一种球墨铸铁及其制备方法

技术领域

本发明涉及球墨铸铁制造技术领域，具体涉及一种大断面铸态铁素体球墨铸铁及其制备方法。

背景技术

随着球墨铸铁技术的不断发展，球墨铸铁逐步代替铸钢，成为一种新型的金属材料，铸态铁素体球墨铸铁作为球墨铸铁的一种，已被广泛应用于工程机械、注塑机基础零部件、压铸机基础零部件和风力发电基础或关键零部件等。

目前国家标准《GBT 1348-2009球墨铸铁件》中QT350-22L、QT400-18L和硅固溶QT500-14与本发明材料相近，基体均为铁素体，延伸率12％以上。QT350-22L、 QT400-18L是在低温下有非常好的韧性，但强度偏低，造成铸件笨重。为保证低温韧性，通过降低强度，改善基体组织实现。硅固溶QT500-14强度高，但材料在低温环境易脆断，使有受限。为提高强度，保持铁素体基体，将硅量控制在 3％-4％，但材料在低温变脆。

2012年3月，德国和欧洲的球墨铸铁标准DIN EN1563在修改时，将固溶强化铁素体球墨铸铁作为区别于普通铁素体-珠光体球墨铸铁的一类球墨铸铁，增加了三个牌号：EN-GJS-450-18，EN-GJS-500-14，EN-GJS-600-10。自此国内对固溶强化铁素体球墨铸铁的研究明显增多，但至今相关国家标准GBT 1348只有QT500-10一种材料，并且要求低于DIN EN1563。

现有技术中，对于小件(如壁厚小于60mm)，由于散热条件好、凝固速度快，石墨长大的时间相对较短，石墨畸变的倾向就小，其组织容易控制，材料性能好。 DIN EN1563-2012中三个牌号：EN-GJS-450-18，EN-GJS-500-14，EN-GJS-600-10，对壁厚小于60mm的铸件的性能有明确要求，但对于由于大断面铸件，其冷却速度慢，石墨球长大的时间长，并且该材料靠硅固溶强化，硅含量高，大断面铸件经常出现碎块状石墨等畸形石墨，性能也急剧恶化。

因此，需要提供一种大断面超低温高韧性、高强度铸态铁素体球墨铸铁及其制备方法。

发明内容

基于现有技术存在的不足，本申请旨在提供一种大断面铸态铁素体球墨铸铁及其制备方法，通过对球化剂、孕育剂的选择，特别是在球化、孕育和微合金处理过程中加入了特种孕育剂，明显提高了大断面铸态铁素体球墨铸铁的韧性和强度，尤其是提高了延长率和-20℃有缺口冲击功。

为解决上述技术问题，本申请通过以下技术方案实现：

一种球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

(1)熔炼：制备铁水；

(2)增碳：对步骤(1)的铁水进行增碳处理；

(3)球化、孕育和微合金处理：对步骤(2)的铁水进行球化、孕育和微合金处理；

(4)浇注：将步骤(3)的铁水进行浇注，得到球墨铸铁。

步骤(2)中所述的增碳处理步骤为：向铁水中加入增碳剂，所述的增碳剂中碳含量＞90wt％且硫＜0.05wt％；所述的增碳处理时铁水的温度为 1400℃-1450℃。

步骤(3)中所述的球化包内堤坝的一侧铺设有一次孕育剂，另一侧铺设有球化剂、微合金和特种孕育剂并用铁屑覆盖所述球化剂和所述微合金以及向所述球化包内加入所述增碳处理后的铁水。

作为一个优选的实施方案，所述的球化包内的堤坝一侧铺设有一次孕育剂，另一侧按照从下到上的顺序依次铺设所述球化剂、微合金Ni、微合金TiC、特种孕育剂和铁屑，其中，所述铁屑的覆盖厚度为6-10mm。

其中，所述的一次孕育剂的加入量为铁水总质量的0.3-0.5wt％，所述的一次孕育剂的元素组成包括Si 72-78％；Ca 1.0-2.0％；Ba 2.0-3.0％；Al＜1.5％，其余为铁。

所述的球化剂的加入量为铁水总质量的1.0-1.3wt％，所述的球化剂元素组成包括Mg 4.5-6wt％，Re 0.15-0.3wt％，Si 40-50wt％，其它为铁；

所述的微合金Ni作为一种面心立方晶体结构的金属元素富于韧性，对塑性和韧性的贡献较大。Ni无限固溶于铁，降低γ→α转变温度，稳定和细化珠光体。在低温高韧性球墨铸铁中适量地添加Ni可以强化铁素体基体，提高强度和硬度。为了更进一步提高材料的性能，同时考虑到成本因素，Ni的加入量为铁水总质量的0.2-0.4wt％。

为了充分发挥材料的特性和保证其吸收率，Ni采用尺寸小于70×70mm，厚度为2-5mm的板状，或采用直径小于10mm的颗粒。

球铁生产中，适量的Ti能起到细化晶粒作用，提高强度，但Ti熔点高不易加入，因此采用加入TiC的方法实现基体强化，TiC加入量为铁水总质量的 0.01-0.03wt％，主要起固溶强化的作用。

在一些优选实施方案中，所述的TiC中需要加入载体，所述的载体为75硅铁，所述的75硅铁加入量为铁水总质量的0.04％-0.06％，所述的TiC和75硅铁混合可以使合金组分均匀的分布在晶界，起到固溶强化的作用。

优选地，所述的TiC和75硅铁的质量比为1:2。

所述的特制孕育剂的加入量为铁水总质量的0.05-0.12wt％，所述的特种孕育剂的元素组成包括Si 70-80wt％；C 5-10％wt％；V 0.1-0.2％；Ca 0.3-0.5wt％；Ba 1.5-2.0wt％；Al 0.4-1.0wt％；其余为铁。

特制孕育剂的作用主要是形成更多形核心，促进石墨球细化；同时在基体中产生强化基体韧性、细化晶粒的VC、SiC化合物，从而综合提升材料的韧性。

作为一个优选的技术方案，球化、孕育、微合金步骤中还需要增碳处理后的铁水进一步进行增碳处理，即在球化剂与微合金之间铺设增碳剂。

步骤(3)中所述生物球化、孕育步骤中铁水的温度为1420-1460℃。

步骤(4)中所述的浇注步骤为：在浇注过程中，向所述球化、孕育处理后的铁水中加入随流孕育剂，所述随流孕育剂的加入量是所述铁水总质量的 0.1-0.2wt％，所述的随流孕育剂的元素组成包括Si 70-80wt％，Bi 0.5-2.5wt％， Ca≤2.0wt％，Al≤2.0wt％，其余为Fe。

步骤(4)中所述的浇注温度为1330-1360℃。

在一些优选实施方案中，对浇注完成后的铸件进行缓慢冷却到400℃以下所述的缓慢冷却速度为10-20℃/min。

作为一个优选的实施方案，所述的球化剂、一次孕育剂和特种孕育剂的质量比为1.0-1.3：0.3-0.5：0.05-0.12；

进一步优选地，所述的球化剂、一次孕育剂和特种孕育剂的质量比为1.0-1.2：0.35-0.5：0.09-0.11；

更进一步优选地，所述的球化剂、一次孕育剂和特种孕育剂的质量比为 1.0-1.1：0.4-0.5：0.1-0.11。

在另一些优选实施方案中，所述的微合金Ni和TiC的质量比为0.2-0.4： 0.01-0.03；

进一步优选地，所述的微合金Ni和TiC的质量比为0.3-0.4：0.011-0.021；

更进一步优选地，所述的微合金Ni和TiC的质量比为0.35-0.4：0.015-0.018；

在一个优选实施方案中，所述的球化剂、一次孕育剂和特种孕育剂的质量比为1.1：0.4：0.09；所述的微合金Ni和TiC的质量比为0.3：0.021。

在另一个优选实施方案中，所述的球化剂、一次孕育剂和特种孕育剂的质量比为1.15：0.35：0.1；所述的微合金Ni和TiC的质量比为0.35：0.015。

在再一个优选实施方案中，所述的球化剂、一次孕育剂和特种孕育剂的质量比为1.2：0.3：0.11；所述的微合金Ni和TiC的质量比为0.4：0.018。

在再一个优选实施方案中，所述的球化剂、一次孕育剂和特种孕育剂的质量比为1.0：0.5：0.12；所述的微合金Ni和TiC的质量比为0.4：0.011。

本发明还公开了一种由上述方法制备得到的大断面铸态铁素体球墨铸铁。

所述的大断面铸态铁素体球墨铸铁的元素组成包括：C 3.6-3.8wt％，Si 2.3-2.6wt％，Mn≤0.15wt％，P≤0.03wt％，S 0.008-0.012wt％，V 0.001-0.01wt％， Ni 0.2-0.4wt％，Ti 0.01-0.03wt％，Cr≤0.025wt％，Mg

本申请还公开了上述方法制备的大断面铸态铁素体球墨铸铁在制备风电大功率设备零部件中的应用。

与现有技术相比，本申请的有益效果在于：

(1)本申请提供的大断面超高强度铁素体球墨铸铁，心部组织良好，无碎块状石墨等异型石墨出现，铁素体≥90％，在现有铸件生产工艺的基础上进行优化和微合金化，促使晶粒细化和基体固溶强化，从而使铸件的屈服强度达到 300Mpa以上，同时在-20℃有缺口冲击功大于8J。

(2)本发明以TiC和Ni做为微量合金的主要添加成分，Ti在基体中以化合物的形式固溶于铁素体基体中起到固溶强化的作用，同时Ti是反石墨化元素，能抑制石墨球的长大，起到细化晶粒的作用，极大地提高了材料的强度；Ni可以强化铁素体基体，提高强度和硬度，本申请在实施过程中通过控制微合金Ni 和TiC的质量比为0.2-0.4：0.02-0.03，明显提高了大断面铸态铁素体球墨铸铁的力学性能，尤其是-20℃有缺口冲击功明显提高。

(3)本发明提供的技术方案中加入特种孕育剂，可以很好增加石墨球数、细化晶粒，起到提高材料韧性的作用；通过控制球化剂、一次孕育剂和特种孕育剂的质量比为1.0-1.3：0.3-0.5：0.05-0.12，明显提升了-20℃有缺口冲击功，并且能够兼顾抗拉强度和屈服强度。

(4)本发明通过成分调整、球化孕育处理工艺优化、预处理以及微合金化处理，使制备的大断面铸态铁素体球墨铸铁的力学性能得到了大幅提升，在保证 -20℃有缺口冲击功大于8J的前提下，抗拉强度从360Mpa提升到420Mpa，屈服强度从220Mpa提升到300Mpa。

(5)本发明提供的大断面高韧性、超高强度铁素体球墨铸铁，可以适用于批量生产风电大功率设备关键零部件。

附图说明

图1为实施例3制备的大断面铸态铁素体球墨铸铁的金相组织，其中图A 为腐蚀前金相组织，图B为腐蚀后金相组织；球墨铸铁的球化率为93％，大小为6级；

图2为对比例1(实施例3中公开的制备方法，不添加特种孕育剂)制备的大断面铸态铁素体球墨铸铁的金相组织，其中图A为腐蚀前金相组织，图B为腐蚀后金相组织；球墨铸铁的球化率为90％，大小为6级。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例中所使用的一次孕育剂的型号为Y2；球化剂的型号为Q4；增碳剂的型号为YU-CR01；特种孕育剂的型号ZY-1；随流孕育剂的型号2Y2。

实施例1一种球墨铸铁的制备方法

包括以下步骤：

(1)采用10T中频炉对生铁、回炉料和废钢进行熔炼，得铁水；

(2)在1430℃下对所述铁水进行增碳处理；

(3)对所述增碳处理后的铁水进行球化、孕育和微合金化处理；

在1T球化包内的堤坝的一侧铺设一次孕育剂，堤坝的另一侧从下至上依次铺设球化剂、增碳剂、微合金Ni、微合金TiC(TiC和75硅铁的质量比为1:2) 和特种孕育剂，然后用铸铁屑覆盖在微合金中的特种孕育剂上，覆盖厚度为6mm，将铁水从球化包的铺设有一次孕育剂的一侧加入球化包内；

其中，一次孕育剂的加入量为铁水总质量的0.4％，球化剂的加入量为铁水总质量的1.1wt％，特种孕育剂的加入量为铁水总质量的0.09％；微合金Ni的加入量为铁水总质量的0.3％；微合金TiC的加入量为铁水总质量的0.025％。

其中，一次孕育剂的元素组成为：Si 72-78％；Ca 1.0-2.0％；Ba 2.0-3.0％； Al＜1.5％，其余为铁；

球化剂的元素组成为：Si 45.5％，Mg 5.1％，RE 0.243％，Ba 1.31％，Ca 0.94％；

特种孕育剂的元素组成为：Si 73.3％，C 8.0％，V 0.16％，Ca 0.45％，Ba1.94％， Al 0.52％。

(4)浇注：浇注过程加入随流孕育剂进行二次孕育，随流孕育剂的加入量为0.15wt％；浇注完成后，铸件在铸型中缓慢冷却到400℃以下(缓慢冷却的速度是10℃/min)，从铸型中清理出铸件，即为球铁件。

随流孕育剂的元素组成为：Si 72.09％，Bi 1.23％，Ca 1.32％，Al 1.09％。

得到的球铁件的成分包括C 3.75wt％，Si 2.48wt％，Mn 0.15wt％，P 0.024wt％，S 0.01wt％，V 0.001wt％，Ni 0.3wt％，Ti 0.021wt％，Cr 0.006wt％， Mg

实施例2一种球墨铸铁的制备方法

包括以下步骤：

(1)采用10T中频炉对生铁、回炉料和废钢进行熔炼，得铁水；

(2)在1430℃下对所述铁水进行增碳处理；

(3)对所述增碳处理后的铁水进行球化、孕育和微合金化处理；

在1T球化包内的堤坝的一侧铺设一次孕育剂，堤坝的另一侧从下至上依次铺设球化剂、增碳剂、微合金Ni、微合金TiC(TiC和75硅铁的质量比为1:2) 和特种孕育剂，然后用铸铁屑覆盖在微合金中的特种孕育剂上，覆盖厚度为 10mm，将铁水从球化包的铺设有一次孕育剂的一侧加入球化包内；

其中，一次孕育剂的加入量为铁水总质量的0.35％，球化剂的加入量为铁水总质量的1.15wt％，特种孕育剂的加入量为铁水总质量的0.10wt％；微合金Ni 的加入量为铁水总质量的0.35％；微合金TiC的加入量为铁水总质量的0.03％。

其中，一次孕育剂的元素组成为：Si:72-78％；Ca 1.0-2.0％；Ba 2.0-3.0％； Al＜1.5％，其余为铁；

球化剂的元素组成为：Si 45.8％，Mg 5.2％，RE 0.241％，Ba 1.33％，Ca 0.96％；其余为铁；

特种孕育剂的元素组成为：Si 73.2％，C 7.9％，V 0.14％，Ca 0.46％，Ba1.93％， Al 0.53％，其余为铁。

(4)浇注：浇注过程加入随流孕育剂进行二次孕育，随流孕育剂的加入量为0.15wt％；浇注完成后，铸件在铸型中缓慢冷却到400℃以下(缓慢冷却的速度是20℃/min)，从铸型中清理出铸件，即为球铁件。

随流孕育剂的元素组成为：Si 72.1％，Bi 1.25％，Ca 1.31％，Al 1.11％。

得到的球铁件的成分包括C 3.73wt％，Si 2.54wt％，Mn 0.12wt％，P 0.026wt％，S 0.012wt％，V 0.0015wt％，Ni 0.35wt％，Ti 0.015wt％，Cr 0.0055wt％， Mg

实施例3一种球墨铸铁的制备方法

包括以下步骤：

(1)采用10T中频炉对生铁、回炉料和废钢进行熔炼，得铁水；

(2)在1430℃下对所述铁水进行增碳处理；

(3)对所述增碳处理后的铁水进行球化、孕育和微合金化处理；

在1T球化包内的堤坝的一侧铺设一次孕育剂，堤坝的另一侧从下至上依次铺设球化剂、增碳剂、微合金Ni、微合金TiC(TiC和75硅铁的质量比为1:2) 和特种孕育剂，然后用铸铁屑覆盖在微合金中的特种孕育剂上，覆盖厚度为8mm，将铁水从球化包的铺设有一次孕育剂的一侧加入球化包内；

其中，一次孕育剂的加入量为铁水总质量的0.3％，球化剂的加入量为铁水总质量的1.2wt％，特种孕育剂的加入量为铁水总质量的0.11wt％；微合金Ni 的加入量为铁水总质量的0.4％；微合金TiC的加入量为铁水总质量的0.2％。

其中，一次孕育剂的元素组成为：Si:72-78％；Ca 1.0-2.0％；Ba 2.0-3.0％； Al＜1.5％，其余为铁；

球化剂的元素组成为：Si 45.6％，Mg 5.1％，RE 0.242％，Ba 1.33％，Ca 0.92％，其余为铁；

特种孕育剂的元素组成为：Si 73.3％，C 8.0％，V 0.15％，Ca 0.44％，Ba1.96％， Al 0.52％，其余为铁。

(4)浇注：浇注过程加入随流孕育剂进行二次孕育，随流孕育剂的加入量为0.15wt％；浇注完成后，铸件在铸型中缓慢冷却到400℃以下(缓慢冷却的速度是15℃/min)，从铸型中清理出铸件，即为球铁件。

随流孕育剂的元素组成为：Si 72.05％，Bi 1.21％，Ca 1.35％，Al 1.08％。

得到的球铁件的成分包括C 3.72wt％，Si 2.5wt％，Mn 0.11wt％，P 0.025wt％，S 0.011wt％，V 0.0016wt％，Ni 0.4wt％，Ti 0.018wt％，Cr 0.0065wt％，Mg

对比例1

与实施例1-3的区别在于，分别不添加特种孕育剂，其他组分以及含量与实施例1-3相同。

效果实验：

1、抗拉强度，按GB/T 228.1中规定的方法检测；

2、屈服强度，按GB/T 228.1中规定的方法检测；

3、伸长率，按GB/T 228.1中规定的方法检测；

4、-20℃低温冲击韧性，按GB/T 229中规定的方法检测；具体测试结果见下表1。

表1实施例1-3以及对比例1中制备的大断面铸态铁素体球墨铸铁得相关性能

根据上表1的检测数据可以看出，实施例1-3制备的大断面铸态铁素体球墨铸铁在提高抗拉强度、屈服强度的基础上提高了-20℃低温冲击韧性，而不添加特种孕育剂的条件下，制备的大断面铸态铁素体球墨铸铁的-20℃低温冲击韧性较实施例1-3明显降低，说明特种孕育剂的加入能够在提高抗拉强度、屈服强度的基础上兼顾-20℃低温冲击韧性，拓宽了大断面铸态铁素体球墨铸铁的应用领域。

根据附图1-2的结论也可以看出，本申请实施例3制备的球墨铸铁的球化率明显高于对比例1(不添加特种孕育剂)制备的球墨铸铁。

对比例2

中国专利申请CN108300930A中实施例1公开的球铁件，将其屈服强度提高到300Mpa，检测其-20℃低温冲击韧性，具体测试结果见下表2。

表2对比例2制备的球铁件的性能检测

根据上表2的检测数据可以看出，对比例2中制备的球铁件将抗拉强度、屈服强度分别提高到420MPa和300MPa时，-20℃低温冲击韧性明显降低，说明现有技术CN108300930A中制备的球铁件不能同时兼顾抗拉强度、屈服强度以及-20℃低温冲击韧性，从而限制了球铁件的应用。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。