本發明屬于鑄鐵材料及水平連續鑄造，具體涉及增氮強化的φ120mm以上及相當尺寸大截面灰鑄鐵型材，還涉及增氮強化的φ120mm以上及相當尺寸大截面灰鑄鐵型材的制備方法。

背景技術：

1、灰鐵型材是采用水平連續鑄造方式生產的高品質灰鑄鐵毛坯材料，在生產過程中，將鑄造生鐵、廢鋼、回爐料、錳鐵等爐料按照成分要求比率和合金燒損率配制，然后加入到中頻感應爐內進行熔化成原鐵水。原鐵水經過孕育處理后澆入到保溫爐內，處理后的鐵水在水冷鋼套內的高純石墨鑄型內進行快速冷卻凝固成形，石墨鑄型的急冷作用使鐵水迅速降溫并形核和長大，凝固速度遠大于砂型鑄造。由于結晶器安裝于保溫爐的底部，純凈的鐵水從保溫爐下部直接進入結晶器內凝固，因此，水平連續鑄造灰鐵型材無普通砂型鑄造的夾渣、夾砂等常規鑄造缺陷。同時，保溫爐相當于一個大冒口，灰鐵型材也無普通砂型鑄造的縮孔、縮松等收縮類缺陷，灰鑄鐵型材產品質量好、綜合力學性能優良、高致密性、加工性能良好等優點，已經廣泛應用于機械、液壓、冶金、紡織、印刷等行業。

2、通常，灰鑄鐵型材的顯微組織為細小片狀石墨（一般外周10mm為一層更細小d型石墨，內部為相對比較細小的a型石墨），基體為鐵素體及珠光體。一般情況下，灰鑄鐵型材的拉伸性能為σb=250-300mpa，布氏硬度為hb150-250，彈性模量為e=113-157gpa。其中，拉伸強度為300mpa時，灰鑄鐵型材的彎曲疲勞強度達到210mpa。由此可見，通過連續鑄造獲得的灰鑄鐵型材具有優良的綜合力學性能，因此在諸多工業領域得到了大量應用。

3、然而，由于重力作用和凝固條件的不同，在凝固結束后灰鐵型材斷面組織由上而下并不對稱，下部組織相對細小，而上部組織相對粗大，尤其是截面尺寸較大的灰鐵型材，截面尺寸越大，灰鑄鐵型材的表層和心部組織中石墨形態、石長、共晶團數量和大小差異越大，尤其是石墨的長寬比、初生奧氏體二次枝晶臂間距的差異越大。另外，珠光體數量也不盡相同，灰鑄鐵型材表層10mm基本為鐵素體，越往灰鑄鐵型材心部珠光體數量提高，甚至部分特殊處理的心部珠光體數量可能達到95%以上。這些直接影響其力學性能，尤其是材料的硬度和抗拉強度，并且截面越大其斷面由外向內力學性能差別越大，斷面均勻性差別也越大。這種組織的不均勻性直接影響灰鑄鐵型材高品質特性的發揮，尤其是希望內外組織要求均勻性較高的一些大尺寸零部件，比如大型液壓閥體、液壓模塊組仍不能使用灰鑄鐵型材。另外，隨著高端裝備的應用和發展，對高強度灰鑄鐵型材的力學性能提出了更高的要求，一些廠家甚至提出灰鑄鐵型材的拉伸性能達到400mpa以上的要求，而考慮機加工性能時，灰鑄鐵型材的硬度又要求必須低于hb240。

4、連鑄灰鑄鐵型材的生產廠家迫切希望解決這一技術難題，但是水平連續鑄造的特點決定了其石墨形態、基體組織和力學性能等特征，這無疑從一個方面限制了這一優質灰鑄鐵材料的工業應用和發展。

5、對于灰鑄鐵而言，提高組織和性能的均勻性的常規方法是加入合金元素，通過合金化來提高材料的力學性能。但基于成本考慮，比如用微量的sb來替代cu和ni，mo等合金元素，以提高珠光體含量，從而提高力學性能，并降低成本。然而，sb的加入往往有利于提高珠光體含量，但是同時一旦存在惡化石墨形態的風險，給穩定生產帶來一定難度。

6、基于此，一些學者提出使用微量且廉價的n元素來提高灰鑄鐵的強度，降低成本，提高經濟效益。對于砂型鑄造而言，有一些有益嘗試，并取得了一些成功案例，比如日本人岡田千里對fe-mn-n合金中加入n元素，每增加0.001%，灰鑄鐵的性能可以提高5-7mpa，硬度提高hb3-4左右。國內外很多學者對n元素切實達到一定含量，n元素強化灰鑄鐵的作用是被肯定的。但是，強化效果不一，引入n元素的方式也存在較大差距，n元素的穩定吸收率規律也是不確定的，究竟是n元素與其他合金元素的交互作用結果，也不確定。眾所周知，n元素在鐵水中的溶解度主要受制于鐵水溫度和c、si、mn等合金元素的含量影響較大，c和si含量決定碳當量ce，由于ce降低有利于提高n元素的溶解度，但是ce過低，凝固過程中鐵水的白口傾向增大，影響材料的后續加工和力學性能。由此可見，尤其是對于n元素穩定吸收率，如何通過選擇不同的添加介質、工藝和添加量來控制，并需要結合成本考慮，還需要考慮由此引入的雜質元素含量。另外，還需要控制n元素加入的時機，加入過早，熔煉過程中鐵水的感應加熱迫使鐵水流動，n原子容易合并為n2分子，這為形成氣泡提供了可能，因此，對于n強化灰鑄鐵而言，n元素的添加不宜過早，同時要兼顧鐵水中的n含量需要嚴格控制，低了發揮作用不明顯，高了由可能形成n2氣泡，達不到強化效果反而有可能降低力學性能。盡管n元素作用對于砂型鑄造已經有了一些有益嘗試和報道，然而，對于水平連續鑄造灰鑄鐵型材，國內外均未見任何報道。同時，由于砂鑄和水平連續鑄造生產工藝截然不同，尤其是二者凝固條件迥然不同，因此，砂型鑄造的工藝參數對于水平連續鑄造生產沒有太大的參考價值和指導意義。另外，對于φ120mm以上及相當尺寸大截面灰鑄鐵型材而言，截面直徑（尺寸）越大，斷面由表層至中心的組織與性能差異越大，即斷面敏感性越明顯，如何提高型材中心組織的力學性能指標就更為重要，這樣才能縮小表層和中心的力學性能差異，降低斷面敏感性。

技術實現思路

1、本發明的目的是提供增氮強化的φ120mm以上及相當尺寸大截面灰鑄鐵型材，利用高氮氮化錳引入微量的氮元素，從而間接改變鐵水在結晶器中的凝固過程，進而間接控制水平連續鑄造灰鑄鐵型材材料的石墨的長寬比形態，制備一種φ120mm以上及相當尺寸大截面高品質灰鑄鐵型材材料，解決現有大截面灰鑄鐵型材材料表層組織和心部組織存在的差異，以及力學性能均勻性差和全斷面敏感性差的問題。

2、本發明的另一個目的是提供增氮強化的φ120mm以上及相當尺寸大截面灰鑄鐵型材的制備方法。

3、本發明所采用的第一個技術方案是，增氮強化的φ120mm以上及相當尺寸大截面灰鑄鐵型材，按重量百分比其組成為：c：3.0-3.7％，si：1.8-3.2％，mn：0.6-1.1％，p≤0.10%，s≤0.06%，n：0.0095-0.0105%，其余為fe。

4、本發明所采用的第二個技術方案是，增氮強化的φ120mm以上及相當尺寸大截面灰鑄鐵型材的制備方法，包括以下步驟：

5、步驟1，鐵水熔煉及高氮氮化錳的加入；

6、步驟2，一次孕育及微量元素調整；

7、步驟3，鐵水二次孕育；

8、步驟4，澆注；

9、步驟5，水平連續鑄造。

10、本發明的特征還在于：

11、步驟1具體為：

12、采用中頻感應爐熔化鐵水，按照上述重量百分比成份，扣除長效硅鐵孕育劑帶入的硅量，計算稱量原鐵水所需鑄造生鐵、廢鋼、回爐料、30%錳鐵、75%硅鐵及高氮氮化錳，熔化加料順序依次為先放入一部分低錳鑄造灰鑄鐵生鐵，以蓋住爐底為宜，待這批生鐵熔化后一次性加入剩余的生鐵、廢鋼、回爐料和鐵合金，然后開足中頻感應爐功率，直至爐內所有爐料完全熔化；在中頻感應爐中加入的鐵合金均按照10%的燒損量計算；待所有鐵合金均熔化結束后取原鐵水進行爐前成分快速分析，確定并根據需要補充廢鋼、75%硅鐵、增碳劑或30%錳鐵，并根據生產要求尺寸的灰鑄鐵型材，調整原鐵水中的c，si，mn，p，s的成分達到要求，采用高頻紅外碳硫分析儀和光電直讀光譜儀進行爐前成分快速分析，根據各合金元素含量設定值，確定并補充廢鋼、75%硅鐵、30%錳鐵或增碳劑的量；熔化溫度為1520℃-1550℃，待加入的爐料全部熔化以后，降低熔煉功率，避免鐵水過度的翻滾，使鐵水靜置5分鐘-10分鐘，以利于鐵水中的渣子充分上浮；

13、扒除漂浮于鐵水表面的渣子后，再加入尺寸為30mm-40mm的高氮氮化錳塊；當加入高氮氮化錳后立刻開足功率熔化，使高氮氮化錳塊快速熔化；n元素的分析，采用脈沖紅外熱導氧氮分析儀進行檢測，實測原鐵水中的氮含量為0.0095-0.0105%，準備出鐵、孕育和澆注；每次出爐前再進行一次爐前成分快速分析和成分微調整；

14、按照原鐵水的c：3.0-3.7％，si：1.4-2.4％，mn：0.6-1.1％，p≤0.10%，s≤0.06%進行控制；當n：0.0095-0.0105%時出鐵；

15、所用的高氮氮化錳各合金元素含量為：9-10%n，88-90%mn，其他雜質元素小于0.1%，余量為fe。

16、步驟1中，熔化溫度為1520℃-1550℃，出鐵溫度為1420℃-1460℃。

17、步驟2具體為：

18、（1）烤包

19、為了滿足喂絲孕育處理要求，選擇合適的鐵水包，其中，選擇的鐵水包為：鐵水深/內直徑≥1.5的專用鐵水包；首先，將修筑好的鐵水包采用專門的烤包器進行烘烤2-4小時；出鐵水前，進行燙包處理，將電爐中的鐵水澆入預烤焙過的鐵水包中停留3-5分鐘，再將鐵水傾倒回電爐中，反復進行三次，以促使鐵水包中的耐火材料溫度進一步升高，并促使鐵水包中修筑的耐火材料中的水汽進一步排除；

20、（2）出鐵及一次孕育

21、根據所生產的灰鑄鐵型材截面大小控制每一包鐵水的重量，第一包鐵水量比后續每包鐵水多50kg-100kg，以生產直徑φ200mm的灰鑄鐵型材為例，第一包鐵水為700kg-800kg，以后每包鐵水量650kg-700kg，出鐵溫度為1420℃-1460℃；出鐵后迅速扒渣，并吊運至孕育處理平臺處；

22、采用市售商用孕育芯線，通過喂絲孕育工藝處理鐵水，根據設定成分和孕育效果的經驗數據，孕育芯線的使用量按照如下標準計算：(1.5m-2m)/100kg鐵水；商用孕育芯線直徑為φ13mm，芯料重量為(200g?-240g)/m，單位線重為(420g-440g)/mm；孕育處理后進行鐵水表面扒渣，以備澆注；

23、步驟2中，孕育包芯線的對應牌號為ydb002，ydb005或ydb008。

24、步驟3具體為：

25、按照每包鐵水的重量，根據所需補充的si量稱量含鍶和鋇的長效硅鐵孕育劑，二次孕育劑的總量為鐵水包中鐵水量的0.2-0.3%，二次孕育劑的粒度3mm-8mm；一次孕育的鐵水經扒渣后，將二次孕育處理的孕育劑灑置于鐵水包中鐵水的上表面，待澆注時隨流澆入水平連續鑄造生產線的保溫爐中；

26、步驟3二次孕育時采用浮硅孕育，加入的含鍶和鋇的長效硅鐵孕育劑覆蓋在球化劑上面。

27、步驟4具體為：

28、首先，新修筑的保溫爐采用專用烤爐器進行烘烤4小時-6小時，以確保爐襯材料中的水汽釋放出來；

29、其次，鐵水澆注前，采用霧化柴油噴嘴火焰將保溫爐內爐壁烘烤30分鐘-60分鐘，至爐壁亮紅色；該過程中，在啟用霧化柴油噴嘴火焰烘烤前，在保溫爐上安裝結晶器，在結晶器中插入引錠頭，引錠頭與引錠桿相連，并能夠通過牽引機牽引拉拔；

30、第三，澆注鐵水，將經過孕育處理后的鐵水經保溫爐的澆口澆注入保溫爐中，以備水平連續鑄造生產，澆注溫度1350℃-1400℃。

31、步驟5具體為：

32、將鐵水澆注進入保溫爐后停留1分鐘-2分鐘，使進入結晶器的鐵水包裹住引錠頭并結晶凝固后開始引錠牽引，以“拉-停-拉”工藝水平連續鑄造生產，從結晶器中拉拔出來的灰鑄鐵棒材即為灰鑄鐵型材；隨著灰鑄鐵型材長度的延長，逐根拆除引錠桿，直到牽引機的牽引輥直接壓在灰鑄鐵型材上，隨后按照所需的定長切割和壓斷，即得到灰鑄鐵型材材料。

33、步驟5中，水平連續鑄造過程中牽引電機轉速900rpm，拉拔時間為0.8s～2.5s，停留時間為25s-35s，結晶器長度為300mm-600mm，進水溫度為室溫，出水溫度為50℃-70℃，型材結晶器出口溫度控制為900℃-1050℃；控制拉拔速度和型材出口溫度，防止漏爐，控制鐵水澆注間隔為8分鐘-12分鐘，以防止鐵水孕育衰退而出現石墨形態變異或碳化物。

34、本發明的有益效果是：

35、（1）本發明制備得到的灰鑄鐵型材的表面光潔，質量好，尺寸精度高，無夾砂、夾渣、氣孔、縮孔等常規鑄造缺陷。由邊緣至中心組織致密、均勻。氮含量在0.0095-0.0105%時，石墨也得到細化，石墨長度呈減小趨勢，石墨尖端鈍化，石墨的長寬比減小，對基體的割裂作用減弱，石墨曲率增加，組織的均勻性提高。氮的提高可以降低共晶轉變溫度，擴大共晶轉變溫度區間，增加共晶轉變的過冷度，并對共晶團有一定的細化作用和效果；

36、同時，氮是珠光體的穩定元素，可以降低灰鑄鐵的共析轉變的終了溫度，擴大共析轉變溫度區間，增加共析轉變過冷度，穩定和提高珠光體的數量，從而細化珠光體，縮小珠光體中鐵素體和滲碳體的間距。通常情況下，珠光體含量越高，灰鑄鐵的力學性能越高，包括抗拉力學性能和硬度。另外，由于氮原子半徑較小（rn=0.75?，rc=0.91?，rfe=1.72?，rsi=1.46?），通常會以間隙固溶體方式固溶于鐵素體或滲碳體中，使鐵素體或滲碳體晶格產生畸變，從而增大位錯運動阻力。因此，可以強化鐵素體基體或者珠光體基體組織，從而提高灰鑄鐵的硬度和拉伸強度。

37、然而，由于間隙固溶體是有限固溶體，因此必須嚴格控制氮原子的含量，否則就可能會有氮氣氣泡或氣孔產生的風險。顯而易見，一旦產生了氮氣氣孔，必然導致組織的不連續，進而造成力學性能的大幅度降低，并降低灰鑄鐵型材基體的塑韌性。

38、（2）本發明制備得到的灰鑄鐵型材斷面邊緣硬度下降hb20以上，心部和表層硬度差縮小至hb20以下，斷面敏感性顯著降低，灰鑄鐵型材的加工性能得到改善。本發明灰鑄鐵型材材料具有強度高、硬度均勻、斷面均勻性差異小，切削加工性能好，切削抗力遠小于鋼件，可以高速精加工，加工表面光潔度相對波動小。

39、（3）本發明方法采用高氮氮化錳作為氮源。工業中常用的氮源有高氮氮化錳、氮化錳、氮化錳鐵、氮化硅鐵和氮氣等。水平連續鑄造實際生產中發現，由于氮化錳（6-7%n）、氮化錳鐵（4-6%n）的含氮量比較低，生產中會影響氮元素的吸收，并會帶入更多的錳；氮化硅鐵（26-35%n）的含氮量比較高，熔化過程中容易出現氮元素聚集成氮氣泡上浮問題，盡管吸收率比較高，但是很難穩定控制，容易造成氮元素的含量不穩定；直接采用氮氣，由于氣泡引入到鐵水底部比較困難，氣泡上浮，氮元素直接進入鐵水后的吸收率很低，穩定性差。由此可見，采用高氮氮化錳作為氮源成為最佳選擇，不僅吸收率最高，而且最容易控制含量，實際操作更穩定。

40、（4）本發明方法關于加入時機和高氮氮化錳塊尺寸的選擇具體為：鐵水熔煉過程中在電爐中熔煉后期加入高氮氮化錳，使用的高氮氮化錳塊尺寸為30mm-40mm，有利于高氮氮化錳塊的快速熔化，更有利于提高氮元素的吸收和分布均勻化。其原因是加入時機和方法非常關鍵，高氮氮化錳中含有8-10%n，85-90%mn，在感應電爐中熔化時隨著電磁感應作用下鐵水的高速流動，氮元素極易變成氣體分子而成為氣泡上浮。為了避免燒損，促進氮元素的吸收，其加入時機非常重要。另外，由于高氮氮化錳塊體的密度大于鐵水的密度，盡管感應電爐有強烈的電磁攪拌作用，高氮氮化錳塊體尺寸過大，有可能沉入電爐底部，不僅不利于其熔化，更不利于氮元素的吸收和均勻化，并有可能造成氮元素的燒損。由此可見，在熔化后期，其他金屬材料和鐵合金都熔化后，并經過扒渣處理后再加入尺寸為30mm-40mm的高氮氮化錳塊不僅有利于熔化，更有利于其均勻化。同時，這樣有利于降低灰鑄鐵型材內外組織的差異，提高灰鑄鐵型材心部的硬度，降低表層的硬度，提高灰鑄鐵型材的機械加工性能。

41、（5）本發明方法在二次孕育過程中加大含鍶和鋇的長效硅鐵孕育劑的量，并采用二次孕育法以提高和延長孕育效果，從而避免大尺寸截面灰鑄鐵型材生產過程中因凝固時間長造成的孕育衰退而出現碳化物。