吸气倾向大于一般球墨铸铁，特别是回炉料含量越多时，其吸气倾向更大，因此，有锈、有油污或潮湿的炉料只能投入没有铁液的热炉中，不能直接投入使用。此外，应特别注意不能使用带红色铁锈的炉料，因其中含氢氧化铁，其稳定性很强，在320℃以下不易分解，氢不易形成水分析出而蒸发。

因石墨熔入镍含量高的铁液比较缓慢，且其后形态的生成与稳定由其影响明显，因此为使生铁和回炉料中的石墨能充分溶于铁液中、并在后续的工艺中生成稳定的球形，在本发明中这两种成分作为首批料在步骤（1）中即进行了装炉。若在后期检测成分含量后需要在铁水中调整性加入这类含石墨的炉料，则在其加入后至少应在过热条件下保温10分钟。

在熔炼过程中，应避免太高的过热温度和过长的保温时间，回炉料也不宜多次反复使用，这些因素都会导致铸铁的过冷度增大，使组织中碳化物含量增多。

优选的：所述步骤（1）中的铬铁为高碳铬铁，其中铬的质量分数为61%～65%。

另外优选的是：所述步骤（1）中的高纯生铁为低硫高纯生铁，其中硫含量≤0.03wt%。

另外优选的是：所述步骤（2）中的锰铁为高碳锰铁。

另外优选的是：所述步骤（2）中的所述单质镍为电解镍。

另外优选的是：所述步骤（3）包括以下过程：

1）使用冲入法进行球化处理，首先将球化剂加入球铁包内的一侧，其后将第一孕育剂均匀覆盖于球化剂上；

2）第二铁水继续升温至1520℃~1570℃时出铁水，使铁水在未加球化剂的一侧进行出水，至球化完全；

3）去除完成步骤2）后的铁水表面的浮渣，向其中加入第二孕育剂，反应完成后即得到第三铁水。

进一步优选的是，步骤1）中使用堤坝式冲入法进行球化处理，球化剂加入球铁包内堤坝一侧，出铁水时铁水对着未装球化剂的一侧。

上述制备方法另外优选的是：所述球化剂为Mg含量为15~30wt%的镍镁合金，其用量为所述第二铁水总质量的1%~2%。

进一步优选的是所述球化剂为Ni70Mg30镍镁球化剂或/和Ni85Mg15镍镁球化剂。

所述球化剂再进一步的优选为Ni85Mg15镍镁球化剂，其与所述高镍奥氏体球墨铸铁中其它组分、及球化温度等相配合、协同后可得到球化率更高、力学性能更好的高镍奥氏体球墨铸铁。

上述制备方法另外优选的是：所述第一孕育剂为75%硅铁，其用量为所述第二铁水总质量的1%~2%，所述第二孕育剂为75%硅铁，其用量为第一孕育剂的1/3~1/2。

在本制备方法中，孕育处理的过程采用了两次孕育，其中加入第一孕育剂的孕育为包底孕育，加入第二孕育剂的孕育为瞬时孕育，在本制备方法中，包底孕育的过程与球化处理的过程同时开始，相互促进，既节省了能源与成本，又达到了集成增效的作用，瞬时孕育再进一步强化孕育效果，减缓球化衰退，得以制成金相组织完美、应用性能优良的高镍奥氏体球墨铸铁。

上述制备方法另外优选的是：所述步骤（4）中所述浇注的温度为1520℃～1450℃。

在浇注中，优选的是先浇注成型三角试块，观察断口情况，再进一步进行大规模浇注。

本发明的有益效果为：

（1）得到的高镍奥氏体球墨铸铁应用性能优异，在高镍奥氏体球墨铸铁本身具备的优良性能上，还具有较好的拉伸性能，较好的抗热膨胀性能；

（2）极大地降低了生产成本，减少了生产难度；

（3）回炉料得到了反复利用，极大地提高了能源利用率，节能环保；

（4）配合该耐低温高镍奥氏体球墨铸铁各组分的含量，采用了特殊的制备过程与制备条件，球化处理与孕育处理的效果优良，可在奥氏体基体上得到基本不含有片状石墨、蠕虫状石墨、碎块状石墨，而全部为球状石墨的金相组织，按奥氏体铸铁国标（GB/T 26648）测试，得到的石墨大小为6级，均匀、稳定；

（5） 在较低的生产成本与加工难度下，得到的高镍奥氏体球状铸铁中球状石墨的总含量可大于80%，若进一步使用 Ni85Mg15球化剂，球状石墨的含量可超过90%；

（6）得到的高镍奥氏体球墨铸铁耐低温性能优异。

附图说明

图1为本发明使用Ni70Mg30作为球化剂时的金相组织图。

图2为本发明使用Ni85Mg15作为球化剂时的金相组织图。

具体实施方式

实施例1

（1）将6kg铬铁加入无芯中频感应电炉炉底，再依次加入115kgQ12高纯生铁及100kg回炉料，进行熔化，得到第一铁水；

（2）将第一铁水升温至1410℃，取样做炉前化验，其后加入锰铁2kg、电解镍82kg，得到第二铁水；

（3）将第二铁水继续升温至1500℃，准备进行球化处理与孕育处理，其过程为：将4.5kgNi70Mg30球化剂加入球铁包堤坝一侧，其后将1.8kg75%硅铁均匀覆盖于球化剂上，第二铁水在熔炼炉无芯中频感应电炉内继续升温至1520℃时出铁水，铁水量为总铁水量的2/3，铁水在未加球化剂的一侧进行出水，至球化完全后再出剩余铁水；

（4）去除完成步骤（3）后的铁水表面的浮渣，取三角试样，观察球化是否成功；

（5）向完成步骤（4）的铁水中再加入0.6kg75%硅铁进行二次孕育，反应完成后即得到第三铁水，将第三铁水在1450℃下进行浇注，即得到所述耐低温高镍奥氏体球墨铸铁；

经测试，其球化率为82%，金相组织如附图1所示，其中基本不含有片状石墨、蠕虫状石墨、碎块状石墨，而全部为球状石墨，球状石墨总含量大于80%，石墨大小为6级；

主要性能参数如下：

抗拉强度Ra 370～450MPa屈服强度Rp0.2 220～240MPa

伸长率A7～10% 布氏硬度 150～180HBW。

实施例2

（1）将10kg铬铁加入无芯中频感应电炉炉底，再依次加入150kgQ12高纯生铁、50kg无锈废钢及200kg回炉料，进行熔化，熔化完全后得到第一铁水；

（2）将第一铁水升温至1450℃，取样做炉前化验，其后加入电解铜1kg、锰铁4kg、电解镍140kg，得到第二铁水；

（3）将第二铁水继续升温至1510℃，准备进行球化处理与孕育处理，其过程为：将7.6kgNi85Mg15球化剂加入球铁包堤坝一侧，其后将3kg75%硅铁均匀覆盖于球化剂上，第二铁水在无芯中频感应电炉内继续升温至1530℃时出铁水，铁水量为总铁水量的2/3，铁水在未加球化剂的一侧进行出水，至球化完全后再出剩余铁水；

（4）去除完成步骤（3）后的铁水表面的浮渣，取三角试样，观察球化是否成功；

（5）向完成步骤（4）的铁水中再加入1kg75%硅铁进行二次孕育，反应完成后即得到第三铁水，将第三铁水在1500℃℃下进行浇注，即得到所述耐低温高镍奥氏体球墨铸铁；

经测试，其球化率为98%，金相组织如附图2所示，其中基本不含有片状石墨、蠕虫状石墨、碎块状石墨，而全部为球状石墨，球状石墨总含量为95%，石墨大小为6级；

多试样测试，主要性能参数如下：

拉伸测试结果

热膨胀测试结果

实施例3

（1）将6kg铬铁加入熔炼炉炉底，再依次加入115kgQ12高纯生铁及100kg回炉料，进行熔化，得到第一铁水；

（2）将第一铁水升温至1460℃，取样做炉前化验，其后加入电解铜1kg、锰铁2kg、电解镍82kg，得到第二铁水；

（3）将第二铁水继续升温至1550℃，准备进行球化处理与孕育处理，其过程为：将4.5kgNi85Mg15球化剂加入球铁包堤坝一侧，其后将1.8kg75%硅铁均匀覆盖于球化剂上，第二铁水在熔炼炉内继续升温至1570℃时出铁水，铁水量为总铁水量的2/3，铁水在未加球化剂的一侧进行出水，至球化完全后再出剩余铁水；

（4）去除完成步骤（3）后的铁水表面的浮渣，取三角试样，观察球化是否成功；

（5）向完成步骤（4）的铁水中再加入0.6kg75%硅铁进行二次孕育，反应完成后即得到第三铁水，将第三铁水在1520℃下进行浇注，即得到所述耐低温高镍奥氏体球墨铸铁；

经测试，其球化率为94%，金相组织中基本不含有片状石墨、蠕虫状石墨、碎块状石墨，而全部为球状石墨，球状石墨总含量为92%，石墨大小为6级。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。