一种高强度灰铸铁多元低合金化处理方法
技术领域
本发明属于铸造
技术领域
，具体涉及一种高强度灰铸铁多元低合金化处理方法。背景技术
作为传统的铸造金属材料，灰铸铁在铸造生产中占据着不可忽视的地位，如今在汽车轻量化、节能降耗的背景下，由于其具有成本低、减震性好、铸造成型性好等优势，灰铸铁材料得以日益广泛地运用。然而，随着现代机械工业的迅猛发展，对灰铸铁产品质量和生产技术的要求越来越严格，提出了高强度、薄壁化、低成本等要求。
铸铁合金化是改善铸铁件组织、提高铸铁件力学性能，生产高强度灰铸铁的主要技术途径之一，多元低合金化又是铸铁合金化处理方法中最常用、最高效的提高铸铁力学性能和使用性能的工艺方法。“多元”是指向铸铁熔液中同时加入多种合金元素。“低合金化”是指向铸铁熔液中加入的合金元素含量均比较低，合金元素总量一般低于3％。在灰铸铁中附加少量合金元素，不仅使抗拉强度提高，而且还可以使获得高强度的区域扩大。
通常情况下，高强度灰铸铁是指铸件本体抗拉强度在250MPa以上的灰铸铁件。高强度灰铸铁材料牌号一般包括：HT275、HT300、HT350等。现有中频电炉铸铁熔炼技术方面，对于高强度、高牌号灰铸铁的多元低合金化处理方面的研究比较少见，没有系统全面的高强度灰铸铁合金元素匹配方法和熔化配料工艺技术，铸铁熔炼从业人员一般仅靠生产实践经验来摸索控制，不能保证准确、快速且低成本地进行铸铁合金化处理、控制铸铁化学成分及熔炼生产过程，不能保证铸铁材质和铸件内在质量稳定符合要求。
因此，现在急需一种指导方法，能够有效控制好铸铁熔炼过程，保持铸件质量稳定，降低铸件生产成本。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种简单易行的高强度(高牌号)灰铸铁多元低合金化处理技术方法，以便于铸造厂作业人员在铸铁熔炼过程中，当遇到需要熔炼生产高强度(高牌号)灰铸铁件的问题时，知晓如何进行熔化配料设计、如何进行熔化作业和铸件质量控制。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种高强度灰铸铁多元低合金化处理方法，包括以下步骤：
A，根据待生产铸件的要求确定该高强度灰铸铁件中炉料的成分和比例、多种合金元素的匹配方法及含量范围、常规化学元素含量范围；
B，确定高强度灰铸铁件熔化工艺规程；
C，按《铸铁熔化配料工艺单》要求备料、装料并加热熔化；
D，取样分析炉内铁液化学成分，调整炉内铁液化学成分；
E，铁液处理和出炉浇注；
F，检测高强度灰铸铁件材质性能。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤B中的工艺规程包括：
a确定《铸铁熔化配料工艺单》及炉料加入顺序；
b确定取样温度、出炉温度、处理温度及浇注温度要求；
c确定铁液炉内处理及出炉时孕育处理方法。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤A中高强度灰铸铁中常用合金的匹配方法按下表确定。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤A中高强度灰铸铁件中合金元素的含量根据下表确定。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述承载大、强度高：指单铸标准试样抗拉强度要求在275MPa以上，本体抗拉强度要求在260MPa以上的高强度灰铸铁件；
耐磨性好、硬度高：指单铸标准试样布氏硬度要求在230HB以上，本体布氏硬度要求在220HB以上的高强度灰铸铁件；
承载大、耐磨性好：是指同时具备上述两个特性要求的高强度灰铸铁件。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述常规化学元素包括C、Si、Mn、P、S，常规化学元素含量范围根据下表确定。
本发明技术方案的进一步改进在于：当铸件壁厚增加时，C、Si取下限，Mn取上限，锰Mn作为常规化学元素时，含量不大于1％。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤A中所述炉料包括生铁、废钢和回炉料，炉料的表面洁净、无油无锈，步骤D中化学成分取样分析时，各种炉料均应完全熔化并均匀化，取样温度范围为1350℃-1450℃。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤D中调整炉内铁液化学成分的调整方法包括采用补加同类合金法、补加生铁或增碳剂法、补加废钢法、出铁重配法、延时烧损法中的一种或多种方法共同处理。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤E中铁液处理方法包括采用铁液高温静置、铁液净化除渣、铁液脱氧脱硫中一种或者多种方法共同处理。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本申请提供了一套系统完整的高强度灰铸铁多元低合金化元素匹配、合金液熔炼及处理技术及操作控制方法，改变了传统的经验摸索方式，提供了一套简单易行的化学成分确定、熔化配料及合金液处理技术方法，使高强度灰铸铁的合金元素匹配、铸铁熔化配料及合金化处理更加准确、便捷，使铸铁熔化操作控制更加合理可行。本申请弥补了没有高强度灰铸铁合金化处理技术方法的空白，解决了高强度灰铸铁中合金元素匹配、采用合金元素含量的确定、合金铁液熔炼和处理的技术难题。通过本申请方法，实现了高强度灰铸铁合金化处理的顺畅操作和合金熔化质量稳定控制，保证了铸件材质及内在质量稳定。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1
S1生产技术条件
S1.1生产铸件及技术要求
生产铸件以柴油发动机上高强度灰铸铁件3号传动箱为例。3号传动箱的铸件材料为HT350，属于箱壳类薄壁高强度灰铸铁件，主要壁厚约为10-15mm，铸件毛坯外形尺寸约为700X500X170mm，铸件重量约为60Kg。铸件力学性能要求为：单铸试样抗拉强度不低于350Mpa，硬度要求210-240HB。铸件不允许有影响铸件强度和外观质量的铸造缺陷。
S1.2选用的原材料及熔炼设备
生产3号传动箱高强度灰铸铁件的熔炼设备选用1.5t中频电炉。铸铁熔化用的炉料为：选用武安Z14生铁，废钢选用轧钢厂的低碳钢下脚料，各种铁合金按照国际标准要求采购。(各种常用金属炉料的化学成分如表S1.3所示)。按照铸件验收技术要求并结合生产实际，编制上述各种铸件生产工艺，并制作各种铸造模具。采用呋喃树脂自硬砂手工造型、制芯工艺。
S1.3各种常用金属炉料的化学成分
表S1.3各种常用金属炉料中化学成分(％)一般含量
S2主要生产工艺流程
(1)确定高强度灰铸铁中多种合金匹配方法
结合准备生产的高强度灰铸铁件传动箱的具体情况，包括传动箱铸件材质牌号、使用要求、铸件壁厚、结构尺寸、重量、工作环境条件等具体情况，来确定适宜的高强度灰铸铁中常用合金匹配方法。传动箱属于箱壳类薄壁铸铁件，铸件材质为HT350，传动箱工况条件要求铸件承载大，且强度要求高，故合金匹配方法采用：Cu+Ni。
(2)确定高强度灰铸铁中常规化学元素含量范围
根据传动箱铸件材质技术要求，综合考虑传动箱铸件壁厚、重量、尺寸等各方面因素，来确定各种传动箱铸件适宜的化学成分控制范围。具体情况如下：C％：3.0-3.3，Si％：1.1-1.4(炉内)、1.5-1.9(铸件)，Mn％：0.9-1.0，P％≤0.05，S％≤0.05。
(3)确定高强度灰铸铁中各种合金元素含量范围
考虑到准备生产的高强度灰铸铁件传动箱的具体情况，包括传动箱铸件材质牌号(HT350)、使用要求、铸件壁厚(薄壁件)、结构尺寸、重量、工作环境条件和使用要求(承载大强度高)等具体情况，来确定适宜的高强度灰铸铁中常用合金元素含量，具体选择如下：0.7％-1.2％Cu、0.5％-1.0％Ni。
(4)确定高强度灰铸铁件传动箱的熔化工艺规程
首先，确定高强度灰铸铁件传动箱的熔化配料工艺单
根据铸件合金元素和常规元素化学成分控制范围要求，结合生产实际中各种金属炉料的化学成分及储备情况，并考虑到各种化学元素的氧化烧损，经过计算，可以编制出高强度灰铸铁件传动箱的熔化配料工艺单，具体情况如下：
其次，确定传动箱铸铁熔化浇注工艺参数：
需要确定的工艺参数内容一般包括：取样温度、过热温度及静置时间、出炉温度、孕育处理温度、浇注温度及时间等，具体情况如下：
传动箱取样温度：1350-1450℃，过热温度：1510-1530℃，高温静置时间：3-8min，出炉温度：1490-1510℃，孕育处理温度：1450-1500℃，浇注温度：1360-1400℃，单件浇注时间：15-30S。采用包内冲入法在铁液出炉的同时进行孕育处理。
(5)按照《铸铁熔化配料工艺单》要求备料、装料并加热熔化
按照传动箱《铸铁熔化配料工艺单》要求，准确称量好传动箱熔化作业所需要的生铁、废钢、回炉料、铁合金等各种炉料，按熔化作业次序分区定置摆放整齐，并做好标识以防止误用或混淆。然后工艺要求，依次向炉内加入生铁、废钢、铁合金等各种炉料，并开炉加热炉料，使炉料陆续熔化。
(6)取样分析炉内铁液化学成分
按工艺规程要求，将各种炉料按顺序全部加入炉内、完全熔化并均匀化后，取样检测铁液化学成分，取样温度范围宜为1350℃-1450℃。通常采用直读光谱仪快速、准确检测炉内铁液化学成分，并出具炉前化学成分分析报告。依据工艺规范要求，检查炉前化学成分分析结果是符合各项工艺参数要求，判定铁液化学成分检测结果是否合格。
(7)调整炉内铁液化学成分
如果炉内铁液化学成分不符合工艺要求，应进行化学成分调整，直至炉内铁液化学成分合格后方可进行后续作业。
常用的炉内化学成分调整方法有补加同类合金法、补加生铁或增碳剂法、补加废钢法、出铁重配法、延时烧损法等方法，可根据炉前化学成分超标的具体情况，选定采用一种或多种适宜的调整方法。
一般情况下，当铁液中一种或多种合金元素的含量低于工艺要求时，适于采用补加同类合金法；当铁液中碳元素的含量低于工艺要求时，适于采用补加生铁或增碳剂法；当铁液中碳元素的含量高于工艺要求时，适于采用补加废钢法；当铁液中多种化学元素的含量不符合工艺要求，且超标程度比较大时，适于采用出铁重配法；当铁液中一种或多种化学元素的含量高于工艺要求，且超标程度比较小时，适于采用延时烧损法。
参考上述调整炉前化学成分的常用方法，选取最适宜的方法进行调整，并计算出需要补加的炉料重量，然后称重、向炉内补加炉料。待续加的炉料完全熔化并均匀化后，重新取样检测炉内铁液化学成分，直至各种元素含量均合格后，才能进行后续操作。
(8)铁液处理和出炉浇注
传动箱铁液出炉时，按照工艺要求，采用包内冲入法进行铁液孕育处理。出铁时将孕育剂(钙钡硅铁合金)随流加入浇包内，用高温铁液将孕育剂冲熔，并搅拌包内铁液，使孕育剂熔化均匀，然后检测包内铁液温度，符合浇注工艺要求后即可进行铸件浇注。
每炉铁液浇注铸件的同时，浇注一组(3件)标准单铸力学性能试样。试样的铸型材料一般与铸件造型材料一致。
(9)全面检测高强度灰铸铁传动箱铸件的质量
待铸件在铸型中充分冷却后，进行落砂清理，并进行抛丸、精整处理后，应进行全面的铸件质量，检查项目包括：毛坯外观，铸件尺寸、化学成分、力学性能以及验收条件要求的其他检查项目。各项检查均合格后，方可交付或流转。
(10)实验效果
将生产出的传动箱铸件，经过适宜的合金化处理后，单铸试样抗拉强度达到了350Mpa以上，布氏硬度在210-240HB范围内。铸件本体抗拉强度达到了300MPa以上，本体硬度在200-230HB范围内，铸件质量稳定，各项检查项目均符合验收技术要求。并且在保证质量的基础上，减少了合金材料的用量，有利于降低铸件生产成本。
实施例2
S1生产技术条件
S1.1生产铸件及技术要求
生产铸件以柴油发动机上高强度灰铸铁件2号传动连接盘为例。2号传动连接盘的铸件材料为HT275，属于轮盘类厚壁高强度灰铸铁件，主要壁厚约为50-55mm，铸件毛坯外形尺寸约为Φ180X60mm，铸件重量约为13Kg。铸件力学性能要求为：抗拉强度不低于275Mpa，硬度要求230-250HB。铸件不允许有影响铸件强度和外观质量的铸造缺陷。
S1.2选用的原材料及熔炼设备
生产2号传动连接盘高强度灰铸铁件的熔炼设备选用0.5t中频电炉。铸铁熔化用的炉料为：选用武安Z14生铁，废钢选用轧钢厂的低碳钢下脚料，各种铁合金按照国际标准要求采购。按照铸件验收技术要求并结合生产实际，编制上述各种铸件生产工艺，并制作各种铸造模具。采用呋喃树脂自硬砂手工造型、制芯。
S2主要生产工艺流程
(1)确定高强度灰铸铁中多种合金匹配方法
结合准备生产的高强度灰铸铁件传动箱的具体情况，包括传动箱铸件材质牌号、使用要求、铸件壁厚、结构尺寸、重量、工作环境条件等具体情况，来确定适宜的高强度灰铸铁中常用合金匹配方法。2号传动连接盘属于轮盘类厚壁高强度灰铸铁件，铸件材质为HT275，铸件工况条件要求耐磨性好，且硬度高(硬度要求230-250HB)，故合金匹配方法采用：Cu+Cr。
(2)确定高强度灰铸铁中常规元素含量范围
根据传动连接盘铸件材质技术要求，综合考虑此类铸件壁厚、重量、尺寸等各方面因素，并结合以往成功的经验，来确定此类铸件适宜的化学成分控制范围。具体情况如下：C％：3.2-3.5，Si％：1.3-1.6(炉内)、1.7-2.0(铸件)，Mn％：0.8-1.0，P％≤0.08，S％≤0.08。
(3)确定高强度灰铸铁中各种合金元素含量范围
考虑准备生产的高强度灰铸铁件传动连接盘的具体情况，包括传动连接盘铸件材质牌号(HT275)、使用要求、铸件壁厚、结构尺寸、重量、工作环境条件(耐磨性好，硬度高)等具体情况，来确定适宜的高强度灰铸铁中常用合金元素含量。具体情况如下：0.6％-0.9％Cu，0.2％-0.5％Cr。
(4)确定高强度灰铸铁件传动连接盘的熔化工艺规程
首先，确定高强度灰铸铁件传动连接盘的熔化配料工艺单
根据铸件合金元素和常规元素化学成分控制范围要求，结合生产实际中各种金属炉料的化学成分及储备情况，并考虑到各种化学元素的氧化烧损，经过计算，可以编制出高强度灰铸铁件传动箱的熔化配料工艺单，具体情况如下：
其次，确定传动箱铸铁熔化浇注工艺参数：
需要确定的工艺参数内容一般包括：取样温度、过热温度及静置时间、出炉温度、孕育处理温度、浇注温度及时间等，具体情况如下：
传动连接盘取样温度：1350-1450℃，过热温度：1500-1520℃，高温静置时间：3-6min，出炉温度：1480-1500℃，孕育处理温度：1450-1500℃，浇注温度：1330-1370℃，单件浇注时间：10-15S。采用包内冲入法在铁液出炉的同时进行孕育处理。
(5)按照《铸铁熔化配料工艺单》要求备料、装料并加热熔化
同实施例1
(6)取样分析炉内铁液化学成分
同实施例1
(7)调整炉内铁液化学成分
同实施例1
(8)铁液处理和出炉浇注
同实施例1
(9)全面检测高强度灰铸铁传动箱铸件的质量
同实施例1
(10)实验效果
将上述技术方法生产出的铸铁件，经过适宜的合金化处理后,抗拉强度达到了275Mpa以上，硬度在230-250HB范围内，铸件质量稳定，各项检查项目均符合验收技术要求。并且在保证质量的基础上，减少了合金材料的用量，有利于降低铸件生产成本
实施例3
S1生产技术条件
S1.1生产铸件及技术要求
生产铸件以柴油发动机上高强度灰铸铁件5号汽缸套为例。5号汽缸套的铸件材料为合金灰铸铁，材质相当于HT300，属于套筒类薄壁高强度灰铸铁件，主要壁厚约为15-20mm，铸件毛坯外形尺寸约为Φ210X320mm，铸件重量约为15Kg。铸件力学性能要求为：本体抗拉强度不低于280Mpa，本体硬度要求250-280HB。铸件不允许有影响铸件强度和外观质量的铸造缺陷。
S1.2选用的原材料及熔炼设备
生产5号汽缸套高强度灰铸铁件的熔炼设备选用1.5t中频电炉。铸铁熔化用的炉料为：选用武安Z14生铁，废钢选用轧钢厂的低碳钢下脚料，各种铁合金按照国际标准要求采购。按照铸件验收技术要求并结合生产实际，编制上述各种铸件生产工艺，并制作各种铸造模具。采用离心铸造工艺方法。
S2主要生产工艺流程
(1)确定高强度灰铸铁中多种合金匹配方法
结合准备生产的高强度灰铸铁件传动箱的具体情况，包括汽缸套铸件材质牌号、使用要求、铸件壁厚、结构尺寸、重量、工作环境条件等具体情况，来确定适宜的高强度灰铸铁中常用合金匹配方法。5号汽缸套属于套筒类薄壁高强度灰铸铁件，铸件材质相当于HT300，铸件工况条件要求耐磨性好，且承载大，故合金匹配方法采用：Cu+Cr+Ni。
(2)确定高强度灰铸铁中常规元素含量范围
根据汽缸套铸件材质技术要求，综合考虑此类铸件壁厚、重量、尺寸等各方面因素，来确定此类铸件适宜的化学成分控制范围。具体情况如下：C％：3.1-3.3，Si％：1.2-1.5(炉内)、1.6-1.9(铸件)，Mn％：0.9-1.0，P％≤0.06，S％≤0.06。
(3)确定高强度灰铸铁中各种合金元素含量范围
根据表1中总结出的常用合金元素对铸铁组织和性能的影响作用以后，总结以往成功的生产实践经验，并考虑到准备生产的高强度灰铸铁件汽缸套的具体情况，包括汽缸套铸件材质牌号、使用要求、铸件壁厚、结构尺寸、重量、工作环境条件等具体情况，来确定适宜的高强度灰铸铁中常用合金元素含量。具体情况如下：0.6％-0.9％Cu，0.6％-0.9％Ni，0.2％-0.4％Cr。
(4)确定高强度灰铸铁件汽缸套的熔化工艺规程
首先，确定高强度灰铸铁件汽缸套的熔化配料工艺单
根据铸件合金元素和常规元素化学成分控制范围要求，结合生产实际中各种金属炉料的化学成分及储备情况，并考虑到各种化学元素的氧化烧损，经过计算，可以编制出高强度灰铸铁件汽缸套的熔化配料工艺单，具体情况如下：
其次，确定汽缸套铸铁熔化浇注工艺参数：
需要确定的工艺参数内容一般包括：取样温度、过热温度及静置时间、出炉温度、孕育处理温度、浇注温度及时间等，具体情况如下：
汽缸套取样温度：1360-1460℃，过热温度：1510-1530℃，高温静置时间：3-8min，出炉温度：1490-1510℃，孕育处理温度：1450-1510℃，浇注温度：1400-1430℃，单件浇注时间：10-15S。采用包内冲入法在铁液出炉的同时进行孕育处理。
(5)按照《铸铁熔化配料工艺单》要求备料、装料并加热熔化
同实例1
(6)取样分析炉内铁液化学成分
同实例1
(7)调整炉内铁液化学成分
同实例1
(8)铁液处理和出炉浇注
同实例1
(9)全面检测高强度灰铸铁汽缸套的铸件质量
同实例1
(10)实验效果
按照上述技术方法生产出的铸铁件，经过适宜的合金化处理后，铸件本体抗拉强度可以达到280MPa以上，本体布氏硬度保持在250-280HB范围内，铸件质量稳定，各项检查项目均符合验收技术要求。并且在保证质量的基础上，减少了合金材料的用量，有利于降低铸件生产成本。
