阅读说明：本技术 一种硅固溶强化铁素体球墨铸铁及其制备方法 (Silicon solid solution reinforced ferrite nodular cast iron and preparation method thereof ) 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：一种硅固溶强化铁素体球墨铸铁,其组成质量百分比为：C含量为3.3～3.7％,Si含量为3.5～4.2％,Mn含量≤0.25％,Mg含量为0.04～0.06％,P含量≤0.035％,S含量≤0.015％,Ce含量为0.042～0.058％,Sb含量为0.008～0.012％,Bi含量为0.012～0.016％,Ca含量≤0.05％,其余为铁。本发明通过Bi的添加,降低了石墨球的尺寸,通过Ce、Sb和Bi元素的加入及加入比例的控制,提高了石墨的球化率、减少碎块状石墨现象,并且通过高硅固溶强化铁素体球墨铸铁,实现大断面铸件的高强度、高延伸率和良好抗冲击性能；本发明的技术方案生产工艺简单、成本低、易于实现工业化生产。(The silicon solid solution reinforced ferrite nodular cast iron comprises the following components in percentage by mass: 3.3 to 3.7 percent of C, 3.5 to 4.2 percent of Si, less than or equal to 0.25 percent of Mn, 0.04 to 0.06 percent of Mg, less than or equal to 0.035 percent of P, less than or equal to 0.015 percent of S, 0.042 to 0.058 percent of Ce, 0.008 to 0.012 percent of Sb, 0.012 to 0.016 percent of Bi, less than or equal to 0.05 percent of Ca and the balance of Fe. According to the invention, the size of graphite nodules is reduced by adding Bi, the nodularity of graphite is improved and the phenomenon of broken graphite is reduced by adding Ce, Sb and Bi elements and controlling the adding proportion, and the high strength, high elongation and good impact resistance of a large-section casting are realized by high-silicon solid solution strengthening of ferrite nodular cast iron; the technical scheme of the invention has the advantages of simple production process, low cost and easy realization of industrial production.)

一种硅固溶强化铁素体球墨铸铁及其制备方法

技术领域

本发明涉及铁素体球墨铸铁制备领域，特别是涉及一种硅固溶强化铁素体球墨铸铁及其制备方法。

背景技术

由于风电技术的发展，世界各地都在大力支持风力发电项目。随着世界各地风力发电机项目的发展，被选为风场的地理条件变得越来越恶劣。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大断面(壁厚大于60mm)，然而大断面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，表现为在厚壁球铁件的中心处出现肉眼可见的灰斑断口，其微观组织为碎块状石墨及铁素体基体，这种组织会明显降低球铁的抗拉强度、伸长率、冲击功等性能。

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延伸率较低，并且技术方案中未给出针对大断面铸件的强度、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硅固溶强化铁素体球墨铸铁及其制备方法，实现制备的大断面铁素体球墨铸铁的强度、延伸率的提高，使其抗冲击性能良好。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种硅固溶强化铁素体球墨铸铁，所述硅固溶强化铁素体球墨铸铁中各元素成分的质量百分比为：C含量为3.3～3.7％，Si含量为3.5～4.2％，Mn含量≤0.25％，Mg含量为0.04～0.06％，P含量≤0.035％，S含量≤0.015％，Ce含量为0.042～0.058％，Sb含量为0.008～0.012％，Bi含量为0.012～0.016％，Ca含量≤0.05％，其余为铁。

一种硅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1420～1480℃进行熔化，全部熔化后检测铁液中碳元素的含量，并调整C元素含量至3.3～3.7％，形成原铁液；

(2)用冲入法对铁液进行球化，球化剂的加入量为原铁液重量的1.0～2.0％，球化包制备时球化剂紧时，球化剂的上方均匀覆盖原铁液重量0.3～0.4％的75硅铁和粒径为3～8mm的孕育剂a，球化的同时加入Ce和Sb元素，使球化后Ce含量为0.042～0.058％，Sb含量为0.008～0.012％，孕育剂a的加入量为原铁液重量的0.5～0.8％；

(3)浇注时随流孕育，随流孕育剂b的加入量为原铁液重量的0.25～0.30％，铁液的浇注温度为1360～1380℃；

(4)铁液冷却后即得硅固溶强化铁素体球墨铸铁。

进一步地，所述生铁的P含量≤0.03％，S含量≤0.015％，废铁的P含量≤0.035％，S含量≤0.015％，Mn含量≤0.25％。

进一步地，所述生铁与废钢的加入比为(6-7):(3-4)。

进一步地，所述球化剂中Ce含量为0.3～0.5％，Mg含量为2.5～4.0％，Si含量为40.0～45.0％，Ca含量为0.5～0.8％，其余为铁。

进一步地，所述孕育剂a中Si的含量为65.0～75.0％，Bi的含量为0.3～0.5％，其余为铁；孕育剂b中Si的含量为65.0～75.0％，Bi的含量为0.3～0.5％，其余为铁，孕育剂b的粒径为1～2mm。

Si是促进石墨球化元素，在适当范围内提高硅含量，使其固溶于铁素体晶格中，从而有效提高球墨铸铁的抗拉强度、硬度并降低其韧性，本技术方案中将Si含量控制在3.5～4.2％，有利于提高延伸率、强度和抗冲击性能；通过高硅固溶强化，减少了Cu、Ni、Sn、Mo、Cr等微量元素的使用。

为了抑制碎块状石墨形成，本技术方案中在球化时加入了Ce和Sb元素，Sb为干扰石墨球化的稀土，当选用镁合金作球化剂时，Sb含量为0.008～0.012％时，针对于大断面铸件反而具有了球化作用，使石墨球数增加。此外Sb与加入的Ce容易形成高熔点的稳定的化合物，进而作为球墨的异质核心，增加石墨球数，Sb含量高于0.012％时，碎块状石墨现象将会增加，并随着Sb含量的增加而增加。

镁是一种球化效果较好的球化剂，但是单一的镁球化剂球化时特别是制备大断面铸件时容易发生爆镁现象。为了保护镁元素在球化过程中持久的球化作用，在加入球化剂时添加Ce元素，但是Ce的含量不易过高。为了降低爆镁现象，采用含Bi的孕育剂，通过减小石墨球的尺寸，促进铁素体的形成来降低爆镁问题。

本发明的有益效果包括：

本发明通过Bi的添加，降低了石墨球的尺寸，通过Ce、Sb和Bi元素的加入及加入比例的控制，提高了石墨的球化率、减少了碎块状石墨现象，并且通过高硅固溶强化铁素体球墨铸铁，实现了大断面铸件的高强度、高延伸率和良好抗冲击性能；本发明的技术方案生产工艺简单、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2.5MW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1420℃进行熔化，全部熔化后检测铁液中碳元素的含量，并调整C元素含量至3.3％，形成原铁液；

其中生铁与废钢的加入比为6:4，

其中生铁的P含量≤0.03％，S含量≤0.015％，废铁的P含量≤0.035％，S含量≤0.015％，Mn含量≤0.3％；

(2)用冲入法对铁液进行球化，球化剂的加入量为原铁液重量的1.5％，球化包制备时球化剂紧时，球化剂的上方均匀覆盖原铁液重量0.5％的75硅铁和粒径为3～4mm的孕育剂a；球化的同时加入Ce和Sb元素，使球化后Ce含量为0.042％，Sb含量为0.01％；孕育剂a的加入量为原铁液重量的0.8％；

其中球化剂中Ce含量为0.3％，Mg含量为3％，Si含量为45.0％，Ca含量为0.65％，其余为铁；

其中孕育剂a中Si的含量70.0％，Bi的含量为0.4％，其余为铁；

(3)浇注时随流孕育，随流孕育剂b的加入量为原铁液重量的0.25％；铁液的浇注温度为1370℃；

其中孕育剂b中Si的含量为75.0％，Bi的含量为0.3％，其余为铁，孕育剂b的粒径为1-2mm；

(4)铁液冷却后即得硅固溶强化铁素体球墨铸铁。

按上述步骤制备的硅固溶强化铁素体球墨铸铁中各元素成分的质量百分比为：C含量为3.3％，Si含量为3.8％，Mn含量≤0.25％，Mg含量为0.06％，P含量≤0.035％，S含量≤0.015％，Ce含量为0.042％，Sb含量为0.01％，Bi含量为0.012％，Ca含量≤0.05％，其余为铁。

采用本实施例方法制备得到的2.5MW风电轴承端盖铸件，其单铸试块和在其铸件壁厚120mm位置的70mm厚附铸试块的性能分别如下：抗拉强度615MPa、567MPa，屈服强度489MPa、460MPa，延伸率21.2％、19.7％，-20℃冲击值14.7J、15.6J，球化率96％、94％。

实施例2

选用2.5MW风电轴承端盖铸件进行试制，该轴承端盖单重0.8吨，主要壁厚100-220mm，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1480℃进行熔化，全部熔化后检测铁液中碳元素的含量，并调整C元素含量至3.5％，形成原铁液；

其中生铁与废钢的加入比为7:3，

其中生铁的P含量≤0.03％，S含量≤0.015％，废铁的P含量≤0.035％，S含量≤0.015％，Mn含量≤0.3％。

(2)用冲入法对铁液进行球化，球化剂的加入量为原铁液重量的1.0％，球化包制备时球化剂紧时，球化剂的上方均匀覆盖原铁液重量0.3％的75硅铁和粒径为7～8mm的孕育剂a；球化的同时加入Ce和Sb元素，使球化后Ce含量为0.058％，Sb含量为0.008％；孕育剂a的加入量为原铁液重量的0.5％；

其中球化剂中Ce含量为0.4％，Mg含量为4％，Si含量为42％，Ca含量为0.5％，其余为铁；

其中孕育剂a中Si的含量为75.0％，Bi的含量为0.3％，其余为铁；

(3)浇注时随流孕育，随流孕育剂b的加入量为原铁液重量的0.28％；铁液的浇注温度为1380℃；

其中孕育剂b中Si的含量为65.0％，Bi的含量为0.4％，其余为铁，孕育剂b的粒径为1-2mm；

(4)铁液冷却后即得硅固溶强化铁素体球墨铸铁。

按上述步骤制备的硅固溶强化铁素体球墨铸铁中各元素成分的质量百分比为：C含量为3.5％，Si含量为3.5％，Mn含量≤0.25％，Mg含量为0.04％，P含量≤0.035％，S含量≤0.015％，Ce含量为0.058％，Sb含量为0.008％，Bi含量为0.014％，Ca含量≤0.05％，其余为铁。

采用本实施例方法制备得到的2.5MW风电轴承端盖铸件，其单铸试块和在其铸件壁厚185mm位置的70mm厚附铸试块的性能分别如下：抗拉强度601MPa、559MPa，屈服强度472MPa、447MPa，延伸率20.2％、19.3％，-20℃冲击值14.9J、15.8J，球化率95％、96％。

实施例3

选用2.5MW风电轴承端盖铸件进行试制，该轴承端盖单重0.8吨，主要壁厚100-220mm，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1460℃进行熔化，全部熔化后检测铁液中碳元素的含量，并调整C元素含量至3.7％，形成原铁液；

其中生铁与废钢的加入比为6.5:3.5，

其中生铁的P含量≤0.03％，S含量≤0.015％，废铁的P含量≤0.035％，S含量≤0.015％，Mn含量≤0.3％。

(2)用冲入法对铁液进行球化，球化剂的加入量为原铁液重量的2.0％，球化包制备时球化剂紧时，球化剂的上方均匀覆盖原铁液重量0.4％的75硅铁和粒径为5～6mm的孕育剂a；球化的同时加入Ce和Sb元素，使球化后Ce含量为0.05％，Sb含量为0.012％；孕育剂a的加入量为原铁液重量的0.65％；

其中球化剂中Ce含量为0.5％，Mg含量为2.5％，Si含量为40.0％，Ca含量为0.8％，其余为铁；

其中孕育剂a中Si的含量为65.0％，Bi的含量为0.5％，其余为铁；

(3)浇注时随流孕育，随流孕育剂b的加入量为原铁液重量的0.30％；铁液的浇注温度为1360℃；

其中孕育剂b中Si的含量为70％，Bi的含量为0.5％，其余为铁，孕育剂b的粒径为1-2mm；

(4)铁液冷却后即得硅固溶强化铁素体球墨铸铁。

按上述步骤制备的硅固溶强化铁素体球墨铸铁中各元素成分的质量百分比为：C含量为3.7％，Si含量为4.2％，Mn含量≤0.25％，Mg含量为0.05％，P含量≤0.035％，S含量≤0.015％，Ce含量为0.05％，Sb含量为0.012％，Bi含量为0.016％，Ca含量≤0.05％，其余为铁。

采用本实施例方法制备得到的2.5MW风电轴承端盖铸件，其单铸试块和在其铸件壁厚185mm位置的70mm厚附铸试块的性能分别如下：抗拉强度598MPa、556MPa，屈服强度469MPa、442MPa，延伸率19.8％、18.9％，-20℃冲击值15.2J、16.0J，球化率95％、96％。

对比例1

制备方法同实施例1，其不同之处在于减少Ce和Sb元素的加入量，使球化后Ce含量为0.02％，Sb含量为0.004％。

采用本方法制备得到的2.5MW轴承盖板铸块70mm厚附铸试块的性能如下：抗拉强度524MPa，屈服强度395MPa，延伸率13.1％，-20℃冲击值15.3J，球化率86％。

对比例2

制备方法同实施例1，其不同之处在于增加Ce元素的加入量，使球化后Ce含量为0.085％。

采用本方法制备得到的2.5MW轴承盖板铸块70mm厚附铸试块的性能如下：抗拉强度503MPa，屈服强度375MPa，延伸率11.9％，-20℃冲击值14.5J，球化率83％。

对比例3

制备方法同实施例1，其不同之处在于加入的孕育剂不含Bi元素，其他成分相同。

采用本方法制备得到的2.5MW轴承盖板铸块70mm厚附铸试块的性能如下：抗拉强度498MPa，屈服强度369MPa，延伸率10.98％，-20℃冲击值14.2J，球化率79％。

对比例4

制备方法同实施例1，其不同之处在于加入孕育剂后，加入Bi元素的加入量增加，使铸件中Bi的含量为0.02％。

采用本方法制备得到的2.5MW轴承盖板铸块70mm厚附铸试块的性能如下：抗拉强度521MPa，屈服强度402MPa，延伸率14.7％，-20℃冲击值15.3J，球化率90％。

对比例5

制备方法同实施例1，其不同之处在于随流孕育剂b的粒径为4-6mm。

采用本方法制备得到的2.5MW轴承盖板铸块70mm厚附铸试块的性能如下：抗拉强度476MPa，屈服强度358MPa，延伸率12.1％，-20℃冲击值15.4J，球化率87％。

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。