專利名稱：一種高強度灰鑄鐵強化劑及其強化處理工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
新材料-本發(fā)明“ 一種高強度灰鑄鐵強化劑”涉及一種提高灰鑄鐵強度所用的新型強化劑，特別是涉及一種高強度灰鑄鐵的制備技術(shù)。
背景技術(shù)：
灰鑄鐵具有耐磨、耐熱、耐氧化、耐腐蝕、耐酸堿及好的減震性。同時，與其它合金相比具有熔點低、充型性好、加工性好、生產(chǎn)設(shè)施和成型過程簡單以及成本低廉的優(yōu)勢。因此，長期以來灰鑄鐵在鑄鐵件中占非常大的比重(灰鑄鐵件曾經(jīng)占世界鑄鐵件產(chǎn)量的70%左右)。但由于其極限強度較低，其應用范圍受到限制。為了保持灰鑄鐵在鑄鐵件中的主導地位，必須提高其極限強度。因此，提高灰鑄鐵強度一直是世界鑄鐵界的重大理論與技術(shù)難題。 世界鑄鐵界的廣大科研工作者和工程技術(shù)人員一直致力于提高灰鑄鐵的強度，在優(yōu)化灰鑄鐵成分設(shè)計、微合金化元素組成等方面開展了大量研究工作(主要是通過加入一定量的鉻、鑰、銅、鎳、釩和稀土等合金元素)，使灰鑄鐵的強度不斷提高，目前，世界上報道的微合金化灰鑄鐵在潮模砂型中澆注出的直徑30毫米、長度280毫米的標準試棒的抗拉強度最高值已達到395兆帕，詳見發(fā)明專利“微合金化高強度灰鑄鐵”(專利號2005100168785)，還沒達到400兆帕以上。當前，公認的提高灰鑄鐵強度的主要途徑有如下四個方面(I)增加初生奧氏體枝晶的個數(shù)；(2)細化珠光體片間距；(3)細化石墨、使石墨彎曲和鈍化；(4)細化共晶團。釩、鈦具有增加初生奧氏體枝晶個數(shù)；細化珠光體片間距；細化石墨、使石墨彎曲、鈍化和細化共晶團的作用。同時，國家發(fā)改委在《釩鈦資源綜合利用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中指出，目前，釩鈦資源綜合利用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要問題是釩鈦產(chǎn)業(yè)仍然存在資源開發(fā)粗放、利用水平不高，深度加工不足、未形成集聚優(yōu)勢，產(chǎn)品檔次較低、創(chuàng)新能力不強，工藝裝備落后、環(huán)境污染嚴重等問題；發(fā)展形勢從國際看，世界其他國家釩鈦產(chǎn)品生產(chǎn)消費量基本保持穩(wěn)定，發(fā)達國家在尖端技術(shù)對我國實行封鎖，亟需在高端產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和應用上有所突破。從國內(nèi)看，經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型對產(chǎn)品質(zhì)量提出更高要求，迫切要求釩鈦產(chǎn)業(yè)加快轉(zhuǎn)變方式、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級。技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明的目的在于滿足現(xiàn)代質(zhì)量的要求，提供一種高強度灰鑄鐵強化劑及其強化處理工藝，所述的強化劑是一種新型的含釩、鈦的強化劑，將本發(fā)明強化劑加入到灰鑄鐵鐵水中，使灰鑄鐵獲得等軸的網(wǎng)絡框架結(jié)構(gòu)的初生奧氏體枝晶，且枝晶細小、個數(shù)增多；珠光體團簇的層片厚度變薄、片間距減小，且交錯排布；石墨個數(shù)增多、細小、彎曲、尖角鈍化；共晶團尺寸減小的組織，使灰鑄鐵的強度的到了顯著提高，標準試棒的抗拉強度達到了 400兆帕。本發(fā)明的上述目的是這樣實現(xiàn)的發(fā)明一種重量百分比化學成分為V :10-19;Ti :6-8 ；N 8-9 ；RE :3_5 ；Ca :3_5 ;其余為Si的高強度灰鑄鐵強化劑。將本發(fā)明強化劑加入到含有C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Sn的灰鑄鐵鐵水中，強化劑中的元素溶入到灰鑄鐵的鐵水中，
得到了一種高強度灰鑄鐵。采用本發(fā)明強化劑處理的高強度灰鑄鐵的鑄態(tài)組織與目前世界的主流技術(shù)-采用硅鐵孕育處理的加Mo合金化高強度灰鑄鐵(含有C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Sn元素)相t匕，初生奧氏體由普通的粗大、非等軸枝晶(參閱

圖1(a)所示)轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S網(wǎng)絡框架結(jié)構(gòu)枝晶，且枝晶細小、個數(shù)增多(參閱圖1(b)所示)；珠光體由大片間距、厚的鐵素體和滲碳體層片(參閱圖2(a)所示)轉(zhuǎn)變?yōu)樾∑g距和薄的鐵素體與滲碳體層片(參閱圖2(b)所示)，且兩個珠光體團簇晶界處的層片由按大角排布(參閱圖2 (a)所示)轉(zhuǎn)變?yōu)樾〗桥挪?參閱圖2(b)所示)；石墨由個數(shù)少、粗大、平直、尖角尖銳(參閱圖3(a)所示)轉(zhuǎn)變?yōu)閭€數(shù)增多、細小、彎曲、尖角鈍化(參閱圖3(b)所示)；共晶團由個數(shù)少、尺寸大(參閱圖4(a)所示)轉(zhuǎn)變?yōu)閭€數(shù)多、尺寸小(參閱圖4(b)所示)。組織的轉(zhuǎn)變使灰鑄鐵的強度得到了意想不到的提高，標準試棒的抗拉強度達到了 400兆帕。
本發(fā)明強化劑具有的主要技術(shù)優(yōu)點是使灰鑄鐵的組織發(fā)生了意想不到的轉(zhuǎn)變，初生奧氏體由普通的粗大、非等軸枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S網(wǎng)絡框架結(jié)構(gòu)枝晶，且枝晶細小、個數(shù)增多；珠光體由大片間距、厚的鐵素體和滲碳體層片轉(zhuǎn)變?yōu)樾∑g距和薄的鐵素體與滲碳體層片，且兩個珠光體團簇晶界處的層片由按大角排布轉(zhuǎn)變?yōu)樾〗桥挪迹皇蓚€數(shù)少、粗大、平直、尖角尖銳轉(zhuǎn)變?yōu)閭€數(shù)多、細小、彎曲、尖角鈍化；共晶團由個數(shù)少、尺寸大轉(zhuǎn)變?yōu)閭€數(shù)多、尺寸小。由主要技術(shù)優(yōu)點帶來的效果是組織的轉(zhuǎn)變使灰鑄鐵的強度得到了顯著地提高，標準試棒的抗拉強度達到了 400兆帕，而采用硅鐵孕育處理的加Mo合金化高強度灰鑄鐵的標準試棒的最高抗拉強度僅為350兆帕。同時，帶來的經(jīng)濟、社會效益優(yōu)勢是采用本發(fā)明強化劑處理的高強度灰鑄鐵的每噸材料成本比采用硅鐵孕育處理的加Mo合金化高強度灰鑄鐵大約節(jié)省150-300人民幣元。同時，使我國釩鈦資源利用有了新的突破，提高了我國釩鈦資源創(chuàng)新利用的水平和提升了產(chǎn)品檔次。因此，經(jīng)濟效益和社會效益十分顯著。圖例說明圖I是初生奧氏體枝晶形態(tài)，其中圖1(a)是硅鐵孕育處理的加Mo合金化高強度灰鑄鐵的普通、粗大、非等軸網(wǎng)絡框架結(jié)構(gòu)奧氏體枝晶；圖1(b)是本發(fā)明強化劑處理的高強度灰鑄鐵的奧氏體枝晶為等軸網(wǎng)絡框架結(jié)構(gòu)，且枝晶細小。圖2珠光體形態(tài)，其中圖2 (a)是硅鐵孕育處理的加Mo合金化高強度灰鑄鐵的珠光體的層片厚度與間距大，同時，珠光體團簇平行排布；圖2(b)是本發(fā)明強化劑處理的高強度灰鑄鐵的珠光體的層片厚度與片間距細小，且珠光體團簇交錯排布。圖3石墨形態(tài)，其中圖3 (a)是硅鐵孕育處理的加Mo合金化高強度灰鑄鐵的石墨平直、粗大、個數(shù)少、分布不均勻；圖3(b)是本發(fā)明強化劑處理的高強度灰鑄鐵的石墨細小、彎曲、個數(shù)多、分布均勻。圖4共晶團形態(tài)(a)硅鐵孕育處理的加Mo合金化高強度灰鑄鐵的共晶團尺寸大、個數(shù)少；(b)本發(fā)明強化劑處理的高強度灰鑄鐵的共晶團尺寸小、個數(shù)多。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖所示實施例，進一步說明本發(fā)明的具體內(nèi)容。實施例本發(fā)明強化劑的加入方法采用鑄鐵澆包內(nèi)加入法將強化劑放到灰鑄鐵澆包的底部，當沖天爐或電爐中熔化的灰鑄鐵(C :3. 00 3. 30 ；Si :1. 85 2. 35 ；Mn :0. 25 O. 55 ;P :0. 025 O. 045 ；S :0. 06 O. 13 ；Cr :0. 18 O. 45 ；Cu :0. 45 O. 75 ；Sn :0. 020 O. 050)鐵水溫度達到1480-1550度時，鐵水倒入灰鑄鐵澆包中，高溫鐵水將強化劑熔化，強化劑中的元素溶入到灰鑄鐵鐵水中，得到了高強度灰鑄鐵。 本發(fā)明含釩、鈦強化劑的積極效果在于改善灰鑄鐵的初生奧氏體枝晶、珠光體、石墨和共晶團組織，從而提高灰鑄鐵的抗拉強度，其結(jié)果得到了意想不到的效果，在潮模砂型中澆注出的直徑30毫米、長度280毫米的標準試棒的抗拉強度達到了 400兆帕。本發(fā)明含釩、鈦強化劑對灰鑄鐵的初生奧氏體枝晶、珠光體、石墨和共晶團組織改善的作用機制。(I)初生奧氏體由普通的粗大、非等軸枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S網(wǎng)絡框架結(jié)構(gòu)枝晶，且枝晶細小、個數(shù)增多。①變質(zhì)劑中的Ti、V、N，在高溫的鐵液(溫度大于1600°C )中形成TiN、TiC、VN和VC,它們的熔點分別為3290 °C>3067 °C>2340 V和2800 V，它們的(001)晶面與奧氏體(Fe-r)的(110)晶面的晶格錯配度均小于15 % (TiN(OOl)//Fe-r (110)=13. 4%, TiC(001)//Fe-r (110)=13. 2%, VN(001)//Fe-r (110) =14%, VC(001)//Fe-r (110)=13. 9%。)。因此，TiN、TiC、VN和VC均可作為初生奧氏體結(jié)晶的非自發(fā)核心，使高碳當量灰鑄鐵中的初生奧氏體枝晶個數(shù)增多、枝晶細化、形成等軸網(wǎng)絡框架結(jié)構(gòu)，參閱圖1(a)和(b)所示。(2)珠光體由大片間距、厚的鐵素體和滲碳體層片轉(zhuǎn)變?yōu)樾∑g距和薄的鐵素體與滲碳體層片，且兩個珠光體團簇晶界處的層片由按大角排布轉(zhuǎn)變?yōu)樾〗桥挪肌＂賄可形成合金滲碳體,形成合金滲碳體所需的碳量低于形成滲碳體所需的碳量，加快了滲碳體中合金滲碳體的生長速度，減小了鐵素體層片的厚度，加快了共析轉(zhuǎn)變的速度，結(jié)果導致珠光體的片間距減小。②在鐵素體相界面處析出的VN、VC或V (C，N)相，有效地阻止了鐵素體晶粒的長大，使基體中的珠光體細。③V是縮小奧氏體區(qū)的元素，使奧氏體區(qū)WAjPA3點上升,A4點下降，增大了珠光體轉(zhuǎn)變的過冷度，細化了珠光體片間距。④N含量增加，使灰鑄鐵的共析轉(zhuǎn)變溫度降低，共析轉(zhuǎn)變區(qū)變寬，過冷度增加，從而細化珠光體。⑤初生奧氏體枝晶個數(shù)增多、枝晶細化、形成等軸網(wǎng)絡框架結(jié)構(gòu)，使珠光體的層片厚度與片間距減小，珠光體團簇交錯排布。
上述V、Ti、N的作用使珠光體的層片厚度變薄、片間距減小，且珠光體團簇交錯排布，參閱圖2(a)和(b)所示。(3)石墨由個數(shù)少、粗大、平直、尖角尖銳轉(zhuǎn)變?yōu)閭€數(shù)明顯增多、細小、彎曲、尖角鈍化。①初生奧氏體枝晶的二次枝晶的細化、個數(shù)增多及二次枝晶臂間距的減小，導致了奧氏體枝晶的等軸網(wǎng)絡框架結(jié)構(gòu)的空間數(shù)量增多、尺寸變小，造成石墨形核率顯著增多，生長嚴重受到限制，使石墨變得細小、彎曲、個數(shù)增多。②在共晶凝固過程中N不斷吸附在石墨生長前沿和石墨片兩側(cè)，以游離狀態(tài)富集在石墨或共晶團的邊界，導致石墨在結(jié)晶過程中，其周圍N濃度增高，尤其在石墨伸向鐵水中的尖端，從而影響固-液界面上石墨的生長，使石墨變短、變粗。同時，由于N原子吸附在生長石墨的缺陷位置，使石墨生長時產(chǎn)生分枝，石墨分枝的增加，是石墨變短的另一個原 因。③Si是促進石墨化元素，增加石墨個數(shù)。④RE、Ca和鐵液中的S、0反應生成稀土硫化物、氧化物和CaS、CaO，這些化合物可作為石墨的形核的非自發(fā)核心，增加了石墨形核的核心數(shù)量，使石墨數(shù)量增多、尺寸減小；RE的吸附作用，使石墨尺寸減小，形狀彎曲、尖角鈍化。⑤Ti具有石墨化作用，增加石墨個數(shù)。上述V、Ti、N、RE、Ca、Si的作用使石墨個數(shù)增多、細小、彎曲、尖角鈍化，參閱圖3(a)和(b)所示。(4)共晶團由個數(shù)少、尺寸大轉(zhuǎn)變?yōu)閭€數(shù)多、尺寸小。①RE、Ca和鐵液中的S、0反應生成稀土硫化物、氧化物和CaS、CaO，這些化合物可作為石墨的形核的非自發(fā)核心，細化了共晶團；②初生奧氏體枝晶的二次枝晶細化、個數(shù)多及二次枝晶臂間距的減小，導致了奧氏體枝晶的等軸網(wǎng)絡框架結(jié)構(gòu)的空間數(shù)量增多、尺寸變小，使石墨形核率增多，生長受到限制，導致共晶團尺寸減小。④Ti和V均能增加共晶團的數(shù)量，使共晶團尺寸減小、個數(shù)增多。上述Ti、V、N、RE和Ca的作用使共晶團個數(shù)增多、尺寸減小，參閱圖4(a)和(b)所示。本發(fā)明“一種高強度灰鑄鐵強化劑”對灰鑄鐵的初生奧氏體枝晶、珠光體、石墨和共晶團組織產(chǎn)生了意想不到的改善，其強化機制①大量彎曲、細小、尖角鈍化的石墨使裂紋不易萌生、擴展時不斷改變方向；②共晶團個數(shù)多、尺寸小使裂紋擴展路徑更加曲折，阻力增大；③裂紋擴展時必然受到眾多的等軸網(wǎng)絡框架結(jié)構(gòu)分布的尺寸、層片厚度與片間距小的珠光體團簇(該團簇交錯排布)的嚴重阻礙，造成裂紋必須穿過框架結(jié)構(gòu)分布的珠光體才能擴展，消耗更大的能量，同時，珠光體團簇交錯排布，進一步消耗能量。上述三種阻礙裂紋擴展的機制使灰鑄鐵的強度顯著提高。本發(fā)明“一種高強度灰鑄鐵強化劑”的成分與力學性能參閱表I所示，由表I表明，采用本發(fā)明不同化學成分的強化劑強化的高強度灰鑄鐵的標準試棒的抗拉強度達到了 400兆帕。表I本發(fā)明“一種高強度灰鑄鐵強化劑”的成分與力學性能
權(quán)利要求
1.一種高強度灰鑄鐵強化劑，其特征在于，所述強化劑包括V、Ti、N、RE、Ca、Si元素，其重量百分比化學成分為V :10-19 ；Ti 6-8 ；N 8-9 ；RE :3_5 ；Ca :3_5 ;其余為Si。
2.如權(quán)利要求I所述的一種高強度灰鑄鐵強化劑，其特征在于，所述強化劑包括V10 ；Ti 6 ；N 8 ；RE :3 ；Ca :3 ;其余為 Si。
3.如權(quán)利要求I所述的一種高強度灰鑄鐵強化劑，其特征在于，所述強化劑包括V13 ；Ti 6 ；N 8 ；RE :3 ；Ca :4 ;其余為 Si。
4.如權(quán)利要求I所述的一種高強度灰鑄鐵強化劑，其特征在于，所述強化劑包括V19 ；Ti 8 ；N 9 ；RE :5 ；Ca :5 ;其余為 Si。
5.如權(quán)利要求I所述的一種高強度灰鑄鐵強化劑，其特征在于，所述強化劑包括V15 ；Ti 7 ；N 8 ；RE :4 ；Ca :3 ;其余為 Si。
6.如權(quán)利要求I所述的一種高強度灰鑄鐵強化劑，其特征在于，所述強化劑包括V17 ；Ti 7 ；N 9 ；RE :4 ；Ca :4 ;其余為 Si。
7.如權(quán)利要求I至6任一項所述的一種高強度灰鑄鐵強化劑的強化處理工藝，其特征在于，所述強化劑的加入方法采用澆包內(nèi)加入法將強化劑放到灰鑄鐵澆包的底部，當沖天爐或電爐中熔化的灰鑄鐵鐵水溫度達到1480-1550度時，鐵水倒入灰鑄鐵澆包中，高溫鐵水將強化劑熔化，強化劑中的元素溶入到灰鑄鐵鐵液中，得到高強度灰鑄鐵，其組織為初生奧氏體枝晶為發(fā)達的等軸網(wǎng)絡框架結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高強度灰鑄鐵強化劑及其強化處理工藝，屬于高強度灰鑄鐵的制備技術(shù)。所述強化劑包括V、Ti、N、RE、Ca、Si元素，其重量百分比化學成分為V10-19；Ti6-8；N8-9；RE3-5；Ca3-5；其余為Si。所述強化劑的加入方法采用澆包內(nèi)加入法將強化劑放到灰鑄鐵澆包的底部，當熔化的灰鑄鐵鐵水溫度達到1480-1550度時，鐵水倒入灰鑄鐵澆包中，高溫鐵水將強化劑熔化，強化劑中的元素溶入到灰鑄鐵鐵液中，得到高強度灰鑄鐵，其組織為初生奧氏體枝晶為發(fā)達的等軸網(wǎng)絡框架結(jié)構(gòu)。本發(fā)明使灰鑄鐵的強度得到了顯著的提高，在潮模砂型中澆注出的標準試棒的抗拉強度達到了400兆帕。
文檔編號B22D27/20GK102814491SQ201210330658
公開日2012年12月12日 申請日期2012年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月9日
發(fā)明者姜啟川, 逄偉, 王金國, 鄧剛, 侯駿, 劉國懿 申請人:吉林大學