一種大斷面球墨鑄鐵的組織均勻性與性能的提升方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大斷面球墨鑄鐵的組織均勻性與性能的提升方法，揭示了大斷面鐵素體基球墨鑄鐵中石墨球不圓整、尺寸粗大和性能最差的位置不在大斷面鑄件凝固時間最長的中心，而位于距大斷面球墨鑄鐵件外邊緣的20mm~40mm的一近環(huán)形區(qū)域內(nèi)。通過選擇合理的化學成分、優(yōu)質(zhì)的球化劑和孕育劑，添加適量的微量元素Sb，采用包底孕育+出鐵孕育+隨流孕育的復(fù)合孕育方式，改善大斷面球墨鑄鐵這一區(qū)域內(nèi)的組織，提升大斷面球墨鑄鐵的組織均勻性和性能，獲得低溫高韌性大斷面鐵素體基球墨鑄鐵件，在-20℃、-40℃下具有優(yōu)異的抗沖擊性且拉伸性能良好，解決了大斷面球墨鑄鐵件易出現(xiàn)組織不均勻和強度與低溫沖擊韌性綜合性能差的技術(shù)問題。
【專利說明】-種大斷面球墨鑄鐵的組織均勻性與性能的提升方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種大斷面球墨鑄鐵的組織均勻性與性能提升方法，具體為一種提升 壁厚> 300mm的低溫高韌性風電用鐵素體基球墨鑄鐵件的組織均勻性和性能的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 鐵素體基球墨鑄鐵以其兼具良好的低溫沖擊韌性和拉伸強度，廣泛應(yīng)用于風電關(guān) 鍵部件的生產(chǎn)。然而，隨著風電設(shè)備的功率不斷提高，關(guān)鍵部件的尺寸愈來愈大，給鐵素體 基球墨鑄鐵的發(fā)展帶來了新的問題。
[0003] 大斷面鐵素體基球墨鑄鐵中心部位由于凝固速度緩慢，經(jīng)常出現(xiàn)畸變石墨，縮松， 縮孔等組織缺陷：凝固過程中，鑄件心部長時間處于液態(tài)，極易發(fā)生球化衰退和孕育衰退， 使厚大鑄件心部石墨球稀少，不圓整；石墨球間隙大，導(dǎo)致碳元素擴散所需的過冷度增大， 部分碳元素以滲碳體的形式析出，珠光體較高；石墨球具有補縮能力，中心位置石墨球少， 易產(chǎn)生縮松、縮孔，不可避免地產(chǎn)生組織不均勻，上述問題都會降低中心位置的低溫韌性。
[0004] 本發(fā)明在大量研究的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)并非大斷面中心位置石墨球最少、形態(tài)最差，球 墨鑄鐵大斷面組織和性能最差的位置位于距大斷面球墨鑄鐵件外邊緣的20mnT40mm的一 近環(huán)形區(qū)域內(nèi)。該區(qū)域內(nèi)由于微量元素特別是RE的偏析，降低了奧氏體殼層的強度，抑制 了石墨的形核，導(dǎo)致石墨球少，形態(tài)差，珠光體含量較高，甚至出現(xiàn)碎塊狀石墨，從而影響了 該位置的低溫韌性和延伸率，降低了大斷面鐵素體基球墨鑄鐵的綜合性能，制約了球墨鑄 鐵在大型風電零部件上的應(yīng)用。
[0005] 球墨鑄鐵的性能與組織密切相關(guān)。因此，改善組織是提高大斷面球墨鑄鐵綜合性 能的關(guān)鍵。由于上述位于大斷面距邊界中心20mnT40mm的環(huán)形"薄弱區(qū)"的存在，所以本發(fā) 明集中于改善這個最差位置的組織，提升組織均勻性，從而提高大斷面球墨鑄鐵的綜合性 能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：為了克服【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明提供了一種大斷面球墨鑄鐵 的組織均勻性與性能的提升方法：通過采用爐內(nèi)預(yù)處理+包底孕育+出鐵孕育+隨流孕育 的搭配處理方式，解決了傳統(tǒng)孕育方式孕育效果有限的問題，增加了大斷面的單位面積石 墨球數(shù)；同時通過添加微量元素 Sb部分中和了 RE元素的偏析，改善了環(huán)形"薄弱區(qū)"的組 織形態(tài)，提升了球墨鑄鐵大斷面的組織均勻性，提高了整個斷面的；另外，本發(fā)明將最差位 置和中心位置的組織和性能共同作為衡量大斷面球墨鑄鐵性能水平的參量。
[0007] 技術(shù)方案：一種大斷面球墨鑄鐵的組織均勻性與性能的提升方法，包括如下步 驟： (1)熔煉： A、 選取爐料，爐料包括重量為30%-35%的生鐵、25%-30%的廢鋼和35%-45%的回爐料； B、 添加預(yù)處理劑，預(yù)處理劑一定要在爐料熔化之前添加，以起到固定氧的作用，添加量 為待出爐鐵液重量的0. 15%-0. 2% ; C、 待爐料熔清后，扒渣并取爐前試樣，檢測C、Si、Μη、P、S含量，根據(jù)檢測結(jié)果，添加適 量的75硅鐵和增碳劑，調(diào)整C和Si的成分；脫硫處理使S含量低于0. 02質(zhì)量％ ; D、 將鐵水調(diào)整至出水溫度1490± KTC，準備出爐進入球化包； (2) 爐前處理： A、 將堤壩式球化包用1500°C以上的鐵水燙包，在球化包的一側(cè)依次加入占待出爐鐵液 重量I. 0%-1. 1%的球化劑、占待出爐鐵液重量0. 4%的包內(nèi)孕育劑、球鐵壓板、生鐵和占待出 爐鐵液重量50-100ppm的Sb ; B、 出鐵球化，鐵液對著沒有球化劑的一側(cè)沖入，待鐵液漫過堤壩時發(fā)生球化和包內(nèi)孕 育； C、 當鐵液出爐到待出爐鐵液質(zhì)量的2/3時，加入占待出爐鐵液重量0. 2%的包內(nèi)孕育 齊U，進行出鐵孕育； D、 球化和孕育處理結(jié)束后，扒渣后測溫并取光譜試樣分析成分； (3) 澆注： A、 采用呋喃樹脂砂造型，造型時保證砂子緊實，鑄件的吃砂量在100-200mm之間； B、 當包內(nèi)溫度降至1340-1360°C時開始澆注，澆注時采用隨流孕育劑進行瞬時孕育，孕 育量為待出爐鐵液重量的〇. 15%_0. 20% ; C、 待鑄件溫度降至300°C以下時開箱、拋丸。
[0008] 作為優(yōu)化：所述的大斷面鐵素體基球墨鑄鐵，其組成成分按質(zhì)量百分比為：C含量 為 3. 80%-3· 85%，Si 含量為 2. 0%-2· 2%，Mn 含量彡 0· 2%，P 含量彡 0· 05%，S 含量彡 0· 02%， Sb含量為50-100ppm，其余為Fe及不可避免的微量元素。
[0009] 作為優(yōu)化：所述步驟（1)中，預(yù)處理劑的成分質(zhì)量百分比為：Si :62%-69%，Ca : 0. 6%-1. 9%，Zr :3%-5%，Al :3%-5%，其余為Fe及不可避免的微量元素。
[0010] 作為優(yōu)化：所述步驟（2)中，球化劑為輕稀土球化劑，其成分質(zhì)量百分比為：Mg: 5. 55%-6· 15%，Al :0· 4%-1· 0%，Si :44%-48%，Ca :0· 8%-1· 2%，RE :0· 85%-1· 15%，其余為 Fe 及 不可避免的微量元素。
[0011] 作為優(yōu)化：所述步驟（2)中，包內(nèi)孕育劑為高鈣鋇孕育劑，其成分質(zhì)量百分比為： Si :72%-78%，Al :0%-1. 5%，Ca :1. 0%-2. 0%，Ba :2. 0%-3. 0%，其余為 Fe 及不可避免的微量元 素。
[0012] 作為優(yōu)化：所述步驟（3)中，隨流孕育劑為硫氧孕育劑，其成分質(zhì)量百分比為：Si : 70%-76%，Ca :0· 75%-1· 25%，Ce : 1. 5%-2· 0%，Al :0· 75%-1· 25%，S :彡 1. 0%，0 :彡 1. 0%，其余為 Fe及不可避免的微量元素。
[0013] 有益效果：本發(fā)明解決了厚大斷面球墨鑄鐵中心和環(huán)形"薄弱區(qū)"組織和性能差的 缺點，提供的低溫高韌性球墨鑄鐵材料完全能符合風力電機大型零部件的要求。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比： (1)揭示了大型球墨鑄鐵件厚大部位性能最差的位置并非傳統(tǒng)理論認為的中心部位， 而是位于距大斷面球墨鑄鐵件外邊緣的20mnT40mm的一近圈環(huán)形區(qū)域內(nèi)，即上述的"薄弱 區(qū)"，并將該區(qū)域與中心部位協(xié)同作為衡量大斷面球墨鑄鐵性能的評價位置，解決了現(xiàn)有方 法以中心作為組織和性能評價位置的局限性； (2) 采用了預(yù)處理劑在原料熔化之前添加的新穎處理技術(shù)，彌補了現(xiàn)有技術(shù)在鐵液中 添加預(yù)處理劑效果不佳的缺點，并結(jié)合多重孕育處理，有效的提高了大斷面鐵素體球墨鑄 鐵件的石墨等級； (3) 通過添加含量與鑄件尺寸匹配的Sb元素，中和了微量元素特別是RE元素偏析的影 響，有效地改善了"薄弱區(qū)"的組織形態(tài)，提升了大斷面的組織均勻性，使球墨鑄鐵整個厚大 斷面的性能水平得到了提高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明揭示的大斷面球墨鑄鐵組織和性能最差位置一"薄弱區(qū)"的示意圖； 圖2是未使用本發(fā)明專利前，尺寸為300_的立方試塊中心面中心位置腐蝕前后的金 相照片； 圖3是未使用本發(fā)明專利前，尺寸為300mm的立方試塊中心面"薄弱區(qū)"腐蝕前后的金 相照片； 圖4是實施例一中所得的300mm厚立方試塊中心面的中心位置腐蝕前后的金相照片； 圖5是實施例一中所得的300mm厚立方試塊中心面的"薄弱區(qū)"腐蝕前后的金相照片； 圖6是實施例二中所得的360mm厚立方試塊中心面的中心位置腐蝕前后的金相照片； 圖7是實施例二中所得的360mm厚立方試塊中心面的"薄弱區(qū)"腐蝕前后的金相照片； 圖8是實施例三中所得的360mm厚立方試塊中心面的中心位置腐蝕前后的金相照片； 圖9是實施例三中所得的360mm厚立方試塊中心面的"薄弱區(qū)"腐蝕前后的金相照片。

【具體實施方式】
[0016] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0017] 實施例一： 一種大斷面球墨鑄鐵的組織均勻性與性能提升方法，涉及的大斷面球墨鑄鐵，其各組 分按質(zhì)量百分比為：C含量為3. 80%，Si含量為2. 0%，Mn含量為0. 126%，P含量為0. 022%， S含量為0. 017%，Sb含量為50ppm，其余為Fe及不可避免的微量元素； 所述的大斷面球墨鑄鐵的組織均勻性與性能提升方法包括以下步驟： (1) 熔煉 A、 選取爐料，爐料包括生鐵（30%)、廢鋼（30%)、回爐料（40%); B、 添加占待出爐鐵液重量0. 15%的預(yù)處理劑，和爐料一起加入； C、 待爐料熔清后，扒渣并取爐前試樣，檢測C、Si、Mn、P、S含量，調(diào)整C和Si并脫硫，最 后爐中的成分為：C :3· 80%，Si :L 1%，Mn :0· 127%，P :0· 022%，S :0· 017% ; D、 將鐵水調(diào)整至出水溫度1490°C，準備出爐進入球化包； (2) 爐前處理 A、 將堤壩式球化包用15 KTC的鐵水燙包，在球化包的一側(cè)依次加入占待出爐鐵液重量 1. 0%的輕稀土球化劑、占待出爐鐵液重量0. 4%的高鈣鋇孕育劑、球鐵壓板、生鐵和占待出 爐鐵液重量50ppm的Sb ; B、 出鐵球化，鐵液對著沒有球化劑的一側(cè)沖入，待鐵液漫過堤壩時發(fā)生球化和包內(nèi)孕 育； C、 當鐵液出爐到待出爐鐵液質(zhì)量的2/3時，加入占待出爐鐵液重量0. 2%的高鈣鋇孕育 齊Ll，進行出鐵孕育； D、 球化和孕育處理結(jié)束后，扒渣后測溫并取光譜試樣分析成分，得到的終水成分為：C : 3. 80%，Si :2· 0%，Mn :0· 126%，P :0· 022%，S :0· 017%，Mg :0· 049%，Ce 為 0· 010% ; (3)澆注 A、 采用呋喃樹脂砂造型，造型時保證砂子緊實，鑄件的吃砂量在100-200mm之間； B、 始澆溫度為1340°C，澆注時采用硫氧孕育劑進行瞬時孕育，孕育量為待出爐鐵液重 量的0. 15%。
[0018] C、待鑄件溫度降至300°C以下時開箱、拋丸。
[0019] 所述步驟（1)中，預(yù)處理劑的成分質(zhì)量百分比為：Si :62%，Ca :0. 6%，Zr :3%，Al : 3%，其余為Fe及不可避免的微量元素。
[0020] 所述步驟（2)中，球化劑為輕稀土球化劑，其成分質(zhì)量百分比為：Mg :5. 55%，Al : 0. 4%，Si :44%，Ca :0. 8%，RE :0. 85%，其余為Fe及不可避免的微量元素。
[0021] 所述步驟（2)中，包內(nèi)孕育劑為高鈣鋇孕育劑，其成分質(zhì)量百分比為：Si :72%，Al : 1. 5%，Ca :1. 0%，Ba :2. 0%，其余為Fe及不可避免的微量元素。
[0022] 所述步驟（3)中，隨流孕育劑為硫氧孕育劑，其成分質(zhì)量百分比為：Si :70%，Ca: 0. 75%，Ce :1. 5%，Al :0. 75%，S :彡1. 0%，0 :彡1. 0%，其余為Fe及不可避免的微量元素。
[0023] 鑄件的尺寸為300_X 300_X 300_，按照GB/T 228-2002金屬材料室溫 拉伸試驗方法和GB/T 229-2007金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法，對鑄件中心一片 300mmX 300mmX 25mm的方板進行拉伸和V型缺口沖擊試驗，并按GB/T 9441-2009球墨鑄鐵 金相檢驗標準對方板進行組織觀察，腐蝕液為4%的硝酸酒精。
[0024] 鑄件厚大斷面上的組織和性能如下表所述，其中"薄弱區(qū)"為大斷面上距邊界中心 20mnT40mm的一圈環(huán)形區(qū)域，見圖1所示，低溫沖擊功為三個單值的平均值。
[0025]

【權(quán)利要求】
1. 一種大斷面球墨鑄鐵的組織均勻性與性能的提升方法，其特征在于： 包括如下步驟： (1) 熔煉： A、 選取爐料，爐料包括重量為30%-35%的生鐵、25%-30%的廢鋼和35%-45%的回爐料； B、 添加預(yù)處理劑，預(yù)處理劑一定要在爐料熔化之前添加，以起到固定氧的作用，添加量 為待出爐鐵液重量的〇. 15%_0. 2% ; C、 待爐料熔清后，扒渣并取爐前試樣，檢測C、Si、Mn、P、S含量，根據(jù)檢測結(jié)果，添加適 量的75硅鐵和增碳劑，調(diào)整C和Si的成分；脫硫處理使S含量低于0. 02質(zhì)量％ ; D、 將鐵水調(diào)整至出水溫度1490±10°C，準備出爐進入球化包； (2) 爐前處理： A、 將堤壩式球化包用1500°C以上的鐵水燙包，在球化包的一側(cè)依次加入占待出爐鐵液 重量1. 0%-1. 1%的球化劑、占待出爐鐵液重量0. 4%的包內(nèi)孕育劑、球鐵壓板、生鐵和占待出 爐鐵液重量50-100ppm的Sb ; B、 出鐵球化，鐵液對著沒有球化劑的一側(cè)沖入，待鐵液漫過堤壩時發(fā)生球化和包內(nèi)孕 育； C、 當鐵液出爐到待出爐鐵液質(zhì)量的2/3時，加入占待出爐鐵液重量0. 2%的包內(nèi)孕育 齊U，進行出鐵孕育； D、 球化和孕育處理結(jié)束后，扒渣后測溫并取光譜試樣分析成分； (3) 澆注： A、 采用呋喃樹脂砂造型，造型時保證砂子緊實，鑄件的吃砂量在100-200mm之間； B、 當包內(nèi)溫度降至1340-1360°C時開始澆注，澆注時采用隨流孕育劑進行瞬時孕育，孕 育量為待出爐鐵液重量的〇. 15%_0. 20% ; C、 待鑄件溫度降至300°C以下時開箱、拋丸。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大斷面球墨鑄鐵的組織均勻性與性能的提升方法，其特征在 于：所述的大斷面鐵素體基球墨鑄鐵，其組成成分按質(zhì)量百分比為：C含量為3. 80%-3. 85%， Si含量為2. 0%-2. 2%，Mn含量彡0? 2%，P含量彡0? 05%，S含量彡0? 02%，Sb含量為 50-100ppm,其余為Fe及不可避免的微量元素。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大斷面球墨鑄鐵的組織均勻性與性能的提升方法，其特征 在于：所述步驟（1)中，預(yù)處理劑，其成分質(zhì)量百分比為：Si :62%-69%，Ca :0. 6%-1. 9%，Zr : 3%-5%，A1 :3%-5%，其余為Fe及不可避免的微量元素。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大斷面球墨鑄鐵的組織均勻性與性能的提升方法，其特征在 于：所述步驟（2)中，球化劑為輕稀土球化劑，其成分質(zhì)量百分比為：Mg :5. 55%-6. 15%，A1 :0? 4%-L 0%，Si :44%-48%，Ca :0? 8%-L 2%，RE :0? 85%-L 15%，其余為 Fe 及不可避免的微量元 素。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大斷面球墨鑄鐵的組織均勻性與性能的提升方法，其特征在 于：所述步驟（2)中，包內(nèi)孕育劑為高鈣鋇孕育劑，其成分質(zhì)量百分比為：Si :72%-78%，A1 : 0%-L 5%，Ca :1. 0%-2. 0%，Ba :2. 0%-3. 0%，其余為Fe及不可避免的微量元素。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大斷面球墨鑄鐵的組織均勻性與性能的提升方法，其特征 在于：所述步驟（3)中，隨流孕育劑為硫氧孕育劑，其成分質(zhì)量百分比為：Si :70%-76%，Ca : 0? 75%-L 25%，Ce :1. 5%-2. 0%，A1 :0? 75%-L 25%，S :彡 1. 0%，0 :彡 1. 0%，其余為 Fe 及不可避 免的微量元素。
【文檔編號】C22C33/08GK104328239SQ201410700017
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月28日
【發(fā)明者】楊金德, 潘冶, 陳琳, 許玉松, 陳立新, 曹培新 申請人:南通宏德機電有限公司, 東南大學