一种改善铸铁件抗拉强度的孕育剂和该孕育剂的制备方法与流程

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1.本发明涉及铸铁件生产熔炼用孕育剂及其制备方法。

背景技术：

2.铸造业是国家基础工业之一，其产品涉及军工、民用、航天、铁路、汽车、电力设备、基础建设、各种工农机械制造等。铸造件简称铸件，分为有铸件和黑铸件，黑铸件又细分为铸铁件和铸钢件。本发明所述孕育剂主要用于铸铁件。
3.铸铁件通常含2％-4％的碳，常温下铸铁件中的碳大部分以不同形态的石墨出现。根据不同的石墨形态，铸铁件细分为球墨铸铁、灰铸铁、蠕墨铸铁等等。铸铁件在生产过程中都需要用到孕育剂以及孕育工艺，来改变和调整铸铁件中碳的存在形式、分布、尺寸、形态等，进而改变或者改善铸铁件的性能。这些性能包括但不仅限于机械性能、切削性能、固有频率、时效性能等。孕育剂在铸件生产成型过程中加入量通常在铁水总质量的0.05-1％。其加入量不大，但起的作用却十分关键。
4.铸铁件生产过程中，通过一定的孕育工艺，加入合适的孕育剂，可以达到以下诸多目的。1、有效的减少铸件白口(大块的fe3c组织,行业通常也称之为碳化物)生成，进而改善和保障铸件机械性能，降低铸件硬度，提高机加工性能。2、提高或者调整石墨析出量，同时可以改善石墨形态，减小铸件成型过程中的缩松倾向，提高材质致密度，进而提高产品的成品率和进一步提高性能；3、改善或者调整铸件基体组织，通常是珠光体(pearlite)和铁素体(ferrite)的比例，进而有针对性的调整铸件所需的性能；4、改善铸件材质的均匀性，包括基体组织和石墨的分布。通常由于铸件产品结构复杂、尺寸不一，铸件性能均匀性和一致程度也是至关重要的。
5.随着社会的进步与发展，铸铁件使用方对铸铁件的要求不断提高，尤其是抗拉强度的要求。一方面，在主机上同样部位的零部件，使用厂家期待铸件能够达到更高强度，包括灰铸铁和球墨铸铁。例如，国内华中地区某汽车主机厂，原本其采购的汽车缸体ht250牌号，具体要求实际抗拉强度到达206mpa就可以。但近期主机厂技术人员希望铸造厂技术部辅助提供抗拉强度达到290mpa的同类产品。这给铸造工作者带来了较大的挑战，当然也带来了新订单的机遇。另一方面，不论是球墨铸铁还是灰铸铁，要保证较高的抗拉强度，铸造厂家通常都会加入大量的合金元素，诸如cu、sn。这直接大幅度增加了铸造厂的生产成本。有的铸造厂会选用sb元素来替代cu元素来间接提高铸件强度。但是这样做会带来其他副作用，因而受到部分主机厂的限制。
6.那么有没有办法在不增加熔炼成本的基础上，提高铸铁件的抗拉强度呢？

技术实现要素：

7.本发明设计开发了一种改善铸铁件抗拉强度的孕育剂及其制备方法。通过设定的制备方式及使用工艺，能大幅度提高孕育剂的孕育效果，提高孕育均匀性；改善铸铁件的抗拉强度，包括灰铸铁和球墨铸铁，改善铸铁件金相。进而，可以帮助铸造厂开发更高牌号的
产品，或者降低贵金属的加入量，从而降低生产成本。发明创造描述：
8.根据第一个方面，本发明涉及一种改善铸铁件抗拉强度的孕育剂。其中所述孕育剂为粒状硅铁基合金，包含重量百分比在40-80％之间的硅、0.5-5％之间的钙、0-15％之间的稀土(例如，铈和/或镧)、0-10％之间的锆、0-5％之间的钡、0-5％之间的铝，总量不超过2％质量的杂质(包括游离态的碳、灰分及其他氧化物)，剩余质量量为铁。
9.本发明所述的孕育剂中的硅元素部分是以硅和铁的化合物形式存在，主要包括fesi相和fesi2相；硅元素的另外一部分是以单质硅的形式存在。以上两类相在产品材质中主要是基体相；
10.本发明所述的孕育剂中的稀土元素主要是以稀土和硅的化合物形式存在，主要是硅铈相和硅镧相，还包括其他形式的化合相；
11.本发明所述的孕育剂中的钡元素主要是以钡和硅的化合物形式存在，主要是硅钡相；
12.本发明所述的孕育剂中的锆元素主要是以锆和硅的化合物形式存在，主要是zrsi2相；
13.本发明所述的孕育剂中的钙元素主要是以钙和硅的化合物形式存在，主要是和稀土元素、钡元素和锆元素的化合相同时存在；
14.本发明所述的孕育剂中的铝元素主要是以铝、硅、铁的化合物形式存在，主要存在于铁硅相的基体中；
15.本发明所述的孕育剂中的铁元素主要是以硅和铁的化合物形式存在，主要包括fesi相和fesi2相；
16.本发明所述的孕育剂中的稀土化合相、钡的化合相、锆的化合相、铝的化合相和钙的化合相均为孕育相，促进铸铁件中石墨的析出；
17.在灰铸铁件生产中，本发明所述孕育剂中的稀土化合相改变石墨片的形态，减少石墨片对基体的割裂作用，在不改变铸件成分的情况下能提高灰铸铁件的抗拉强度；
18.在灰铸铁件生产中，本发明所述孕育剂中的锆和/或铝化合相提高铸铁件中石墨分布的均匀性，使灰铸铁件不同结构处石墨形态尽量一致，提高灰铸铁件的不同结构位置的抗拉强度的一致性；
19.在球墨铸铁件生产中，本发明所述孕育剂中的稀土化合相促进石墨析出，提高石墨球数和球化率，提高铸铁件材质的综合性能；
20.在球墨铸铁件生产中，本发明所述孕育剂中的锆和/或铝化合相提高铸铁件中石墨分布的均匀性，使球墨铸铁件不同结构处石墨形态尽量一致，进而能提高球墨铸铁件的抗拉强度；
21.在灰铁件和球墨铸铁件生产中，本发明所述孕育剂中的钡的化合相改善孕育的时效性。铸铁件生产的浇铸过程，时间从2分钟到30分钟不等，浇铸砂箱数从1箱到几十箱不等。钡的化合相能减少首箱浇铸和末箱浇铸孕育性能的差异，从而提高铸铁件整体成品的一致性；
22.根据较佳实施方案，本发明所述的孕育剂中的各种相组织细化，包括基体相和孕育相，分布均匀，如图2、3所示。相对于现有市面产品，本发明所诉孕育剂单位面积下形成的“晶粒”数提升1-2个数量级，相的分布也更加弥散、均匀。孕育相呈块状、层片状和颗粒状分布，如图1所示，浅(白)相为孕育相。其中，孕育相“晶粒”尺寸在5-50μm，块状孕育相都在20-50μm；粒状和片状孕育相都在5-10μm，孕育元素相分布类似铸铁件中的石墨分布，均匀、弥散。在100倍放大倍数下，在1mm2面积内，孕育元素相的“晶粒”数达到500 以上。此外，基体相呈深，其中灰为铁硅相，深灰为单质硅相。
23.验证发现，根据所述所生产出的孕育剂，和常规孕育剂相比，在同条件的铸造使用条件下，铸件综合性能更优，抗拉强度更高，铸件均匀性更好。
24.第二个方面涉及本发明的铸铁用孕育剂的生产制备方法。
25.步骤一，选用高品位的硅铁和生铁为原材料，按照一定的质量百分比均匀混合后，同时置于中频炉内熔炼至1300-1350℃，炉内合金呈完全熔融均匀的液态合金液，同时扒去浮渣。再将硅钡合金，硅锆合金按照一定比例和顺序，依次加入到熔炉中，然后快速升温30-100℃搅拌均匀呈熔融铁液，至炉内金属液温度在1400℃左右(
±
20℃)。出炉过程中，将稀土硅铁合金颗粒以随流方式，均匀的洒在合金液上。制备过程中，硅锆合金的质量百分比在范围 10-30％，粒度在10-70mm；硅钡合金的质量百分比在范围5-15％，粒度在10-70mm；稀土硅铁的质量百分比在范围10-30％，粒度在1-5mm。
26.步骤二，冷却凝固、破碎筛分。通过快速冷却设备使合金液冷却至固态(900℃以下)，冷却速度大于50℃/秒。再置于石墨容器中自然冷却至室温。最后破碎筛分至不同粒度规格的颗粒状孕育剂。
附图说明：
27.图1显示为比较例的i1孕育剂的平面扫描电镜(sem)金相图，使用背散射电子图像，放大100倍；
28.图2显示为实施例1的i2孕育剂的平面扫描电镜(sem)金相图，使用背散射电子图像，放大100倍；
29.图3显示为实施例2的i3孕育剂的平面扫描电镜(sem)金相图，使用背散射电子图像，放大500倍；
30.图4显示为汽车发动机缸体件图示；
31.图5显示为使用比较例i1孕育剂生产缸体热结部位光学金相放大100倍；
32.图6显示为使用实施例1的i2孕育剂生产缸体热结部位光学金相放大100倍；
33.图7显示为使用比较例i1孕育剂生产缸体抗拉试棒断口扫描电镜(sem)图放大100 倍；
34.图8显示为使用实施例1的i2孕育剂生产缸体抗拉试棒断口扫描电镜(sem)图放大 100倍；
35.图9显示为汽车曲轴铸铁件图示；
36.图10显示为使用比较例i1孕育剂生产曲轴大头端光学金相放大100倍
37.图11显示为使用实施例2的i3孕育剂生产曲轴大头端光学金相放大100倍；
具体实施方式：
38.比较例
个数量级，相的分布也更加弥散、均匀。孕育相呈块状、层片状和颗粒状分布，如图1所示，浅(白)相为孕育相。其中，孕育相“晶粒”尺寸在5-50μm，块状孕育相都在20-50μm；粒状和片状孕育相都在5-10μm，孕育元素相分布类似铸铁件中的石墨分布，均匀、弥散。在100倍放大倍数下，在1mm2面积内，孕育元素相的“晶粒”数达到500以上。此外，基体相呈深，其中灰为铁硅相，深灰为单质硅相。
42.实施例4孕育剂应用1表2.汽车缸体铸铁件成分 csimnpscrcusn炉前铁水3.351.580.550.020.0880.220.480.069炉后铁水3.341.820.540.020.0760.220.480.0655使用比较例i1孕育剂和实施例1的i2孕育剂在汽车发动机缸体的灰铸铁铸件上对比。如图4所示，是发动机缸体的图示，图中红方框处为热结部分，需要检测金相。铸件炉前炉后成分如表2所示。使用普通孕育剂，即比较例i1孕育剂做包内孕育剂，加入量0.4％，得到铸件热结部位金相如图5所示，有大菊花状石墨(c型石墨)。铸件拉伸试棒断口局部扫描电镜观察如图7所示，试棒很容易从石墨处整个断裂。试棒抗拉强度及硬度如表3所示。使用本发明所述孕育剂，即实施例1的i2孕育剂做包内孕育剂，加入量0.4％，得到铸件热结部位金相如图6所示，大菊花状石墨消失了，石墨长度也有明显减小，石墨弯折明显增多。铸件拉伸试棒断口局部扫描电镜观察如图8所示。试棒抗拉强度及硬度，以及热结部位金相如表3所示。表3.孕育剂在汽车缸体铸铁件上的表现
对比抗拉强度硬度石墨类型最大石墨长度平均石墨长度编号对比比较例235mpa223hba+b+c1100μm54μmi1市面技术实施例1287mpa228hba310μm33μmi2本发明相关
从实际检测结果来看，本发明所述孕育剂i2整体性能优于市面现有孕育剂，如表3所示。在同样的铁水成分和同样的浇铸工艺下，铸铁件抗拉强度提升22％。热结部分的粗大石墨和菊花状石墨消失，平均石墨长度减小。实际上，本发明所诉的铸件检测结果是代表该单位量产汽车缸体件的统计平均水平的一个实例。该单位使用本发明所述产品，汽车缸体铸件的抗拉强度提升40-60mpa。同时，缸体上热结部位粗大石墨消除，加工面麻点消失。
43.实施例5孕育剂应用2表4.汽车曲轴铸铁件成分成分csimnpscrsncutimg炉前3.791.5650.6880.0230.010.0580.0020.3890.0060.003炉后3.682.1920.7130.0230.0070.0580.0030.360.0070.035使用比较例i1孕育剂和实施例2的i3孕育剂在汽车曲轴的球墨铸铁件上对比。铸件单重 23kg，厂家要求性能达到600-4，即抗拉强度大于600mpa，延伸率大于4％。如图9所示，是汽车曲轴的图示，图中标识有需要做金相检测和性能拉伸的位置。铸件之前使用普通孕
育剂，即比较例的孕育剂，铸件抗拉强度偏低，曲轴铸件大头端(即金相检测1位置)金相不合格，石墨球数偏少。铸件炉前炉后成分如表4所示。使用普通孕育剂，即比较例i1孕育剂做包内孕育剂，加入量0.3％，得到金相检测点1位置的金相如图10所示，石墨球数偏少，球化率偏低。使用本发明所述孕育剂，即实施例2的i3孕育剂做包内孕育剂，加入量0.3％，得到曲轴铸件大头端(即金相检测1位置)金相如图11所示，石墨球数明显增加，提高了1倍以上，球化率也有提高。铸件机械性能检测，如表5所示。表5.孕育剂在汽车曲轴铸铁件上的表现
对比石墨球数球化率抗拉强度屈服强度延伸率硬度编号对比比较例7377％660mpa395mpa4.36％227i1现有技术实施例221793％732mpa435mpa7.14％225i3本发明相关
从实际检测结果来看，本发明所述孕育剂i3整体性能优于市面现有孕育剂。在同样的铁水成分和同样的浇铸工艺下，铸铁件抗拉强度提升11％。曲轴大头端石墨球数和球化率明显增加，石墨球数提升197％。此外，铸件试棒的延伸率也有明显提升。本发明所诉的铸件检测结果是代表该单位量产汽车曲轴件的统计平均水平的一个实例。该单位使用本发明所述产品，汽车缸体铸件的抗拉强度提升50-70mpa。同时，曲轴大头端金相结果合格。

技术特征：

1.一种改善铸铁件抗拉强度的孕育剂，该孕育剂包含重量百分比在40-80%之间的硅、0.5-5%之间的钙、0-15%之间的稀土(例如，铈和/或镧)、0-10%之间的锆、0-5%之间的钡、0-5%之间的铝，总量不超过2%质量的杂质（包括游离态的碳、灰分及其他氧化物），剩余质量为铁。2. 权利要求 1的孕育剂，所述孕育剂为粒状硅铁基合金，是均匀均质的熔炼产品。3. 权利要求 1-2的孕育剂，所述的孕育剂中的硅元素部分是以硅和铁的化合物形式存在，主要包括fesi相和fesi2相；硅元素的另外一部分是以单质硅的形式存在，以上两类相在产品材质中主要是基体相。4. 权利要求 1-3的孕育剂，所述的孕育剂中的稀土元素主要是以稀土和硅的化合物形式存在，主要是硅铈相和硅镧相，还包括其他形式的化合相。5. 权利要求 1-4的孕育剂，所述的孕育剂中的钡元素主要是以钡和硅的化合物形式存在，主要是硅钡相。6. 权利要求 1-5的孕育剂，所述的孕育剂中的锆元素主要是以锆和硅的化合物形式存在，主要是zrsi2相。7. 权利要求 1-6的孕育剂，所述的孕育剂中的钙元素主要是以钙和硅的化合物形式存在，主要是和稀土元素、钡元素和锆元素的化合相同时存在。8. 权利要求 1-7的孕育剂，所述的孕育剂中的铝元素主要是以铝、硅、铁的化合物形式存在，主要存在于铁硅相的基体中。9. 权利要求 1-8的孕育剂，所述的孕育剂中的铁元素主要是以硅和铁的化合物形式存在，主要包括fesi相和fesi2相。10. 权利要求 1-9的孕育剂，所述的孕育剂中的稀土化合相、钡的化合相、锆的化合相、铝的化合相和钙的化合相均为孕育相，促进铸铁件中石墨的析出。11. 权利要求 1-10的孕育剂，所述的孕育剂中的各种相组织细化，包括基体相和孕育相，分布均匀，如图2、3所示，相对于现有市面产品，本发明所诉孕育剂单位面积下形成的“晶粒”数提升1-2个数量级，相的分布也更加弥散、均匀，孕育相呈块状、层片状和颗粒状分布；如图2、3所示，浅（白）相为孕育相：其中，孕育相“晶粒”尺寸在5-50μm，块状孕育相都在20-50μm；粒状和片状孕育相都在5-10μm，孕育元素相分布类似铸铁件中的石墨分布，均匀、弥散，在100倍放大倍数下，在1mm2面积内，孕育元素相的“晶粒”数达到500以上，此外，基体相呈深，其中灰为铁硅相，深灰为单质硅相。12.一种改善铸铁件抗拉强度的孕育剂的生产制备方法，包括但不仅限于权利要求 1-11的孕育剂的生产制备方法。13. 权利要求 12的方法，合金的熔炼，选用高品位的硅铁和生铁为原材料，按照一定的质量百分比均匀混合后，同时置于中频炉内熔炼至1300-1350℃，炉内合金呈完全熔融均匀的液态合金液，同时扒去浮渣，再将硅钡合金，硅锆合金按照一定比例和顺序，依次加入到熔炉中，然后快速升温30-100℃搅拌均匀呈熔融铁液，至炉内金属液温度在1400℃左右（
±
20℃），制备过程中，硅锆合金的质量百分比在范围10-30%，粒度在10-70mm；硅钡合金的质量百分比在范围5-15%，粒度在10-70mm。14. 权利要求 12-13的方法，出炉过程中，将稀土硅铁合金颗粒以随流方式，均匀的洒在合金液上，稀土硅铁的质量百分比在范围10-30%，粒度在1-5mm。
15. 权利要求 12-14的方法，孕育剂熔体的冷却凝固，以及破碎筛分成品，通过快速冷却设备使合金液冷却至固态（900℃以下），冷却速度大于50℃/秒，再置于石墨容器中自然冷却至室温，最后破碎筛分至不同粒度规格的颗粒状孕育剂。

技术总结

本发明涉及一种改善铸铁件抗拉强度的孕育剂。所述孕育剂包含重量百分比在40-80%之间的硅、0.5-5%之间的钙、0-15%之间的稀土(例如，铈和/或镧)、0-10%之间的锆、0-5%之间的钡、0-5%之间的铝，总量不超过2%质量的杂质（包括游离态的碳、灰分及其他氧化物），剩余质量为铁。所述孕育剂组织细小，分布均匀弥散。成品为粒状硅铁基合金，是均匀均质的熔炼产品。本发明还涉及该孕育剂的生产制备方法。还涉及该孕育剂的生产制备方法。还涉及该孕育剂的生产制备方法。