高强度钢性球铁的制造方法

一种高强度钢性球铁的制造方法其特征是在熔化铸铁溶液时，向冲天炉或电炉内投放总容量60％至95％以上的大量的废钢得到的。高强度钢性球铁的特征是低碳低硅的球铁，化学成分是共晶或亚共晶的，即共晶度≤1。这种似钢的钢性球铁较球铁在1947年发明以来强调的首要条件是共晶度≥1有明显不同。本发明的钢性球铁在低碳低硅的条件下获得了比过共晶球铁有更高物理性能、抗拉强度高、延伸率大、铸造缺陷明显减少的特点。由于大量使用废钢，成本大幅降低，资源利用状况发生良好变化，也有利减少废钢氧化铁对自然环境的污染。本发明的高强度钢性球铁的制造方法是获得低成本、高性能球铁的最简便、最新颖的有效办法。其特征如下：一、钢性球铁化学成分的范围本发明的钢性球铁的化学成分和主要元素组成特征：碳1.5％-3.0％、硅1.8％-2.8％、硫＜0.6％、磷＜0.07％、锰0.5％-1.0％。合金化时可加入钼0.2％-0.6％、铜0.4％-0.9％或其他的合金元素。其余为铁。

1、关于碳：本发明的钢性球铁主要控制碳当量(碳量+1/3硅+1/3磷含量)等于4.3％或小于4.3％(质量分数)。制成共晶的或亚共晶的球铁，由于碳含量低，比重大于普通现有的球铁，而强度、延伸性又高于现有的球铁。为区别这两种球铁，对大量废钢制造的低含碳量的性能似钢的本发明方法制造的球铁定名为“钢性球铁”。

在上述化学成分中铁元素是加入总量60％-95％以上的废钢实现的。废钢含碳量平均为0.5％-0.9％，在熔炼过程中可加入5％-20％的高炉生铁或回炉料。大量采用废钢可获得含碳量1.5％的铁水，这种低碳的铁合金有效截面增加，晶粒得到细化，在其后球化时可获得明显高的抗拉强度和延伸性，这种钢性球铁的铸造缺陷明显减少，几乎不会出现缩松、气孔、皮下气孔、石墨漂浮、夹渣等现象。现有过共晶球铁，大量碳原子在固体内扩散引发的缺陷使材料性能明显下降的现象得到了改善，低碳低硅钢性球铁的晶粒细小、宏观特性、力学性质、耐腐蚀性都得到了大幅提高，这种制造方法容易获得质量稳定、成品率高的铸件。资源和废旧物资再生循环得到充分高效利用，是节省金属材料的有效途径。

本发明的含碳量1.5％-3.0％的铁液的制造方法有两种。其一是在电炉(如中频电炉)中熔制时，需在炉内加石墨电极(50毫米×50毫米块状)1％-2.5％(质量分数)与平均含碳量0.5％的废钢一起熔炼。其二在冲天炉内熔炼时，可不在炉内加碳，由于使用焦碳增碳在熔化过程中自然进行，用平均含碳0.5％的废钢可十分容易得到1.5％碳量的铁液。生产钢性球铁的方法主要是在必要时改变冲天炉风口到炉底间的距离，距离越小，铁液对碳的吸收越少，也可将炉缸取消，将炉底升高到风口线以上，或在冲天炉底砌筑一些溢铁水流的耐火砖格，以调整增碳量。由于焦碳中灰分含量影响增碳，稍许增加焦碳用量，熔化带和铸铁温度也随之增高，促进铁液增碳和提高均匀性。调整焦碳用量可增碳到1.5％-3％，不需额外加入碳元素。本发明主张低碳当量，以亚共晶和共晶状态为主导。例如碳量1.5％时铸态晶粒十分细致，宏观颜色呈银亮色、无兰色的氧化铁表面，由于过热或急冷通常的铸造缺陷不见了，晶粒细化、力学性能大幅提高。仅此采用低碳含量的一个举措就可将现有球铁冶炼水平提高一个质量等级。大量采用废钢的低碳低硅的钢性球铁的性能，一般都可以达到GB500-10以上水平。明显好于使用优质高炉生铁现有球铁的性能。

2、关于硅：本发明钢性球铁的硅含量的特征是将硅量控制在1.5％-2.8％之间。本发明方法的加硅工艺是将全部或4/5的硅用于孕育处理，在炉中仅加入1/5的硅，甚至在炉中不加硅。由于本方法的含碳量低，熔化温度高，仅仅是由于加入适量的孕育硅，提高铁水的流动性、细化晶粒是加硅的主要目的。本方法采取将硅敷在包底，分两次冲入铁水、随流撒细硅铁粒二至三次瞬时孕育的方法，分别将不需预热的硅铁加入铁流中。大孕育剂和本方法表1中列举的球化剂、变质剂一起加入的办法，处理铁水是十分重要的。

3、合金化元素：在钢性球铁的熔炼过程中，可以在铁液中加入各种合金元素。本方法的特征在于在电炉中开始熔炼时一次性将各种合金元素一并加入，以降低共熔点，得到过热，达到细化晶粒的目的。藉助球化反应后高温状态时的充分搅拌铁水可细化共晶体，获得均匀的无宏观局域或微晶偏析的高质量铸件。

4、除硫方法：铁液熔化后，浇注前，冲入浇包中的铁水应在浇包中除硫，每吨铁水加20公斤苏打，可去除硫约60％。加入1/2苏打先用纸袋包装放在包底。另1/2在冲入包内铁水1/2时加入，反应3分钟后加少量石灰或打渣剂除渣，铁水的晶莹程度提高、增加流动性。

5、本方法实施例之一的典型配方如下(质量组分)：碳1.822％、硅2.75％、硫0.019％、磷0.048％、锰0.505％、铜0.3％、钼0.2％、残余镁0.034％、残余稀土0.02％、其余为铁。

在熔化时使用90％的废钢，废钢的平均含碳量为0.5％，废钢为工业废料。

在冲天炉中熔化不加碳和硅铁，用铁水总量2.6％的硅铁(硅75％)分三次大剂量孕育，苏打除硫。球化处理时使用球化变质剂，球化变质剂含钙1.45％、稀土7-9％、镁9.47％。球化剂用量占铁水总量的1.8％。

经等温热处理(880℃加热30分钟、等温260℃90分钟)抗拉强度达1300Nm。延伸率1.5％硬度HRC48冲击值80Jcm-2。

本发明方法使用的变质剂如附表4的编号为1、2、3、4等四种，球化剂如附表3中所列举的1、2、3、4等四种。

本发明附图1是工艺流程框图。在附图1中将本发明制造方法的工艺流程自上端左面从废钢加入熔炉中起向下以框图形式表达如附图1所示。

本方法可以用控制不同的铁水流量的方法得到比重7.2-7.7不同比重的逐渐分层冷却的重力浇注的无缺陷的铸件。在浇注零件浇口中不产生补缩现象，这时仅比重略有降低，实现了无压头、无冒口、无缩松、不需补缩的铁水利用率非常高的铸件制造方法。如附图2所示，附图2中铸件1为较快速的大流浇注，图2中的铁流2浇注时。由于高温铁水在浇口杯内急冷收缩成深谷状的，是无用的直浇口铸件的形状，明显浪费大量铁水。附图2中铸件3是用较小的限量的铁水浇注流4经一定时间而得到的完整的充满型腔的无缩松的铸件的形状，可实现无冒口、无压头浇口的重力浇注。

二、白口倾向的防止方法：大量使用废钢的低碳低硅的亚共晶或共晶成分的钢性球铁，在理论上容易出现白口倾向，渗碳体会大量形成，但本发明方法的特征在于对铁水熔化采用高出传统方法很高的高温和过热、熔化温度高、浇铸温度高，高温铁水在型内释放大量的热量直接提高了金属型或砂型型壁的温度。高温的结果是铸件获得大量的铁素体和珠光体组织，实际上促进了石墨化的过程。传统方法从来不用高温铁水加热型腔壁，铸件铁液温度低又被铸型激冷，出现白口，皮下气孔，浇不全等多种铸造缺陷是必然的。本发明方法大量采用废钢时铁液中少量的碳化物、氮化物分布在奥氏体的晶界上，阻碍奥氏体晶粒长大，合金化元素形成的弱碳化物，含碳量少时凝固在高温作用下更易于溶在奥氏体的固溶相中，而使晶粒得到特别细化，宏观断口很像钢。由于含碳量少，自由状态的石墨呈球状，形成的孔洞大为减少，缺口敏感性也大幅减少。由于少量的碳在大量铁原子的包围下，在硅、锰等元素大量晶核的作用下，石墨析出物被迅速细化，结晶很细小致密，无宏观石榴状结晶，不像一般球铁而有很像“钢”的断口，这种似钢的钢性球铁有很高的物理性能，外观和内在质量都很像钢。而化学成分中决定性的碳元素却比钢高，比铸铁低，是一种介于铁和钢之间的铁碳合金，而综合物理性能却高于铁和钢。例如一种本发明方法制造的钢性球铁的碳当量是3.07，是用90％的含碳0.4％的废钢、加入硅2.8％、高炉生铁7％、少量铜、钼熔化后球化变质处理得到的。抗拉强度达到980Nm，延伸率3.2％的优质钢性球铁。

为防止出现白口，在孕育变质过程中，加入大量的硅，产生了许多弥散分布的硅酸盐质点，其晶格常数与石墨六方晶格常数十分接近，易于生成大量晶核。这些亚共晶铁水中的富硅区的浓度起伏相当于共晶区或过共晶区经过球化外理的铁水，可在凝固时即时析出球状石墨，这些自由碳在高温热能动力学作用下没有足够的碳去生成渗碳体，大量的铁素体占主导因素，从而避免了白口倾向的产生。加入CaC2促进石墨化的作用更为明显，由于制造了大量的“人工晶核”变质处理和球化过程避免了白口倾向，最主要的特征是高温过热使上述过程更为充分，防止了白口倾向。铸件不必退火即可进行机械加工。石墨在溶液或固溶液中直接结晶的过程析出石墨或渗碳体，由于本方法高温过热的铁水溶液在浇注时也用较高的温度，冲天炉1460℃、电炉1650℃至1700℃在这样高温作用下少量的碳原子摄取了十分少的铁原子和它结合在一起，高温的激活能使少量的碳原子间的结合力大于异类原子的结合力，使碳原子无法大量与铁原子结合在一起，破坏了形成渗碳体的条件，且碳在溶液中析出时由于球化剂的作用其扩散过程是控制过程，原子从各方面均匀流入可将碳结晶成园球形状，而很少形成渗碳体，这样的铸件加工性能良好，可免去石墨化退火。当然如果由于铸型或工艺原因出现白口时，本方法的高强度钢性球铁铸件也可在石墨化退火后进行机械加工，而对高强度的特性没有不良的影响。如用电炉1600℃以上高温过热熔化的铁液铸件其退火时间可较现有技术的退火时间减少1/2以上，即可全部消除渗碳体，退火时间明显减少，节约能源显著。

三、关于熔炼和浇注温度的“高温过热”钢性球铁增碳后加硅孕育变质球化时的铁水温度要尽量的高。例如冲天炉1500℃出炉，此时可用暖风炉或吹氧提高炉温，浇注温度1450℃左右，更有效的方法是用中频电炉熔炼或用电炉增温的双联冶炼。使出炉温度不低于1500℃，熔炼过热时要尽量采用高温，例如1600℃-1760℃之间的高温过热。经过如此高温过热处理的铁液铸件质量特别完美，是重力浇注无缺陷铸件的简便有效的关键方法。高温铁水有像水一般的流动性，可瞬时充满铸型，枝间晶形成倾向减小，高温铁水冲刷铸型壁，有利于铸件凝固时石墨化充分，复杂薄壁的铸件在高温液流高雷诺数的作用下可迅速被充满，随后的过冷不但避免了白口又特别地细化了晶粒，提高了铸件的质量和成品率。高温消耗的能量有限，而近百分之百的成品率和无冒口无压头的浇注系统的铁水利用率明显高于现有的铸造工艺方法。本方法首先突破“高温禁区”获得了明显的效果，高温使铸件质量明显得到改善。流动性对比数据见附表2。

通常铁水在1500℃球化处理时石墨呈较大球状，而后再提高至1550℃处理时，石墨球呈雪花状的不规整园球形，性能下降，而本方法采用1600℃-1700℃的高温处理时，雪花状石墨被高温热能激活后结晶成更为细小的园整的石墨球。低温时球径为20μ-350μ，高温时细化的球径可达到1μ至20μ。

高温浇注的另一个好处是铁水流动性特别好，高温铁液中杂质和气泡易于上浮，夹渣明显减少，分散缩孔减少，是获取密实无缺陷铸件的简便有效方法。例如在电炉中的高温铁水质量除气效果好，通常的说法是高温时铁水易吸收气体，实际上高温时铁液中的气体被铁水的高比重排挤到大气中去了。在电炉熔化铁水时，1500℃-1600℃之间出现大量的气泡上浮，沸腾如煮水开锅时一样，气泡反复发生不止，但在继续的升温过程中气泡和沸腾现象停止了，铁水呈现平静的镜面状态，显然这时的铁水质量十分均匀，无杂质也无宏观和微晶偏析，清彻晶融的铁水明显好于低温易大量生长枝间晶，粗糙的“粘”的，流动性不好的铁水。

现有铸造行业流行的工艺方法是“高温出炉、低温浇注”，本发明新的工艺方法是将其改为“甚高温出炉、高温浇注”改变使基体组织结晶条件发生变化。由于高温浇注，铸型温度的提高改善了凝固条件，避免白口倾向又细化了晶粒，在铸型内冷时铁水大量的热量直接影响初生晶的形成，促进了石墨化。在奥氏体铁液中已经球化了的石墨在过后的降温时并未改变石墨的形状。液体温度高，表面张力降低，流动性好。粘滞系数小，使铸件成形容易，高温使冷却缓慢，降低了结晶转化温度和速度，可使奥氏体分介产物的分散性增加而得到组织细化的钢性球铁，其铸态组织为大量铁素体和珠光体，没有渗碳体。数量不多的碳元素，高温时溶介的碳在浇注后自液体中析出的数量也明显减少，这使铸造缺陷得以减少，而金属的均匀性增加，强度和塑性得到提高。在1400℃-1760℃之间随着冶炼温度的升高，铸件的抗拉强度也随之提高，温度和质量呈线性关系，是本方法的主要特征之一。相关数据见附表2和附表1。

综上所述本发明加入大量废钢熔炼高强度钢性球铁的方法较现有铸造球铁大量使用高炉优质生铁的方法有明显的区别。最主要的特征在于大量使用废钢时可以获得明显高于使用高炉生铁时的优质无缺陷高质量的钢性球铁铸件。纵观国内国外几乎没有没有废钢的城市或乡村，大量无用的废钢应用本发明的制造方法可以变成更为优良的铸件是本发明最主要的特征。

总之，本发明的钢性球性球铁的制造方法，是21世纪制造新产品的有效方法，十分简便的工艺方法应用废旧资源获得的却是优良的高质量、低成本的铸件。

可以说本方法是本世纪“铁—钢合一”项目的一项重要成果，具有明显的社会效益和很高的经济效益，推广应用前景十分广阔。

表1  钢性球铁与国标球铁主要性能比较

表2  钢性球铁温度与流动性关系

表3钢性球铁常用球化剂主要成分百分比

表4钢性球铁常用变质剂主要成分百分比