[发明专利]改变灰铸铁初生奥氏体生长形貌的变质剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种改变灰铸铁初生奥氏体生长形貌的变质剂，用于改变亚共晶灰铸铁在凝固过程中析出初生奥氏体的生长方式，得到纵横交错的空间网络状初生奥氏体，从而达到制约灰铸铁共晶凝固的发展，得到细小弯曲的石墨组织，以提高灰铸铁的力学性能。

背景技术

由于灰铸铁有良好的耐磨性、减震性以及切削加工性能，其在铸造生产中有着非常广泛的应用，尤其是在汽车行业的应用。大马力发动机的缸体以及缸盖大多使用高强度灰铸铁为材质，而一般发动机材质也大量使用灰铸铁，据统计，1995年世界主要汽车公司生产的265.2万吨发动机缸体以及缸盖铸件中，灰铸铁材质的缸体铸件占93.4％。2006年世界9136.8万吨铸铁铸件中，灰铸铁铸件产量为4253.9万吨，我国生产的灰铸铁铸件占世界总量的32.7％。可见，虽然灰铸铁由于强度等问题，受到球墨、蠕墨铸铁、有色金属以及塑料等的强力竞争，但是需求量依然很大。

长期以来，国内外学者和专家为了提高灰铸铁的强度开展了大量、系统的研究工作，其途径如下：(1)降低碳当量，提高灰铸铁抗拉强度。但存在铸造工艺性能变差；白口倾向增大，难以加工；应力大，容易产生裂纹；铁液收缩大，易产生缩松，造成渗漏；铸件断面敏感性高，容易产生废品等关键理论与技术难题。(2)对高碳当量灰铸铁进行合金化(加入Mo、Ni等)，但由于世界范围内Mo、Ni等价格的快速升高，存在成本高和加工性能较差的关键理论与技术难题，制约了产品在市场中的竞争力。

普遍认为，灰铸铁组织中的石墨形态、尺寸、数量等特征对灰铸铁的力学性能、切削加工性能有着至关重要的影响，控制灰铸铁组织中的石墨特征即能够获得所需的灰铸铁性能。

对于亚共晶灰铸铁，其凝固过程首先在液态中析出初生奥氏体，随着凝固温度的降低，初生奥氏体枝晶不断长大，当温度降低到共晶温度时，尚未凝固的液相开始发生石墨与共晶奥氏体的共晶反应，凝固组织为石墨与共晶奥氏体所组成的共晶团。此时的凝固组织为初生奥氏体+共晶奥氏体+石墨。随着温度的继续降低，灰铸铁组织中的奥氏体转变为珠光体或珠光体+铁素体。

如果在灰铸铁凝固过程中控制初生奥氏体的生长，使初生奥氏体呈空间网络发展，则能够限制共晶凝固过程中石墨的生长，有利于获得形状弯曲、尺寸细小的石墨，从而达到提高灰铸铁力学性能的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种加入量少、成本低、工艺简单的改变灰铸铁初生奥氏体生长形貌的变质剂，此种变质剂采用浇包内变质方法，能够改变亚共晶灰铸铁凝固过程中初生奥氏体的生长形貌，形成空间结构复杂的网络，达到限制共晶石墨的生长空间，得到细小、弯曲的石墨组织，从而提高亚共晶灰铸铁强度的目的。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种用于改变灰铸铁初生奥氏体生长形貌的变质剂，包括质量百分比10％～20％的钒、3％～5％的氮、10％～20％的硅、2％～5％的钙、2％～5％的铬，余量为铁。

一种用于改变灰铸铁初生奥氏体生长形貌的变质剂的制备方法，是将含有钒、氮、铬、硅、钙元素的铁合金混合、熔炼、冷却后破碎成4～8毫米尺寸的颗粒，采用浇包内变质方法加入灰铸铁溶液中。

采用所述的变质剂处理易加工高强度灰铸铁，合金成分按质量百分比计：3.19～3.35C、1.90～2.06Si、0.31～0.48Mn、0.013～0.03P、0.075～0.09S、0.46～0.66Cu、0.18～0.35Cr，采用500Kg工频熔炼炉熔炼，热电偶测温，铁水出炉温度1530℃，浇包内孕育及变质，充分搅拌后在树脂砂型中浇注抗拉强度测定及组织分析试样，试样尺寸Φ30mm×300mm，变质剂加入量为0.45～0.8％。

图例说明

图1实施例1试验灰铸铁A初生奥氏体组织。

图2实施例1试验灰铸铁B初生奥氏体组织。

图3实施例1试验灰铸铁C初生奥氏体组织。

图4实施例1试验灰铸铁D初生奥氏体组织。

图5实施例2试验灰铸铁A石墨组织。

图6实施例2试验灰铸铁B石墨组织。

图7实施例2试验灰铸铁C石墨组织。

图8实施例2试验灰铸铁阶梯试样试样厚度与硬度的关系

具体实施方式

1、采用500Kg工频熔炼炉熔炼，热电偶测温，铁水出炉温度1530℃，浇包内孕育及变质，充分搅拌后在树脂砂型中浇注抗拉强度测定及组织分析试样，试样尺寸Φ30mm×300mm。变质剂加入量为0.3％～0.6％。试验合金成分如表1所示。