專利名稱：一種低合金耐熱鑄鐵及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低合金耐熱鑄鐵及其制備方法。屬于耐熱金屬材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
耐熱鑄鐵是指可以在高溫下使用，其抗氧化或抗生長(zhǎng)性能符合使用要求的鑄鐵。 由于鑄鐵又具有優(yōu)良的鑄造性能和易加工性能、價(jià)格便宜、制造方便，因而被廣泛用于制造有色金屬冶煉用坩堝、玻璃模具、爐篦條、加熱爐附件，如爐底板、換熱器等等。按主要成分的差異，目前，耐熱鑄鐵主要分為硅系耐熱鑄鐵、鉻系耐熱鑄鐵、鋁系耐熱鑄鐵以及鎳系耐熱鑄鐵。硅系耐熱鑄鐵生產(chǎn)及使用的成本較低，綜合性能和鑄造性能較好，但是其最大的難題是其脆性比較大，相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，中硅耐熱鑄鐵由于脆裂而造成的廢品率高達(dá)20 50%,這直接導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)性能和使用性能受到很大的制約。國(guó)內(nèi)外研究研究成果表明，過(guò)量的硅(高于3. 3%)溶入鐵素體會(huì)引起晶格的變形和扭曲，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力過(guò)大從而產(chǎn)生所謂的硅脆現(xiàn)象。同時(shí)，硅脆往往還伴生著氫脆現(xiàn)象。硅脆和氫脆的交互作用是硅系耐熱鑄鐵脆裂的實(shí)質(zhì)。根據(jù)上述理論，要減少硅系耐熱鑄鐵的脆性，就需要降低鑄鐵中的含硅量，然而， 這又將損害鑄鐵的耐熱性。鉻系耐熱鑄鐵具有很高的使用溫度范圍，但是鉻的價(jià)格高昂，鉻元素的大量加入也使得其成本很高。鋁系耐熱鑄鐵隨著鋁含量的增加，其耐熱性能也相應(yīng)升高，但是使用范圍不大。這是因?yàn)殇X系耐熱鑄鐵沒(méi)有滿意的加工性能，具有最低的機(jī)械性能和很大的脆性。通常，上述系列的耐熱鑄鐵需要很高的合金化程度，以保證其具有較好的抗氧化性能。但是這也相應(yīng)帶來(lái)了自然資源消耗大，生產(chǎn)成本高的問(wèn)題。耐熱鑄鐵中所含的各合金元素及其含量對(duì)材料的鑄造性能、使用性能和經(jīng)濟(jì)性具有重要影響。向鑄鐵中加入足夠的鋁、硅、鉻等元素，使鑄件表面形成一層致密的ai2O3、 SiO2, CrO3等氧化膜，這些氧化膜不僅具有很好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，而且氧化過(guò)程中離子在其中的擴(kuò)散速度也是最慢的，所以能明顯提高高溫下鑄鐵材料的抗氧化能力，同時(shí)能夠使鑄鐵的基體變?yōu)閱蜗噼F素體。此外，硅、鋁可提高相變點(diǎn)，使其在工作溫度下不發(fā)生固態(tài)相變， 可減少由此而產(chǎn)生的體積變化和顯微裂紋。鉻可形成穩(wěn)定的碳化物，提高鑄鐵的熱穩(wěn)定性。 同時(shí)，一些研究結(jié)果認(rèn)為，當(dāng)鑄鐵中的鋁含量較低時(shí)，其表面所形成的Al2O3膜層并不連續(xù)， 表層氧化皮呈疏松狀態(tài)，氧化速度仍然較大；當(dāng)鋁含量很低時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)內(nèi)氧化現(xiàn)象，因此低鋁含量的鑄鐵其抗氧化性能不會(huì)有明顯的提升。但是，從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，上述元素的加入量應(yīng)當(dāng)越少越好。所以必須綜合考慮鋁、硅、鉻等元素加入量對(duì)鑄鐵的性能和經(jīng)濟(jì)成本的影響。此外，石墨形態(tài)對(duì)抗氧化性能也很敏感。球化越好，抗氧化性也好。當(dāng)石墨呈片狀時(shí)，其在共晶團(tuán)內(nèi)相互聯(lián)結(jié)，共晶團(tuán)之間直接接觸，氧直接進(jìn)入基體內(nèi)部。因球狀石墨是孤立的，沒(méi)有這樣的通道，所以氧化生長(zhǎng)率降低。蠕蟲(chóng)狀石墨彼此間有金屬薄層隔離，碳原子向外擴(kuò)散及氧原子向內(nèi)擴(kuò)散需先經(jīng)過(guò)薄層，氧化生長(zhǎng)速度變慢。所以具有球狀石墨組織的鑄鐵其抗氧化性能要好于具有層片狀石墨結(jié)構(gòu)的鑄鐵，而具有蠕蟲(chóng)狀石墨的鑄鐵其抗氧化性能介于二者之間。馬占平等研究了低合金化的Cr-Al-Si系耐熱鑄鐵的氧化行為(馬占平，馬永慶， 關(guān)德林，劉莎.鋁對(duì)耐熱鑄鐵抗氧化性能的影響[J].機(jī)械工程材料，1994,18 ) :32-34.)， 其研究的一種合金化程度低的耐熱鑄鐵，其化學(xué)成分及其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為C 3. 05%, Al 2. 82%, Si 2. 17%, Cr :0. 62%, Mn :0. 22%, S 0. 09%, P :0. 09%。該成分耐熱鑄鐵中未含有鍶(Sr)元素，抗氧化性能有待改善；上述組分配比的耐熱鑄鐵900°C條件下，5 和 150h (外推)平均氧化速率分別為22. 367g/m2 · h和21. 110g/m2 · h。專利CN1213408A公布了兩種灰口鐵尤其是低硫灰口鐵的孕育劑組分，它包括稀土、鍶(Sr)、鈣(Ca)、鋁(Al)、硅(Si)、鐵(Fe)等，其中鍶(Sr)含量分別僅為0. 5 1. 5%、 0.7 1.0%，鋁(Al)含量分別要求不大于2.0%和0.5%，并且該項(xiàng)發(fā)明專利中的耐熱鑄鐵要求包含有稀土組分。總所周知，Sr元素的價(jià)格是比較高的，尤其是稀土元素更為昂貴， 較多的添加上述組分必然導(dǎo)致鑄鐵成本的增加。另一方面來(lái)說(shuō)，稀土元素是化學(xué)性質(zhì)非常活潑的物質(zhì)，很容易氧化失效，其儲(chǔ)存和添加的難度都比較大，步驟繁瑣，而且生產(chǎn)中在向高溫鐵水中添加時(shí)稀土元素很容易發(fā)生嚴(yán)重?zé)龘p使造成產(chǎn)品中該組分的實(shí)際含量不確定。專利CN1030613A公布了一種蠕墨鑄鐵中球狀、團(tuán)狀石墨的抑制劑及其使用方法。 該專利抑制劑的組分是60 75%的碳酸鍶(SrCO3)、15 30%的氯化鍶(SrCl2)、5 15% 的氧化鈣(CaO)，另外添加上述三種混合物總質(zhì)量40 55%的水玻璃或25 40%的石蠟 (以上均為質(zhì)量百分比)。該專利抑制劑的用量為鐵水質(zhì)量的0.04 0. 10%。該專利抑制劑處理后的鑄鐵中鍶(Sr)的含量不高于0.044% ；并且該專利抑制劑制備工序繁瑣，需要多種原材料，不符合現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中短流程化制造的發(fā)展趨勢(shì)，增加了生產(chǎn)中需要控制的因素，這也必然會(huì)增加工藝成本。同時(shí)，該專利抑制劑申明能使鐵水中較強(qiáng)烈促進(jìn)白口傾向的元素——稀土元素含量明顯降低，對(duì)稀土——鈣系蠕墨鑄鐵和稀土——鈣——鎂系蠕墨鑄鐵有較好的適應(yīng)性，這表明該項(xiàng)發(fā)明專利技術(shù)的適用性受到較大限制，并不適合其它非稀土普通鑄鐵。一種現(xiàn)有的常規(guī)鑄鐵材料，其含有的化學(xué)成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為C:2.6% ；Si 2.8% ；Cr 0. 3% ；Mn 0. 6% ；P 0. 1% ；S 0. 02% ；余量為狗。該種常規(guī)鑄鐵材料的的合金化程度低，但是其耐熱性能卻并不理想，采用該種成分的鑄鐵澆注出的有色金屬冶煉用坩堝往往因?yàn)楦邷匮趸饾u減薄，進(jìn)而發(fā)生開(kāi)裂，導(dǎo)致坩堝報(bào)廢，甚至有可能造成生產(chǎn)事故，通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，其使用壽命僅為15天左右。工廠中所使用的坩堝一般都具有較大的體積和質(zhì)量，更換起來(lái)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并需要暫停生產(chǎn)，這嚴(yán)重影響了生產(chǎn)的效率，提高了生產(chǎn)的成本。所以，迫切需要開(kāi)發(fā)一種經(jīng)濟(jì)性好，同時(shí)又具有良好抗氧化性能的耐熱鑄鐵材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于解決現(xiàn)有耐熱鑄鐵的不足，而提供一種低合金化的耐熱鑄鐵及其制備方法，以提高鑄鐵的抗氧化性能，并同時(shí)保證其具有很好的經(jīng)濟(jì)性即成本低的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明一種低合金耐熱鑄鐵，包括下述組分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比組成C :2.5 3. 5%;Si :2.5 3. 5%;
Cr :0.1 1.0%;Al :1.8 4.0%;Sr :0· 05 0. ；Mn < 1. 0% ；P < 0. 3% ；S < 0. ；余量為 Fe。本發(fā)明一種低合金耐熱鑄鐵的制備方法，包括下述步驟第一步將廢鋼、生鐵等物料分別進(jìn)行成分檢測(cè)以確定其組分含量；第二步將已確定成分的廢鋼、生鐵、鉻鐵、硅鐵、錳鐵等物料以及純鋁、鋁鍶中間合金按目標(biāo)產(chǎn)物中的化學(xué)成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比配料，C 2. 5 3. 5% ；Si 2. 5 3. 5% ；Cr 0. 1 1. 0% ；Mn 0. 4% ；P 0. 1% ；S 0. 02% ；Al 1. 8 4. 0% ；Sr 0. 05 0. ；余量為 1 ;其中，先根據(jù)Sr含量確定所需的鋁鍶中間合金質(zhì)量，再相應(yīng)計(jì)算出所需補(bǔ)充添加的純鋁的質(zhì)量；第三步將廢鋼、鉻鐵和生鐵混合由沖天爐投料口放入爐中加熱熔化后，再加入硅鐵、錳鐵，鐵水出爐溫度為1440°C 1510°C ；第四步將純鋁破碎至塊以下；將鋁鍶中間合金破碎至300g/塊以下；然后將上述純鋁塊和鋁鍶中間合金塊在150 200°C條件下烘烤0. 5 1. 5h去除表面水汽； 將純鋁置于澆包底部，然后加入鐵水，待鋁塊融化后再加入塊狀鋁鍶中間合金，并隨流加入 75SiFe孕育劑，對(duì)澆包內(nèi)溶液進(jìn)行攪拌，使鋁(Al)、鍶(Sr)元素?cái)U(kuò)散均勻；隨后進(jìn)行扒渣， 最后進(jìn)行澆注。本發(fā)明由于采用上述組分配比及制備方法，制備的耐熱鑄鐵主要特點(diǎn)是具有很低的鉻、硅以及鋁含量，并添加鋁鍶中間合金進(jìn)行多元合金化。以下就本發(fā)明低合金耐熱鑄鐵材料所添加各種組分作用機(jī)理及其相應(yīng)含量的具體限制范圍(以下均為質(zhì)量百分比)的原因進(jìn)行說(shuō)明(1)碳(C) :2· 5 3. 5%碳是促進(jìn)石墨化元素，適量增加碳含量可以強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化，有利于進(jìn)一步球化； 但是如果碳含量過(guò)高則會(huì)引起初生石墨增多，造成石墨漂浮，產(chǎn)生球化過(guò)大或者不均勻從而影響鑄鐵基體的組織及其性能。本發(fā)明低合金耐熱鑄鐵選擇將其成分中的碳含量限定在 2. 5 3. 5%的范圍內(nèi)，可以很好的發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。(2)硅(Si) :2. 5 3. 5%硅是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素，也是影響球鐵中鐵素體量的主要元素。增加硅量，可減少甚至消除鑄態(tài)組織中的碳化物；但鑄鐵中含硅量過(guò)高，則減少組織中珠光體的數(shù)量。另外，硅還可提高球鐵的抗氧化性能和抗生長(zhǎng)性能，鑄鐵中加入硅元素，能形成致密的SiO2表面氧化膜，從而提高鑄鐵的擊打表面抗氧化能力，使鑄鐵的幾何尺寸較為穩(wěn)定。但過(guò)高的硅會(huì)引起鑄鐵脆性增大，鑄鐵的沖擊值明顯下降。所以本發(fā)明低合金耐熱鑄鐵成分中硅含量限制在2. 5 3. 5%的范圍，這樣可以發(fā)揮其優(yōu)化鑄鐵抗氧化性能的作用，同時(shí)避免了增加鑄件的脆性。(3)錳(Mn) :1.0% 或更少錳是弱碳化物形成元素，在共析轉(zhuǎn)變過(guò)程中，促進(jìn)珠光體轉(zhuǎn)變，穩(wěn)定和細(xì)化珠光體。本發(fā)明為了控制鑄態(tài)下自由滲碳體的數(shù)量和保證基體為珠光體，硅和錳的合理匹配很重要，確定的合適的錳含量為不大于1.0%。由于錳的價(jià)格較高，本發(fā)明低合金耐人鑄鐵僅添加少量的錳，這也有利于進(jìn)一步降低成本。(4)鉻(Cr) :0. 1 1. 0%鉻是單一鐵素體形成元素，并有利于石墨球化。鉻能穩(wěn)定碳化物，與硅相似，也能提高共析轉(zhuǎn)變溫度。鑄鐵中加入鉻能促進(jìn)珠光體的生成，提高鑄鐵的硬度。鉻也能在鑄鐵表面形成致密的CrO3氧化膜，提高耐熱鑄鐵的抗氧化性能。鉻同時(shí)還具有穩(wěn)定并細(xì)化珠光體的作用。但是鉻是縮小共晶溫度區(qū)域元素，鉻容易形成鐵鉻碳化物、促進(jìn)白口。另一方面鉻的價(jià)格非常昂貴，而且熔化較困難、收得率低，所以本發(fā)明低合金耐人鑄鐵中鉻含量應(yīng)控制在0. 1. 0%的范圍是比較合適的。(5)磷(P) :0.3% 或更少磷易在晶界處析出磷共晶，顯著地降低常溫韌性。應(yīng)嚴(yán)格控制爐料、合金材料和處理劑中的磷量。鐵液中的含磷量應(yīng)嚴(yán)格控制。當(dāng)P含量高時(shí)，出現(xiàn)網(wǎng)狀磷化物組織，這種組織脆性大且熔點(diǎn)低，分布在晶界上，降低鑄鐵塑性。磷化物易受外界高溫影響，使體積增大或熔化，降低鑄鐵強(qiáng)度或促使鑄鐵生長(zhǎng)和變形。所以，從理論上講，一般希望能盡可能降低磷的含量。但是這又不得不顧及到工藝可行性和生產(chǎn)成本的問(wèn)題，所以綜合考慮本發(fā)明要求控制磷含量不大于0.3%。(6)硫(S) 0. 或更少硫含量高時(shí)，易產(chǎn)生熱裂，球化不良，此外，硫會(huì)與鑄鐵中的Al、Mn、！^e作用形成 Al2S3、MnS和FeS夾雜物。所以，應(yīng)嚴(yán)格控制爐.料和燃料的含硫量，鐵液中的含硫量應(yīng)盡可能少。本發(fā)明低合金鑄鐵中硫含量宜低于0.1%。(7)鋁(Al) :1.8 4.0%鋁能促進(jìn)石墨化，有利于形成單一鐵素體。鋁含量為1 7%或18 時(shí)，有利于促進(jìn)石墨化，在Al含量為8 18 %范圍內(nèi)，則阻礙石墨化；當(dāng)Al > 25 %時(shí)，則產(chǎn)生Al4C3， 組織。鋁含量為20 M%的鑄鐵，處于第二個(gè)石墨化區(qū)，這對(duì)鑄鐵球化有利。同時(shí)，鋁容易擴(kuò)散到材料表面形成致密的Al2O3膜，可以阻礙鐵原子向表面擴(kuò)散，因此，含鋁鑄鐵具有良好的抗氧化性和抗生長(zhǎng)性。另外，鋁還具有脫氧和細(xì)化晶粒的作用。雖然中大量添加鋁元素能很好的提高鑄鐵的抗氧化性能，而這必然大幅度提高耐熱鑄鐵的成本；一般來(lái)說(shuō)，若僅向鑄鐵中添加極少的鋁則起不到滿意的抗氧效果。雖然本發(fā)明低合金耐熱鑄鐵中鋁含量為1. 8 4. 0%，這實(shí)際是非常低的范圍，但是，由于本發(fā)明中適量添加了鍶等組分的配合作用，所以仍能起到很好的抗氧化能力。(8)鍶(Sr) 0. 05 0.鍶具有很強(qiáng)的石墨化能力和消除白口能力，而不增加共晶團(tuán)的數(shù)量，因而有利于改善鑄鐵件中石墨的形態(tài)和分布狀況。在本發(fā)明低合金耐熱鑄鐵的組分中含有1.8 4. 0%的鋁、0. 1 1. 0%的鉻和2. 5 3. 5%的硅，適量加入鍶元素可以起到細(xì)化晶粒、阻礙碳化物生長(zhǎng)的作用，同時(shí)還可以提高鑄件產(chǎn)品的致密度，提高其使用性能。綜合考慮，合理的鍶含量為0. 05 0. 1 %。本發(fā)明充分利用鋁和鋁鍶中間合金球化處理的配合作用，使鑄鐵中形成穩(wěn)定的鐵素體組織，提高了低鋁合金化鑄鐵表面富鋁保護(hù)膜層的致密度和強(qiáng)度，因而保護(hù)膜層不易破裂和剝落，從而減少了通過(guò)氧化膜層的擴(kuò)散，使氧化速度降低；其次，向原成分鑄鐵中添加了少量的鋁和微量鍶，提高了鑄鐵的石墨化程度，并促進(jìn)石墨由細(xì)長(zhǎng)片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小球狀，這樣有效切斷了氧在高溫條件下向鑄鐵內(nèi)部入侵的通道，減緩或阻止了鑄鐵內(nèi)部組織的繼續(xù)氧化。此外，由于低的鋁含量和鍶的配合作用，也細(xì)化了氧化皮的晶粒，提高了氧化皮的韌性，增強(qiáng)了氧化皮與基體的結(jié)合力，減少或消除了氧化層中的微孔洞，這些原因使氧化皮不易剝落，有效地降低了基體的繼續(xù)氧化。在擁有相對(duì)于其它常規(guī)耐熱鑄鐵非常低的鉻、鋁和硅等元素的含量、降低了鑄鐵成本的同時(shí)仍具有非常優(yōu)異的抗氧化性能。相對(duì)于原有成分的鑄鐵材料，本發(fā)明低合金耐熱鑄鐵僅增加了少量的鋁(1.8 4.0%)和鍶 (0. 05 0. )元素，成本僅提高不到5%，但是其抗氧化性能大幅度提高，而且不會(huì)損害鑄鐵原有的機(jī)械性能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明低合金耐熱鑄鐵主要具有以下優(yōu)點(diǎn)1、合金化程度非常低的同時(shí)具有非常出色的抗氧化能力，高溫使用性能良好。2、成本較低，經(jīng)濟(jì)性好。不需要像現(xiàn)有常規(guī)耐熱鑄鐵那樣加入較多的合金元素， 硅、鉻、鋁、鍶、錳等組分添加量很少，尤其是價(jià)格高昂的鉻加入量非常少。也沒(méi)有使用稀土孕育劑。3、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便易行。所需原材料采購(gòu)方便，由于添加的合金種類及數(shù)量較少，降低了生產(chǎn)制備的難度，生產(chǎn)的鑄件可以不經(jīng)退火等后續(xù)熱處理步驟即可使用。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，使用本發(fā)明優(yōu)選的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為C 2. 7% ；Si 2. 9% ；Cr 0. 3% ；Mn :0. 6% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al 3. 0% ；Sr :0. 075% ；余量為 Fe 的新型低合金耐熱鑄鐵鑄造的坩堝等鑄件可以在其使用條件下服役40 45天，比原有成分鑄鐵(不含鋁和鍶元素)坩堝使用壽命延長(zhǎng)一倍以上。綜上所述，本發(fā)明工藝方法簡(jiǎn)單、操作方便，可以有效提高鑄鐵的高溫抗氧化性能，并同時(shí)保證其具有很好的經(jīng)濟(jì)性即成本低的優(yōu)勢(shì)；可以適應(yīng)各種需經(jīng)受重復(fù)加熱和冷卻的應(yīng)用過(guò)程，例如有色金屬冶煉用坩堝、爐排、鍍鋅槽、臺(tái)架等。適于工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1(a)為原有的化學(xué)成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為C :2.6% ;Si :2. 8% ;Cr :0. 3% ;Μη: 0. 6% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；余量為!^e的鑄鐵氧化前的金相顯微組織像。圖1(b)為原有的化學(xué)成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為C :2.6% ;Si :2. 8% ;Cr :0. 3% ;Μη: 0. 6% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；余量為!^e的鑄鐵氧化后的金相顯微組織像。
1(c)為原有的化學(xué)成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為C :2.6% ;Si :2. 8% ;Cr :0. 3% ;Μη: 0. 6% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；余量為!^e的鑄鐵氧化前后的宏觀形貌像。圖2(a)為本發(fā)明提出的一種化學(xué)成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為C:3.5% ；Si 3.5% ； Cr 1. 0% ；Mn :0. 4% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al :4. 0% ；Sr :0. 1% ；余量為 Fe。并采用鋁鍶中間合金球化處理的低合金耐熱鑄鐵，氧化前的金相顯微組織像。圖2(b)為本發(fā)明提出的一種化學(xué)成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為C:3.5% ；Si 3.5% ； Cr 1. 0% ；Mn :0. 4% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al :4. 0% ；Sr :0. 1% ；余量為 Fe。并采用鋁鍶中間合金球化處理的低合金耐熱鑄鐵，氧化后的金相顯微組織像。圖2(c)為本發(fā)明提出的一種化學(xué)成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為C:3.5% ；Si 3.5% ；Cr 1. 0% ；Mn :0. 4% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al :4. 0% ；Sr :0. 1% ；余量為 Fe。并采用鋁鍶中間合金球化處理的低合金耐熱鑄鐵，氧化后的宏觀形貌像。圖3(a)為本發(fā)明提出的一種化學(xué)成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為C:2.7% ；Si 2.9% ； Cr 0. 3% ；Mn :0. 4% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al :3. 0% ；Sr :0. 075% ；余量為 Fe，并采用鋁鍶中間合金球化處理的低合金耐熱鑄鐵，氧化前的金相顯微組織像。圖3(b)為本發(fā)明提出的一種化學(xué)成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為C:2.7% ；Si 2.9% ； Cr 0. 3% ；Mn :0. 4% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al :3. 0% ；Sr :0. 075% ；余量為 Fe，并采用鋁鍶中間合金球化處理的低合金耐熱鑄鐵，氧化后的金相顯微組織像。圖3(c)為本發(fā)明提出的一種化學(xué)成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為C:2.7% ；Si 2.9% ； Cr 0. 3% ；Mn :0. 4% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al :3. 0% ；Sr :0. 075% ；余量為 Fe，并采用鋁鍶中間合金球化處理的低合金耐熱鑄鐵，氧化后的宏觀形貌像。圖4(a)為本發(fā)明提出的一種化學(xué)成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為C:2.5% ；Si 2.5% ； Cr 0. 1% ；Mn :0. 4% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al :1. 8% ；Sr :0. 05% ；余量為 Fe。并采用鋁鍶中間合金球化處理的低合金耐熱鑄鐵，氧化前的金相顯微組織像。圖4(b)為本發(fā)明提出的一種化學(xué)成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為C:2.5% ；Si 2.5% ； Cr 0. 1% ；Mn :0. 4% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al :1. 8% ；Sr :0. 05% ；余量為 Fe。并采用鋁鍶中間合金球化處理的低合金耐熱鑄鐵，氧化后的金相顯微組織像。圖4(c)為本發(fā)明提出的一種化學(xué)成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為C:2.5% ；Si 2.5% ； Cr 0. 1% ；Mn :0. 4% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al :1. 8% ；Sr :0. 05% ；余量為 Fe。并采用鋁鍶中間合金球化處理的低合金耐熱鑄鐵，氧化后的宏觀形貌像。圖5(a) —種低合金化耐熱鑄鐵材料，其含有的化學(xué)成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為C: 2. 6% ；Si 2. 8% ；Cr 0. 4% ；Mn 0. 4% ；P 0. 1% ；S 0. 02% ；Al 3. 0% ；余量為 Fe，但未采用鋁鍶中間合金進(jìn)行球化處理的鑄鐵，氧化前的金相顯微組織像。圖5(b) —種低合金化耐熱鑄鐵材料，其含有的化學(xué)成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為C 2. 6% ；Si 2. 8% ；Cr 0. 4% ；Mn 0. 4% ；P 0. 1% ；S 0. 02% ；Al 3. 0% ；余量為 Fe，但未采用鋁鍶中間合金進(jìn)行球化處理的鑄鐵，氧化后的金相顯微組織像。圖5(c) —種低合金化耐熱鑄鐵材料，其含有的化學(xué)成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為C 2. 6% ；Si 2. 8% ；Cr 0. 4% ；Mn 0. 4% ；P 0. 1% ；S 0. 02% ；Al 3. 0% ；余量為 Fe，但未采用鋁鍶中間合金進(jìn)行球化處理的鑄鐵，氧化后的宏觀形貌像。從圖1(a)可以看出該組分試樣氧化前的顯微組織中的石墨主要以長(zhǎng)片狀形式存在，分布很不均勻，并且很多長(zhǎng)片狀石墨相互連通或纏結(jié)在一起。從圖1(b)中可以看出，經(jīng)氧化試驗(yàn)后樣品表面形成了非常厚的氧化層，氧化層內(nèi)產(chǎn)生了大量的孔洞，連通、纏結(jié)的片狀石墨成為氧化繼續(xù)向內(nèi)部深入進(jìn)行的通道。從圖1(c)中可以看出該組分試樣氧化時(shí)有嚴(yán)重的氧化層剝落現(xiàn)象。這說(shuō)明原成分鑄鐵(不含有鋁和鍶元素)其抗氧化性能很差。從圖2(a)可以看出該組分試樣氧化前的顯微組織中的石墨化程度與原有成分鑄鐵相比顯著提高，長(zhǎng)片狀石墨有所減少，出現(xiàn)了較多的球狀石墨，但這些球狀石墨尺寸不太均勻。從圖2(b)中可以看出，添加了 1. 8%的鋁和0. 075%的鍶后試樣在高溫下形成了比較致密、牢固的富鋁保護(hù)膜層，經(jīng)氧化試驗(yàn)后試樣表面只形成了很薄的、不連續(xù)的氧化層。從圖2(c)中可以看出經(jīng)氧化后該組分試樣表面整體氧化狀況很好。這說(shuō)明本發(fā)明的低合金成分鑄鐵(含有鋁和鍶元素)其抗氧化性能很好。從圖3(a)可以看出該組分試樣氧化前的顯微組織中的石墨化程度與原有成分鑄鐵相比明顯提高，主要形成了大量細(xì)小的球狀石墨，并且分布很均勻。從圖3(b)中可以看出，添加了 3.0%的鋁和0.075%的鍶后試樣在高溫下形成了非常致密、牢固的富鋁保護(hù)膜層。并且細(xì)小的球狀石墨不能形成氧向樣品內(nèi)部擴(kuò)散的通道， 經(jīng)氧化試驗(yàn)后試樣表面只出現(xiàn)了極少量、不連續(xù)的氧化現(xiàn)象。從圖3(c)中可以看出經(jīng)氧化后該組分試樣表面整體氧化狀況非常好。這說(shuō)明本發(fā)明的低合金成分鑄鐵(含有鋁和鍶元素)其抗氧化性能很好。這說(shuō)明本發(fā)明的低合金成分鑄鐵(含有較高鋁含量和鍶含量)其抗氧化性能非常好。從圖4(a)可以看出該組分試樣氧化前的顯微組織中的石墨化程度與原有成分鑄鐵相比有一定提高，主要形成了較多細(xì)長(zhǎng)的片狀石墨和少量的球狀石墨。從圖4(b)中可以看出，添加了 3. 0%的鋁和0. 05%的鍶后試樣在高溫下形成的富鋁保護(hù)膜層雖然比較致密、牢固但是明顯不如含有較多鍶(含量為0.075%)的試樣，經(jīng)氧化試驗(yàn)后試樣表面出現(xiàn)了較淺的氧化現(xiàn)象。但是，試樣表層組織中存在的長(zhǎng)片狀石墨為氧向內(nèi)部擴(kuò)散提供了通道，促進(jìn)了氧化。從圖4(c)中可以看出，試樣經(jīng)氧化后，表面氧化情況較好，但比鍶含量為0.075% 的低合金耐熱鑄鐵要差，這說(shuō)明當(dāng)鍶含量較少時(shí)本低合金耐熱鑄鐵的抗氧化性能也下降。從圖5(a)可以看出該組分試樣氧化前的顯微組織中的石墨化程度與原有成分鑄鐵相比沒(méi)有明顯的提高，但石墨仍主要以細(xì)長(zhǎng)的片狀石墨和細(xì)小的球狀石墨的形式存在。從圖5(b)中可以看出，經(jīng)氧化試驗(yàn)后試樣表面出現(xiàn)了較淺的氧化現(xiàn)象。經(jīng)氧化試驗(yàn)后樣品表面形成了一層比較厚的氧化層，氧化層內(nèi)出現(xiàn)了一些較小的孔洞，并有連通、擴(kuò)展的發(fā)展趨勢(shì)。連通、纏結(jié)的片狀石墨成為氧化繼續(xù)向內(nèi)部深入進(jìn)行的通道。這說(shuō)明僅添加了 3. 0%的鋁而未添加鍶的試樣在高溫下形成的富鋁保護(hù)膜層比較疏松、明顯不如同時(shí)含有鋁和鍶的試樣所形成的富鋁保護(hù)膜層牢固，從而其抗氧化性能不太理想。從圖5(c)中可以看出該組分試樣氧化時(shí)有一定程度的氧化層剝落現(xiàn)象，但要好于原成分鑄鐵(不含有鋁和鍶元素)。這說(shuō)明鍶的存在對(duì)于本低合金耐熱鑄鐵的抗氧化性能有重要影響，當(dāng)鍶含量較少時(shí)本低合金耐熱鑄鐵的抗氧化性能也下降。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合對(duì)比例及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述對(duì)比例一種現(xiàn)有的常規(guī)鑄鐵材料(不含鋁和鍶元素)，其含有的化學(xué)成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為:C 2. 6% ；Si 2. 8% ；Cr :0. 3% ；Mn :0. 6% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；余量為 Fe。將廢鋼、鉻鐵、生鐵、硅鐵按目標(biāo)產(chǎn)物中的化學(xué)成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比進(jìn)行配料，采用沖天爐進(jìn)行熔煉。采用粒度為3 IOmm的75SWe隨流沖入進(jìn)行孕育處理，進(jìn)行扒渣等工序處理后進(jìn)行澆注并取樣。所取試樣冷卻到500 600°C時(shí)(呈暗紅色時(shí))將其從砂型中取出并水淬。 將冷卻后的樣品加工成OlOXlOmm的試樣，測(cè)定其硬度值和抗氧化性能。其中，抗氧化性能測(cè)定在SiC電阻爐中進(jìn)行，氧化實(shí)驗(yàn)溫度為850°C，氧化實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為100h。測(cè)得試樣的硬度值為200HB ；之后測(cè)定試樣的氧化速率和生長(zhǎng)率分別為14. 00g/m2 · h，13. 62%。實(shí)施例一本發(fā)明提供的一種低合金化耐熱鑄鐵材料，其含有的化學(xué)成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為:C 3. 5% ；Si 3. 5% ；Cr :1. 0% ；Mn :0. 4% ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al :4. 0% ；Sr 0. 1%;余量為狗。將廢鋼、鉻鐵、生鐵、硅鐵、純鋁、鋁鍶中間合金(Al-IOSr中間合金)按目標(biāo)產(chǎn)物中的化學(xué)成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比進(jìn)行配料，在150 200°C烘烤0. 5 1. 5h去除表面水汽，采用沖天爐進(jìn)行熔煉。其中，將所配的純鋁提前放置于澆包底部再放鐵水進(jìn)入澆包，待鋁塊融化后再加入塊狀鋁鍶中間合金，之后隨流沖入粒度為3 IOmm的75SWe孕育劑，然后迅速對(duì)澆包內(nèi)鐵合金液進(jìn)行充分?jǐn)嚢杓slmin，使Al、Sr元素?cái)U(kuò)散均勻。進(jìn)行扒渣等工序處理后，于1440°C進(jìn)行澆注并取樣。所取試樣冷卻到500 600°C時(shí)(呈暗紅色時(shí))將其從砂型中取出并水淬。將冷卻后的樣品加工成ΦΙΟΧΙΟπιπι的試樣，測(cè)定其硬度值和抗氧化性能。其中，抗氧化性能測(cè)定在SiC電阻爐中進(jìn)行，氧化實(shí)驗(yàn)溫度為850°C，氧化實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為100h。測(cè)得試樣的硬度值為223HB ；之后測(cè)定試樣的氧化速率和生長(zhǎng)率分別為1. 31g/ τα · h，3. 96%。實(shí)施例二本發(fā)明提供的一種低合金化耐熱鑄鐵材料，其含有的化學(xué)成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為:C 2. 7% ；Si 2. 9% ；Cr 0. 3% ；Mn :0. 4 ；P :0. 1% ；S :0. 02% ；Al 3. 0% ；Sr 0. 075%;余量為狗。將廢鋼、鉻鐵、生鐵、硅鐵、純鋁、鋁鍶中間合金(Al-IOSr中間合金)按目標(biāo)產(chǎn)物中的化學(xué)成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比進(jìn)行配料，在150 200°C烘烤0. 5 1. 5h去除表面水汽，采用沖天爐進(jìn)行熔煉。其中，將所配的純鋁提前放置于澆包底部再放鐵水進(jìn)入澆包， 待鋁塊融化后再加入塊狀鋁鍶中間合金，之后隨流沖入粒度為3 IOmm的75SWe孕育劑， 然后迅速對(duì)澆包內(nèi)鐵合金液進(jìn)行充分?jǐn)嚢杓slmin，使Al、Sr元素?cái)U(kuò)散均勻。進(jìn)行扒渣等工序處理后，于1480°C進(jìn)行澆注并取樣。進(jìn)行扒渣等工序處理后進(jìn)行澆注并取樣。將冷卻后的樣品加工成OlOXlOmm的試樣，測(cè)定其硬度值和抗氧化性能。其中，抗氧化性能測(cè)定在 SiC電阻爐中進(jìn)行，氧化實(shí)驗(yàn)溫度為850°C，氧化實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為100h。測(cè)得試樣的硬度值為203HB ；之后測(cè)定試樣的氧化速率和生長(zhǎng)率分別為0. 34g/m2 · h，2. 36%。實(shí)施例三一種低合金化耐熱鑄鐵材料，其含有的化學(xué)成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為 C 2. 5% ；Si 2. 5% ；Cr 0. 1% ；Mn 0. 4% ；P 0. 1% ；S 0. 02% ；Al 1. 8% ；Sr 0. 05% ；余量為1^。將廢鋼、鉻鐵、生鐵、硅鐵、純鋁、鋁鍶中間合金(Al-IOSr中間合金)按目標(biāo)產(chǎn)物中的化學(xué)成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比進(jìn)行配料，在150 200°C烘烤0. 5 1.證去除表面水汽，采用沖天爐進(jìn)行熔煉。其中，將所配的純鋁提前放置于澆包底部再放鐵水進(jìn)入澆包，待鋁塊融化后再加入塊狀鋁鍶中間合金，之后隨流沖入粒度為3 IOmm的75SWe孕育劑，然后迅速對(duì)澆包內(nèi)鐵合金液進(jìn)行充分?jǐn)嚢杓slmin，使Al、Sr元素?cái)U(kuò)散均勻。進(jìn)行扒渣等工序處理后，于 1510°C進(jìn)行澆注并取樣。進(jìn)行扒渣等工序處理后進(jìn)行澆注并取樣。將冷卻后的樣品加工成 Φ 10 X IOmm的試樣，測(cè)定其硬度值和抗氧化性能，其中氧化性能測(cè)定在SiC電阻爐中進(jìn)行， 氧化實(shí)驗(yàn)溫度為850°C，氧化實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為100h。測(cè)得試樣的硬度值為209HB。測(cè)得試樣的氧化速率和生長(zhǎng)率分別為5. 72g/m2 · h，7. 91%。實(shí)施例四一種低合金化耐熱鑄鐵材料，其含有的化學(xué)成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為 C 2. 6% ；Si 2. 8% ；Cr 0. 4% ；Mn 0. 4% ；P 0. 1% ；S 0. 02% ；Al 3. 0% ；余量為 Fe。將廢鋼、鉻鐵、生鐵、硅鐵、純鋁(按目標(biāo)產(chǎn)物中的化學(xué)成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比進(jìn)行配料，在150 200°C烘烤0. 5 1. 5h去除表面水汽，采用沖天爐進(jìn)行熔煉，。其中，將所配的純鋁提前放置于澆包底部再放鐵水進(jìn)入澆包，采用粒度為3 IOmm的75SWe隨流沖入進(jìn)行孕育處理， 進(jìn)行扒渣等工序處理后，于1490°C進(jìn)行澆注并取樣。將冷卻后的樣品加工成Φ IOXlOmm的試樣，測(cè)定其硬度值和抗氧化性能。其中，抗氧化性能測(cè)定在SiC電阻爐中進(jìn)行，氧化實(shí)驗(yàn)溫度為850°C，氧化實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為100h。測(cè)得試樣的硬度值為206HB。之后測(cè)定試樣的氧化速率和生長(zhǎng)率分別為9 · 31g/m2 · h，10. 9%。 將本發(fā)明實(shí)施例1-4所制備的低合金化耐熱鑄鐵材料與對(duì)比例制備的進(jìn)行比較， 可以明顯看出本發(fā)明制備的低合金化耐熱鑄鐵材料硬度較對(duì)比例制備的合金略有提高， 但是氧化速率和生長(zhǎng)率則遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)比例制備的合金。
權(quán)利要求
1.一種低合金耐熱鑄鐵，包括下述組分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比組成 C :2· 5 3. 5% ；Si 2. 5 3. 5% ； Cr 0. 1 1. 0% ； Al 1. 8 4. 0% ； Sr 0. 05 0. ； Mn < 1. 0% ； P < 0. 3% ； S < 0. 1% ；余量為 Fe。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低合金耐熱鑄鐵，包括下述組分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比組成 C :2· 6 3. 2% ；Si 2. 6 3. 2% ； Cr 0. 2 0. 5% ； Al 2. 5 3. 5% ； Sr 0. 06 0. 89% ； Mn < 0. 8% ； P < 0. 2% ；S < 0. 05% ；余量為 Fe。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低合金耐熱鑄鐵，包括下述組分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比組成 C 2. 7% ；Si 2. 9% ；Cr 0. 3% ；Al 3. 0% ；Sr 0. 075% ；Mn < 0. 6% ；P < 0. 1% ；S < 0. 02% ；余量為 Fe。
4.制備如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的一種低合金耐熱鑄鐵的方法，包括下述步驟 第一步將廢鋼、生鐵等物料分別進(jìn)行成分檢測(cè)以確定其組分含量；第二步將已確定成分的廢鋼、生鐵、鉻鐵、硅鐵、錳鐵等物料以及純鋁、鋁鍶中間合金按目標(biāo)產(chǎn)物中的化學(xué)成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比配料，C :2. 5 3. 5% ；Si 2. 5 3. 5% ；Cr :0. 1 1. 0% ；Mn 0. 4% ；P 0. 1% ；S 0. 02% ；Al 1. 8 4. 0% ；Sr 0. 05 0. ；余量為 Fe ；其中，先根據(jù)Sr含量確定所需的鋁鍶中間合金質(zhì)量，再相應(yīng)計(jì)算出所需補(bǔ)充添加的純鋁的質(zhì)量；第三步將廢鋼、鉻鐵和生鐵混合由沖天爐投料口放入爐中加熱熔化后，再加入硅鐵、 錳鐵，鐵水出爐溫度為1440°C 1510°C ；第四步將純鋁破碎至不大于塊；將鋁鍶中間合金破碎至不大于300g/塊；然后將上述純鋁塊和鋁鍶中間合金塊在150 200°C條件下烘烤0. 5 1. 5h去除表面水汽； 將純鋁置于澆包底部，然后加入鐵水，待鋁塊融化后再加入塊狀鋁鍶中間合金，并隨流加入75SWe孕育劑，對(duì)澆包內(nèi)溶液進(jìn)行攪拌，使鋁(Al)、鍶(Sr)元素?cái)U(kuò)散均勻；隨后進(jìn)行扒渣、澆注。
全文摘要
一種低合金耐熱鑄鐵，成分為C2.5～3.5％；Si2.5～3.5％；Cr0.1～1.0％；Mn＜1.0％；P＜0.3％；S＜0.1％；Al1.8～4.0％；Sr0.05～0.1％；余量為Fe。其制備方法是將廢鋼、鉻鐵、生鐵、硅鐵、純鋁、鋁鍶中間合金按目標(biāo)產(chǎn)物中化學(xué)成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比進(jìn)行配料、熔煉，其中，純鋁提前放置于澆包底部，待鋁塊融化后加入鋁鍶中間合金，隨流沖入75SiFe孕育劑，攪拌后扒渣、澆注；本發(fā)明采用低的鋁含量配合以鋁鍶中間合金對(duì)鐵水進(jìn)行球化處理；高溫下，促使鑄鐵表面形成保護(hù)膜層。本發(fā)明工藝方法簡(jiǎn)單、操作方便，生產(chǎn)成本低，綜合機(jī)械性能良好，抗氧化性能高；適應(yīng)各種需經(jīng)受重復(fù)加熱和冷卻的應(yīng)用過(guò)程，例如有色金屬冶煉用坩堝、爐排等。適于工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C22C33/08GK102337452SQ201110257989
公開(kāi)日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者宋陽(yáng), 曾敏, 李慧中, 李立, 梁霄鵬 申請(qǐng)人:中南大學(xué)