[发明专利]灰口铸铁用复合孕育剂及其制备方法和应用方法

说明书

技术领域

本发明的技术方案涉及铸铁合金，具体地说是灰口铸铁用复合孕育剂及其制备方法和应用方法。

背景技术

灰口铸铁是应用最广的金属材料之一。灰口铸铁是指含碳量2.7～4.0％、含硅量0.5～3％和锰、磷、硫总量不超过2％的铁、碳、硅合金。灰口铸铁含碳量的75～90％以片状石墨形态存在，断口呈暗灰色。灰口铸铁的熔点低(1145～1250℃)，凝固时收缩量小，抗压强度和硬度接近碳素钢，减震性好，被用于制造机床床身、汽缸、箱体和泵体等结构件。

灰口铸铁的抗拉强度一般为120～200MPa。随着碳、硅量的降低，灰口铸铁的力学性能也相应提高。但是，当抗拉强度超过180MPa时，如果再降低碳、硅量，又会使灰口铸铁的力学性能恶化。

另外，因灰口铸铁组织中存在着大量的片状石墨，故机械性能很差，而热处理只能改变铸铁的基体组织，不能改变片状石墨的有害作用。这就是说，通过热处理来提高灰口铸铁的机械性能的效果不大。

随着工业不断发展，对灰口铸铁耐磨件的力学性能提出了越来越高的要求。对于如何提高工程机械用灰口铸铁件的力学性能，很多学者和技术人员已作了大量的实验研究，试图通过微合金化和热处理手段来改善灰口铸铁组织，以提高其性能，但提高的幅度不大。灰口铸铁合金组织中基体晶粒较为粗大，石墨仍呈较粗大的片状，且分布不太均匀。粗大的片状石墨割裂了基体，降低了灰口铸铁合金的强度和韧性；同时较为粗大的基体晶粒也是灰口铸铁强度不高的重要原因之一。

对灰口铸铁合金铸态组织进行细化处理，细化基体晶粒并改善片状石墨相的形态和分布，减小其对基体性能的削弱作用，是提高灰口铸铁合金铸态组织性能，从而提高灰口铸铁件力学性能和使用性能的有效途径和极其有效的方法。对灰口铸铁合金铸态组织进行细化处理，使灰口铸铁合金晶粒减小和组织细化，这相当于使灰口铸铁在细小基体晶粒体上镶嵌入分不均匀的较细小层片状的石墨薄片。因此，不仅强度提高，而且大大削弱了石墨薄片相的对基体的割裂作用，从而保证了灰口铸铁材料有较好的韧性和较好的综合力学性能。

可以从以下两个方面来影响灰口铸铁合金晶粒大小和组织细化的程度：

I.对铸铁合金晶粒和组织进行细化处理。具体细化处理的方法有添加晶粒变质细化剂即孕育剂、超声波振动法、急冷法、低温铸造法和熔液加压铸造法。其中添加晶粒变质细化剂即孕育剂的方法，是向灰口铸铁合金熔体中添加少量的晶粒变质细化剂即孕育剂，以形成大量弥散的和难熔的结晶核心，并使基体熔体在结晶时依核生长，从而获得晶粒细化和组织细化效果。目前对该方法的研发远超上述其他方法。灰口铸铁合金的变质细化处理既可提高灰口铸铁合金的强度和韧性，又可增加其耐磨性，进而可显著提高工程机械用灰口铸铁耐磨件的的使用寿命；

II.改变熔炼工艺。熔炼工艺则是在灰口铸铁合金制备过程中通过改变合金结晶条件来达到细化晶粒和组织的目的。

现有技术中的灰口铸铁合金的晶粒和组织细化处理的孕育剂是块状的稀土硅+硼铁，但是一般经过常规工艺生产的稀土硅+硼铁孕育剂细化的灰口铸铁合金铸态组织中，基体组织中的石墨相仍呈较粗大的片状，灰口铸铁合金的综合力学性能得不到很大提高。CN 20081012882.7公开了灰铸铁孕育剂及制备产品方法和作为冶炼铸铁的应用，该灰铸铁孕育剂由硅铁、锰铁、硅钡或铬铁组成，其中含有硅，钡，锰，铝，钙，铁，或铬，微量元素。方法步骤为：将硅铁、锰铁、硅钡或铬铁分别进行破碎后，按比例称重混合，孕育剂作为冶炼灰铸铁的应用，其铁水与孕育剂的比例为1∶0.03～0.07，孕育剂块度最大值为硅铁10～20mm，硅钡20～30mm，锰铁5～20mm，铬铁1～15mm。和一般经过常规工艺生产的孕育剂相同，上述制备的铸铁孕育剂是采用普通熔炼工艺熔炼和将铸锭粉碎成小块使用，其孕育细化剂的晶粒尺寸远不是纳米级，所以对灰口铸铁合金基体晶粒和组织的细化效果仍有提高的空间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供灰口铸铁用复合孕育剂及其制备方法和应用方法，它是一种由Fe-Ce-Si-Ca中间合金和Fe-B-V中间合金组成的纳米晶薄片状的孕育细化剂，用它对工程机械用灰口铸铁耐磨件的灰口铸铁合金组织进行晶粒和组织细化处理，克服了铸造缺陷，显著细化了基体晶粒和渗碳体相，从而显著提高了灰口铸铁合金的综合力学性能。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：