專利名稱：抗氧化性合金化灰口鑄鐵及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種抗氧化性合金化灰口鑄鐵，該灰口鑄鐵適用于制備玻璃制品制造、金屬型鑄造等長期承受高溫成形液體熱沖擊及冷熱交變應力作用的模具，屬于耐熱金屬材料技術領域。本發(fā)明還涉及上述抗氧化性合金化灰口鑄鐵的制備方法。
背景技術：
金屬在高溫條件下工作，通常會產(chǎn)生氧化和生長等現(xiàn)象。氧化是指在高溫下受氧化性氣氛的侵蝕，在金屬表面產(chǎn)生氧化起皮，因面減少金屬的有效斷面降低鑄件的承載能力。生長是指金屬在高溫下發(fā)生的由于化學冶金變化而產(chǎn)生不可逆的體積長大，造成零件尺寸增大并使機械性能降低。
對于長期承受高溫成形液體熱沖擊及冷熱交變應力的玻璃模具、輕合金金屬型鑄造模具來說，模具頻繁地接觸高溫成形熔融物料，不僅長期處于高溫狀態(tài)下工作，而且在反復的開模、合模的過程中產(chǎn)生摩擦，因此，模具材料不僅要求組織致密均勻，應具有良好的耐熱、耐磨、耐腐蝕、抗熱疲勞、抗氧化、抗生長、導熱性好、線膨脹系數(shù)小、粘附溫度高等性能，此外還應具有良好的機械加工性能和表面光潔度。鑄鐵因其低廉的價格和良好鑄造和機械加工工藝性能而獲得了最廣泛的應用，鑄鐵的微觀組織(即基體的組成、晶粒的大小、石墨的大小、形狀分布)對鑄鐵的強度、耐熱疲勞性能、抗氧化生長性能、導熱性能具有直接的影響，因而決定了模具材料的使用性能。鑄鐵的氧化是指在高溫氧化性氣氛下石墨作為碳質材料的燃燒破壞，石墨愈粗大，石墨形態(tài)愈連續(xù)，石墨數(shù)量愈多，鑄鐵的氧化就愈嚴重。當石墨為片狀時，氧化性氣氛沿石墨片侵入鑄件內(nèi)部而易發(fā)生氧化，而球狀石墨時，由于石墨球互不連續(xù)，氧化性氣氛就不易沿石墨侵入，所以球墨鑄鐵的抗氧化性總是比片狀石墨的灰口鑄鐵好。然而，球磨鑄鐵作為主要傳熱通道的石墨為孤立的球狀，形成很大的熱阻，導致球墨鑄鐵的導熱性差。球墨鑄鐵模具的導熱系數(shù)越小，模具工作時的溫度波動范圍就越大，因而不僅使產(chǎn)品的質量下降，而且較高的冷熱交變熱應力降低了模具的使用壽命。盡管具有更高強度性能，但珠光體基體的鑄鐵在低于相變溫度下的珠光體分解所產(chǎn)生的石墨化析出使鑄鐵的體積脹大，珠光體基體鑄鐵的抗生長性能比鐵素體基體鑄鐵差。另一方面，鐵素體基體鑄鐵的石墨相數(shù)量比珠光體基體鑄鐵多，其導熱性能好。因此，鐵素體基體的灰口鑄鐵成為制備玻璃制品、金屬型鑄造等類似應用的最佳鑄鐵模具材料。然而，普通灰口鑄鐵的拋光性能差和使用過程中因抗氧化和生長性能低而易使模具表面產(chǎn)生龜裂等缺陷，導致模具報廢。通過合金化和組織細化以獲得導熱性和抗氧化性更為優(yōu)異的合金化灰口鑄鐵成為這類模具材料研究開發(fā)的重要方向。Cr提高了 a # Y轉變的相變點溫度并形成連續(xù)致密的氧化膜，成為耐熱鑄鐵的重
要合金化元素，例如，文獻CN85108041A (玻璃模具材料及其生產(chǎn)工藝)公布的低合金灰鑄鐵模具材料，CN101914720A(高合金黑鐵玻璃模具及其制造方法)，CN1405353A(新型鑄造熱鍛模具鋼)，CN102676908A (稀土孕育劑促進D型石墨的合金玻璃模具)、CN102560230A (利用廢鋼替代生鐵熔煉D型石墨的合金玻璃模具)和CNlO 1942619A (合金鑄鐵玻璃模具材料及其制備方法)等。上述新型模具材料均以Cr、Ni、Mo、Cu中的一種或幾種元素作為主要合金化元素，由于這些元素均為共析轉變時阻礙石墨化的元素，基體組織中珠光體的數(shù)量將增大，石墨的數(shù)量減少。盡管Mo、Ni、Cr合金元素具有穩(wěn)定珠光體的作用，但對高熔點玻璃料、高熔點的金屬液金屬型鑄造以及大型模具來說，珠光體基體仍不穩(wěn)定，其石墨化析出過程將導致鑄鐵的生長，因此，合金基體中抗氧化性和導熱性能較低，模具的使用性能下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是通過合金化手段提供一種以鐵素體為基體合金灰口鑄鐵，其抗氧化生長性能和導熱性能顯著優(yōu)于已有技術中的耐熱灰口鑄鐵。本發(fā)明還提供一種抗氧化性合金化灰口鑄鐵的制備方法，該方法制備要求不苛刻并且能低成本保障合金的技術效果的全面體現(xiàn)。該方法既有利細化合金組織以獲得細小均布D型石墨形成，同 時有利于合金元素固溶于基體而避免形成游離的合金碳化物而影響合金的可加工性能和使用性能。為了解決上述的技術問題，本發(fā)明的技術方案是一種抗氧化性合金化灰口鑄鐵，其包含以下質量百分比的組分c 3. 0 3. 2%、Si I. 8 2. 0%、Mn 0. 50 0. 70%、Cr0. 10 0. 50%、Ni 0. 20 0. 30%、Mo 0. 30 0. 50%、A10. 5 3. 0%、Sr 0. 05 0. 08%、Zn0. 005 0. 015%,其余為Fe和不可避免的雜質，其中P彡0. 1%、S^O. 1%。所述灰口鑄鐵的拉伸強度為220 270MPa，布氏硬度為160 240HBW，在750°C下的抗氧化性為2. 2 4. 5g/mm2 h。本發(fā)明的抗氧化性合金化灰口鑄鐵的制備方法包括以下步驟(I)配料將廢鋼、鑄造生鐵、硅鐵、錳鐵、鉻鐵、鑰鐵、純鋁、電解鎳、Al-Sr中間合金爐料進行化學成分分析，然后按下列質量百分比稱取上述爐料配置在中頻感應電爐中熔煉C 3. 0 3. 2%、Si I. 8 2. 0%、Mn 0. 50 0. 70%、Cr 0. 10 0. 50%、Ni 0. 20 0. 30%、Mo 0. 30 0. 50%、Al 0. 5 3. 0%、Sr 0. 05 0. 08%,其余為 Fe 和不可避免的雜質(P < 0. 1%、S ^ 0. 1%);所述鑄造生鐵、娃鐵、猛鐵、絡鐵、鑰鐵均為國標規(guī)定的牌號爐料，Al-Sr中間合金采用Sr質量百分含量為10%的Al_10%Sr中間合金，配料時根據(jù)Sr含量確定所需的Al-Sr中間合金，再相應計算出所需補充添加的純鋁的質量。(2)熔煉將按配比稱量好廢鋼、鑄造生鐵放入中頻感應熔煉爐中加熱完全熔化后，再將硅鐵、錳鐵、鉻鐵、鑰鐵爐料和電解鎳加入熔化并調(diào)整鐵水溫度出爐溫度為14500C 1550°C。(3)孕育處理與澆注將占爐料總重量0. ro. 3%的4飛臟鋅顆粒、由工業(yè)鋁錠破碎的l(T20mm鋁塊和0. 5 0. 8%的l(T20mm Al_10%Sr中間合金置于澆包的底部或凹坑式球化處理包的凹坑內(nèi)，然后用壓鐵片覆蓋；將熔化好的鐵水加入到澆包中，同時隨流加入rSmm75SiFe孕育劑，孕育劑的加入量占鐵水總重量的0. 2^0. 4% ;最后，對澆包內(nèi)的鐵水進行扒
渣、澆注。本發(fā)明提供的技術方案的有益效果在于(I)從合金的耐熱性能和組織設計上，Al作為提高合金耐熱性能并強烈促進所有階段石墨化的合金元素引入到合金中，在調(diào)整合金成分以保留合金中Cr、Mo、Ni有益作用的同時，克服了共析轉變時阻礙石墨化促進基體組織中珠光體形成的不利影響，使合金的基體組織為鐵素體基體，因此，不僅提高了模具的使用壽命，而且去除了現(xiàn)有合金灰口鑄鐵所必須采用的退火處理工藝，降低了成本。低的合金碳當量有利于增加合金凝固時的過冷傾向而促進D型石墨的形成，本發(fā)明合金中C含量為3. 0 3. 2%、Si含量為I. 8 2. 0%。因Mn促使鑄鐵得到珠光體組織，故本發(fā)明合金中的Mn含量只有Mn 0. 50 0. 70%。由于Al每增加1%使a兵y轉變的相變點溫度(Al點)提高50°C，并且Al消弱了鐵-碳原子間的結合能力，在4%以下其石墨化能力隨含量的升高而增大，因而合金中鐵素體和石墨的數(shù)量增加；同時也考慮到鋁的比重輕，過高的Al含量在熔煉過程中易產(chǎn)生氧化燒損、偏析和收縮，因此本發(fā)明合金中鋁的加入量為0.5 3.0%。Cr作為碳化物形成元素，其含量在0.5 1.0%阻礙了共晶石墨過程，Cr存在時與Al綜合作用不僅顯著提升合金的耐熱性能，而且消除了 Al的偏析與收縮問題，考慮上述因素，本發(fā)明合金中Cr的加入量為0. 10 0. 50%。Mo、Ni盡管能改善合金的塑性、抗氧化性和體積穩(wěn)定性，并且有使石墨細化的能力，但作為珠光體穩(wěn)定元素，其加入量不易過 多，同時Ni和Mo的價格較為貴重，故合金中Ni為0. 20 0. 30%, Mo為0. 30 0. 50。(2)從孕育處理技術上，Al作為孕育劑的被引入到孕育處理工藝中，實現(xiàn)了制備要求不苛刻并且能低成本保障合金的技術效果的全面體現(xiàn)。在成型鑄鐵模具中，石墨組織的分布一般從模工作面上的細片狀組織逐漸變?yōu)楸趁娴拇制瑺罱M織。這樣的組織分布影響其導熱性能，從而增加了熱裂的危險性。孕育處理消除了鑄鐵中合金碳化物，使鑄鐵晶粒的細化致密，并且石墨變細小不利于鑄鐵內(nèi)部氧化，從而有利于提高模具的使用壽命。D型石墨是鑄鐵在過冷狀態(tài)下析出的組織，微觀組織特征為細小的枝晶點狀石墨分布在基體上，因而對基體的割裂作用小，組織致密，因而D型石墨鑄鐵具有比A型石墨鑄鐵更好的力學性能、耐熱性能、切削加工性能和耐磨性能。本發(fā)明的合金熔化的鐵水中的碳當量低，同時含有Cr、Ni、Mo等合金元素，因而具有很強的激冷能力，經(jīng)孕育處理易獲得D型石墨。從孕育機理的理解和孕育處理的工業(yè)實踐來看，孕育劑中含有一定量的Al和鈣可以提高孕育處理的效果。本發(fā)明的孕育處理技術采用最為普通的75SiFe為主要孕育劑并采用最為常用的隨流孕育，澆包中鐵水沖入時熔化的Al和Al-Si中間合金配合增強了孕育的效果，同時Sr的加入避免了孕育衰退，達到了商用長效孕育劑的效果。另一方面，鋅密排六方晶體結構，其熔點為419. 5°C，沸點為906°C。孕育處理時鋅加入形成蒸汽能夠促進孕育劑的均勻分布，還可將難以還原的氧化物夾雜的上浮，降低了鑄鐵中的氧含量，進一步增強了合金的性能。
具體實施例方式實施例I按質量百分配比，C3.2%、Si 2.0%、Mn 0. 50%、Cr 0. 10%、NiO. 20%、Mo 0. 30%,A10. 5%、其余為Fe和不可避免的雜質，配取合金材料在250Kg中頻感應電爐中加入將按配比稱量好廢鋼、Z18鑄鐵生鐵放入中頻感應熔煉爐中加熱完全熔化后，再將FeSi45硅鐵、錳鐵、鉻鐵、鑰鐵爐料和電解鎳加入熔化并調(diào)整鐵水溫度出爐溫度為1450°C ；
孕育處理與澆注將占爐料總重量0. 1%的鋅顆粒(5mm大小)(在孕育處理過程中，在高溫鐵水的作用下，鋅將強烈氣化，其在合金液中的殘留率僅為加入量的5%左右，下述實施例同理)、由工業(yè)鋁錠破碎的鋁塊(IOmm大小)和0. 5%的Al_10%Sr中間合金(IOmm大小)置于澆包的底部或凹坑式球化處理包的凹坑內(nèi)，然后用壓鐵片覆蓋；將熔化好的鐵水加入到澆包中，同時隨流加入4mm大小75SiFe孕育劑，孕育劑的加入量占鐵水總重量的0.2%。最后，對澆包內(nèi)的鐵水進行扒渣、澆注。經(jīng)測試該合金的組織為鐵素體基體上分布著D型石墨，石墨長度級別為6級；性能為拉伸強度為220MPa，布氏硬度為160HBW，在750°C的抗氧化性為2. 2g/mm2 h。實施例2 按質量百分配比，C3.0%、Si 1.8%、Mn 0. 70%、Cr 0. 50%、NiO. 30%、Mo 0. 50%,A13. 0%、其余為Fe和不可避免的雜質，配取合金材料在500Kg中頻感應電爐中加入將按配比稱量好廢鋼、Z18鑄鐵生鐵放入中頻感應熔煉爐中加熱完全熔化后，再將FeSi45硅鐵、錳鐵、鉻鐵、鑰鐵爐料和電解鎳加入熔化并調(diào)整鐵水溫度出爐溫度為1550°C ；孕育處理與澆注將占爐料總重量0. 3%的鋅顆粒(4mm大小)、由工業(yè)鋁錠破碎的鋁塊(20mm大小)和0. 8%的Al_10%Sr中間合金(20mm大小)置于澆包的底部或凹坑式球化處理包的凹坑內(nèi)，然后用壓鐵片覆蓋；將熔化好的鐵水加入到澆包中，同時隨流加入8mm大小75SiFe孕育劑，孕育劑的加入量占鐵水總重量的0. 4%。最后，對燒包內(nèi)的鐵水進行機渣、澆注。經(jīng)測試該合金的的組織為鐵素體基體上分布著D型石墨，石墨長度級別為8級；性能為性能為拉伸強度為270MPa，布氏硬度為240HBW，在750°C的抗氧化性為4. 5g/mm2 h0實施例3按質量百分配比，C3. 1%、Si 1.9%、Mn 0. 60%、Cr 0. 30%、NiO. 25%、Mo 0. 40%,All. 5%其余為Fe和不可避免的雜質，配取合金材料在250Kg中頻感應電爐中加入將按配比稱量好廢鋼、Z18鑄鐵生鐵放入中頻感應熔煉爐中加熱完全熔化后，再將FeSi45硅鐵、錳鐵、鉻鐵、鑰鐵爐料和電解鎳加入熔化并調(diào)整鐵水溫度出爐溫度為1500°C ；孕育處理與澆注將占爐料總重量0. 2%的鋅顆粒(6mm大小)、由工業(yè)鋁錠破碎的鋁塊(15mm大小)和0.7%的Al_10%Sr中間合金(15mm大小)置于澆包的底部或凹坑式球化處理包的凹坑內(nèi)，然后用壓鐵片覆蓋；將熔化好的鐵水加入到澆包中，同時隨流加入6mm大小75SiFe孕育劑，孕育劑的加入量占鐵水總重量的0. 3%。最后，對燒包內(nèi)的鐵水進行機渣、澆注。經(jīng)測試該合金的組織為鐵素體基體上分布著D型石墨，石墨長度級別為7級；性能為拉伸強度為250MPa，布氏硬度為205HBW，在750°C的抗氧化性為3. 4g/mm2 h。上述實施例不以任何方式限制本發(fā)明，凡是采用等同替換或等效變換的方式獲得的技術方案均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種抗氧化性合金化灰口鑄鐵，其特征在于包含以下質量百分比的組分c 3.0 3.2%、Si I. 8 2. 0%、Mn O. 50 O. 70%、Cr O. 10 O. 50%、Ni O. 20 O. 30%、Mo O. 30 O.50%、A10. 5 3. 0%、Sr O. 05 O. 08%、Zn O. 005 O. 015%,其余為 Fe 和不可避免的雜質。
2.根據(jù)權利要求I所述的抗氧化性合金化灰口鑄鐵，其特征在于所述灰口鑄鐵的拉伸強度為220 270MPa，布氏硬度為160 240HBW，在750°C下的抗氧化性為2. 2 4. 5g/mm2 · h0
3.一種抗氧化性合金化灰口鑄鐵的制備方法，其特征在于 Cl)配料將廢鋼、鑄造生鐵、硅鐵、錳鐵、鉻鐵、鑰鐵、純鋁、電解鎳、Al-Sr中間合金爐料進行化學成分分析，然后按下列質量百分比稱取上述爐料配置在中頻感應電爐中熔煉C 3. O 3. 2%, Si I. 8 2. 0%、Μη O. 50 O. 70%,Cr O. 10 O. 50%,Ni O. 20 O. 30%,MoO.30 O. 50%、Al O. 5 3. 0%、Sr O. 05 O. 08%,其余為Fe和不可避免的雜質； (2)熔煉將按配比稱量好廢鋼、鑄造生鐵放入中頻感應熔煉爐中加熱完全熔化后，再將硅鐵、錳鐵、鉻鐵、鑰鐵爐料和電解鎳加入熔化并調(diào)整鐵水溫度出爐溫度為14500C 1550°C ； (3)孕育處理與澆注將占爐料總重量O.Γ0. 3%的Γ6πιπι鋅顆粒、由工業(yè)鋁錠破碎的l(T20mm鋁塊和O. 5 O. 8%的l(T20mm Al_10%Sr中間合金置于澆包的底部或凹坑式球化處理包的凹坑內(nèi)，然后用壓鐵片覆蓋；將熔化好的鐵水加入到澆包中，同時隨流加入rSmm75SiFe孕育劑，孕育劑的加入量占鐵水總重量的O. 2^0. 4% ;最后，對澆包內(nèi)的鐵水進行扒渣、澆注。
4.根據(jù)權利要求3所述的抗氧化性合金化灰口鑄鐵的制備方法，其特征在于所述鑄造生鐵、硅鐵、錳鐵、鉻鐵、鑰鐵均為國標規(guī)定的牌號爐料，Al-Sr中間合金采用Sr質量百分含量為10%的Al-10%Sr中間合金，配料時根據(jù)Sr含量確定所需的Al-Sr中間合金，再相應計算出所需補充添加的純鋁的質量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種抗氧化性合金化灰口鑄鐵及其制造方法，該鑄鐵包含下列質量百分比的組分C3.0～3.2%、Si1.8～2.0%、Mn0.50～0.70%、Cr0.10～0.50%、Ni0.20～0.30%、Mo0.30～0.50%、Al0.5～3.0%、Sr0.05～0.08%、Zn0.005～0.015%,其余為Fe和不可避免的雜質。制造方法包括原料熔煉、孕育處理及澆注，其中熔煉后的出爐溫度為1450～1550℃，鐵水經(jīng)包內(nèi)沖入和隨流孕育處理后扒渣澆注。本發(fā)明的灰口合金化鑄鐵材料組織為鐵素體基體上分布著6~8級的D型加少量A型石墨，不僅具有較高的強韌性能、導熱性能和高溫抗氧化性，而且還有良好的鑄造工藝性能，可以用于制造長期承受高溫成形液體熱沖擊及冷熱交變應力的玻璃模具、輕合金金屬型鑄造模具。
文檔編號C22C33/08GK102851575SQ20121035780
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月24日 優(yōu)先權日2012年9月24日
發(fā)明者劉希琴, 劉子利 申請人:蘇州東海玻璃模具有限公司