超大断面低温高韧性铁素体球墨铸铁件的制造方法

摘要

本发明公开了一种超大断面低温高韧性铁素体球墨铸铁件的制造方法，该球墨铸铁件的重量超过50吨，壁厚达400mm以上，其成分组成为：C：3.6~3.7%；Si原：0.9~1.0%；Si终：1.9~2.0%；Mn：≤0.1%；P：≤0.03%；S≤0.01%；Mg：0.03~0.08%；RE：0.01~0.02%；Ni：0.6~0.8%；Sb：0.003~0.005%。制造时采用“高温纯净的基铁铁液+水冷金属型+冷铁+球化剂5800+复合强化孕育+合金化+低温打箱”等技术措施，得到的超大断面低温高韧性铁素体球墨铸铁件能够达到牌号QT400‑18球墨铸铁的质量标准，可满足风电、核电等超大断面球铁件的技术要求。

说明书

技术领域

本发明涉及球墨铸铁部件的制造方法，尤其是涉及一种重量超过50吨、壁厚达400mm的超大断面低温高韧性铁素体球墨铸铁件的制造方法。

背景技术

圆环形超大断面低温高韧性铁素体球墨铸铁件在风电、核电等领域的应用日益广泛（如百吨级球墨铸铁核废料罐，风电用轮毂、底座等），但对其质量也提出了更高的要求。为获得满足要求的低温冲击性能、伸长率及断裂韧性，必须保证铸件具有铁素体基体，且球化良好，不能出现碎块状等畸变石墨。与常温铁素体球墨铸铁相比，低温铁素体球墨铸铁对力学性能以及对成分控制、球化孕育工艺、组织控制等方面的要求更为严格。虽然我国已在低温铁素体球墨铸铁的研制上取得了一定成果，但大多数国内制造厂家仍未能掌握关键技术，生产的铸件吨位小、壁厚薄、形状简单，不能满足日益发展的球铁市场需求，与国外相比仍有较大差距：上世纪80年代德国Siempelkamp公司就生产出重量160t、最大壁厚630mm球铁压力机架和重量130吨、壁厚500mm的乏燃料球铁容器；法国Thystem公司研制和生产出重量115t、壁厚400mm的 TN1300型乏燃料球铁容器，随后日本也于1998年研制出重量100t、壁厚425mm百吨级球铁容器，而我国在百吨级球铁铸件的制造方面尚处于空白。

目前超大断面低温高韧性球墨铸铁制造中存在的主要问题是：大断面球铁件的尺寸大，重量大，壁厚大，铸造时的热容量大，凝固缓慢，极易造成球化衰退和孕育衰退，从而导致铸件的组织发生变化，特别是在铸件的最后凝固区域更加严重，主要表现为石墨球径大、石墨球数量减少、石墨漂浮、石墨球产生畸变，形成各种非球状石墨（主要有伪片状、蠕虫状、爆裂状和碎块状）；同时由于凝固时溶质元素的再分配，还会出现严重的成分偏析及晶间碳化物、反白口等一系列问题，其结果使得球墨铸铁的力学性能变差，特别是伸长率和塑性明显降低，从而制约了大断面球墨铸铁的推广使用。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的缺陷，提供一种重量超过50吨、壁厚可达400mm的超大断面低温高韧性铁素体球墨铸铁件的制造方法，使成品铸铁件获得稳定、优良的组织性能。

为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：

本发明所述的超大断面低温高韧性铁素体球墨铸铁件的制造方法，该球墨铸铁件的重量≥50吨，壁厚≥400mm，具体制造步骤为：

第一步，造型：采用材质QT400-18的带有水冷装置的金属型，在所述金属型内壁上涂附有厚度1-1.5mm的锆英粉涂料层；

第二步，烘型：采用热风机烘烤型腔，烘烤时间≥8小时，使型腔温度达到80~100℃；

第三步，原料配制：原料采用化学成分为：C：3.51%；Si：0.38%；Mn：0.012%；S：0.008%；P：0.007%；Ti：0.003%；Cu：0.0073%；Cr：0.0070%；V：0.0048%的高纯生铁；

第四步，铁液熔炼：将高纯生铁加入中频炉熔炼；加75#硅铁调整铁液含硅量到0.9~1.0%，铁液过热温度为1510~1520℃，然后搅拌、扒渣；

第五步，球化处理：采用冲入法球化处理方法，按铁液总重量的1.1~1.3%称量球化剂，将球化剂均匀撒在浇包底部的堤坝一侧；

第六步，孕育处理：分别按铁液总重量的0.3%和0.4%称取两份高钙钡孕育剂、按铁液总重量的0.15%称取硫氧孕育剂，400℃±10℃烘烤预热后将0.3%的高钙钡孕育剂均匀撒在球化剂上面，将0.4%的高钙钡孕育剂用于出铁孕育、0.15%的硫氧孕育剂在浇注时随流加入；在孕育剂上面添加1%的覆盖剂；

第七步，合金化处理：按铁液总重量的0.603~1.3%添加合金，合金元素及含量为Ni：0.6~1.3%、Sb：0.003~0.005%，经400℃±10℃烘烤预热后均匀撒在浇包底部的孕育剂上面；

第八步，浇注：将浇包预热至700~800℃（呈暗红色），当铁液温度降至1320±10℃时进行浇注；

第九步，打箱清理：当铸件温度冷却至300℃以下时打箱，即可得到成分组成为C：3.4~3.7%；Si：1.7~2.0%；Mn：≤0.1%；P：≤0.03%；S≤0.01%；Mg：0.03~0.08%；RE：0.01~0.02%；Ni：0.6~1.3%；Sb：0.003~0.008%的球墨铸铁件成品。

经测试，该圆环形球墨铸铁件的室温抗拉强度≥250MPa、屈服强度≥200 MPa、伸长率≥8%；100℃高温抗拉强度≥240 MPa、屈服强度≥180 MPa、伸长率≥8%；室温冲击≥12J/cm²，-40℃低温冲击≥4>2；金相组织达到：石墨形状V-VI≥80%、IV≤20%、II-III≤10%,>1/2。

为方便加工，第一步中所用的金属型由六片结构相同的弧形型板拼接而成。

所述第一步中采用的水冷装置包括一体式铸造在所述金属型内带有进出口的冷却管，所述冷却管沿所述金属型呈S形曲线布置；在所述金属型的外壁上均匀布置有测温孔，所述测温孔的孔底距金属型内壁30mm，在所述测温孔中设置有热电偶；所述金属型的外侧壁上均匀设置有与外部沙箱固定连接的定位孔。

由于铁素体球墨铸铁件的壁厚较大，在所述金属型内壁上还可以设置增强冷却装置。本发明所用的增强冷却装置是由HT150铸铁制成的沿金属型内壁间隔排放的扇形冷铁块，相邻两冷铁块之间的间隙为20~30mm，在所述间隙内填充有铬铁矿砂或锆英砂；厚度1-1.5mm的锆英粉涂料层涂附在所述扇形冷铁块表面。

所述第四步中原料熔清后，如需增碳，可使用增碳剂；如需降碳，则使用纯铁。

所述第五步中使用的球化剂为球化剂5800，其成分为：44~48%Si，5.55~6.15%Mg，0.85~1.15%RE，0.8~1.2%Ca，0.10~0.12Ce，0.06~0.08La，0.20~0.24%Y。

所述第六步中所用的高钙钡孕育剂的粒度为3~8mm，其成分为：Si ：72~78%，Ca：1.0~2.0%，Ba：2.0~3.0%，Al <1.5%；所述硫氧孕育剂的粒度为0.2~0.7mm，其成分为：Si：70~76%，Ce：1.5~2.0%，Ca：0.75~1.25%，Al：0.75~1.25%，S&O <1%；所述覆盖剂为铁皮。

所述第八步浇注之前，先在金属型内的冷却管中通入冷却水（常温状态下的水温即可），待浇注结束3小时以后再停止通水。

本发明的优点在于采用“高温纯净的基铁铁液+水冷金属型+冷铁+球化剂5800+复合强化孕育+合金化+低温打箱” 的制造方法，得到的超大断面低温高韧性铁素体球墨铸铁件能够达到牌号QT400-18球墨铸铁的质量标准，可满足风电、核电等超大断面球铁件的技术要求。

在本发明中，通过选择高纯生铁作为原料，获得合适而稳定的化学成分，以及低P、低Mn、低杂质元素的高温纯净铁液，防止成分偏析；对于壁厚尺寸较大的铸件，采用水冷装置配合冷铁，形成强力冷却装置，可以有效控制和增强金属型的冷却能力，并保证装置的安全性，缩短铁液的凝固时间，使铸件在3小时内凝固结束，防止因凝固过慢而造成球化孕育衰退、产生异形石墨；采用球化剂5800和随流孕育剂，可显著改善球化效果、增加石墨球数；通过添加Sb锑元素能细化石墨，提高石墨球的圆整度，防止产生碎块状石墨和铸件心部石墨畸变，并提高球铁强度和硬度；通过添加合金Ni，在不损失伸长率的情况下提高抗拉强度、屈服强度和低温冲击韧性，并对断裂韧性有益，使超大断面球铁铸件心部的强度、伸长率、低温冲击韧性以及断裂韧性均能达到要求；通过在金属型中设置热电偶，可实时监测金属型的温度变化，保证其安全性。

附图说明

图1是本发明金属型的结构示意图。

图2是图1中单片弧形型板的俯视图。

图3是图2的A-A向视图。

图4是仅带有水冷装置的单片弧形型板结构图。

图5是本发明实施例制造的成品铸件的石墨图片。

图6是本发明实施例制造的成品铸件的基体图片。

图7是本发明实施例所用金属型的温度检测曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做更加详细的描述。

制造重60吨、直径2575mm、壁厚560mm的超大断面低温高韧性铁素体球墨铸铁容器：

具体制造步骤如下：

第一步，造型：如图1~3所示，采用材质QT400-18的带有水冷装置的金属型1，为方便加工，所用的金属型1由六片结构相同的弧形型板用螺栓连接而成；由于制造的容器壁厚尺寸较大，本发明采用水冷＋冷铁的强力冷却装置对铸件进行冷却（如果铸件的壁厚较薄，也可以仅采用带有水冷装置的金属型，单片弧形型板的结构图如图4所示），本发明采用的水冷装置包括一体式铸造在金属型1内带有进出口的冷却管2，冷却管2沿金属型1呈S形曲线布置（每片弧形型板上的进、出水口通过连接管延伸出金属型之外，通过外部水道进行连通）；在金属型1的外壁上均匀布置有测温孔3，测温孔3的孔底距金属型内壁30mm，在测温孔中设置有热电偶，热电偶可采用直径Φ0.5mmK型热电偶（NiCr-NiAl），热电偶的两极穿在双孔瓷珠内，可以实时监测型腔的温度变化；金属型1的外侧壁上均匀设置有与外部沙箱固定连接的定位孔；沿金属型1内壁间隔排放有HT150铸铁制成的扇形冷铁块4，相邻两冷铁块4之间的间隙为20mm，在其间隙内填充有铬铁矿砂5；在扇形冷铁块表面涂附有厚度1.5mm的锆英粉涂料层6，涂料层6可刷五遍，保证厚度达到要求，使其与冷铁块结合牢固；

本发明金属型在使用过程中，可以根据铸件凝固条件要求选择在冷却管2中通冷却水或气体，并调节流量、压力等参数控制冷却能力，使铸件在要求的时间内凝固结束，提高了铸件的质量，具有很好的使用和推广价值。

第二步，烘型：采用热风机烘烤型腔，烘烤时间10小时，使型腔温度达到90℃；

第三步，原料配制：原料采用高纯生铁，其化学成分为：C：3.51%；Si：0.38%；Mn：0.012%；S：0.008%；P：0.007%；Ti：0.003%；Cu：0.0073%；Cr：0.0070%；V：0.0048%；

第四步，铁液熔炼：将高纯生铁经400±10℃烘烤预热后加入中频炉熔炼；原料熔清后，通过添加增碳剂将碳含量调整至3.7%，加75#硅铁调整原铁液含硅量到0.9%，铁液过热温度为1515℃，然后搅拌、扒渣；实际熔炼时，当原料熔清后，如需增碳，可使用增碳剂；如需降碳，则使用纯铁；

第五步，球化处理：当铁液温度降至1480℃时，采用冲入法球化处理方法，将按铁液总重量的1.2%精确称量出的球化剂5800均匀撒在浇包底部的堤坝一侧；

第六步，孕育处理：分别按铁液总重量的0.3%和0.4%称取两份高钙钡孕育剂、按铁液总重量的0.15%称取硫氧孕育剂，400℃±10℃烘烤预热后将0.3%的高钙钡孕育剂均匀撒在球化剂上面，将0.4%的高钙钡孕育剂用于出铁孕育、0.15%的硫氧孕育剂在浇注时随流加入；并在孕育剂上面添加1%的覆盖剂（铁皮）；

第七步，合金化处理：按铁液总重量的0.603~1.3%添加合金，合金元素及含量为Ni：0.7%、Sb：0.0035%，经400℃±10℃烘烤预热后均匀撒在浇包底部的孕育剂上面；

第八步，浇注：将浇包预热至700~800℃（呈暗红色），当铁液温度降至1320±10℃时进行浇注，浇注前在冷却管2中通入冷却水；

第九步，打箱清理：当铸件温度冷却至300℃以下时打箱，即可得到成分组成为C：3.7%；Si：1.92%；Mn：0.018%；P：0.011%；S：0.010%；Mg：0.069%；RE：0.015%；Ni：0.69%；Sb：0.005%的球墨铸铁件。

经测试，该球墨铸铁件的室温抗拉强度为375MPa、屈服强度为237 MPa、伸长率为20.5%；100℃高温抗拉强度为364 MPa、屈服强度为216 MPa、伸长率为16.7%；室温冲击为21.75>2，-40℃低温冲击为6.97J/cm²；金相组织达到：石墨形状V-VI为88%、IV为7%、II-III为5%,>1/2。

附图5为是本实施例中成品铸件的石墨图片。图6是本实施例中成品铸件的基体图片。图7是实施例所用金属型的温度检测曲线图片。

从图5~7可以看出：成品铸件的球化率达到88%，球化级别2-3级，石墨球大小6~7级，圆整的石墨球均匀分布在基体上，基体为全铁素体；机械性能结果良好，可以满足产品使用要求。本发明采用的水冷金属型在使用过程中的最高温度为280℃，说明冷却效果良好，安全可靠。