專利名稱：一種耐熱合金蠕墨鑄鐵及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種耐熱合金螺墨鑄鐵，該螺墨鑄鐵特別適用于制備玻璃制品制造、金屬型鑄造等長期承受高溫成形液體熱沖擊及冷熱交變應力作用的模具，屬于耐熱金屬材料技術領域。本發明還涉及上述耐熱合金蠕墨鑄鐵的制備方法。
背景技術：
金屬在高溫條件下工作，通常會產生氧化和生長等現象。氧化是指在高溫下受氧化性氣氛的侵蝕，在金屬表面產生氧化起皮，因面減少金屬的有效斷面降低鑄件的承載能力。生長是指金屬在高溫下發生的由于化學冶金變化而產生不可逆的體積長大，造成零件尺寸增大并使機械性能降低。對于長期承受高溫成形液體熱沖擊及冷熱交變應力的玻璃模具、輕合金金屬型鑄造模具來說，模具頻繁地接觸高溫成形熔融物料，不僅長期處于高溫狀態下工作，而且在反復的開模、合模的過程中產生摩擦，因此，模具材料不僅要求組織致密·均勻，應具有良好的耐熱、耐磨、耐腐蝕、抗熱疲勞、抗氧化、抗生長、導熱性好、線膨脹系數小、粘附溫度高等性能，此外還應具有良好的機械加工性能和表面光潔度。鑄鐵因其因其低廉的價格和良好鑄造和機械加工工藝性能而獲得了最廣泛的應用，鑄鐵的微觀組織(即基體的組成、晶粒的大小、石墨的大小、形狀分布)對鑄鐵的強度、耐熱疲勞性能、抗氧化生長性能、導熱性能具有直接的影響，因而決定了模具材料的使用性能。鑄鐵的氧化是指在高溫氧化性氣氛下石墨作為碳質材料的燃燒破壞，石墨愈粗大，石墨形態愈連續，石墨數量愈多，鑄鐵的氧化就愈嚴重。當石墨為片狀時，氧化性氣氛沿石墨片侵入鑄件內部而易發生氧化，而球狀石墨時，由于石墨球互不連續，氧化性氣氛就不易沿石墨侵入，所以球墨鑄鐵的抗氧化性總是比片狀石墨的灰口鑄鐵好。球墨鑄鐵作為主要傳熱通道的石墨為孤立的球狀，形成很大的熱阻，導致球墨鑄鐵的導熱性差。球墨鑄鐵模具的導熱系數越小，模具工作時的溫度波動范圍就越大，因而不僅使產品的質量下降，而且較高的冷熱交變熱應力降低了模具的使用壽命。盡管具有更高強度性能和表面加工光潔度，但較差的導熱性能，致使操作溫度高，故大多工廠只限于用它制造員12盎司以下的小型瓶模，用于制造的初型模，使用不太長時間就發生嚴重的熱裂。蠕蟲狀石墨是介于片狀石墨和球狀石墨之間的一種過渡性石墨，以外形上互相聯結而本身結構近似于球狀石墨為其主要特征。因而，蠕墨鑄鐵具有球墨鑄鐵相似的耐熱性能和耐疲勞性能，同時有具有良好的導熱性能，成為制造上述應用模具的最好鑄鐵材料。普通蠕墨鑄鐵鑄鐵的耐熱性能仍然較低，通過合金化和組織細化以獲得導熱性和抗氧化性更為優異的蠕墨鑄鐵成為這類模具材料研究開發的重要方向并開發了多種新型合金化蠕墨鑄鐵材料，例如，文獻CN1009283B (用于玻璃瓶成形用的鑄鐵材料)，CN85107725A (制造玻璃瓶模具的蠕墨鑄鐵)，CN85108041A (玻璃模具材料及其生產工藝)，
坐寸o上述新型模具材料均以Cr、Ni、Mo、Cu中的一種或幾種元素作為主要合金化元素，由于這些元素均為共析轉變時阻礙石墨化的元素，基體組織中珠光體的數量將增大，石墨的數量減少。盡管Mo、Ni合金元素具有穩定珠光體的作用，但對高熔點玻璃料、高熔點的金屬液金屬型鑄造以及大型模具來說，珠光體基體仍不穩定，其石墨化析出過程將導致鑄鐵的生長而導致模具龜裂報廢，因此，合金基體中抗氧化性和導熱性能較低，模具的使用性能下降。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種以鐵素體為基體合金蠕墨鑄鐵，該蠕墨鑄鐵抗氧化生長性能和導熱性能顯著優于已有技術中的耐熱蠕墨鑄鐵。本發明還提供上述耐熱合金蠕墨鑄鐵的制備方法，該方法制備要求不苛刻并且能低成本保障合金的技術效果的全面體現，該方法既有利細化合金組織以獲得細小均布蠕蟲狀石墨形成，同時有利于合金元素固溶于基體而避免形成游離的合金碳化物而影響合金的可加工性能和使用性能。為了解決上述技術問題，本發明耐熱合金蠕墨鑄鐵包含下列質量百分比的組分
C 2. 6 3. 1%、Si 3. 4 4. 5%、Mn 0. 20 0. 40%、Ni 0. 20 0. 30%、Mo 0. 40 0. 60%、A10. 5 0. 8%、Sr 0. 05 0. 08%,Ca 0. 02 0. 04%、Mg 0. 04 0. 06%,Er 0. 03 0. 05%,其余為Fe和不可避免的雜質(其中P彡0. 05%、S彡0. 05%)。Ca、Mg、Er為殘留元素。所述耐熱合金蠕墨鑄鐵的拉伸強度為400 550MPa，布氏硬度為170 210HBW，在100°C時導熱系數48 51 W/(m*K)。本發明耐熱合金蠕墨鑄鐵的制備方法包括以下步驟(I)配料將廢鋼、鑄造生鐵、硅鐵、錳鐵、鑰鐵、電解鎳、Al-Sr中間合金爐料進行化學成分分析，然后按下列質量百分比稱取上述爐料配置在中頻感應電爐中熔煉耐熱合金蠕墨鑄鐵C 2. 6 3. 1%、Si 3. 4 4. 5%、Mn 0. 20 0. 40%、Ni 0. 20 0. 30%、Mo 0. 40 0. 60%、A10. 5 0. 8%、Sr 0. 05 0. 08%,其余為Fe和不可避免的雜質(其中P^O. 05%、S^O. 05%);上述鑄造生鐵、硅鐵、錳鐵、鑰鐵均為國標規定的牌號爐料，Al-Sr中間合金采用Sr質量百分比為10%的Al-10%Sr中間合金，并在最后加入。Si元素在配料時要扣除下述蠕化處理和孕育處理步驟中Si的含量。(2)熔煉將按配比稱量好廢鋼、鑄造生鐵放入中頻感應熔煉爐中加熱完全熔化后，再將硅鐵、錳鐵、鑰鐵爐料和電解鎳加入熔化并調整鐵水溫度出爐溫度為14500C 1550°C。(3)蠕化處理、孕育處理與澆注將占爐料總重量I. 2 2. 0%的Er-Mg-Ca蠕化劑和0. 5^0. 8%的l(T20mm Al_10%Sr中間合金置于澆包的底部或凹坑式球化處理包的凹坑內，然后用壓鐵片覆蓋；將熔化好的鐵水加入到澆包中，同時隨流加入4 8臟75SiFe孕育劑，孕育劑的加入量占鐵水總重量的0. 4^0. 6% ;最后，對澆包內的鐵水進行扒渣、澆注，澆注時隨流加入占鐵水總重量的0. 2 0. 4%的4 8mm 75SiFe孕育劑。上述所用的Er-Mg-Ca蠕化處理劑組分的質量百分比為Er 10%、Mg 5%、Ca 5%、Si20%，其余為Fe。本發明的有益效果在于從合金的耐熱性能和組織設計上，Al作為提高合金耐熱性能并強烈促進所有階段石墨化的合金元素引入到合金中，在調整合金成分以保留合金中Mo、Ni有益作用的同時，克服了共析轉變時阻礙石墨化促進基體組織中珠光體形成的不利影響，使合金的基體組織為鐵素體基體，因此，不僅提高了模具的使用壽命，而且去除了現有合金蠕墨鑄鐵所必須采用的退火處理工藝，降低了成本。因Mn促使鑄鐵得到珠光體組織，故本發明合金中的Mn含量只有Mn 0. 50 0.70%。由于Al每增加1%使轉變的相變點溫度(Al點)提高50°C，并且Al消弱了鐵-碳原子間的結合能力，在4%以下其石墨化能力隨含量的升高而增大，因而合金中鐵素體和石墨的數量增加；同時也考慮到鋁的比重輕，過高的Al含量在熔煉過程中易產生氧化燒損、偏析和收縮，因此本發明合金中鋁的加入量為0. 5 0. 8%。Mo,Ni盡管能改善合金的塑性、抗氧化性和體積穩定性，并且有使石墨細化的能力，但作為珠光體穩定元素，其加入量不易過多，同時Ni和Mo的價格較為貴重，故合金中Ni為Ni 0. 20 0. 30%、Mo 0. 40
0. 60%o從蠕化處理技術上，孕育劑中的Al又作為蠕化處理劑中的反球化元素被引入到 蠕化處理工藝中，實現了制備要求不苛刻并且能低成本保障合金的蠕化處理效果。從孕育機理的理解和孕育處理的工業實踐來看，蠕化劑中含有一定量的鈣可以提高孕育處理的效果。本發明的孕育處理技術采用最為普通的75SiFe為主要孕育劑并采用最為常用的隨流孕育，與澆包中鐵水沖入時熔化的Al-Si中間合金配合增強了孕育的效果，同時Sr的加入避免了孕育衰退，達到了商用長效孕育劑的效果。
具體實施例方式實施例I按質量百分配比，C3.1%、Si 3. 4%,Mn 0. 20%,NiO. 20%,Mo 0. 40%、A10. 5%、其余為
Fe和不可避免的雜質配取合金材料，在250Kg中頻感應電爐中加入將按配比稱量好廢鋼、Z18鑄鐵生鐵放入中頻感應熔煉爐中加熱完全熔化后，再將FeSi75硅鐵、錳鐵、鑰鐵爐料和電解鎳加入熔化并調整鐵水溫度出爐溫度為1450°C。蠕化處理、孕育處理與澆注將占爐料總重量2. 0%的Er-Mg-Ca蠕化劑和0. 5%的Al-10%Sr中間合金(IOmm大小)置于澆包的底部或凹坑式球化處理包的凹坑內，然后用壓鐵片覆蓋；將熔化好的鐵水加入到澆包中，同時隨流加入4mm大小75SiFe孕育劑，孕育劑的加入量占鐵水總重量的0. 4%。最后，對澆包內的鐵水進行扒渣、澆注。澆注時隨流加入占鐵水總重量的0. 3%的4mm 75SiFe孕育劑。經測試殘留元素在鑄鐵中的質量百分比為Ca 0. 04%、Mg 0. 06%、ErO. 05%。經測試該合金鐵素體基體上分布著蠕蟲狀石墨，石墨的蠕化率為60 ;性能為耐熱合金蠕墨鑄鐵的拉伸強度為400MPa，布氏硬度為170HBW，在100°C時導熱系數51 W/(m K) o實施例2按質量百分配比，C2. 6%、Si 4. 5%、Mn 0. 40%、Ni0. 30%、Mo 0. 60%、A10. 8%、其余為
Fe和不可避免的雜質配取合金材料，在250Kg中頻感應電爐中加入將按配比稱量好廢鋼、Z18鑄鐵生鐵放入中頻感應熔煉爐中加熱完全熔化后，再將FeSi75硅鐵、錳鐵、鑰鐵爐料和電解鎳加入熔化并調整鐵水溫度出爐溫度為1550°C ；蠕化處理、孕育處理與澆注將占爐料總重量I. 2%的Er-Mg-Ca蠕化劑和0. 8%的Al-10%Sr中間合金(20mm大小)置于澆包的底部或凹坑式球化處理包的凹坑內，然后用壓鐵片覆蓋；將熔化好的鐵水加入到澆包中，同時隨流加入8mm大小75SiFe孕育劑，孕育劑的加入量占鐵水總重量的0. 8%。最后，對澆包內的鐵水進行扒渣、澆注。澆注時隨流加入占鐵水總重量的0. 4%的8mm 75SiFe孕育劑。經測試殘留元素在鑄鐵中的質量百分比為Ca 0. 02%、Mg 0. 04%、ErO. 03%。經測試該合金鐵素體基體上分布著蠕蟲狀石墨，石墨的蠕化率為50 ;性能為耐熱合金蠕墨鑄鐵的拉伸強度為550MPa，布氏硬度為210HBW，在100°C時導熱系數48 W/(m K) o實施例3按質量百分配比，C2. 9%、Si 4. 0%、Mn 0. 30%、Ni0. 25%、Mo 0. 50%、A10. 6%、其余為
Fe和不可避免的雜質配取合金材料，在250Kg中頻感應電爐中加入將按配比稱量好廢鋼、 Z18鑄鐵生鐵放入中頻感應熔煉爐中加熱完全熔化后，再將FeSi75硅鐵、錳鐵、鑰鐵爐料和電解鎳加入熔化并調整鐵水溫度出爐溫度為1500°C ；蠕化處理、孕育處理與澆注將占爐料總重量I. 6%的Er-Mg-Ca蠕化劑和0. 6%的Al-10%Sr中間合金(15mm大小)置于澆包的底部或凹坑式球化處理包的凹坑內，然后用壓鐵片覆蓋；將熔化好的鐵水加入到澆包中，同時隨流加入6mm大小75SiFe孕育劑，孕育劑的加入量占鐵水總重量的0. 6%。最后，對澆包內的鐵水進行扒渣、澆注。澆注時隨流加入占鐵水總重量的0. 2%的6mm 75SiFe孕育劑。經測試殘留元素在鑄鐵中的質量百分比為Ca 0. 03%、Mg 0. 05%、Er 0. 04%。經測試該合金鐵素體基體上分布著蠕蟲狀石墨，石墨的蠕化率為55 ;性能為耐熱合金蠕墨鑄鐵的拉伸強度為480MPa，布氏硬度為190HBW，在100°C時導熱系數50 W/(m K) o上述實施例不以任何方式限制本發明，凡是采用等同替換或等效變換的方式獲得的技術方案均落在本發明的保護范圍內。
權利要求
1.一種耐熱合金蠕墨鑄鐵，其特征在于包含下列質量百分比的組分c 2. 6 3.1%、Si 3. 4 4. 5%,Mn O. 20 O. 40%、Ni O. 20 O. 30%、Mo O. 40 O. 60%、A10. 5 O. 8%、SrO.05 O. 08%、Ca O. 02 O. 04%、Mg O. 04 O. 06%、Er O. 03 O. 05%,其余為 Fe 和不可避免的雜質。
2.根據權利要求I所述的一種耐熱合金蠕墨鑄鐵，其特征在于所述耐熱合金蠕墨鑄鐵的拉伸強度為400 550MPa，布氏硬度為170 210HBW，在100°C時導熱系數48 51ff/ (m · K)。
3.一種耐熱合金蠕墨鑄鐵的制備方法，其特征在于包括以下步驟 Cl)配料將廢鋼、鑄造生鐵、硅鐵、錳鐵、鑰鐵、電解鎳、Al-Sr中間合金爐料進行化學成分分析，然后按下列質量百分比稱取上述爐料配置在中頻感應電爐中熔煉耐熱合金蠕墨鑄鐵C 2. 6 3. 1%、Si 3. 4 4. 5%、Mn O. 20 O. 40%、Ni O. 20 O. 30%、Mo O. 40 O.60%、A10. 5 O. 8%、Sr O. 05 O. 08%,其余為Fe和不可避免的雜質； (2)熔煉將按配比稱量好廢鋼、鑄造生鐵放入中頻感應熔煉爐中加熱完全熔化后，再將硅鐵、錳鐵、鑰鐵爐料和電解鎳加入熔化并調整鐵水溫度出爐溫度為1450°C 1550°C ； (3)蠕化處理、孕育處理與澆注將占爐料總重量I.2 2. 0%的Er-Mg-Ca蠕化劑和O.5^0. 8%的l(T20mm Al_10%Sr中間合金置于澆包的底部或凹坑式球化處理包的凹坑內，然后用壓鐵片覆蓋；將熔化好的鐵水加入到澆包中，同時隨流加入4 8臟75SiFe孕育劑，孕育劑的加入量占鐵水總重量的O. Γ0. 6% ;最后，對澆包內的鐵水進行扒渣、澆注；澆注時隨流加入占鐵水總重量的O. 2 O. 4%的4 8mm 75SiFe孕育劑。
4.根據權利要求3所述的耐熱合金蠕墨鑄鐵的制備方法，其特征在于步驟(3)中所用的Er-Mg-Ca蠕化處理劑組分的質量百分比為Er 10%、Mg 5%、Ca 5%、Si20%，其余為Fe。
5.根據權利要求3所述的耐熱合金蠕墨鑄鐵的制備方法，其特征在于步驟(I)中的鑄造生鐵、硅鐵、錳鐵、鑰鐵均為國標規定的牌號爐料，Al-Sr中間合金采用Sr質量百分比為10%的Al-10%Sr中間合金。
全文摘要
本發明公開了一種耐熱合金蠕墨鑄鐵及其制造方法，該蠕墨鑄鐵包含下列質量百分比的組分C 2.6～3.1%、Si 3.4～4.5%、Mn 0.20～0.40%、Ni 0.20～0.30%、Mo 0.40～0.60%、Al 0.5～0.8%、Sr 0.05～0.08%、Ca 0.02～0.04%、Mg 0.04～0.06%、Er 0.03～0.05%，其余為Fe和不可避免的雜質；上述原料熔煉、蠕化處理、孕育處理及澆注，其中熔煉后的出爐溫度為1450～1550℃，鐵水經包內沖入和隨流孕育處理后扒渣澆注；本發明的合金化蠕墨鑄鐵材料組織為鐵素體基體上分布著蠕化率50～60的蠕蟲狀石墨，不僅具有較高的強韌性能、導熱性能和高溫抗氧化性，而且還有良好的鑄造工藝性能，可以用于制造長期承受高溫成形液體熱沖擊及冷熱交變應力的玻璃模具、輕合金金屬型鑄造模具。
文檔編號C22C33/08GK102851574SQ201210357789
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月24日 優先權日2012年9月24日
發明者劉希琴, 劉子利 申請人:蘇州東海玻璃模具有限公司