一种耐磨灰铸铁大盘铸件及其制备工艺

技术领域

本发明涉及灰铸铁领域，具体为一种耐磨灰铸铁大盘铸件及其制备工艺。

背景技术

D1：CN115386785A公开了一种高强度灰铸铁缸盖铸件的熔炼浇注工艺；包括1、熔炼，向电炉中加入60％～65％废钢；待废钢基本熔清时，将1％碳化硅加入电炉中，加入35％～40％回炉铁，加热升温至全部加入料熔化；原材料熔清之后使用增碳剂、硅铁、锰铁、铬铁、钼铁、硫化铁、铜、锡调整铁水化学成分；2、进行扒渣、测温、出铁，出铁时将铬铁粉末随铁水导入中转包内；3、一次倒包孕育，扒渣后将铁水由中转包导入浇注包，同时加入硅锶孕育剂进行一次孕育；4、一次倒包孕育后的铁水进行扒渣、测温；5、浇注同时使用孕育剂进行二次随流孕育，浇注结束得到灰铸铁件。

其说明书记载：Cr元素属中强促珠光体元素，可稳定珠光体的形成，减小珠光体的片间距，当铸铁中Cr元素质量分数小于1％时仍属于灰铸铁，但其力学性能及耐热性有所提高。熔炼时向原铁液中添加0.15％～0.3％的Mo。当铸铁中Mo元素质量分数小于0.8％时对铸铁的强化作用较大，当Mo元素质量分数小于0.6％时，主要作用在于细化珠光体，亦能细化石墨，促碳化物的作用比较温和。

通过其说明书记载，三个实施例的配方分别为：

实施例1：C：3.17％，Si：1.90％，Mn：0.49％的，S：0.11％，P：0.03％，Cu：0.86％，Cr：0.24％，Mo：0.23％。

实施例2：C：3.20％，Si：2.01％，Mn：0.53％的，S：0.11％，P：0.02％，Cu：0.91％，Cr：0.30％，Mo：0.29％。

实施例3：C：3.20％，Si：2.01％，Mn：0.53％的，S：0.11％，P：0.02％，Cu：0.91％，Cr：0.30％，Mo：0.29％。

其硬度分别为：215HBS、221HBS、206HBS；

D2：CN103952621B公开了一种钒钛灰铸铁及其生产工艺。其钒钛灰铸铁含有C:3.2～3.6％，Si:1.6～1.9％，Mn:0.7～0.9％，P:0％～0.10％，S:0.07～0.12％，V:0.15～0.20％，Ti:0.07～0.12％，Cr:0.25～0.35％，余量为Fe和其它微量元素及不可避免的杂质。钒钛灰铸铁的抗拉强度高，耐热、耐磨性好，金相组织中A型石墨85％以上，石墨长度为3～5级，基体组织中珠光体含量≥98％，碳化物+磷共晶≤2％。采用二次孕育处理，以提高孕育效果，改善石墨形态，消除碳化物和铁素体，提高珠光体含量。

其说明书记载：碳的作用：石墨化元素，过低石墨数量少，形态差，不利于导热，过高，强度低，综合考虑其对耐热疲劳性影响，选择3.2～3.6％；硅：石墨化元素，具有固溶强化作用，过高增加石墨析出量，使石墨粗化，促进铁素体形成，过低则出现碳化物，适宜的硅有利于提高珠光体含量，选择Si：1.6～1.9％；磷是有害元素，形成磷共晶，增加脆性，P≤0.10％；硫在铸铁中形成MnS、TiS等多种化合物，适量的硫具有改善孕育效果，促进A型石墨，提高强度的作用，S控制在0.07～0.12％；铬是碳化物形成元素，具有细化组织，提高强度的作用，但过高则增加碳化物含量，增加脆性，Cr：0.25～0.35％。钒、钛作用，钒过高则恶化加工性能，钒量过低，则提高强度效果不显著；钛是成分过冷元素，又显著提高强度，若钛过高则促进过冷石墨形成，不利于提高A型石墨比例，降低导热性能，若钛量过低，则提高强度效果不显著，强度达不到要求。控制适宜钒钛含量：V：0.15～0.20％，Ti：0.07～0.12％。

其硬度为200-215HB。

D3：CN110066959A公开了一种高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料，所述灰铸铁材料的组分以重量百分比表示为：碳3.05-3.2％，硅1.85-2.05％，锰0.8-1.4％，磷≤0.05％，硫＜0.05％。还提供一种生产所述高强度低硫高锰孕育灰铸铁材料的生产工艺，不仅采用了合成铸铁技术、应用了碳化硅和硅钡锆孕育剂，且利用铁型覆砂优良式铸型条件，铸造出了高强度低硫高锰孕育灰铸铁；

其说明书记载：加Mn可以提高灰铸铁的强度和硬度，但是增大Mn量能否提高强度与S量有关。在S量较高的铸铁中，Mn量越高，形成的MnS夹杂物越多。MnS可以作为石墨非自发形核的核心，促使铸铁石墨化，但过量的MnS会发生聚集，形成局部密集的MnS排列。同时，铁液中自由S原子的数量减少，石墨将变得平顺，长度变长，端部的钝化效果变差，其综合影响的结果：是Mn强化基体的合金化作用被MnS所带来的不利影响压制了，而且在较高CE的铁液中增硫的作用也被Mn破坏，导致灰铸铁性能降低。因此，Mn量与S量的选择应该综合考虑，通常认为当加S≤O.05％时，以加Mn＝1.7wS+0.3来考虑Mn量。

D4：CN114525374A公开了一种高强度灰铸铁用含钪钇的钒锰铬孕育剂及制备方法，包含以下质量百分比的元素：Si 36～37％，V 6～7％，Mn 1.5～2.5％，Cr 5.2～6.4％，N 2.0～2.4％，Ca 0.4～0.6％，余量为Fe。该孕育剂加入钒、锰、铬元素，以及其他少量元素，通过单一元素和各元素之间的协同作用提高孕育效果，促进了弯曲、细小、钝化的A型石墨的形成；增加了珠光体的含量，减小珠光体层片间距和优化了共晶团组织，提高了灰铸铁的强度、刚度，改善了铸件的切削加工性能。

其说明书记载：Mn可以与S形成MnS，成为石墨的核心，促进石墨化，在Cr的共同作用下强烈促进了珠光体的形成，提高灰铸铁的硬度和耐磨性；Ca：可与O和S形成化合物，更有利于石墨成核；少量N和C能与V反应生成细小的钒碳氮化合物，可以增加初生奥氏体枝晶数目，获得较高数量的共晶团组织，可以显著提高铸件的耐磨性。

其实施例记载，将该孕育剂用于灰铸铁后，其成分如下表1：

表1

上述配方的硬度为220HB。

D5：CN101117681A公开了一种奥氏体灰铸铁材料，其化学成分按重量百分比计为：C1.5～2.9％，Si1.5～3.0％，Mn5.0～7.5％，Ni5.0～8.0％，Cu3.0～6.0％，0＜Al≤0.3％，杂质总量≤0.25％，其余为Fe。这种奥氏体灰铸铁材料，其金相组织为奥氏体基体上分布着A型石墨和数量不超过4％的细小碳化物。这种材料的制备方法是：先用中频感应炉熔炼炉料，1500℃时倒入浇包，用75硅铁和ZL109的碎块进行包内孕育，温度到1450℃左右进行浇注。这种材料可用于活塞镶圈，其成本低于L－NiCuCr1562的奥氏体灰铸铁，其性能与L－NiCuCr1562奥氏体灰铸铁接近或相当。

其说明书记载：

选用5.0～8.0％的镍含量和5.0～7.5％的锰含量以及3.0～6.0％的铜含量，在于镍锰铜合适的搭配，使奥氏体区扩大，使共析转变温度降至室温以下，利于在室温下获得奥氏体基体组织，同时镍铜亦促进石墨化。镍锰铜含量过低，室温下易出现非奥氏体基体组织。镍过高则增加材料成本，有违发明本意；锰过高，锰易与碳、铁结合形成合金渗碳体(FeMn)

D1-D5所示的现有技术可以得到如下结论：

1.碳化物的含量和硬度具有关联性；

2.Mn用量增加可以增加碳化物含量，可以提高硬度。

3.Mn和Cr相互之间有机配合，可以提高硬度和耐磨性。

D6：CN114262838B提供了一种高锡合金铸铁，成分为：C：2.5～3.4wt％，S：≤0.12wt％，Si：1.4～2.4wt％，P：0.1～0.4wt％，Mn：0.9～1.4wt％，Cr：0.2～0.5wt％，Sn：0.1～0.35wt％，Cu：0.7～1.2wt％，Nb：0.05～0.20wt％，余量为Fe。

其说明书记载：在Sn含量较高的灰铸铁中，添加元素Mn、Cr提高基体强度，添加适当的Cu以促进珠光体转变，加入少量的Nb提高其耐腐蚀性能，最后经过去应力退火处理使其组织均匀。高锡合金铸铁制备的气缸套具有较高的强度和弹性模量，耐腐蚀性能达到耐蚀铸铁级别，热膨胀系数及导热性能亦可以满足气缸套工况要求。高锡合金铸铁的硬度为270～350HBW；抗拉强度为≥380MPa；弹性模量为＞140GPa。

经过验证，如果去除Sn、Cu元素后，采用上述配方的最大量的Mn和Cr用量无法达到客户需求。

本发明需要阐述的，经过大量的检索，我们认为现有技术中的灰铸铁为了提高硬度、改善耐磨性大多会加入其他元素协同配合，比如Sn、Cu、V、Ti、Mo中的一种或多种。

简化配方可有效的简化工艺、降低加工难度，但是经过反复验证后我们认为，如果只含有基础元素，如Fe、C、Si、S、P的情况下，想达到220HB以上的硬度很难，如果要达到240HB以上的硬度更难。

所以，本案解决的技术问题是：如何进一步提高铸件的硬度以及高速运转情况下的耐磨性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐磨灰铸铁大盘铸件，该铸件的碳化物含量为25％-35％，硬度：240-260HB，超声波探伤未发现任何缺陷；在500转/秒的转速下进行耐磨试验30min，0磨损。

本发明的意义之一在于，发现了Mn和Cr在一定的区间范围内与现有技术的共识(硬度和碳化物含量)并不一致；

本发明的意义之二在于，采用最简单的配方实现了硬度在较为合适的范围内，保证了运行耐磨性和机加工性能。

同时，本发明还公开了该铸件的铸造方法。

一种耐磨灰铸铁大盘铸件，所述铸件为灰铸铁材质，由如下重量百分比组分组成：C:2.95-3.10％，Si：1.90-2.10％，Mn：1.10-1.20％，P：0.020-0.035％，S：0.080-0.120％，Cr：0.55-0.65％；余量Fe以及不可除杂质。

在上述的耐磨灰铸铁大盘铸件中，由如下重量百分比组分组成：C:3-3.05％，Si：1.95-2.05％，Mn：1.15-1.20％，P：0.025-0.035％，S：0.090-0.110％，Cr：0.57-0.63％；余量Fe以及不可除杂质。

同时，本发明还公开了一种如上所述的耐磨灰铸铁大盘铸件的铸造方法，包括如下步骤：

步骤1：将30％的灰铸铁回炉料、70％的废钢、2.15-2.31％的增碳剂、1.12-1.43％72硅铁、0.73-0.89％锰铁、1.05-1.25％铬铁和0.07-0.14％硫化铁加热熔化成铁液，并将铁液的组分调节为如下重量百分比：C：3.0-3.15％；Si：1.65-1.85％；Mn：1.10-1.20％；P：0.020-0.035％；S0.08-0.120％；Cr：0.55-0.65％以及余量Fe以及不可除杂质；

步骤2：出铁：成分调整完成后进行扒渣、测温、出铁；

步骤3：一次孕育：使用0.30％75硅铁粒孕育剂进行一次孕育；

步骤4：浇注铸型：浇注同时使用0.05％75硅铁粉孕育剂进行随流孕育，浇注结束得到耐磨灰铸铁大盘铸件。

在上述的耐磨灰铸铁大盘铸件的铸造方法中，步骤2中出铁前的温度为1440-1470℃。

在上述的耐磨灰铸铁大盘铸件的铸造方法中，步骤3中孕育温度为1430-1460℃。

在上述的耐磨灰铸铁大盘铸件的铸造方法中，步骤4中浇注铸型由冷芯盒工艺制备砂型，叠层浇注。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的铸件的碳化物含量为25％-35％，硬度：240-260HB，超声波探伤未发现任何缺陷；在500转/秒的转速下进行耐磨试验30min，0磨损。

本发明的意义之一在于，发现了Mn和Cr在一定的区间范围内与现有技术的共识(硬度和碳化物含量)并不一致；

本发明的意义之二在于，采用最简单的配方实现了硬度在较为合适的范围内，保证了运行耐磨性和机加工性能。

附图说明

图1为本发明的实施例1的砂型的型腔立体图；

图2为本发明的浇注铸型系统(含流道)的主视图；

图3为本发明的浇注铸型系统(含流道)的侧视图；

图4为本发明的浇注铸型系统(含流道)的立体图；

图5为本发明的实施例1的金相图；

图6为本发明的实施例2的金相图；

图7为本发明的对比例1的金相图；

图8为本发明的对比例2的金相图；

图9为本发明的对比例3的金相图；

图10为本发明的对比例4的金相图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在阐述本发明的实施例之前，先描述本发明的浇注砂型，下述实施例和对比例均采用该砂型；

参考图1，图1是单个铸件的砂型的型腔的结构图，整个型腔为盆状结构；

图2-4为浇注铸型系统的示意图；铁水从主浇道1注入，并经横浇道2进入到型腔3中，完成浇注。浇注铸型由冷芯盒工艺制备砂型，叠层浇注；这么操作的好处在于：每批次产品配方统一性、加工效率高、产品性能一致性高。

实施例1

一种耐磨灰铸铁大盘铸件，包括如下重量百分比组分：C:3.00％，Si：2.00％，Mn：1.15％，P：0.025％，S：0.095％，Cr：0.6％；余量Fe以及不可除杂质。

一种如上所述的耐磨灰铸铁大盘铸件的铸造工艺，包括如下步骤：

步骤1：将原料(30％的灰铸铁回炉料、70％的废钢、2.2％的增碳剂、1.31％72硅铁、0.81％锰铁、1.15％铬铁和0.1％硫化铁)加热熔化成铁液，并将铁液的组分调节为如下重量百分比：C：3.08％；Si：1.73％；Mn：1.15％；P：0.025％；S：0.095％、Cr：0.6％以及余量Fe以及不可除杂质；

步骤2：出铁：成分调整完成后进行扒渣、测温、出铁，出铁温度1440-1470℃；

步骤3：一次孕育：使用0.30％75硅铁粒孕育剂进行一次孕育，孕育温度1430-1460℃；

步骤4：浇注铸型：浇注同时使用0.05％75硅铁粉孕育剂(粒度：0.2-0.7mm)进行随流孕育，浇注结束得到耐磨灰铸铁大盘铸件。

金相图可参考图5，检测结果为：

碳化物(图5中白色部分，其余图6-10中白色部分均为碳化物)含量为34％，硬度：260HB，超声波探伤未发现任何缺陷；在500转/秒的转速下进行耐磨试验30min，0磨损。

实施例2

一种耐磨灰铸铁大盘铸件，包括如下重量百分比组分：C:3.05％，Si：2.05％，Mn：1.2％，P：0.03％，S：0.09％，Cr：0.65％；余量Fe以及不可除杂质。

一种如上所述的耐磨灰铸铁大盘铸件的铸造工艺，包括如下步骤：

步骤1：将原料加热熔化成铁液，并将铁液的组分调节为如下重量百分比：C：3.11％；Si：1.78％；Mn：1.2％；P：0.03％；S：0.09％、Cr：0.65％以及余量Fe以及不可除杂质；

步骤2：出铁：成分调整完成后进行扒渣、测温、出铁，出铁温度1440-1470℃；

步骤3：一次孕育：使用0.30％75硅铁粒孕育剂进行一次孕育，孕育温度1430-1460℃；

步骤4：浇注铸型，浇注同时使用0.05％75硅铁粉孕育剂(粒度：0.2-0.7mm)进行随流孕育，浇注结束得到耐磨灰铸铁大盘铸件。

金相图可参考图6，检测结果为：

碳化物含量为30％，硬度：251HB，超声波探伤未发现任何缺陷；在500转/秒的转速下进行耐磨试验30min，0磨损。

实施例3

一种耐磨灰铸铁大盘铸件，包括如下重量百分比组分：C:2.95％，Si：1.9％，Mn：1.1％，P：0.035％，S：0.12％，Cr：0.65％；余量Fe以及不可除杂质。

制备工艺参考实施例1，原料成分根据本实施例的铸铁成分进行调整；

检测结果为：

碳化物含量为28％，硬度：249HB，超声波探伤未发现任何缺陷；在500转/秒的转速下进行耐磨试验30min，0磨损。

实施例4

一种耐磨灰铸铁大盘铸件，包括如下重量百分比组分：C:3.1％，Si：2.08％，Mn：1.18％，P：0.035％，S：0.12％，Cr：0.58％；余量Fe以及不可除杂质。

制备工艺参考实施例1，原料成分根据本实施例的铸铁成分进行调整；

检测结果为：

碳化物含量为31％，硬度：255HB，超声波探伤未发现任何缺陷；在500转/秒的转速下进行耐磨试验30min，0磨损。

实施例5

一种耐磨灰铸铁大盘铸件，包括如下重量百分比组分：C:3.05％，Si：2.00％，Mn：1.12％，P：0.025％，S：0.095％，Cr：0.55％；余量Fe以及不可除杂质。

制备工艺参考实施例1，原料成分根据本实施例的铸铁成分进行调整；

检测结果为：

碳化物含量为26％，硬度：247HB，超声波探伤未发现任何缺陷；在500转/秒的转速下进行耐磨试验30min，0磨损。

对比例1

一种耐磨灰铸铁大盘铸件，包括如下重量百分比组分：C:3.00％，Si：2.00％，Mn：0.8％，P：0.025％，S：0.095％，Cr：0.6％；余量Fe以及不可除杂质。

工艺步骤参考实施例1；

检测结果为：

参考图7，碳化物含量为13％，硬度：188HB，超声波探伤未发现任何缺陷。

对比例2

一种耐磨灰铸铁大盘铸件，包括如下重量百分比组分：C:3.00％，Si：2.00％，Mn：1.15％，P：0.025％，S：0.095％，Cr：0.4％，余量为Fe和不可避免的杂质；余量Fe以及不可除杂质。

工艺步骤参考实施例1；

检测结果为：

参考图8，碳化物含量为10％，硬度：173HB，超声波探伤未发现任何缺陷。

对比例3

一种耐磨灰铸铁大盘铸件，包括如下重量百分比组分：C:3.00％，Si：2.00％，Mn：1.4％，P：0.025％，S：0.095％，Cr：0.6％；余量Fe以及不可除杂质。

工艺步骤参考实施例1

检测结果为：

参考图9，碳化物含量为25％，硬度：224HB，超声波探伤未发现任何缺陷。

对比例4

一种耐磨灰铸铁大盘铸件，包括如下重量百分比组分：C:3.00％，Si：2.00％，Mn：1.15％，P：0.025％，S：0.095％，Cr：0.75％；余量Fe以及不可除杂质。

工艺步骤参考实施例1

检测结果为：

参考图10，碳化物含量为29％，硬度：225HB，超声波探伤未发现任何缺陷。

结果分析：

1.对比例1-4的耐磨试验发现不同程度的磨损，磨损尺寸在1-3mm左右。

2.通过实施例1-5的示例可见，本发明的实施例1的耐磨性、碳化物的含量均为最优；并且我们研究发现，碳化物达到25-35％的时候，硬度达到较优的水平；超过该含量过于多，则可能不再为铸铁材质；低于该含量，硬度恶化；同时本发明的实施例证明了碳化物和耐磨性具有较为紧密的正向相关性，在实施例中碳化物含量和耐磨性之间具有较强的线性关系，在对比例中线性关系不明显，并且在对比例3中表现出Mn、Cr总含量提高和碳化物含量变化相反的趋势，对比例3和4中随着Mn和Cr的用量增加，碳化物的实测含量降低，硬度有所降低；

在实际产品中，碳化物主要是锰的碳化物和铬的碳化物，这两者将决定性的影响碳化物的总量和分布；

但是，经过研究证明，锰和铬的用量并非越多越好，参考实施例1和实施例2以及对比例3和4，在锰和铬的总量增加的情况下，实施例2的碳化物和耐磨性并不及实施例1，对比例3和4增加锰和铬的含量，碳化物含量和耐磨性有部分程度的降低；

同时，参考实施例1和实施例5以及对比例1和2可见，在锰和铬的总量减少的情况下，实施例5的碳化物和耐磨性并不及实施例1，对比例1和2显著减少锰和铬的含量，碳化物含量和耐磨性明显降低；

通过实施例和对比例可见，铸件的耐磨性并不仅仅由Cr、Mn决定，硅、碳的用量组合也同为关键，只有在保证这四者的基本用量的前提下，调节P、S的比例，才能达到最优的性能。

本发明的另外一个优势在于，本发明所用元素种类少，降低了原材料成本、工艺管控难度。

在现有技术中，很少有与本发明类似的简化配方能够达到较优的硬度控制效果。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。