一种球墨铸铁的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于铸铁冶炼技术领域，涉及一种球墨铸铁的制备方法。
【背景技术】
[0002] 球墨铸铁是通过球化和孕育处理得到球状石墨，其综合性能接近于钢，基于其优 异的性能，已成功地用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。
[0003] 为使铸铁中的白墨结晶成球状，在熔炼铁液时需加入球化剂。目前，在工业生产领 域，主要的球化剂是Mg、稀土元素和Ca，Mg是球化能力最强的元素，也是应用最广泛的球化 剂，但是因为Mg的沸点比铁液温度低得多，单独使用时会猛烈气化，导致Mg的吸收率低，而 且生产不安全，恶化环境，RE在铸铁中反应动力学条件不佳，不易均匀分布，所以一般将Mg 与RE结合使用，以弥补彼此的缺点。
[0004] 球化处理的方法很多，如冲入法、盖包法、喂丝法、压力加镁法、转包法、镁焦炭法、 型内球化法和密封流动法，前两种方法尤其是冲入法是迄今工业上应用最广泛的球化处理 方法。球化处理时，一般是将球化剂装入到球化包底部的一侧，上面覆盖硅铁合金，稍加紧 实，然后再覆盖无锈铁肩或草灰、苏打等覆盖剂。铁液温度过高时可盖铁（钢）板，处理时， 尽可能地将铁液一次冲入球化包的另一侧，一般先注入铁液总量的2/3或3/4,等反应基本 结束后，再补加余量铁液，同时进行随流孕育，然后将渣扒除。该方法球化剂表面覆盖的无 锈铁肩或草灰、苏打等覆盖剂容易被熔化，覆盖的铁（钢）板块度大，彼此间有很大的缝隙， 铁液透过铁（钢）板之间的缝隙很容易与球化剂反应的起爆时间短，球化剂吸收率低，镁 的吸收率一般只有30%-50%。而且球化处理中镁光、烟尘污染较严重。为了减缓铁液和 镁之间反应的激烈强度以及减少镁蒸汽的挥发速率，一般采用含镁量较低的合金球化剂， 这样一定程度上降低了球化效率。
[0005] 铁液进行浇注完成后，需辅以正确的热处理，才能保证铸铁的性能和使用寿命。传 统工艺常采用盐浴等温淬火来获得强韧性和耐磨性能优良的贝氏体球铁，采用盐浴分级淬 火来获得高强度和高耐磨性的马氏体球铁。但是传统的淬火工艺，处理时间较长，工艺和操 作复杂，淬火质量难以保证，淬火后工件内应力较大，易发生变形，甚至开裂，需要后续热处 理来改善其性能，一般适用于较大的零件，工作环境较差，材料的消耗量较大，零件的使用 寿命也较低。往往由于材料的硬度较低，或者不合适的硬度和韧性匹配导致脆性断裂、疲劳 断裂、耐磨性差，从而造成很大的损失。传统的等温淬火和分级淬火工艺因内部热应力、组 织应力和相变应力的变化导致变形较大，难以压铸尺寸较为精准的铸件。传动轴、传动齿轮 等很多零部件在扭转、弯曲等交变载荷下工作，有时表面需要受到摩擦，承受交变或脉动接 触应力，有时还承受冲击。这些工件表面承受着比心部更高的应力，要求在工件表面的有限 深度范围内有高的强度、硬度和耐磨性，而其心部又有足够的塑性和韧性，以承受一定的冲 击功。在这种情况下，仅用普通淬火和回火工艺是无法达到目的。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种球墨铸铁的制备方 法，该制备方法操作方便，效率高，无污染，制得的球墨铸铁变形小，表面强度高，耐磨性好， 而心部的韧性好，可用于铸造如传动轴、传动齿轮等在工件表面承受着比心部更高应力的 零件。
[0007] 本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种球墨铸铁的制备方法，所述制备 方法包括如下步骤，
[0008] 熔炼：将质量比为100:30: (60-65) : (22-26) : (12-15)的焦炭、石灰石、生铁、回炉 钢和废钢加入到熔炼炉中熔炼为铁液；
[0009] 球化孕育处理：先将球化剂和孕育剂分别制成粒径5-30μm的超微粉体，再将超 微粉体球化剂和超微粉体孕育剂分别用钢板包裹制成直径9-15mm的球状球化剂和球状孕 育剂，然后在球化包底一侧放入第一层球化孕育剂，在第一层球化孕育剂外包覆第一层覆 盖剂，在第一层覆盖剂上方覆盖第二层球化孕育剂，在第二层球化孕育剂外包覆第二层覆 盖剂，在第二层覆盖剂的上方覆盖第三层孕育剂，从球化包远离球化孕育剂的一侧浇入铁 液进行球化和孕育处理；
[0010] 浇注：球化孕育处理后的铁液经检验合格后浇注为球墨铸铁半成品，若检验不 合格，需及时进行调整，控制铁液中C的质量百分比为3. 5-3. 7%，Si的质量百分比为 1. 9-2. 5% ；
[0011] 热处理：采用表面淬火的方式进行热处理，最后制得本发明球墨铸铁。
[0012] 本发明采用配伍合理的原料进行铁液的熔炼，可获得元素配比合理，结构较好的 铸铁，所采用的原料焦炭、石灰石、生铁、回炉钢和废钢容易获得，并循环使用回炉钢，降低 生产成本。在球化孕育处理时对传统冲入法进行了改进，将传统使用的块状球化剂和块状 孕育剂制成超微粉体使用，试验表明，使用相同剂量的粉超微粉体球化剂较块状球化剂而 言，石墨的球化效果更好，石墨大部分呈球状分布，只有很少量呈团状，石墨球细小均匀，圆 整度和分散性有明显改善，从而球墨铸铁的各项力学性能也得到显著提高。但是由于球化 剂和孕育剂本身密度较小，制成超微粉体后，反应中更容易上浮，并且粉体球化剂在铁液中 更容易剧烈燃烧，为了让粉体球化剂和粉体孕育剂能够在铁液中均匀吸收并减缓溶解速 度，采用钢板对粉体球化剂和粉体孕育剂进行包裹制成球状球化剂和球状孕育剂。作为优 选，上述钢板选用冷乳低碳钢，因为冷乳低碳钢不会影响铁液的化学成分，也不会对球化孕 育处理过程中的球化孕育效果造成影响。
[0013] 本发明在进行球化孕育处理时，因为球化剂和孕育剂超微粉体的特性，其吸收率 显著提高，球化剂和孕育剂的使用量较块状球化剂有很大幅度的减少，可大幅节省生产成 本，并且大大减少了镁的烧损和球化处理中的闪光与烟雾，显著改善工作环境，保障操作工 人的身体健康。
[0014] 为了进一步提高球化和孕育效果，本发明改进了球化剂和孕育剂的放置方法，从 下到上形成第一层球化孕育剂-第二层球化孕育剂-第三层孕育剂的形式，在下面两层孕 育剂和球化剂同层放置，使球化和孕育处理基本上同时进行，提高了处理效果。并且球化剂 和孕育剂一次性放入，操作方便。本发明在第一层球化孕育剂和第二层球化孕育剂上包覆 有一层特殊的覆盖剂，因为铁液熔化覆盖剂需要一定的时间，所以延缓了球化剂的起爆时 间，使铁液的液面得以上升，球化剂和孕育剂上浮的路径延长，在上浮过程中反应的时间较 长，从而提高球化剂的吸收率。由于覆盖剂延缓作用，铁液也可一次性浇入球化包，操作更 加方便简单，避免了传统冲入法对于工人的操作技能要求高，如果出铁温度高或者铁液直 接冲在球化剂上，很容易造成球化不良的缺点；另外取消了灰铁铁肩的覆盖，由于覆盖所用 灰铁转肩往往含锰、磷、硫及其它微量元素较高，可导致球化衰退和性能不稳定。
[0015] 作为优选，所述球化剂包括以下质量百分比的组分：42-44%Si，7. 5-8. 0%Mg， 5-10%0&，1-3%1?，其余为？6及不可避免的微量元素。孕育剂采用硅铁合金孕育剂。本 发明根据上述铸铁原料选用配比合理高效的球化元素制成复配球化剂，球化剂中Mg含量 较高，可有效去除铁液中的氧、硫元素，辅以稀土元素和Ca元素，可缓解Mg过于激烈的反 应。由于本发明采用上述特殊的球化处理方法，因此可选用较低配比的稀土含量，有利于降 低成本。
[0016] 作为优选，所述球状球化剂和球状孕育剂中包裹超微粉体的钢板的厚度不一，其 厚度范围为3-9mm。本发明所使用的球状球化剂和球状孕育剂中包裹超微粉体的钢板的厚 度不一，是为了使得其与铁液接触后，每个球状球化剂和球状孕育剂的熔化时间不同，球状 球化剂和球状孕育剂可以到达不同的液面高度，与不同液面高度的铁液发生反应，能够被 铁液均匀吸收。
[0017] 作为优选，第一层球化孕育剂和第二层球化孕育剂均为球状球化剂和球状孕育剂 的混合。孕育剂和球化剂同层放置，使球化和孕育处理基本上同时进行，提高了处理效果。
[0018] 进一步优选，第一层球化孕育剂中，球状球化剂和球状孕育剂中包裹超微粉体的 钢板的厚度为6-9mm，第二层球化孕育剂中，球状球化剂和球状孕育剂中包裹超微粉体的钢 板的厚度为3-6mm。铁液注入球化包后，在第二层覆盖剂被熔化后，第二层球化孕育剂的球 状球化剂和球状孕育剂中包裹超微粉体的钢板较薄，首先与较低液面的铁液发生反应，在 第二层球化孕育剂与铁液反应的过程中，球化包内铁液液面上升直到注满，第一层球化孕 育剂的球状球化剂和球状孕育剂中包裹超微粉体的钢板较厚，上浮到较高的高度钢板才会 完全熔化，球化剂与铁液发生反应，从而使球化处理和孕育处理更加均匀。
[0019] 作为优选，所述第一层球化孕育剂中球状球化剂占铁液质量的0. 8-1. 0%，第二层 球化孕育剂中球状球化剂占铁液质量的〇. 4-0. 6%。球化处理时，第二层球化孕育剂中的球 化剂首先对刚倒入球化包的铁液进行球化处理，使这部分铁液得到球化，因这部分铁液量 较少，所以使用较少的球化剂，待铁液全部倒入球化包内时，第一层球化孕育剂上方的覆 盖剂基本熔化完，第一层球化孕育剂中的球化