高性能球墨鑄鐵閥門材質(zhì)性能

之前介紹組合式減壓閥在國華惠州熱電應(yīng)用，現(xiàn)在介紹高性能球墨鑄鐵閥門材質(zhì)性能球墨鑄鐵低溫沖擊鑄件性能指標要求越來越高，QT400-18AL（-20℃）低溫球墨鑄鐵材料已被各國列入國家標準。QT400-18AL（-40℃）低溫球墨鑄鐵材料在近幾年內(nèi)也越來越多被引用到產(chǎn)品要求內(nèi)，國內(nèi)也有部分鑄造廠家能夠生產(chǎn)此材料要求的鑄件。隨著產(chǎn)品的發(fā)展，QT400-18AL（-50℃）低溫球墨鑄鐵材料的研究和應(yīng)用也逐漸成為鑄造行業(yè)技術(shù)攻關(guān)主要課題之一。本發(fā)明公開了一種生產(chǎn)高性能球墨鑄鐵閥門的原料組合物及其生產(chǎn)方法，該原料組合物的組分及各組分的重量百分比為：Q10生鐵50～60％、廢機件15～20％、廢鋼5～10％、廢鐵屑20～25％、鎳鐵0.5～0.8％、廢銅0.3～0.6％、廢錫0.2～0.3％、球化劑1～1.3％、孕育劑1～1.5％。采用改組合物生產(chǎn)高性能球墨鑄鐵閥門，配方和工藝簡單，容易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；直接由鑄態(tài)形式得到的鑄件性能大大提高，真正屬于高性能球墨鑄鐵；采用普通廢鋼、廢機件、廢鐵屑，可成倍降低高性能鑄件生產(chǎn)的原材料成本。

生產(chǎn)QT400-18AL(-50℃)低溫沖擊材料,在保證抗拉強度≥400MPa、屈服強度≥250MPa、伸長率≥18%達到要求前提下進行-50℃(-52℃保溫10min以上）低溫沖擊試驗,要求三個標準夏比試樣沖擊吸收能量平均值KV≥12J，單個試樣沖擊吸收能量KV≥9J。若想得到較高的沖擊吸收能量材料必須是合適的化學成分、較好的球化等級、較多的石墨球數(shù)、較高地鐵素體含量及伸長率。用于公稱壓力 PN≤4.0MPa，工作溫度 -30~350℃ 的水、蒸汽、空氣及油品等介質(zhì)的球墨鑄鐵制閥門，主要零件材料的選用見《表 1》：《表 1》 高性能球墨鑄鐵閥門材質(zhì)性能球墨鑄鐵閥門材料選用



零件名稱 材料

名稱 牌號 標準號

閥體、閥蓋、啟閉件、支架 球墨鑄鐵 QT400-16、QT450-10、QT500-7 GB/T 12227-1989

閥桿、軸 鉻不銹鋼 1Cr13、2Cr13、3Cr13 GB/T 1220-1992

鋁青銅 QA19-2、QA19-4 GB/T 4423-1992

錳黃銅 HMn58-2 GB/T 4423-1992

軸套 鑄鋁青銅 ZCuA18Mn2、ZCuA19Fe4Mn2 GB/T 1176-1987

鑄錳黃銅 ZCuZn38Mn2Pb2

搖桿 碳素鑄鋼 WCA、WCB、WCC GB/T 12229-1989

碳素鋼 20、25、35 GB/T 699-1999

氣缸、活塞 鉻不銹鋼 1Cr13、2Cr13、3Cr13 GB/T 1220-1992

膜片 奧氏體不銹鋼 1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti GB/T 4237-1992

彈簧 彈簧鋼 500CrVA GB/T 1222-1992

600Si2Mn、600Si2MnA



一、高性能球墨鑄鐵閥門材質(zhì)性能化學成分的選擇與控制

化學成分的選擇與控制是生產(chǎn)QT400-18AL(-50℃)低溫沖擊材料鑄件關(guān)鍵點之一，化學成分直接影響鑄件的金相組織及物理性能，因此我們深入研究了各種化學元素在球墨鑄鐵中的作用，通過試驗找出了高性能指標相應(yīng)各種化學元素的合適范圍并加以控制。

１．化學成分的選擇確定

結(jié)合各元素的作用和國內(nèi)外原材料狀況以及生產(chǎn)QT400-18AL（-40℃）低溫沖擊鑄件的經(jīng)驗數(shù)據(jù),確定生產(chǎn)QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊鑄件的化學成分范圍。

（1）通過生產(chǎn)QT400-18AL（-40℃）低溫沖擊鑄件理化檢測記錄，進一步驗證Si元素的重要作用，Si含量的高低直接影響抗拉強度、沖擊值的大??；從試驗數(shù)據(jù)得出，若想進一步提高沖擊值指標，必須繼續(xù)降低Si含量，但降Si已無法滿足強度要求。我們通過加大鎳含量方法，解決了降Si帶來的強度不足問題。

（2）結(jié)合生產(chǎn)QT400-18AL（-40℃）低溫沖擊鑄件實際經(jīng)驗和國內(nèi)外原材料情況以及我公司生產(chǎn)過程中化學成分控制能力，生產(chǎn)中控制QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊鑄件球化反應(yīng)后化學成分如下：wC＝3.50%～3.80%，wSi＝2.05%～2.15%，wMg＝0.38%～0.54%，wRE＝0.005%～0.009%，wNi＝0.77%～0.83%，wMn≤0.10%，wP≤0.028%，wS≤0.015%，wTi≤0.018%，wCr≤0.023%，其他微量元素越低越好。

2.化學成分的控制

（1）原材料控制 ①生鐵。選用C高，Si、Mn、P、S較低，Ti、Cr、Sn、Sb、Pb等微量元素足夠低的高純生鐵。如南非生鐵、本溪生鐵、撫順罕王生鐵、龍鳳山生鐵等。②廢鋼。選用含合金元素較低的A3廢鋼。③增碳劑。選用低S易吸收的增碳劑，收得率要求C≥90%、S≤0.3%。

（2）熔煉過程中化學成分控制 ①嚴格按配料單檢重量，配料有記錄有

可追溯性。②嚴格按鐵液出爐前化學成分要求執(zhí)行，化學成分不符合要求的鐵液不允許出爐。

生產(chǎn)QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊鑄件球化反應(yīng)前化學成分要求：wC＝3.92%～3.98%，wSi＝0.68%～0.72%， wNi＝0.77%～0.83%，wMn≤0.10%，wP≤0.028%，wS≤0.015%，wTi≤0.018%，wCr≤0.023%，其他微量元素越低越好。

（3）不僅球化劑、孕育劑要稱重準確，而且覆蓋球化劑鋼片稱重要求±1kg，出鐵稱重要求±10kg。

合理的化學成分確定與控制是本項目的首要環(huán)節(jié)、必要條件，本項目的另一重要條件是必須有良好地球化效果。



二、熔煉控制

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：蒸汽減壓閥,減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,水減壓閥獲得鐵液是良好球化效果的基礎(chǔ)。所謂鐵液就是在保證鐵液純凈度的前提下，盡量保證熔液冶金核心原始數(shù)量 ，使大量異質(zhì)核心得到保持，并保證合適化學成分、鐵液溫度出爐。生產(chǎn)QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料鑄件在熔煉控制中應(yīng)關(guān)注以下幾點。

１．配料

配料時多使用原生鐵，少使用廢鋼、回爐料，計算時盡量接近理想化學成分，留有少量微調(diào)空間。多加原生鐵的目的是保證原始石墨核心數(shù)量，同時減少增碳劑加入量（減少增碳劑增硫）。

2.送電熔化

大電流快速熔化，時刻關(guān)注爐料下落情況，不要出現(xiàn)棚料而產(chǎn)生鐵液局部過熱。鐵液過熱使異質(zhì)核心消失，減少球化反應(yīng)后石墨球數(shù)量，影響球化效果。

3.取樣分析及調(diào)整

鐵液溫度升至1400～430℃時取樣做爐前碳硅儀分析,鐵液溫度升至1420～1450℃時取樣做爐前光譜分析，成分不合格是需調(diào)整至合格。

4.鐵液出爐

大電流送電、快速升溫至出爐溫度，將鐵液表面浮渣扒凈，然后出爐。我公司鐵液出爐溫度為1525～1535℃，與其他公司生產(chǎn)低溫沖擊球墨鑄鐵件不同，鐵液達到出爐溫度后馬上出爐，不采用5～10min凈化處理。其原因如下:

（1）電爐出鐵采用出鐵槽導流，出鐵槽多降溫5～10℃，出爐溫度應(yīng)提高5～10℃用來彌補出鐵槽降溫。

（2）爐料熔化后隨著溫度升高開始出氣凈化，當升溫到1500℃以上時開始吸氣氧化，原始異質(zhì)核心逐漸消失，鐵液過冷度逐漸增大。為保證球化反應(yīng)后石墨球數(shù)量，必須保證球化反應(yīng)前鐵液中原始核心數(shù)量。

我公司生產(chǎn)球墨鑄鐵件熔化設(shè)備為1臺3t電爐和1臺1.5t電爐。3t電爐生產(chǎn)為每爐2包出鐵球化，鐵水達到出爐溫度時停電開始出包，待包鐵液球化反應(yīng)結(jié)束、扒渣完畢、鐵液吊走后繼續(xù)送電，當溫度達到出爐要求時，開始出第二包鐵液。我們對包、第二包鐵液所澆試塊抗拉強度進行比較，T500-7材質(zhì)取200組數(shù)據(jù)，包數(shù)據(jù)平均值比第二包數(shù)據(jù)平均值高22.6MPa；QT400-18材質(zhì)取200組數(shù)據(jù)，包數(shù)據(jù)平均值比第二包數(shù)據(jù)平均值高8.2MPa，因此我公司要求鐵液快速升溫、快速出爐，3t電爐第二包鐵液不能生產(chǎn)球墨鑄鐵低溫沖擊鑄件。

（3）鐵液出爐溫度高有利于球化反應(yīng)渣上浮，有利于球化反應(yīng)后鐵液凈化。

與其他公司不同，我公司采用出鐵槽導流出鐵：①防止鐵液直沖球化劑，保證球化反應(yīng)平穩(wěn)。②保證了出鐵重量的準確性，減少成分波動。



三、球化處理

1．球化劑種類

考慮到球化反應(yīng)的穩(wěn)定性與稀土元素降低低溫沖擊值的特性，我們選用了特制的低鎂低稀土球化劑，而且要求氧化鎂的含量要≤0.8%。

2．球化劑粒度與加入量

球化劑粒度：3～20mm。

球化劑加入量：1.15%～1.2%（鐵液S%含量高、出爐溫度高、球化鐵液量少時加1.2%）。

由于球化元素鎂為強烈促使白口化元素，直接影響球化等級、強度、伸長率與低溫沖擊吸收能量，殘鎂量（質(zhì)量分數(shù)）控制在0.038%～0.056%。

3.球化包要求

球化包包底修成凹坑式，凹坑大小、深度要合適，球化包高度與直徑比應(yīng)≥1.8。其目的一是提高鎂的吸收率，二是保證球化反應(yīng)的穩(wěn)定性。

4.球化劑加入方法及出鐵

球化劑加在包底凹坑內(nèi)、扒平，特殊情況鐵液出爐溫度高時要搗實。球化劑上均勻覆蓋孕育劑，然后再均勻覆蓋薄鋼片（或潔凈無銹球墨鑄鐵沫），薄鋼片要稱重，1.5t球化包覆蓋薄鋼片重量為13～15kg，2t球化包覆蓋薄鋼片重量為18～20kg。出鐵時不要直沖球化劑，開始時盡量快速將鐵液出到球化包內(nèi)，后時減慢出鐵速度。

5.球化反應(yīng)

（1）球化反應(yīng)時間為70～120s。

（2）盡量將鑄型擺放在電爐附近，縮短球化反應(yīng)后鐵液運輸及澆注時間；若必須將鑄型放在遠離電爐處，鑄型附近可設(shè)置扒渣場，鐵液快速出爐后直接吊到扒渣場扒渣。鐵液表面及包沿浮渣應(yīng)*清理干凈后，然后開始澆注。球化反應(yīng)完畢到澆注結(jié)束不能超過12min。



四、強化孕育處理

孕育處理是本項目又一重要環(huán)節(jié)，直接影響球化等級、伸長率，終影響沖擊性能。提高孕育效果的具體措施主要有以下幾個方面。

１．選擇強效孕育劑

為了提高孕育抗衰退性，強化孕育效果，增加球化反應(yīng)后石墨球數(shù)，提高球化等級及伸長率；我們在以硅鐵為基礎(chǔ)的孕育劑中加入少量的Al、Ca、Ce、Sr、Ba等元素，而且適當增加了鋇含量(考慮鋇抗孕育衰退的作用)。同時又考慮到Bi具有增加石墨球數(shù)量的作用，我們在隨流孕育劑中補加了微量鉍。

2．加大球化反應(yīng)孕育劑加入量

在保證未孕育過剩前提下，盡量降低球化反應(yīng)前化學成分硅含量，加大球化反應(yīng)孕育劑加入量，控制在1.1%～1.2%。具體加入方法為：0.25%硅鋇孕育劑加在球化包底，均勻覆蓋在球化劑上；0.15%高硅鋇孕育劑作為預(yù)處理劑放在包底鐵液直沖處；其余球化反應(yīng)孕育劑加在出鐵槽漏斗內(nèi)，當鐵液出到2/3～3/4時，出鐵槽漏斗加入。

3．加大隨流孕育劑（瞬時孕育）加入量

盡量縮短孕育至凝固時間，在加大球化反應(yīng)孕育劑量的同時，增加隨流孕育劑加入量，這是因為所有孕育劑的孕育效果都在剛加入瞬間為大。隨流孕育劑加入量為0.13%～0.23%，澆注鑄件時加在澆包包嘴鐵液表面，漏斗加入，用漏斗孔直徑大小來控制加入量。

4．控制鐵液S含量

根據(jù)球化反應(yīng)前鐵液S含量的高低選用不同種隨流孕育劑。

S含量控制：球化反應(yīng)前鐵液S含量越低越好，但S低影響孕育效果，減少球化反應(yīng)后石墨球數(shù)。我們采取的辦法是當原鐵液硫含量較高時（球化反應(yīng)前wS≥0.015%時）隨流孕育使用普通硅鋇孕育劑（含微量鉍）；當原鐵液wS＜0.015%時，球化后補加一定的硫量，隨流孕育劑使用S-O孕育劑。

保證球化反應(yīng)后鐵液應(yīng)有必要的含S量，過低的含S量不利于提高石墨球數(shù)，其原因是各種硫化物是球墨核心的原始基底，過低的S量勢必減少RES、MgS生成物，使石墨球數(shù)減少。因此，在球化后鐵液中S含量過低時，我們使用S-O孕育劑，添加一定量的S、O非金屬組分，以補充原球墨鑄鐵液中為獲得大量核心所需要的S、O不足量。



五、如何增加石墨球數(shù)及工藝設(shè)計的注意事項

球化反應(yīng)后石墨球數(shù)多有利于提高各項性能指標，自身補縮能力加強，減少鑄件縮松、縮孔傾向，球化后石墨球數(shù)的多少直接反應(yīng)了熔煉控制水平。鑄件本體取樣，意味著要求鑄件零鑄造缺陷；金相異形石墨、氧化夾雜，微觀縮松、氣孔縮孔等都會成為斷裂源，影響性能指標。通過反復試驗表明：金相組織石墨球大小6～8級、石墨球數(shù)≥130個，才能滿足各項性能指標要求。石墨球直徑增大、相應(yīng)石墨球數(shù)量減少（我們通過取鑄件未加冷鐵、壁厚≥50mm處和熱節(jié)處金相發(fā)現(xiàn)），石墨球數(shù)90～130個，滿足國標 GBT 1348—2009、歐標 EN 1369—2003要求，但根本達不到QT400-18AL（-40～-60℃）低溫沖擊材料所要求的性能指標。綜上所述，歸納生產(chǎn)QT400-18AL（-40～-60℃）低溫沖擊材料經(jīng)驗，若想增加球化反應(yīng)后金相組織石墨球數(shù)量，應(yīng)注意以下幾點。

（1）熔煉控制中減少棚料，鐵液達到出爐溫度時快速出爐，有利于保留原始異質(zhì)核心，增加球化反應(yīng)后石墨球數(shù)量。

（2）較高的碳當量有利于增加原始石墨核心，增加球化反應(yīng)后石墨球數(shù)。

（3）球化劑中合適地稀土含量，孕育劑中添加Ce、Sr、Ba、Bi微量元素提高抗衰退效果，增加石墨球數(shù)。

（4）合適的硫量可保證異質(zhì)核心數(shù)量及孕育效果，增加石墨球數(shù)。

（5）添加預(yù)處理劑可解決過冷度大、鐵液過熱產(chǎn)生的問題，增加石墨球數(shù)。

（6）增加球化反應(yīng)孕育劑量及隨流孕育劑量可增加共晶團、石墨球數(shù)量。

另外鐵液冷卻速度的快慢直接影響石墨球數(shù)量多少，冷卻速度快石墨球小，數(shù)量遞增，因此工藝設(shè)計時為提高鐵液冷卻速度應(yīng)注意以下幾點：①鑄件壁厚部位及熱節(jié)處應(yīng)加冷鐵、增加冷卻速度。②盡量少用冒口、減少局部熱節(jié)，多加冷鐵。③少用頂冒口，多用側(cè)冒口，用冒口時要配加冷鐵。



六、理化檢測情況

（1）生產(chǎn)QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料理化檢測，從6爐次統(tǒng)計記錄得出：化學成分在控制要求范圍內(nèi)，抗拉強度在405～415PMa，屈服強度在260～275PMa，伸長率在20% ～26%，球化等級為1～2級，沖擊吸收能量在13.2～14.7J，均滿足該牌號材質(zhì)技術(shù)要求。

（2）以爐號QT1834-1為例，QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料金相組織

如圖1所示。圖1a為腐蝕前金相，球化級別為2級，石墨大小為6～7μm。圖1b為腐蝕后金相，鐵素體含量為99%。

七、高溫熱處理

前面已經(jīng)介紹，生產(chǎn)QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料基體鐵素體含量必須99%，由于我們通過加入一定量Ni來提高強度，必然會產(chǎn)生微量珠光體。我們采取高溫熱處理的目的就是將珠光體*轉(zhuǎn)化為奧氏體，然后慢速冷卻按穩(wěn)定系相變，實現(xiàn)珠光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，以達到基體組織99%鐵素體。QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料試制階段，我公司用同一包鐵液澆注15塊厚度為15mm的U型試塊（Ni加入量為0.8%），采用試驗室箱式電阻爐進行了3組熱處理試驗。組：600℃和720℃低溫熱處理對比；第二組：600℃低溫熱處理和870℃高溫熱處理對比；第三組：920℃高溫熱處理和870℃高溫熱處理對比。

試驗數(shù)據(jù)表明，870℃高溫熱處理對抗拉強度、屈服強度、沖擊吸收能量影響較大，對伸長率無太大影響。870℃高溫熱處理使抗拉強度降低5MPa，但沖擊吸收能量增加3J，能滿足性能要求，因此終確定在批量生產(chǎn)QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料鑄件時采用870℃高溫熱處理工藝，如圖2所示。



八、結(jié)論

通過一年多批量生產(chǎn)QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料鑄件，得出以下結(jié)論：

（1）首先必須保證原材料P、S含量較低，微量元素Ti、Cr等足夠低。

（2）Si含量控制在合適范圍內(nèi)是生產(chǎn)QT400-18AL(-50℃)低溫沖擊材料鑄件非常重要的環(huán)節(jié)，Si含量決定著抗拉強度、屈服強度及沖擊吸收能量的大小。生產(chǎn)時注意：①原材料Si含量波動小。②光譜每班前做效驗，Si分析數(shù)據(jù)誤差小。③鐵液出爐前成分不合格不允許出爐。④保證鐵液稱量、球化劑、孕育劑及覆蓋鋼片重量的準確性。

（3）Ni只有加入適量值才能達到提高強度的效果。

（4）我公司在生產(chǎn)QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料鑄件過程中對于如何增加球化反應(yīng)后石墨球數(shù)及提高球化等級、保證球化反應(yīng)穩(wěn)定性取得了成功經(jīng)驗：①鐵液快速升溫快速出爐有利于球化反應(yīng)后鐵液凈化、增加球化反應(yīng)后石墨球數(shù)。②采取出鐵槽出鐵、定量覆蓋球化劑鋼片、適當加深球化包深度、降低球化劑稀土及鎂含量是保證球化反應(yīng)穩(wěn)定性的有效措施。③孕育劑有利于提高抗衰退性，增加球化反應(yīng)后石墨球數(shù)，提高球化等級。

（5）金相99%鐵素體不能保證材料伸長率合格，要保證生產(chǎn)QT400-18AL（-50℃）低溫沖擊材料伸長率合格首先要控制合適的殘留鎂量，還要控制球化反應(yīng)孕育劑及隨流孕育劑加入量。

（6）生產(chǎn)低溫沖擊鑄件、當鑄件重量較輕時，隨流孕育劑加入量較難控制，直接影響材料終硅含量，如何合理加隨流孕育劑必須經(jīng)常對操作工進行培訓。

（7）生產(chǎn)QT400-18AL（-40～-60℃）低溫沖擊材料鑄件必須采取高溫熱處理。



結(jié)語

只要合理控制爐料采購，嚴格控制球化反應(yīng)前鐵水化學分，做好球化處理，強化孕育，采用高溫熱處理，就可以穩(wěn)定生產(chǎn)QT400-18AL(-50℃)低溫沖擊材料鑄件。QT400-18AL(-50℃)低溫沖擊材料鑄件研發(fā)成功使低溫球墨鑄鐵件的性能指標得到進一步提高，為下一步批量生產(chǎn)QT400-18AL（-60℃）低溫沖擊材料的研究奠定了堅實基礎(chǔ)，為高鐵提速及在嚴寒地區(qū)的開發(fā)提供了必要的材料保障，具有較高的經(jīng)濟效益與社會效益。與本產(chǎn)品相關(guān)論文禁油脫脂氧氣減壓閥操作維護