专利名称：一种球墨铸铁和球墨铸铁活塞及其铸造工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种球墨铸铁，用该球墨铸铁制造的球墨铸铁活塞，以及球墨铸铁活塞的铸造工艺。
背景技术：
活塞是柴油打桩机的关键部件之一，其性能好坏直接影响柴油打桩机的寿命。活塞工作时与锤座纵向撞击时，由于速度发生突然变化而产生强大的冲击力，同时活塞还要承受柴油燃烧时高温高压的作用；因此要求活塞材质具有较高的刚性和疲劳强度以及良好的耐磨性能。随着球墨铸铁技术的发展，其性能也在不断提高，优质廉价的球铁已成为制造活塞的重要材料之一，球墨铸铁活塞成为一种趋势，其具有制造方便、成本低廉，又具有吸震、耐磨、对表面裂纹不敏感等优良特性。 现有技术中球墨铸铁活塞的铸造工艺主要采用大冒口铸造工艺，具体为在活塞径向中心分型，一端加球型大冒口，水平浇铸竖起冷却，通过上部大冒口进行补缩，其主要工艺过程如下
首先，采用干模砂造型、并在一端安置球型大冒口，烘干、合箱后等待浇注；
其次，通过冲天炉和电炉双联熔炼出铁液球化孕育处理后进行水平浇注；
最后，在浇注完毕后的三分钟内将铸件竖起冷却。上述铸造工艺，其铸件在大冒口根部，容易出现缩松缩孔缺陷，铸件质量不稳定、废品率高。且该铸造工艺的操作性也偏差，工人危险性较大，同时，其占用场地面积大，生产周期也较长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高强度、高硬度和高塑性等优良综合力学性能的球墨铸铁。本发明的另一目的在提供一种具有高强度、高硬度和高塑性等优良综合力学性能的球墨铸铁活塞，以能够承受纵向大冲击力，并同时具有良好的耐磨性能。本发明的再一目的在于提供制造上述球墨铸铁活塞的铸造工艺。本发明所述的球墨铸铁，其特征在于各组分所占的质量百分比为 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%，铜(Cu) 0. 50% O. 60%，稀土(RE) 0. 010% O. 030%，镁(Mg)
0.030% O. 050%，其余为铁(Fe)。其中，RE是中文稀土的表示，稀土的英文是rare earth metals，也可以统称为RE，由于稀土元素之间性质相近，分离困难，所以经常以混合物形式加入合金中。本发明所述的球墨铸铁活塞，包括由球墨铸铁制成的活塞本体，其特征在于所述制成活塞本体的球墨铸铁的各组分所占的质量百分比为碳(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%，铜(Cu) 0. 50% O. 60%，稀土(RE) :0. 010% O. 030%，镁(Mg) 0. 030% O. 050%，其余
为铁(Fe)。本发明所述的制造上述球墨铸铁活塞的铸造工艺，包括如下步骤
a、铁型造型步骤在铁型各部分的内腔壁覆一层呋喃树脂砂，再粉刷一层醇基涂料，然后将覆好砂的铁型的各部分组合成完整铁型，并在铁型的顶端放置浇铸的大冒口 ；
b、球墨铸铁电炉熔炼步骤将球墨铸铁的原料投入电炉中进行熔炼，得到熔炼铁液；对铁液进行取样，并对样品进行光谱检验，然后根据检验结果调整铁液中的化学成份，控制铁液中碳、硅、锰、磷、硫元素所占的质量百分比，使铁液中的碳、硅、锰、磷、硫元素的含量满足要求；
c、铁液球化处理步骤将步骤b获得的铁液倒入球化包内，加入球化剂进行球化处理，球化处理完毕后对铁液进行扒渣；
d、铁液二次孕育步骤向步骤C获得的铁液中加入长效孕育剂进行第一次孕育处理；之后，再把铁液倒入待浇注铁型对应的浇口杯内，在浇口杯内加入硫氧孕育剂进行第二次孕育处理；
e、铁液浇注步骤将步骤d获得的铁液倒入步骤a获得的铁型中进行浇铸，浇铸采用竖立浇注和竖立冷却方式，获得柴油打桩机的球墨铸铁活塞。上述步骤a中，内腔壁的呋喃树脂砂厚度宜控制在25mnT40mm，其中以30mm为佳。上述步骤b中球墨铸铁的原料为废钢和增碳剂组成的混合物，其中废钢增碳剂按重量份数比1000 :38 42的配比组成，电炉中的熔炼温度为1430°C 1460°C，熔炼时间为I I. 5小时。上述步骤C中，铁液倒入球化包内加入的球化剂为钇基重稀土球化剂，其中，球化剂中各组分所占的质量百分比为镁(Mg) :7. 25%，稀土氧化物(REO) :1. 72%，硅(Si)42. 8%，其余为Fe，加入的球化剂的质量和铁液的质量比为I :62 68，球化温度1400°C 1410°C，球化时间为60 90秒。上述步骤b中铁液在1360°C 1380°C取样，在光谱分析仪上检验铁液的成份，并调整铁液的化学成份，特别是控制铁液中碳、硅元素的含量。其中，碳的含量通过添加增碳剂来控制，硅的含量通过添加75 SiFe (含硅量为75%的硅铁，即75 SiFe中各组分所占的质量百分比为75%Si，25%Fe)来控制。Mn的含量通过添加65MnFe (即锰含量为65%的锰铁，即65 SiFe中各组分所占的质量百分比为65%Mn，35%Fe)调整；磷(？)，硫(S)含量的控制，通过加入P、S来控制，或者通过控制原材料废钢中的P、S含量来进行控制；RE、Mg则由球化剂加入量来控制其含量。上述步骤d第一次孕育处理中加入的长效孕育剂中各组分所占的质量百分比为硅(Si) :70% 75%，钡(Ba) 1. 5% 2. 5%，钙(Ca) 1. 0% 2. 0%，其余为铁(Fe)，加入的孕育剂的质量和铁液的质量比为I :110 140，孕育时间为2 3min。上述步骤d第二次孕育处理中加入的硫氧孕育剂，其加入的硫氧孕育剂的质量和铁液的质量比为I :800，孕育时间为30 50秒。本发明的铁型覆砂铸造工艺，根据铸件铁液冷却时要体积收缩，凝固时析出石墨产生体积膨胀的事实，以自我补缩方式来实现均匀凝固。球墨铸铁凝固时产生的共晶膨胀力非常大，一方面铁型壁迁移胀大，另一方面内部还存在缩松缺陷，形成了型壁迁移造成缩松的说法。实际上，型腔扩大是石墨化体积膨胀造成，而出现的缩松是石墨化膨胀的自我补缩能力没有被充分利用的结果；在凝固过程中，共晶石墨球团未相互接触时，石墨化膨胀力会使球间铁液受迫流动，推动相邻团一起移动，具有一定均衡补缩效果。由于本发明的铁型覆沙的铁 型刚硬不易发生变形，因此，此时膨胀力只能集中内向作用，球团、枝晶和晶间残余铁液向枝晶末梢的缩松区挤压，使枝晶主干伸长并带动球团一起占据缩松孔洞，直到枝晶末梢相互接触、挤压、焊合，形同塑性变形流动；固态枝晶苏醒变形流动延伸产生补缩效果，从而使铁型内制得了获得了具有很好的致密性的球磨铸铁活塞铸件。本发明的铸造工艺是在粗成型的金属(称为铁型)内腔覆上一薄层型砂而形成铁型，通过对铁型的质量、壁厚与覆砂层厚度的合理控制，使铸件的充型、凝固和冷却在一个比较理想的条件下完成，最大限度地消除了产生铸造缺陷的因素，从而大大提高了铸件的质量。另外，铁型覆砂采用呋喃树脂砂造型，铁型刚性好，没有退让性，所以生产的铸件不仅尺寸精度高、表面质量好、而且内部组织致密。本发明的球墨铸铁为珠光体型球墨铸铁，由于锰和铜的加入，使其珠光体含量达到85%以上，使得该球墨铸铁具有高强度和高硬度；由于球状石墨圆整细小且数量多，使的该球墨铸铁具有高塑性。所述球墨铸铁活塞同样具有上述优良性能。与现有技术相比，本发明具有如下显著优点
(1)采用铁型内覆砂的铸造工艺，可以减少铸件心部出现缩松缩孔的缺陷，可获得较好的致密铸件，提高铸件的产品质量，降低废品率，降低生产成本，提高经济效益；
(2)采用粗成型的铁型，铁型刚性较高、散热速度较快，可加快铸件的冷却速度，达到更好的冷却效果；
(3)采用竖浇竖冷、快速浇注方式，操作简单，占用生产场地较少；
(4)采用电炉熔炼，废钢和增碳剂合成球铁熔炼工艺，为生产高品质球墨铸铁提供优质的原铁液；
(5)采用钇基重稀土球化剂，该球化剂具有抗衰退、抗石墨畸变、抗干扰元素能力强，无球化衰退之忧，确保铸件组织、性能表里如一，而且铸件球化率高，石墨圆整度好，球数多；
(6)采用长效孕育剂和硫氧孕育剂先后进行二次孕育，这两种孕育剂能促进石墨化，抑制金属基体中碳化物的生成，减少白口倾向，增加铸件中的石墨球数、细化石墨球、提高石墨球的圆整度，改善铸件切削加工性能；
采用本发明铸造出来的铸件成品率高达97% 99%，铸件的金相组织和力学性能均优于国标规定的要求球化率心部85%、非心部彡90%，抗拉强度Rm :550MPa 650MPa、伸长率A :5% 8%、布氏硬度220HBW 250HBW。
具体实施例方式实施例I
一种球墨铸铁，各组分所占的质量百分比为碳(C) :3. 50%，硅(Si) :1. 90%，锰(Mn)
O.60%,磷(P) 0. 030%,硫(S) 0. 010%,铜(Cu) 0. 50 %,稀土(RE) 0. 010 %,镁(Mg)
O.050%，其余为铁(Fe)。用其制得的球墨铸铁活塞，包括由球墨铸铁制成的活塞本体，所述制成活塞本体的球墨铸铁的各组分所占的质量百分比为:碳(C) :3. 50%，硅(Si) :1. 90%，锰(Mn) :0. 60%，磷(P) 0. 030%,硫(S) 0. 010%，铜(Cu) 0. 50%，稀土(RE) 0. 010%，镁(Mg) 0. 050%，其
余为铁(Fe)。所述稀土(RE)可选用镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆等轻稀土元素中的一种或者几种；也可以选用铽、镝、钦、铒、铥、镱、镥、钪、钇等重稀土元素中的一种或者几种；甚至可以同时选用上述两种稀土元素中的任何一种或几种。一种制造球墨铸铁活塞的方法，包括如下步骤
a、铁型造型步骤在铁型各部分的内腔壁覆一层30mm呋喃树脂砂，再粉刷一层醇基涂料，，然后将覆好砂的铁型的各部分组合成完整铁型，并在铁型的顶端放置浇铸的大冒口 ；所述醇基涂料可为醇基锆英涂料，其比重1. 8-1. 9g/cm3，粘度10_12MPa. S，24小时悬浮性97%。
b、球墨铸铁电炉熔炼步骤将重量份数比1000 38 42废钢和增碳剂组成的混合物投入电炉中进行熔炼，熔炼温度为1430°C 1460°C，熔炼时间为I I. 5小时，得到熔炼铁液；对铁液在1360°C 1380°C进行取样，并对样品进行光谱检验，然后根据检验结果调整铁液中的化学成份，控制铁液中碳、硅、锰、磷、硫元素所占的质量百分比，使铁液中的碳、硅、锰、磷、硫元素的含量满足要求，即碳(C) :3. 50%，硅(Si) :1. 90%，锰(Mn) :0. 60%，磷(P) 0. 030%，硫(S) :0. 010%，铜(Cu) :0. 50%，稀土(RE) 0. 010%，镁(Mg) 0. 050%，其余为铁(Fe);需要特别注意控制铁液中碳、硅元素的含量。碳的含量通过添加增碳剂来控制，硅的含量通过添加75 SiFe来控制；
c、铁液球化处理步骤将步骤b获得的铁液倒入球化包内，加入球化剂进行球化处理，球化剂为钇基重稀土球化剂，其中，球化剂中各组分所占的质量百分比为镁(Mg)
7.25%，稀土氧化物(REO) :1. 72%，硅(Si) :42. 8%，其余为Fe ;加入的球化剂的质量和铁液的质量比为I :62 68，球化温度1400°C 1410°C，球化时间为60 90秒；球化处理完毕后对铁液进行扒渣；
d、铁液二次孕育步骤向步骤c获得的铁液中加入长效孕育剂进行第一次孕育处理；所述长效孕育剂中各组分所占的质量百分比为硅(Si):70% 75%，钡(Ba):l. 5% 2. 5%，钙(Ca) :1.0% 2. 0%，其余为铁(Fe);加入的孕育剂的质量和铁液的质量比为I :110 140，孕育时间为2 3min ;之后，再把铁液倒入待浇注铁型对应的浇口杯内，在浇口杯内加入硫氧孕育剂进行第二次孕育处理，其加入的硫氧孕育剂的质量和铁液的质量比为I :800，孕育时间为30 50秒；
e、铁液浇注步骤将步骤d获得的铁液从大冒口中倒入步骤a获得的铁型中进行浇铸，浇铸采用竖立浇注和竖立冷却方式，获得柴油打桩机的球墨铸铁活塞。实施例2
其与实施例I不同之处在于各组份的含量不同，其各组分含量如下
碳(C) 3. 60%，硅(Si) 2. 10%,锰(Mn) 0. 50%,磷(P) 0. 005%,硫(S) 0. 001%,铜(Cu) 0. 60%，稀土(RE) 0. 030%，镁(Mg) 0. 030%，其余为铁(Fe)。实施例3
其与实施例I不同之处在于各组份的含量不同，其各组分含量如下
碳(C) 3. 55%，硅(Si) 2. 00%,锰(Mn) 0. 55%,磷(P) 0. 015%,硫(S) 0. 001%,铜(Cu) 0. 55%，稀土(RE) 0. 020%，镁(Mg) 0. 040%，其余为铁(Fe)。
权利要求
1.一种球墨铸铁，其特征在于各组分所占的质量百分比为碳(C):3. 50% 3. 60%，硅(Si):I. 90% 2. 10%,O. 50%〈锰(MnX O. 60%，O <磷(P)S O. 030%, O <硫0彡 O. 010%,铜(Cu) 0. 50% O. 60%，稀土(RE) 0. 010% O. 030%，镁(Mg) 0. 030% O. 050%，其余为铁(Fe)。
2.—种球墨铸铁活塞，包括由球墨铸铁制成的活塞本体，其特征在于所述制成活塞本体的球墨铸铁的各组分所占的质量百分比为碳(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%,铜(Cu)0.50% O. 60%，稀土(RE) 0. 010% O. 030%，镁(Mg) 0. 030% O. 050%，其余为铁(Fe)。
3.一种制造权利要求2所述的球墨铸铁活塞的铸造工艺，包括如下步骤 a、铁型造型步骤在铁型各部分的内腔壁覆一层呋喃树脂砂，再粉刷一层醇基涂料，然后将覆好砂的铁型的各部分组合成完整铁型，并在铁型的顶端放置浇铸的大冒口 ； b、球墨铸铁电炉熔炼步骤将球墨铸铁的原料投入电炉中进行熔炼，得到熔炼铁液；对铁液进行取样，并对样品进行光谱检验，然后根据检验结果调整铁液中的化学成份，控制铁液中碳、硅、锰、磷、硫元素所占的质量百分比，使铁液中的碳、硅、锰、磷、硫元素的含量满足要求； c、铁液球化处理步骤将步骤b获得的铁液倒入球化包内，加入球化剂进行球化处理，球化处理完毕后对铁液进行扒渣； d、铁液二次孕育步骤向步骤C获得的铁液中加入长效孕育剂进行第一次孕育处理；之后，再把铁液倒入待浇注铁型对应的浇口杯内，在浇口杯内加入硫氧孕育剂进行第二次孕育处理； e、铁液浇注步骤将步骤d获得的铁液倒入步骤a获得的铁型中进行浇铸，浇铸采用竖立浇注和竖立冷却方式，获得柴油打桩机的球墨铸铁活塞。
4.根据权利要求3所述的球墨铸铁活塞的铸造工艺，其特征在于步骤b中球墨铸铁的原料为废钢和增碳剂组成的混合物，其中废钢增碳剂按重量份数比1000 38 42的配比组成，电炉中的熔炼温度为1430°C 1460°C，熔炼时间为I I. 5小时。
5.根据权利要求3所述的球墨铸铁活塞的铸造工艺，其特征在于步骤b中铁液在1360°C 1380°C 取样。
6.根据权利要求3所述的球墨铸铁活塞的铸造工艺，其特征在于铁液中碳的含量通过添加增碳剂来控制，硅的含量通过添加75 SiFe来控制。
7.根据权利要求3所述的球墨铸铁活塞的铸造工艺，其特征在于步骤c中，加入的球化剂为钇基重稀土球化剂，其中，球化剂中各组分所占的质量百分比为镁(Mg) :7. 25%，稀土氧化物(REO) :1. 72%，硅(Si) :42. 8%，其余为Fe，加入的球化剂的质量和铁液的质量比为I62 68，球化温度1400°C 1410°C，球化时间为60 90秒。
8.根据权利要求3所述的球墨铸铁活塞的铸造工艺，其特征在于步骤d第一次孕育处理中加入的长效孕育剂中各组分所占的质量百分比为硅(Si) :70% 75%，钡(Ba)1.5% 2. 5%，钙(Ca) :1. 0% 2. 0%，其余为Fe，加入的孕育剂的质量和铁液的质量比为I 110 140，孕育时间为2 3分钟。
9.根据权利要求3所述的球墨铸铁活塞的铸造工艺，其特征在于上述步骤d第二次孕育处理中加入硫氧孕育剂，其加入的硫氧孕育剂的质量和铁液的质量比为I :800，孕育 时间为30 50秒。
全文摘要
本发明公开了一种球墨铸铁、球墨铸铁活塞及其制造工艺，所述球墨铸铁中各组分所占的质量百分比为碳(C)3.50%～3.60%，硅(Si)1.90%～2.10%，0.50%＜锰(Mn)≤0.60%，0＜磷(P)≤0.030%，0＜硫(S)≤0.010%，铜(Cu)0.50％～0.60％，铼(RE)0.010％～0.030％，镁(Mg)0.030％～0.050％，和其余的铁(Fe)。所述球墨铸铁活塞由上述球墨铸铁制得，其通过在粗成型的铁型内腔覆上一薄层型砂，通过对铁型的质量、壁厚与覆砂层厚度的合理控制，使铸件的充型、凝固和冷却在一个比较理想的条件下完成，最大限度地消除了产生铸造缺陷的因素，从而大大提高了铸件的质量。
文档编号C22C33/10GK102912214SQ20121042580
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者柯志敏, 陈永成, 郭均旭 申请人:佛山市顺德区中天创展球铁有限公司