阅读说明：本技术 一种利用纳米SiO2颗粒增强球墨铸铁材料的方法 (Method for reinforcing nodular cast iron material by using nano SiO2 particles ) 是由 曲迎东 赵宇 金铭 于帅 郭现良 李广龙 周启文 李荣德 苏睿明 谭兵 田畅 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明属于球墨铸铁材料制备领域,涉及一种利用纳米SiO2颗粒增强球墨铸铁材料的方法：步骤一,对纳米SiO2颗粒进行表面镀铜；步骤二,将镀铜后的SiO2颗粒与Fe粉混合,球磨并压制,进而制备出SiO2/Fe中间合金；步骤三,将生铁、废钢和硅铁放入中频感应电炉中熔炼成铁液；步骤四,将球化剂、孕育剂、铁屑和步骤二所制备的SiO2/Fe中间合金加入到球化容器中,将铁液倒入球化容器进行球化和孕育处理；步骤五,将球化并孕育处理后的铁液浇注到砂型中。本发明操作简洁、生产效率高,且加入的纳米陶瓷颗粒的尺寸和形貌更容易控制；可以有效防止纳米SiO2颗粒上浮,进而可以细化球铁晶粒,提高球铁材料的强度及塑性。(The invention belongs to the field of preparation of nodular cast iron materials, and relates to a method for reinforcing a nodular cast iron material by using nano SiO2 particles, which comprises the following steps: step one, carrying out surface copper plating on nano SiO2 particles; step two, mixing the copper-plated SiO2 particles with Fe powder, ball-milling and pressing to prepare SiO2/Fe intermediate alloy; step three, putting the pig iron, the scrap steel and the ferrosilicon into a medium-frequency induction furnace to be smelted into molten iron; step four, adding a nodulizer, an inoculant, scrap iron and the SiO2/Fe master alloy prepared in the step two into a nodulizing container, and pouring molten iron into the nodulizing container for nodulizing and inoculating treatment; and step five, pouring the spheroidized and inoculated molten iron into a sand mold. The method has the advantages of simple operation and high production efficiency, and the size and the appearance of the added nano ceramic particles are easier to control; can effectively prevent the nanometer SiO2 particles from floating upwards, further refine the ductile iron grains and improve the strength and plasticity of the ductile iron material.)

一种利用纳米SiO2颗粒增强球墨铸铁材料的方法

技术领域

本发明属于球墨铸铁材料制备领域，涉及一种利用纳米SiO₂颗粒增强球墨铸铁材料的方法。

背景技术

球墨铸铁具有良好的力学性能且生产成本较低，因此广泛应用于机械制造业。目前，大多数铸态高强度、高伸长率球墨铸铁的开发是以珠光体-铁素体混合基体为基础，通过调控珠光体与铁素体比例的方式来得到的。然而，这种方法势必导致强度提高的同时塑性降低。通过纳米陶瓷颗粒细化球墨铸铁晶粒是同时提高其强度及塑性最有效的手段之一。向铁液中加入纳米陶瓷颗粒后，增加了球铁初生相非均质形核的核心，进而达到细化晶粒的目的。经过理论计算，SiO₂与球铁初生相γ-Fe之间的二维晶格错配度为2.90%，经验电子理论的特征参量为1.759，这为纳米SiO₂作为γ-Fe非均质形核核心创造了条件。由于SiO₂的密度仅为2.2g/cm³，直接加入到铁液中会出现上浮的现象。现有的纳米陶瓷颗粒的添加方式主要为原位添加法和搅拌铸造法。原位添加法纳米陶瓷的尺寸和形貌难以控制；而使用搅拌铸造法，颗粒的尺寸、形貌及加入量均为可控的。在球墨铸铁材料的开发过程中，可以将纳米SiO₂颗粒放置于球化容器中，利用球化处理时的剧烈反应将其分散开，这种方法操作简洁、生产效率高，竞争力较高，但是依旧会出现上浮的现象，进而导致细化晶粒效果达不到预期的目标。

发明内容

发明目的

本发明提供一种利用纳米SiO₂颗粒增强球墨铸铁材料的方法，该方法可以有效防止现有技术纳米SiO₂颗粒在铁液中上浮的问题，增大了纳米SiO₂颗粒与球铁基体的润湿性，可以细化球铁晶粒，从而提高球铁材料的强度及塑性。

技术方案

一种利用纳米SiO₂颗粒增强球墨铸铁材料的方法，包括步骤如下：

步骤一，对纳米SiO₂颗粒进行表面镀铜；

步骤二，将镀铜后的SiO₂颗粒与Fe粉混合，球磨并压制，进而制备出SiO₂/Fe中间合金；

步骤三，将生铁、废钢和硅铁放入中频感应电炉中熔炼成铁液；

步骤四，将球化剂、孕育剂、铁屑和步骤二所制备的SiO₂/Fe中间合金加入到球化容器中，将铁液倒入球化容器进行球化和孕育处理；

步骤五，将球化并孕育处理后的铁液浇注到砂型中。

所述步骤一中对纳米SiO₂颗粒进行表面镀铜之前，先对纳米SiO₂颗粒进行表面除油、粗化、敏化和活化的预处理，预处理后通过化学沉积法进行镀铜。

所述步骤二中SiO₂/Fe中间合金为长方体的中间合金，SiO₂/Fe中间合金的制备方法为首先将镀铜后的SiO₂颗粒与Fe粉混合，SiO₂颗粒与Fe粉质量比为1:10-1:5，然后放于行星式球磨机的尼龙球磨罐中球磨，球磨罐内的磨球与SiO₂/Fe混合材料质量比为10:1-20:1，行星式球磨机的转速为160-200r/min，球磨时间为12-24h；球磨结束后取出SiO₂/Fe混合材料，利用压片机进行压片，压力设置为10MPa，保压时间5min，最终压制成长方体的中间合金。

所述步骤三中，当熔融铁液温度达到1350℃时，用碳硅分析仪对铁液进行C和Si含量测定，通过添加增碳剂、废钢和硅铁中的一种或一种以上调节C和Si的含量，将铁液中C和Si含量控制在以下质量分数范围：C 3.6-3.8%，Si 2.1-2.5%。

所述球化容器包括壳体、侧耳、隔断和凸台，壳体为上部开口的容器，隔断位于壳体内并将壳体分隔成两部分，隔断的高度低于壳体的高度，壳体的两侧外壁各设有一个侧耳，侧耳设有孔；所述步骤四中，将铁液倒入球化容器之前，在球化容器内的一侧加入球化剂，将SiO₂/Fe中间合金置于球化剂以上，纳米SiO₂质量分数为参与球化和孕育的铁液质量的0.25-0.75%，并在SiO₂/Fe中间合金上覆盖孕育剂，在孕育剂上面覆盖一层铁屑；之后将铁液倒入不加入任何材料的一侧，该侧加满后，铁液通过外溢的方式流入到另一侧，球化和孕育的出炉温度为1450-1550℃。

所述壳体内的底部位于隔断的一侧设有凸台，所述隔断的上端面高低起伏似“波浪”形状，SiO₂/Fe中间合金是位于凸台和隔断之间的。

所述球化剂质量分数为参与球化和孕育的铁液质量的1.2-1.8%的FeSiCaMgRE合金，所述孕育剂质量分数为参与球化和孕育的铁液质量的0.5-1%的FeSiCaBa合金。

所述步骤五中，浇注温度为1350-1450℃；冷却至室温后即可取出纳米SiO₂颗粒增强球墨铸铁材料。

优点及效果

本发明所述的方法相比于原位添加法操作更简洁、生产效率更高，且加入的纳米陶瓷颗粒的尺寸和形貌更容易控制；对纳米SiO₂颗粒进行表面镀铜，再制备SiO₂/Fe中间合金，改善了纳米SiO₂颗粒与球铁基体的润湿性；制备中间合金，可以有效防止纳米SiO₂颗粒上浮，进而可以细化球铁晶粒，提高球铁材料的强度及塑性。

附图说明

图1为在显微镜下纳米SiO₂质量分数为参与球化和孕育的铁液质量的0.25%的纳米SiO₂颗粒增强球墨铸铁材料的腐蚀金相组织图片；

图2为在显微镜下纳米SiO₂质量分数为参与球化和孕育的铁液质量的0.5%的纳米SiO₂颗粒增强球墨铸铁材料的腐蚀金相组织图片；

图3为在显微镜下纳米SiO₂质量分数为参与球化和孕育的铁液质量的0.6%的纳米SiO₂颗粒增强球墨铸铁材料的腐蚀金相组织图片；

图4为为在显微镜下纳米SiO₂质量分数为参与球化和孕育的铁液质量的0.75%的纳米SiO₂颗粒增强球墨铸铁材料的腐蚀金相组织图片；

图5为球化容器结构剖视正视图；

图6为球化容器结构剖视侧视图；

图7为球化容器结构俯视图；

图8为球化容器结构立体图；

图9为球化容器内装入材料时的使用示意图。

附图标记说明：1.壳体、2.侧耳、3.隔断、4.凸台、5.铁液、6.球化剂、7.SiO₂/Fe中间合金、8.孕育剂、9.铁屑。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

实施例1

一种利用纳米SiO₂颗粒增强球墨铸铁材料的方法，包括步骤如下：

步骤一，对纳米SiO₂颗粒进行表面除油、粗化、敏化和活化的预处理，预处理后通过化学沉积法进行镀铜。

步骤二，首先将镀铜后的SiO₂颗粒与Fe粉混合，SiO₂颗粒与Fe粉质量比为1:10，然后放于行星式球磨机的尼龙球磨罐中球磨，球磨罐内的磨球与SiO₂/Fe混合材料质量比为10:1，行星式球磨机的转速为160r/min，球磨时间为24h；球磨结束后通过筛选的方式取出SiO₂/Fe混合材料，利用压片机进行压片，压力设置为10MPa，保压时间5min，最终压制成长方体的中间合金。

步骤三，将生铁、废钢和硅铁放入50kg中频感应电炉中熔炼成铁液，当熔融铁液温度达到1350℃时，用碳硅分析仪对铁液进行C和Si含量测定，通过添加增碳剂、废钢和硅铁中的一种或一种以上调节C和Si的含量，将铁液中C和Si含量控制在以下质量分数：C 3.6%，Si 2.5%。

步骤四，将球化剂、孕育剂、铁屑和步骤二所制备的SiO₂/Fe中间合金加入到球化容器中，将铁液倒入球化容器进行球化和孕育处理；球化容器包括壳体1、侧耳2、隔断3和凸台4，壳体1为上部开口的容器，隔断3位于壳体1内并将壳体1分隔成两部分，隔断3的高度低于壳体1的高度，壳体1的两侧外壁各焊接或设有一个一体的侧耳2，侧耳2设有孔，用于***棒材，控制棒材的高低进而能够把球化容器内的液体倾倒出来，孔优选为方孔，选取和方孔相匹配的棒材，可以防止棒材在孔内发生相对旋转；将铁液5倒入球化容器之前，在球化容器内的一侧加入球化剂6，将SiO₂/Fe中间合金7置于球化剂6以上，纳米SiO₂质量分数为参与球化和孕育的铁液5质量的0.25%，并在SiO₂/Fe中间合金7上覆盖孕育剂8，在孕育剂8上面覆盖一层铁屑9；之后将铁液5倒入不加入任何材料的一侧，该侧加满后，铁液5通过外溢的方式流入到另一侧，球化和孕育的出炉温度为1450℃。利用球化处理时的剧烈反应，将SiO₂/Fe中间合金内的纳米SiO₂颗粒分散开，铁屑可以防止球化剂上浮。球化剂质量分数为参与球化和孕育的铁液5质量的1.2%的FeSiCaMgRE合金，所述孕育剂质量分数为参与球化和孕育的铁液5质量的0.5%的FeSiCaBa合金。隔断3的上端面高低起伏似“波浪”形状，铁液5通过隔断3上端面凹陷处外溢的方式流入到另一侧，不会集中于一点流下，SiO₂/Fe中间合金7不易漂浮起来。

步骤五，将球化并孕育处理后的铁液浇注到砂型中。浇注温度为1450℃；冷却至室温后即可取出纳米SiO₂颗粒增强球墨铸铁材料，期间没有观察到纳米SiO₂上浮。

如图1所示，图中黑色圆球状的组织为石墨球，黑色长条状组织为珠光体，其余灰色部分为铁素体。由图中可以观察到石墨球较圆整且分布均匀，铁素体晶粒尺寸均匀，珠光体含量较高。纳米SiO₂分布在组织中的各个位置。球铁材料的抗拉强度可达442MPa。

实施例2

一种利用纳米SiO₂颗粒增强球墨铸铁材料的方法，包括步骤如下：

步骤一，对纳米SiO₂颗粒进行表面除油、粗化、敏化和活化的预处理，预处理后通过化学沉积法进行镀铜。

步骤二，首先将镀铜后的SiO₂颗粒与Fe粉混合，SiO₂颗粒与Fe粉质量比为1:8，然后放于行星式球磨机的尼龙球磨罐中球磨，球磨罐内的磨球与SiO₂/Fe混合材料质量比为12:1，行星式球磨机的转速为175r/min，球磨时间为20h；球磨结束后通过筛选的方式取出SiO₂/Fe混合材料，利用压片机进行压片，压力设置为10MPa，保压时间5min，最终压制成长方体的中间合金。

步骤三，将生铁、废钢和硅铁放入50kg中频感应电炉中熔炼成铁液，当熔融铁液温度达到1350℃时，用碳硅分析仪对铁液进行C和Si含量测定，通过添加增碳剂、废钢和硅铁中的一种或一种以上调节C和Si的含量，将铁液中C和Si含量控制在以下质量分数：C3.65%，Si 2.4%。

步骤四，将球化剂、孕育剂、铁屑和步骤二所制备的SiO₂/Fe中间合金加入到球化容器中，将铁液倒入球化容器进行球化和孕育处理；球化容器包括壳体1、侧耳2、隔断3和凸台4，壳体1为上部开口的容器，隔断3位于壳体1内并将壳体1分隔成两部分，隔断3的高度低于壳体1的高度，壳体1的两侧外壁各焊接或设有一个一体的侧耳2，侧耳2设有孔，用于***棒材，控制棒材的高低进而能够把球化容器内的液体倾倒出来，孔优选为方孔，选取和方孔相匹配的棒材，可以防止棒材在孔内发生相对旋转；将铁液5倒入球化容器之前，在球化容器内的一侧加入球化剂6，将SiO₂/Fe中间合金7置于球化剂6以上，纳米SiO₂质量分数为参与球化和孕育的铁液5质量的0.5%，并在SiO₂/Fe中间合金7上覆盖孕育剂8，在孕育剂8上面覆盖一层铁屑9；之后将铁液5倒入不加入任何材料的一侧，该侧加满后，铁液5通过外溢的方式流入到另一侧，球化和孕育的出炉温度为1550℃。利用球化处理时的剧烈反应，将SiO₂/Fe中间合金内的纳米SiO₂颗粒分散开，铁屑可以防止球化剂上浮。球化剂质量分数为参与球化和孕育的铁液5质量的1.4%的FeSiCaMgRE合金，所述孕育剂质量分数为参与球化和孕育的铁液5质量的0.7%的FeSiCaBa合金。壳体1内的底部位于隔断3的一侧设有凸台4，隔断3的上端面高低起伏似“波浪”形状，SiO₂/Fe中间合金7是位于凸台4和隔断3之间的。铁液5通过隔断3上端面凹陷处外溢的方式流入到另一侧，不会集中于一点流下，SiO₂/Fe中间合金7由于被限制位置，所以更不易漂浮起来。

步骤五，将球化并孕育处理后的铁液浇注到砂型中。浇注温度为1400℃；冷却至室温后即可取出纳米SiO₂颗粒增强球墨铸铁材料，期间没有观察到纳米SiO₂上浮。

如图2所示，图中黑色圆球状的组织为石墨球，黑色长条状组织为珠光体，其余灰色部分为铁素体。由图中可以明显观察到石墨球尺寸更加细小，铁素体晶粒尺寸更加细小，珠光体含量略有降低。纳米SiO₂分布在组织中的各个位置。球铁材料的抗拉强度可达475MPa。

实施例3

一种利用纳米SiO₂颗粒增强球墨铸铁材料的方法，包括步骤如下：

步骤一，对纳米SiO₂颗粒进行表面除油、粗化、敏化和活化的预处理，预处理后通过化学沉积法进行镀铜。

步骤二，首先将镀铜后的SiO₂颗粒与Fe粉混合，SiO₂颗粒与Fe粉质量比为1:6，然后放于行星式球磨机的尼龙球磨罐中球磨，球磨罐内的磨球与SiO₂/Fe混合材料质量比为16:1，行星式球磨机的转速为185r/min，球磨时间为16h；球磨结束后通过筛选的方式取出SiO₂/Fe混合材料，利用压片机进行压片，压力设置为10MPa，保压时间5min，最终压制成长方体的中间合金。

步骤三，将生铁、废钢和硅铁放入50kg中频感应电炉中熔炼成铁液，当熔融铁液温度达到1350℃时，用碳硅分析仪对铁液进行C和Si含量测定，通过添加增碳剂、废钢和硅铁中的一种或一种以上调节C和Si的含量，将铁液中C和Si含量控制在以下质量分数：C3.72%，Si 2.3%。

步骤四，将球化剂、孕育剂、铁屑和步骤二所制备的SiO₂/Fe中间合金加入到球化容器中，将铁液倒入球化容器进行球化和孕育处理；球化容器包括壳体1、侧耳2、隔断3和凸台4，壳体1为上部开口的容器，隔断3位于壳体1内并将壳体1分隔成两部分，隔断3的高度低于壳体1的高度，壳体1的两侧外壁各焊接或设有一个一体的侧耳2，侧耳2设有孔，用于***棒材，控制棒材的高低进而能够把球化容器内的液体倾倒出来，孔优选为方孔，选取和方孔相匹配的棒材，可以防止棒材在孔内发生相对旋转；将铁液5倒入球化容器之前，在球化容器内的一侧加入球化剂6，将SiO₂/Fe中间合金7置于球化剂6以上，纳米SiO₂质量分数为参与球化和孕育的铁液5质量的0.6%，并在SiO₂/Fe中间合金7上覆盖孕育剂8，在孕育剂8上面覆盖一层铁屑9；之后将铁液5倒入不加入任何材料的一侧，该侧加满后，铁液5通过外溢的方式流入到另一侧，球化和孕育的出炉温度为1480℃。利用球化处理时的剧烈反应，将SiO₂/Fe中间合金内的纳米SiO₂颗粒分散开，铁屑可以防止球化剂上浮。球化剂质量分数为参与球化和孕育的铁液5质量的1.6%的FeSiCaMgRE合金，所述孕育剂质量分数为参与球化和孕育的铁液5质量的0.9%的FeSiCaBa合金。隔断3的上端面高低起伏似“波浪”形状，铁液5通过隔断3上端面凹陷处外溢的方式流入到另一侧，不会集中于一点流下，SiO₂/Fe中间合金7不易漂浮起来。

步骤五，将球化并孕育处理后的铁液浇注到砂型中。浇注温度为1370℃；冷却至室温后即可取出纳米SiO₂颗粒增强球墨铸铁材料，期间没有观察到纳米SiO₂上浮。

如图3所示，图中黑色圆球状的组织为石墨球，黑色长条状组织为珠光体，其余灰色部分为铁素体。由图中可以明显观察到石墨球及铁素体晶粒尺寸均有增大的趋势，珠光体含量略有升高。纳米SiO₂分布在组织中的各个位置。球铁材料的抗拉强度可达458MPa。

实施例4

一种利用纳米SiO₂颗粒增强球墨铸铁材料的方法，包括步骤如下：

步骤一，对纳米SiO₂颗粒进行表面除油、粗化、敏化和活化的预处理，预处理后通过化学沉积法进行镀铜。

步骤二，首先将镀铜后的SiO₂颗粒与Fe粉混合，SiO₂颗粒与Fe粉质量比为1:5，然后放于行星式球磨机的尼龙球磨罐中球磨，球磨罐内的磨球与SiO₂/Fe混合材料质量比为20:1，行星式球磨机的转速为200r/min，球磨时间为12h；球磨结束后通过筛选的方式取出SiO₂/Fe混合材料，利用压片机进行压片，压力设置为10MPa，保压时间5min，最终压制成长方体的中间合金。

步骤三，将生铁、废钢和硅铁放入50kg中频感应电炉中熔炼成铁液，当熔融铁液温度达到1350℃时，用碳硅分析仪对铁液进行C和Si含量测定，通过添加增碳剂、废钢和硅铁中的一种或一种以上调节C和Si的含量，将铁液中C和Si含量控制在以下质量分数：C 3.8%，Si 2.1%。

步骤四，将球化剂、孕育剂、铁屑和步骤二所制备的SiO₂/Fe中间合金加入到球化容器中，将铁液倒入球化容器进行球化和孕育处理；球化容器包括壳体1、侧耳2、隔断3和凸台4，壳体1为上部开口的容器，隔断3位于壳体1内并将壳体1分隔成两部分，隔断3的高度低于壳体1的高度，壳体1的两侧外壁各焊接或设有一个一体的侧耳2，侧耳2设有孔，用于***棒材，控制棒材的高低进而能够把球化容器内的液体倾倒出来，孔优选为方孔，选取和方孔相匹配的棒材，可以防止棒材在孔内发生相对旋转；将铁液5倒入球化容器之前，在球化容器内的一侧加入球化剂6，将SiO₂/Fe中间合金7置于球化剂6以上，纳米SiO₂质量分数为参与球化和孕育的铁液5质量的0.75%，并在SiO₂/Fe中间合金7上覆盖孕育剂8，在孕育剂8上面覆盖一层铁屑9；之后将铁液5倒入不加入任何材料的一侧，该侧加满后，铁液5通过外溢的方式流入到另一侧，球化和孕育的出炉温度为1500℃。利用球化处理时的剧烈反应，将SiO₂/Fe中间合金内的纳米SiO₂颗粒分散开，铁屑可以防止球化剂上浮。球化剂质量分数为参与球化和孕育的铁液5质量的1.8%的FeSiCaMgRE合金，所述孕育剂质量分数为参与球化和孕育的铁液5质量的1%的FeSiCaBa合金。隔断3的上端面高低起伏似“波浪”形状，铁液5通过隔断3上端面凹陷处外溢的方式流入到另一侧，不会集中于一点流下，SiO₂/Fe中间合金7不易漂浮起来。

步骤五，将球化并孕育处理后的铁液浇注到砂型中。浇注温度为1350℃；冷却至室温后即可取出纳米SiO₂颗粒增强球墨铸铁材料，期间没有观察到纳米SiO₂上浮。

如图4所示，图中黑色圆球状的组织为石墨球，黑色长条状组织为珠光体，其余灰色部分为铁素体。随着纳米SiO₂含量的继续增加，石墨球及铁素体晶粒尺寸继续增大，珠光体含量继续升高。纳米SiO₂分布在组织中的各个位置。球铁材料的抗拉强度可达451MPa。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。