專利名稱:一種球墨鑄鐵和球墨鑄鐵活塞及其鑄造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種球墨鑄鐵,用該球墨鑄鐵制造的球墨鑄鐵活塞,以及球墨鑄鐵活塞的鑄造工藝。
背景技術(shù):
活塞是柴油打樁機(jī)的關(guān)鍵部件之一,其性能好壞直接影響柴油打樁機(jī)的壽命。活塞工作時(shí)與錘座縱向撞擊時(shí),由于速度發(fā)生突然變化而產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力,同時(shí)活塞還要承受柴油燃燒時(shí)高溫高壓的作用;因此要求活塞材質(zhì)具有較高的剛性和疲勞強(qiáng)度以及良好的耐磨性能。隨著球墨鑄鐵技術(shù)的發(fā)展,其性能也在不斷提高,優(yōu)質(zhì)廉價(jià)的球鐵已成為制造活塞的重要材料之一,球墨鑄鐵活塞成為一種趨勢(shì),其具有制造方便、成本低廉,又具有吸震、耐磨、對(duì)表面裂紋不敏感等優(yōu)良特性。 現(xiàn)有技術(shù)中球墨鑄鐵活塞的鑄造工藝主要采用大冒口鑄造工藝,具體為在活塞徑向中心分型,一端加球型大冒口,水平澆鑄豎起冷卻,通過(guò)上部大冒口進(jìn)行補(bǔ)縮,其主要工藝過(guò)程如下
首先,采用干模砂造型、并在一端安置球型大冒口,烘干、合箱后等待澆注;
其次,通過(guò)沖天爐和電爐雙聯(lián)熔煉出鐵液球化孕育處理后進(jìn)行水平澆注;
最后,在澆注完畢后的三分鐘內(nèi)將鑄件豎起冷卻。上述鑄造工藝,其鑄件在大冒口根部,容易出現(xiàn)縮松縮孔缺陷,鑄件質(zhì)量不穩(wěn)定、廢品率高。且該鑄造工藝的操作性也偏差,工人危險(xiǎn)性較大,同時(shí),其占用場(chǎng)地面積大,生產(chǎn)周期也較長(zhǎng)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有高強(qiáng)度、高硬度和高塑性等優(yōu)良綜合力學(xué)性能的球墨鑄鐵。本發(fā)明的另一目的在提供一種具有高強(qiáng)度、高硬度和高塑性等優(yōu)良綜合力學(xué)性能的球墨鑄鐵活塞,以能夠承受縱向大沖擊力,并同時(shí)具有良好的耐磨性能。本發(fā)明的再一目的在于提供制造上述球墨鑄鐵活塞的鑄造工藝。本發(fā)明所述的球墨鑄鐵,其特征在于各組分所占的質(zhì)量百分比為 碳(C)
3.50% 3. 60%,硅(Si) 1. 90% 2. 10%, O. 50% <·(Μη) ( O. 60%, O <磷(卩)(O. 030%,O <硫0 ( O. 010%,銅(Cu) 0. 50% O. 60%,稀土(RE) 0. 010% O. 030%,鎂(Mg)
0.030% O. 050%,其余為鐵(Fe)。其中,RE是中文稀土的表示,稀土的英文是rare earth metals,也可以統(tǒng)稱為RE,由于稀土元素之間性質(zhì)相近,分離困難,所以經(jīng)常以混合物形式加入合金中。本發(fā)明所述的球墨鑄鐵活塞,包括由球墨鑄鐵制成的活塞本體,其特征在于所述制成活塞本體的球墨鑄鐵的各組分所占的質(zhì)量百分比為碳(c):3. 50% 3. 60%,硅(Si):
1.90% 2. 10%, O. 50% <·(Μη) ( O. 60%, O <磷(卩)(O. 030%, O <硫0 ( O. 010%,銅(Cu) 0. 50% O. 60%,稀土(RE) :0. 010% O. 030%,鎂(Mg) 0. 030% O. 050%,其余
為鐵(Fe)。本發(fā)明所述的制造上述球墨鑄鐵活塞的鑄造工藝,包括如下步驟
a、鐵型造型步驟在鐵型各部分的內(nèi)腔壁覆一層呋喃樹(shù)脂砂,再粉刷一層醇基涂料,然后將覆好砂的鐵型的各部分組合成完整鐵型,并在鐵型的頂端放置澆鑄的大冒口 ;
b、球墨鑄鐵電爐熔煉步驟將球墨鑄鐵的原料投入電爐中進(jìn)行熔煉,得到熔煉鐵液;對(duì)鐵液進(jìn)行取樣,并對(duì)樣品進(jìn)行光譜檢驗(yàn),然后根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果調(diào)整鐵液中的化學(xué)成份,控制鐵液中碳、硅、錳、磷、硫元素所占的質(zhì)量百分比,使鐵液中的碳、硅、錳、磷、硫元素的含量滿足要求;
c、鐵液球化處理步驟將步驟b獲得的鐵液倒入球化包內(nèi),加入球化劑進(jìn)行球化處理,球化處理完畢后對(duì)鐵液進(jìn)行扒渣;
d、鐵液二次孕育步驟向步驟C獲得的鐵液中加入長(zhǎng)效孕育劑進(jìn)行第一次孕育處理;之后,再把鐵液倒入待澆注鐵型對(duì)應(yīng)的澆口杯內(nèi),在澆口杯內(nèi)加入硫氧孕育劑進(jìn)行第二次孕育處理;
e、鐵液澆注步驟將步驟d獲得的鐵液倒入步驟a獲得的鐵型中進(jìn)行澆鑄,澆鑄采用豎立澆注和豎立冷卻方式,獲得柴油打樁機(jī)的球墨鑄鐵活塞。上述步驟a中,內(nèi)腔壁的呋喃樹(shù)脂砂厚度宜控制在25mnT40mm,其中以30mm為佳。上述步驟b中球墨鑄鐵的原料為廢鋼和增碳劑組成的混合物,其中廢鋼增碳劑按重量份數(shù)比1000 :38 42的配比組成,電爐中的熔煉溫度為1430°C 1460°C,熔煉時(shí)間為I I. 5小時(shí)。上述步驟C中,鐵液倒入球化包內(nèi)加入的球化劑為釔基重稀土球化劑,其中,球化劑中各組分所占的質(zhì)量百分比為鎂(Mg) :7. 25%,稀土氧化物(REO) :1. 72%,硅(Si)42. 8%,其余為Fe,加入的球化劑的質(zhì)量和鐵液的質(zhì)量比為I :62 68,球化溫度1400°C 1410°C,球化時(shí)間為60 90秒。上述步驟b中鐵液在1360°C 1380°C取樣,在光譜分析儀上檢驗(yàn)鐵液的成份,并調(diào)整鐵液的化學(xué)成份,特別是控制鐵液中碳、硅元素的含量。其中,碳的含量通過(guò)添加增碳劑來(lái)控制,硅的含量通過(guò)添加75 SiFe (含硅量為75%的硅鐵,即75 SiFe中各組分所占的質(zhì)量百分比為75%Si,25%Fe)來(lái)控制。Mn的含量通過(guò)添加65MnFe (即錳含量為65%的錳鐵,即65 SiFe中各組分所占的質(zhì)量百分比為65%Mn,35%Fe)調(diào)整;磷(?),硫(S)含量的控制,通過(guò)加入P、S來(lái)控制,或者通過(guò)控制原材料廢鋼中的P、S含量來(lái)進(jìn)行控制;RE、Mg則由球化劑加入量來(lái)控制其含量。上述步驟d第一次孕育處理中加入的長(zhǎng)效孕育劑中各組分所占的質(zhì)量百分比為硅(Si) :70% 75%,鋇(Ba) 1. 5% 2. 5%,鈣(Ca) 1. 0% 2. 0%,其余為鐵(Fe),加入的孕育劑的質(zhì)量和鐵液的質(zhì)量比為I :110 140,孕育時(shí)間為2 3min。上述步驟d第二次孕育處理中加入的硫氧孕育劑,其加入的硫氧孕育劑的質(zhì)量和鐵液的質(zhì)量比為I :800,孕育時(shí)間為30 50秒。本發(fā)明的鐵型覆砂鑄造工藝,根據(jù)鑄件鐵液冷卻時(shí)要體積收縮,凝固時(shí)析出石墨產(chǎn)生體積膨脹的事實(shí),以自我補(bǔ)縮方式來(lái)實(shí)現(xiàn)均勻凝固。球墨鑄鐵凝固時(shí)產(chǎn)生的共晶膨脹力非常大,一方面鐵型壁遷移脹大,另一方面內(nèi)部還存在縮松缺陷,形成了型壁遷移造成縮松的說(shuō)法。實(shí)際上,型腔擴(kuò)大是石墨化體積膨脹造成,而出現(xiàn)的縮松是石墨化膨脹的自我補(bǔ)縮能力沒(méi)有被充分利用的結(jié)果;在凝固過(guò)程中,共晶石墨球團(tuán)未相互接觸時(shí),石墨化膨脹力會(huì)使球間鐵液受迫流動(dòng),推動(dòng)相鄰團(tuán)一起移動(dòng),具有一定均衡補(bǔ)縮效果。由于本發(fā)明的鐵型覆沙的鐵 型剛硬不易發(fā)生變形,因此,此時(shí)膨脹力只能集中內(nèi)向作用,球團(tuán)、枝晶和晶間殘余鐵液向枝晶末梢的縮松區(qū)擠壓,使枝晶主干伸長(zhǎng)并帶動(dòng)球團(tuán)一起占據(jù)縮松孔洞,直到枝晶末梢相互接觸、擠壓、焊合,形同塑性變形流動(dòng);固態(tài)枝晶蘇醒變形流動(dòng)延伸產(chǎn)生補(bǔ)縮效果,從而使鐵型內(nèi)制得了獲得了具有很好的致密性的球磨鑄鐵活塞鑄件。本發(fā)明的鑄造工藝是在粗成型的金屬(稱為鐵型)內(nèi)腔覆上一薄層型砂而形成鐵型,通過(guò)對(duì)鐵型的質(zhì)量、壁厚與覆砂層厚度的合理控制,使鑄件的充型、凝固和冷卻在一個(gè)比較理想的條件下完成,最大限度地消除了產(chǎn)生鑄造缺陷的因素,從而大大提高了鑄件的質(zhì)量。另外,鐵型覆砂采用呋喃樹(shù)脂砂造型,鐵型剛性好,沒(méi)有退讓性,所以生產(chǎn)的鑄件不僅尺寸精度高、表面質(zhì)量好、而且內(nèi)部組織致密。本發(fā)明的球墨鑄鐵為珠光體型球墨鑄鐵,由于錳和銅的加入,使其珠光體含量達(dá)到85%以上,使得該球墨鑄鐵具有高強(qiáng)度和高硬度;由于球狀石墨圓整細(xì)小且數(shù)量多,使的該球墨鑄鐵具有高塑性。所述球墨鑄鐵活塞同樣具有上述優(yōu)良性能。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)
(1)采用鐵型內(nèi)覆砂的鑄造工藝,可以減少鑄件心部出現(xiàn)縮松縮孔的缺陷,可獲得較好的致密鑄件,提高鑄件的產(chǎn)品質(zhì)量,降低廢品率,降低生產(chǎn)成本,提高經(jīng)濟(jì)效益;
(2)采用粗成型的鐵型,鐵型剛性較高、散熱速度較快,可加快鑄件的冷卻速度,達(dá)到更好的冷卻效果;
(3)采用豎澆豎冷、快速澆注方式,操作簡(jiǎn)單,占用生產(chǎn)場(chǎng)地較少;
(4)采用電爐熔煉,廢鋼和增碳劑合成球鐵熔煉工藝,為生產(chǎn)高品質(zhì)球墨鑄鐵提供優(yōu)質(zhì)的原鐵液;
(5)采用釔基重稀土球化劑,該球化劑具有抗衰退、抗石墨畸變、抗干擾元素能力強(qiáng),無(wú)球化衰退之憂,確保鑄件組織、性能表里如一,而且鑄件球化率高,石墨圓整度好,球數(shù)多;
(6)采用長(zhǎng)效孕育劑和硫氧孕育劑先后進(jìn)行二次孕育,這兩種孕育劑能促進(jìn)石墨化,抑制金屬基體中碳化物的生成,減少白口傾向,增加鑄件中的石墨球數(shù)、細(xì)化石墨球、提高石墨球的圓整度,改善鑄件切削加工性能;
采用本發(fā)明鑄造出來(lái)的鑄件成品率高達(dá)97% 99%,鑄件的金相組織和力學(xué)性能均優(yōu)于國(guó)標(biāo)規(guī)定的要求球化率心部85%、非心部彡90%,抗拉強(qiáng)度Rm :550MPa 650MPa、伸長(zhǎng)率A :5% 8%、布氏硬度220HBW 250HBW。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I
一種球墨鑄鐵,各組分所占的質(zhì)量百分比為碳(C) :3. 50%,硅(Si) :1. 90%,錳(Mn)
O.60%,磷(P) 0. 030%,硫(S) 0. 010%,銅(Cu) 0. 50 %,稀土(RE) 0. 010 %,鎂(Mg)
O.050%,其余為鐵(Fe)。用其制得的球墨鑄鐵活塞,包括由球墨鑄鐵制成的活塞本體,所述制成活塞本體的球墨鑄鐵的各組分所占的質(zhì)量百分比為:碳(C) :3. 50%,硅(Si) :1. 90%,錳(Mn) :0. 60%,磷(P) 0. 030%,硫(S) 0. 010%,銅(Cu) 0. 50%,稀土(RE) 0. 010%,鎂(Mg) 0. 050%,其
余為鐵(Fe)。所述稀土(RE)可選用鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓等輕稀土元素中的一種或者幾種;也可以選用鋱、鏑、欽、鉺、銩、鐿、镥、鈧、釔等重稀土元素中的一種或者幾種;甚至可以同時(shí)選用上述兩種稀土元素中的任何一種或幾種。一種制造球墨鑄鐵活塞的方法,包括如下步驟
a、鐵型造型步驟在鐵型各部分的內(nèi)腔壁覆一層30mm呋喃樹(shù)脂砂,再粉刷一層醇基涂料,,然后將覆好砂的鐵型的各部分組合成完整鐵型,并在鐵型的頂端放置澆鑄的大冒口 ;所述醇基涂料可為醇基鋯英涂料,其比重1. 8-1. 9g/cm3,粘度10_12MPa. S,24小時(shí)懸浮性97%。
b、球墨鑄鐵電爐熔煉步驟將重量份數(shù)比1000 38 42廢鋼和增碳劑組成的混合物投入電爐中進(jìn)行熔煉,熔煉溫度為1430°C 1460°C,熔煉時(shí)間為I I. 5小時(shí),得到熔煉鐵液;對(duì)鐵液在1360°C 1380°C進(jìn)行取樣,并對(duì)樣品進(jìn)行光譜檢驗(yàn),然后根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果調(diào)整鐵液中的化學(xué)成份,控制鐵液中碳、硅、錳、磷、硫元素所占的質(zhì)量百分比,使鐵液中的碳、硅、錳、磷、硫元素的含量滿足要求,即碳(C) :3. 50%,硅(Si) :1. 90%,錳(Mn) :0. 60%,磷(P) 0. 030%,硫(S) :0. 010%,銅(Cu) :0. 50%,稀土(RE) 0. 010%,鎂(Mg) 0. 050%,其余為鐵(Fe);需要特別注意控制鐵液中碳、硅元素的含量。碳的含量通過(guò)添加增碳劑來(lái)控制,硅的含量通過(guò)添加75 SiFe來(lái)控制;
c、鐵液球化處理步驟將步驟b獲得的鐵液倒入球化包內(nèi),加入球化劑進(jìn)行球化處理,球化劑為釔基重稀土球化劑,其中,球化劑中各組分所占的質(zhì)量百分比為鎂(Mg)
7.25%,稀土氧化物(REO) :1. 72%,硅(Si) :42. 8%,其余為Fe ;加入的球化劑的質(zhì)量和鐵液的質(zhì)量比為I :62 68,球化溫度1400°C 1410°C,球化時(shí)間為60 90秒;球化處理完畢后對(duì)鐵液進(jìn)行扒渣;
d、鐵液二次孕育步驟向步驟c獲得的鐵液中加入長(zhǎng)效孕育劑進(jìn)行第一次孕育處理;所述長(zhǎng)效孕育劑中各組分所占的質(zhì)量百分比為硅(Si):70% 75%,鋇(Ba):l. 5% 2. 5%,鈣(Ca) :1.0% 2. 0%,其余為鐵(Fe);加入的孕育劑的質(zhì)量和鐵液的質(zhì)量比為I :110 140,孕育時(shí)間為2 3min ;之后,再把鐵液倒入待澆注鐵型對(duì)應(yīng)的澆口杯內(nèi),在澆口杯內(nèi)加入硫氧孕育劑進(jìn)行第二次孕育處理,其加入的硫氧孕育劑的質(zhì)量和鐵液的質(zhì)量比為I :800,孕育時(shí)間為30 50秒;
e、鐵液澆注步驟將步驟d獲得的鐵液從大冒口中倒入步驟a獲得的鐵型中進(jìn)行澆鑄,澆鑄采用豎立澆注和豎立冷卻方式,獲得柴油打樁機(jī)的球墨鑄鐵活塞。實(shí)施例2
其與實(shí)施例I不同之處在于各組份的含量不同,其各組分含量如下
碳(C) 3. 60%,硅(Si) 2. 10%,錳(Mn) 0. 50%,磷(P) 0. 005%,硫(S) 0. 001%,銅(Cu) 0. 60%,稀土(RE) 0. 030%,鎂(Mg) 0. 030%,其余為鐵(Fe)。實(shí)施例3
其與實(shí)施例I不同之處在于各組份的含量不同,其各組分含量如下
碳(C) 3. 55%,硅(Si) 2. 00%,錳(Mn) 0. 55%,磷(P) 0. 015%,硫(S) 0. 001%,銅(Cu) 0. 55%,稀土(RE) 0. 020%,鎂(Mg) 0. 040%,其余為鐵(Fe)。
權(quán)利要求
1.一種球墨鑄鐵,其特征在于各組分所占的質(zhì)量百分比為碳(C):3. 50% 3. 60%,硅(Si):I. 90% 2. 10%,O. 50%〈錳(MnX O. 60%,O <磷(P)S O. 030%, O <硫0彡 O. 010%,銅(Cu) 0. 50% O. 60%,稀土(RE) 0. 010% O. 030%,鎂(Mg) 0. 030% O. 050%,其余為鐵(Fe)。
2.—種球墨鑄鐵活塞,包括由球墨鑄鐵制成的活塞本體,其特征在于所述制成活塞本體的球墨鑄鐵的各組分所占的質(zhì)量百分比為碳(C) :3. 50% 3. 60%,硅(Si) :1. 90% 2.10%,O. 50% <·(Μη) ( O. 60%,O <磷(卩)(O. 030%, O <硫0 ( O. 010%,銅(Cu)0.50% O. 60%,稀土(RE) 0. 010% O. 030%,鎂(Mg) 0. 030% O. 050%,其余為鐵(Fe)。
3.一種制造權(quán)利要求2所述的球墨鑄鐵活塞的鑄造工藝,包括如下步驟 a、鐵型造型步驟在鐵型各部分的內(nèi)腔壁覆一層呋喃樹(shù)脂砂,再粉刷一層醇基涂料,然后將覆好砂的鐵型的各部分組合成完整鐵型,并在鐵型的頂端放置澆鑄的大冒口 ; b、球墨鑄鐵電爐熔煉步驟將球墨鑄鐵的原料投入電爐中進(jìn)行熔煉,得到熔煉鐵液;對(duì)鐵液進(jìn)行取樣,并對(duì)樣品進(jìn)行光譜檢驗(yàn),然后根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果調(diào)整鐵液中的化學(xué)成份,控制鐵液中碳、硅、錳、磷、硫元素所占的質(zhì)量百分比,使鐵液中的碳、硅、錳、磷、硫元素的含量滿足要求; c、鐵液球化處理步驟將步驟b獲得的鐵液倒入球化包內(nèi),加入球化劑進(jìn)行球化處理,球化處理完畢后對(duì)鐵液進(jìn)行扒渣; d、鐵液二次孕育步驟向步驟C獲得的鐵液中加入長(zhǎng)效孕育劑進(jìn)行第一次孕育處理;之后,再把鐵液倒入待澆注鐵型對(duì)應(yīng)的澆口杯內(nèi),在澆口杯內(nèi)加入硫氧孕育劑進(jìn)行第二次孕育處理; e、鐵液澆注步驟將步驟d獲得的鐵液倒入步驟a獲得的鐵型中進(jìn)行澆鑄,澆鑄采用豎立澆注和豎立冷卻方式,獲得柴油打樁機(jī)的球墨鑄鐵活塞。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的球墨鑄鐵活塞的鑄造工藝,其特征在于步驟b中球墨鑄鐵的原料為廢鋼和增碳劑組成的混合物,其中廢鋼增碳劑按重量份數(shù)比1000 38 42的配比組成,電爐中的熔煉溫度為1430°C 1460°C,熔煉時(shí)間為I I. 5小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的球墨鑄鐵活塞的鑄造工藝,其特征在于步驟b中鐵液在1360°C 1380°C 取樣。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的球墨鑄鐵活塞的鑄造工藝,其特征在于鐵液中碳的含量通過(guò)添加增碳劑來(lái)控制,硅的含量通過(guò)添加75 SiFe來(lái)控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的球墨鑄鐵活塞的鑄造工藝,其特征在于步驟c中,加入的球化劑為釔基重稀土球化劑,其中,球化劑中各組分所占的質(zhì)量百分比為鎂(Mg) :7. 25%,稀土氧化物(REO) :1. 72%,硅(Si) :42. 8%,其余為Fe,加入的球化劑的質(zhì)量和鐵液的質(zhì)量比為I62 68,球化溫度1400°C 1410°C,球化時(shí)間為60 90秒。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的球墨鑄鐵活塞的鑄造工藝,其特征在于步驟d第一次孕育處理中加入的長(zhǎng)效孕育劑中各組分所占的質(zhì)量百分比為硅(Si) :70% 75%,鋇(Ba)1.5% 2. 5%,鈣(Ca) :1. 0% 2. 0%,其余為Fe,加入的孕育劑的質(zhì)量和鐵液的質(zhì)量比為I 110 140,孕育時(shí)間為2 3分鐘。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的球墨鑄鐵活塞的鑄造工藝,其特征在于上述步驟d第二次孕育處理中加入硫氧孕育劑,其加入的硫氧孕育劑的質(zhì)量和鐵液的質(zhì)量比為I :800,孕育 時(shí)間為30 50秒。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種球墨鑄鐵、球墨鑄鐵活塞及其制造工藝,所述球墨鑄鐵中各組分所占的質(zhì)量百分比為碳(C)3.50%~3.60%,硅(Si)1.90%~2.10%,0.50%<錳(Mn)≤0.60%,0<磷(P)≤0.030%,0<硫(S)≤0.010%,銅(Cu)0.50%~0.60%,錸(RE)0.010%~0.030%,鎂(Mg)0.030%~0.050%,和其余的鐵(Fe)。所述球墨鑄鐵活塞由上述球墨鑄鐵制得,其通過(guò)在粗成型的鐵型內(nèi)腔覆上一薄層型砂,通過(guò)對(duì)鐵型的質(zhì)量、壁厚與覆砂層厚度的合理控制,使鑄件的充型、凝固和冷卻在一個(gè)比較理想的條件下完成,最大限度地消除了產(chǎn)生鑄造缺陷的因素,從而大大提高了鑄件的質(zhì)量。
文檔編號(hào)C22C33/10GK102912214SQ20121042580
公開(kāi)日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者柯志敏, 陳永成, 郭均旭 申請(qǐng)人:佛山市順德區(qū)中天創(chuàng)展球鐵有限公司