阅读说明：本技术 一种厚大件用固溶强化铁素体球墨铸铁的制备方法 (Preparation method of solid solution strengthened ferritic nodular cast iron for thick and large parts ) 是由 王小磊 程淦昌 陈思 杨正银 贺献峰 于 2018-07-26 设计创作，主要内容包括：一种厚大件用固溶强化铁素体球墨铸铁的制备方法,包括如下步骤：(1)生铁与废钢加热至1460～1520℃熔化,并通过添加增碳剂调整C元素含量至3.0～4.0％,(2)选用盖包球化法对铁液进行球化,球化剂加入量为原铁液重量的1.0～2.0％,球化的同时加入Ce和Sb金属元素；(3)球化孕育包制备时球化剂紧时,在球化剂的上方均匀覆盖粒径为3～8mm的75SiFe孕育剂；(4)加入0.04～0.1％的TiC和TiN混合纳米粉末,并加入原铁液重量0.004-0.008％的Bi合金；(5)浇注时随流孕育；(6)铁液冷却后即得强化铁素体球墨铸铁。本发明孕育结束后,添加TiC、TiN的纳米粉末和Bi元素,使得球墨铸铁的抗拉强度和延伸率增加；本发明的制备工艺简单、可以降低厚大件的整体质量,成本低、易于实现工业化生产。(A preparation method of solid solution strengthened ferritic nodular cast iron for thick and large parts comprises the following steps: (1) heating pig iron and scrap steel to 1460-1520 ℃ for melting, and adjusting the content of C element to 3.0-4.0% by adding carburant, (2) spheroidizing the molten iron by a covering spheroidizing method, wherein the adding amount of the spheroidizing agent is 1.0-2.0% of the weight of the original molten iron, and Ce and Sb metal elements are added during spheroidizing; (3) when a nodulizer is tight during preparation of the spheroidized inoculant ladle, uniformly covering 75SiFe inoculant with the grain diameter of 3-8 mm above the nodulizer; (4) adding 0.04-0.1% of TiC and TiN mixed nano powder, and adding Bi alloy accounting for 0.004-0.008% of the weight of the original molten iron; (5) stream inoculation is carried out during pouring; (6) and cooling the molten iron to obtain the strengthened ferrite nodular cast iron. After inoculation is finished, nano powder of TiC and TiN and Bi elements are added, so that the tensile strength and the elongation of the nodular cast iron are increased; the preparation method has the advantages of simple preparation process, low cost and easy realization of industrial production, and can reduce the overall quality of thick and large parts.)

一种厚大件用固溶强化铁素体球墨铸铁的制备方法

技术领域

本发明涉及铁素体球墨铸铁制备领域，特别是涉及一种厚大件用固溶强化铁素体球墨铸铁的制备方法。

背景技术

随着世界各地风力发电机项目的发展，作为风电项目中的核心部件：轮毂、底座、轴等件，其选用的铁素体球墨铸铁材料随着地理条件变得恶劣，其性能要求也更高。

很多风电用铁素体球墨铸铁部件为厚大件(壁厚大于60mm)，然而厚大件球墨铸铁由于冷却速度缓慢，共晶凝固时间长，在冷却过程中容易产生碎块状石墨，将会明显降低球墨铸铁的抗拉强度、伸长率等性能。

普通铸态球墨铸铁如QT400-18、QT450-10、QT500-7、QT600-3、QT700-2等牌号其抗拉强度、延伸率等综合性能无法满足厚大件的要求，而QT600-10，则具有较好的抗拉强度和延伸性。

发明专利CN 103710612 A公开了“一种铸态铁素体基球墨铸铁QT600-10的生产方法”，发明专利CN104120332A公开了一种“高强度高韧性球墨铸铁600-10及其生产工艺”，这两项专利的技术方案生产的球墨铸铁抗拉强度或延伸率较低，并且在技术方案中未给出针对厚大件球墨铸铁铸件的强度、延伸率的解决方案。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种厚大件用固溶强化铁素体球墨铸铁的制备方法，实现制备的厚大件铁素体球墨铸铁的强度、延伸率的提高。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种厚大件用固溶强化铁素体球墨铸铁的制备方法，包括如下步骤：

(1)在中频感应电炉中加入生铁与废钢，加热至1460～1520℃进行熔化，全部熔化后检测铁液中碳元素的含量，并通过添加增碳剂调整C元素含量至3.0～4.0％，形成原铁液，铁液出炉温度控制在1520±10℃；

(2)选用盖包球化法对铁液进行球化孕育，球化剂的加入量为原铁液重量的1.0～2.0％，球化的同时加入Ce和Sb金属元素；

(3)球化孕育包制备时球化剂紧时，在球化剂的上方均匀覆盖粒径为3～8mm的孕育剂；

(4)球化孕育包中加入原铁液重量0.04～0.1％的TiC和TiN混合纳米粉末，并加入原铁液重量0.004-0.008％的Bi合金；

(5)浇注时随流孕育，浇注温度为1400～1420℃；

(6)铁液冷却后即得强化铁素体球墨铸铁。

所述孕育剂为75SiFe；

所述孕育剂的加入总量为原铁液重量的1.0～2.0％；

所述球化剂为稀土镁。

进一步地，所述生铁与废铁加入质量比为0.75:0.25；所述生铁碳含量为4.2％，废铁碳含量为0.2％。

进一步地，所述增碳剂中碳含量为96％，Mn含量为0.28％。

进一步地，所述75SiFe的Si含量为75～77％，Ca含量为0.6～0.8％。

进一步地，所述稀土镁的Si含量为46％，镁含量为6％，Sb含量为0.1％。

进一步地，所述TiC与TiN质量混合比为3:1，所述纳米粉末的粒径为100～150nm。

进一步地，所述步骤(3)加入的孕育剂为加入总量的20～30％；所述步骤(5)随流孕育时加入余量的孕育剂。

更进一步地，所述步骤(2)中加入Ce和Sb金属元素的量分别为原铁液质量的0.008～0.012％、0.006～0.010％。

本发明的有益效果包括：

Sb为干扰石墨球化的稀土，当选用稀土镁作球化剂时，Sb含量为0.007～0.012％时，球墨铸铁具有一定的球化作用，使石墨球数增加，Sb与加入的Ce容易形成高熔点的稳定的化合物，作为球墨的异质核心，增加了石墨球数，有利于提高球墨铸铁珠光体的含量，提高基体的抗拉强度。

本发明孕育结束后，添加质量比为3:1、粒径为100-150nm的TiC、TiN的纳米颗粒，纳米尺寸的TiC和TiN能够促进奥氏体的连续枝晶，Bi的添加降低了石墨球的尺寸，体系易形成一种结构稳定且密度均匀的奥氏体晶粒，使得球墨铸铁的抗拉强度和延伸率增加。

本发明的制备工艺简单、可以降低厚大件的整体质量，成本低、易于实现工业化生产。

具体实施方式

下面结合实施例作进一步说明，但本发明不局限于这些实施例。

实施例1

选用4MW风电轴承端盖铸件进行试制，该底座单重16吨，主要壁厚80-120mm，其制备步骤如下：

(1)在中频感应电炉中加入生铁与废钢，加热至1470±10℃进行熔化，全部熔化后检测铁液中碳元素的含量，并通过添加增碳剂调整C元素含量至3.0％，形成原铁液，铁液出炉温度控制在1520±10℃；

(2)选用盖包球化法对铁液进行球化，球化剂稀土镁加入量为原铁液重量的1.0％，球化的同时加入Ce和Sb金属元素；

(3)球化孕育包制备时球化剂紧时，在球化剂的上方均匀覆盖粒径为3～8mm的75SiFe孕育剂；

(4)球化孕育包中加入原铁液重量0.1％的TiC和TiN混合纳米粉末，并加入原铁液重量0.004％的Bi合金；

(5)浇注时随流孕育，浇注温度为1400～1420℃；

(6)铁液冷却后即得强化铁素体球墨铸铁QT600-10。

其中生铁与废铁加入质量比为0.75:0.25；

其中生铁碳含量为4.2％，废铁碳含量为0.2％。

其中孕育剂的加入总量为原铁液重量的1.5％；其中步骤(3)加入的孕育剂为加入总量的25％；所述步骤(5)随流孕育时加入余量的孕育剂。

其中增碳剂中碳含量为96％，Mn含量为0.28％。

其中75SiFe的Si含量为75～77％，Ca含量为0.6～0.8％。

其中稀土镁的Si含量为46％，镁含量为6％，Sb含量为0.1％。

其中TiC与TiN质量混合比为3:1，所述纳米粉末的粒径为100～150nm。

其中步骤(2)中加入Ce和Sb金属元素的量分别为原铁液质量的0.008％、0.006％。

实施例2

选用4MW风电轴承端盖铸件进行试制，该底座单重16吨，主要壁厚80-120mm，其制备步骤如下：

(1)在中频感应电炉中加入生铁与废钢，加热至1490±10℃进行熔化，全部熔化后检测铁液中碳元素的含量，并通过添加增碳剂调整C元素含量至4.0％，形成原铁液，铁液出炉温度控制在1520±10℃；

(2)选用盖包球化法对铁液进行球化，球化剂稀土镁加入量为原铁液重量的2.0％，球化的同时加入Ce和Sb金属元素；

(3)球化孕育包制备时球化剂紧时，在球化剂的上方均匀覆盖粒径为3～8mm的75SiFe孕育剂；

(4)球化孕育包中加入原铁液重量0.07％的TiC和TiN混合纳米粉末，并加入原铁液重量0.006％的Bi合金；

(5)浇注时随流孕育，浇注温度为1400～1420℃；

(6)铁液冷却后即得强化铁素体球墨铸铁QT600-10。

其中生铁与废铁加入质量比为0.75:0.25；

其中生铁碳含量为4.2％，废铁碳含量为0.2％。

其中孕育剂的加入总量为原铁液重量的1.0％；其中步骤(3)加入的孕育剂为加入总量的20％；所述步骤(5)随流孕育时加入余量的孕育剂。

其中增碳剂中碳含量为96％，Mn含量为0.28％。

其中75SiFe的Si含量为75～77％，Ca含量为0.6～0.8％。

其中稀土镁的Si含量为46％，镁含量为6％，Sb含量为0.1％。

其中TiC与TiN质量混合比为3:1，所述纳米粉末的粒径为100～150nm。

其中步骤(2)中加入Ce和Sb金属元素的量分别为原铁液质量的0.010％、0.008％。

实施例3

选用4MW风电轴承端盖铸件进行试制，该底座单重16吨，主要壁厚80-120mm，其制备步骤如下：

(1)在中频感应电炉中加入生铁与废钢，加热至1510±10℃进行熔化，全部熔化后检测铁液中碳元素的含量，并通过添加增碳剂调整C元素含量至3.5％，形成原铁液，铁液出炉温度控制在1520±10℃；

(2)选用盖包球化法对铁液进行球化，球化剂稀土镁加入量为原铁液重量的1.5％，球化的同时加入Ce和Sb金属元素；

(3)球化孕育包制备时球化剂紧时，在球化剂的上方均匀覆盖粒径为3～8mm的75SiFe孕育剂；

(4)球化孕育包中加入原铁液重量0.04％的TiC和TiN混合纳米粉末，并加入原铁液重量0.008％的Bi合金；

(5)浇注时随流孕育，浇注温度为1400～1420℃；

(6)铁液冷却后即得强化铁素体球墨铸铁QT600-10。

其中生铁与废铁加入质量比为0.75:0.25；

其中生铁碳含量为4.2％，废铁碳含量为0.2％。

其中孕育剂的加入总量为原铁液重量的2.0％；其中步骤(3)加入的孕育剂为加入总量的30％；所述步骤(5)随流孕育时加入余量的孕育剂。

其中增碳剂中碳含量为96％，Mn含量为0.28％。

其中75SiFe的Si含量为75～77％，Ca含量为0.6～0.8％。

其中稀土镁的Si含量为46％，镁含量为6％，Sb含量为0.1％。

其中TiC与TiN质量混合比为3:1，所述纳米粉末的粒径为100～150nm。

其中步骤(2)中加入Ce和Sb金属元素的量分别为原铁液质量的0.012％、0.010％。

对比例1

制备方法同实施例1，其不同之处在于步骤(4)中不添加TiC和TiN混合纳米粉末。

对比例2

制备方法同实施例1，其不同之处在于步骤(4)中仅添加TiN纳米粉末。

对比例3

制备方法同实施例1，其不同之处在于步骤(4)中仅添加TiC纳米粉末。

对比例4

制备方法同实施例1，其不同之处在于步骤(4)中添加TiC和TiN混合纳米粉末的质量比为1:1。

对比例5

制备方法同实施例1，其不同之处在于步骤(4)中添加的TiC和TiN混合纳米粉末的平均粒径为200-300nm。

对比例6

制备方法同实施例1，其不同之处在于步骤(4)中不添加Bi合金。

对比例7

制备方法同实施例1，其不同之处在于步骤(2)球化时不加入Ce和Sb金属元素。

对比例8

制备方法同实施例1，其不同之处在于步骤(2)球化时不加入Ce金属元素。

对比例9

制备方法同实施例1，其不同之处在于步骤(2)球化时不加入Sb金属元素。

采用上述实施例及对比例的方法制备得到的4MW风电轴承端盖铸件，在其铸件壁厚120mm位置的70mm厚附铸试块的性能分别如下：

实验方案	拉伸强度(MPa)	延伸率	球化率
				实施例1	631	14.15％	92.5％
实施例2	619	12.72％	89.87％
				实施例3	627	13.73％	90.48％
对比例1	575	7.89％	86.99％
				对比例2	596	10.36％	88.58％
对比例3	589	9.39％	87.86％
				对比例4	607	11.32％	90.19％
对比例5	583	9.15％	84.67％
				对比例6	593	10.03％	88.10％
对比例7	571	7.54％	82.45％
				对比例8	581	8.79％	85.08％
对比例9	589	9.07％	85.38％

本发明中所表述的含量均为质量含量。

以上所述，仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明；但对于本领域的普通技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。