一种蠕状石墨铸铁涡旋盘及其生产工艺的制作方法

本发明涉及一种蠕状石墨铸铁涡旋盘及其生产工艺；属于石墨铸铁技术领域。

背景技术：

目前市场上用于商场办公以及大众交通工具上的空调、食品保鲜用的冷藏以及冷链运输用的制冷型压缩机核心零件涡旋盘都使用普通灰口铸铁作为原材料。但是，用于制冷系统上的灰口铸铁涡旋盘，在应用于高温差条件的热泵式涡旋压缩机时，在恶劣工况使用条件下会发生因机械强度不足而导致涡旋断裂的问题，其机械强度无法满足使用需求。

根据石墨的形态，可将灰铸铁分为：普通灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁以及蠕墨铸铁，普通灰铸铁的石墨呈片状，金相观察时，石墨以单独的片状散布在基体上，它们是分隔的，互不联系的，如图1所示；球墨铸铁中的石墨呈球状，可锻铸铁中的石墨成团絮状，而蠕墨铸铁中石墨呈蠕虫状，又称蠕状石墨铸铁。

灰铸铁的力学性能与基体的组织和石墨的形态密切相关，灰铸铁中的片状石墨对基体的割裂严重，在石墨尖角处易造成应力集中，使灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢，但抗压强度与钢相当，在压缩机涡旋盘等领域中广为应用。目前市场上用于商场办公以及大众交通工具上的空调、食品保鲜用的冷藏以及冷链运输用的制冷型压缩机核心零件涡旋盘都使用灰口铸铁作为首选材料。近年来，在国家环保政策的要求下，为了减少冬季燃煤污染、改善空气质量，冬季供暖的方式由传统燃煤供暖改为电能式供暖。在这样的背景下，用于冬季供暖的热泵式压缩机近年开始蓬勃发展。制冷型压缩机的工作温度在-10℃～60℃的工作区间；热泵式压缩机因为主要用于北方冬季的制热供暖，工作温度在-30℃～90℃的工作区间；热泵式压缩机核心零件涡旋盘所需耐受的工作温差高达120℃，但是市场上用于制冷型压缩机用的涡旋盘可耐受的工作温差只有70℃。正如前面所述，在高温差恶劣工况的工作环境中，普通灰铸铁制作的涡旋盘会因机械强度不足存在断裂的风险。

鉴于上述问题，必须发展新的高机械强度的涡旋盘才能适用于热泵式涡旋压缩机的应用上。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种蠕状石墨铸铁涡旋盘，另一目的在于提供该蠕状石墨铸铁涡旋盘的生产工艺。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种蠕状石墨铸铁涡旋盘，其特征在于，由蠕状石墨铸铁铸造制得，以质量百分比计，其原料含有：c:3.6％～4.0％、si:1.6％～2.0％、mn:0.4％～0.8％、p:0％～0.25％、s:0.01％～0.04％、cu:0.20％～0.6％、sn:0.04％～0.08％、cr:0.10％～0.3％、余量为fe和伴随杂质，原料生产过程中采用占铁水总质量0.30％～0.40％的变质处理剂控制石墨形态的蠕化率为20％～60％。

c(碳)是成为石墨组织的元素，其含量对于材料的延伸率有至关重要的额影响，c含量过高也容易产生铁素体，因此，本发明中，c的含量为3.6％～4.0％，碳当量c.e.值控制在4.3～4.8之间。

si是促进石墨结晶的元素，如果si含量不够，则不利于蠕状石墨铸铁的形态稳定，如果si含量太多，则石墨形状变大，基地组织中的铁素体含量会增加，不利于蠕状石墨铸铁机械性能的提升，因此，si含量为1.6％～2.0％。

mn的作用在于稳定珠光体的结构，较佳范围为0.4％～0.8％，避免发生激冷趋势。

p的含量不应超过0.25％，否则会使基地组织中析出磷化铁，磷化铁是一种硬的物质，导致与铸铁产品配合使用的产品过早磨损。

本发明是要得到蠕状石墨铸铁涡旋盘，其原料的蠕化率达到20％～60％，因此，s的添加是不可或缺的，s能够防止石墨球化，但是，s的含量超过0.04％的话，则石墨成片状，无法获得稳定的蠕状石墨铸铁，因此，其较佳范围为0.01％～0.04％。同时，s的含量也影响了作为变质处理剂的合金辅料的加入量，s含量在0.01％～0.020％时，加入的变质处理剂的量为铁水出汤重量的0.3％，s含量在0.021％～0.040％时，加入的变质处理剂的量则为铁水出汤铁水重量的0.35％。

cu是珠光体组织的稳定化元素，对于延伸率、抗拉强度等机械性能也有影响，其含量为0.20％～0.6％。

sn的含量为0.04％～0.08％，能够缓和石墨的偏析，且能够防止由内部氧化所致的石墨的氧化脱落。

cr的含量为0.10％～0.30％，在铸铁基材中与碳结合使碳化物析出，通过基材的析出强化使铸铁的机械性能得到优化。

该蠕状石墨铸铁的基地组织为珠光体与铁素体的混合组织，其中珠光体在基地组织中的质量百分含量≥90％。

优选地，本发明的蠕状石墨铸铁涡旋盘，其抗拉强度≥450n/mm²、屈服强度≥315n/mm²、延伸率≤2％、硬度范围为hb200～hb250，耐久寿命达2600小时以上，大大优于市场上的普通灰铸铁涡旋盘。

优选地，前述变质处理剂中，以质量百分比计，含有：mg:5.0％～6.0％、al:0％～1.0％、si:40％～50％、ca:1.5％～2.5％、re:5.5％～6.5％，余量为fe，其中，re代表镧系稀土元素的总和。

更优选地，前述变质处理剂中，mg与ce的质量之和占整个蠕状石墨铸铁的质量百分比为0.02％～0.04％，其中，ce为re中的一种元素。mg为石墨蠕化的重要元素，而ce在铁水中有很强的除气能力(例如：氧、氮、氢)以及脱硫作用，能够减少对蠕化作用不利的上述元素，使它们转变为ce2o2s之类的浮渣后得到有效去除从而避免影响mg的蠕化作用。

本发明还公布了如前所述的蠕状石墨铸铁涡旋盘的制备工艺，包括如下步骤：

s1、熔料：将主原料、边角料及回炉料投入中频炉内升温至1380～1450℃熔炼，使其熔化成铁水，用碳硅仪对铁水的含碳量进行检测，再用分光光谱仪检测si％、mn％、p％、s％、cu％、sn％、cr％的含量，分析结束后断电进行第一次除渣作业并加入合金配料，经成分分析确认后进行第二次除渣作业；

s2、蠕化处理：向铁水包中加入占铁水总质量0.30％～0.40％的变质处理剂对铁水进行蠕化处理，所述变质处理剂为镧系稀土镁硅铁合金，各元素在变质处理剂中的质量百分含量分别为:mg:5.0％～6.0％、al:0％～1.0％、si:40％～50％、ca:1.5％～2.5％、re:5.5％～6.5％，余量为fe，re代表镧系稀土元素的总和；

s3、出汤：将铁水包转移至炉前进行出汤作业，控制出汤温度为1450～1600℃，将铁水包的铁水倒入浇铸盆内，在转包时加入0.2％的接种剂进行铁水孕育从而完成转包动作；

s4、浇铸前进行铁水取样，再次对成分进行分析确认，成分合格即向砂模型腔内填充浇铸，同时加入0.15％的随流孕育进行铁水孕育动作，浇铸过程中铁水温度保持为1350～1450℃，即得到蠕状石墨铸铁涡旋盘。

优选地，前述接种剂为硅钡铁合金。

优选地，前述主原料、边角料及回炉料三者的质量比例为10％：30％：60％，所述合金配料中包含si、mn、p、s、cu、sn及cr中的一种或多种，通过添加合金配料将铸铁的成分调整至目标值。

更优选地，前述蠕化处理时间为20～50s。

再优选地，前述步骤s1和s4中，成分的目标含量均为：c:3.6％～4.0％、si:1.6％～2.0％、mn:0.4％～0.8％、p:0％～0.25％、s:0.01％～0.04％、cu:0.20％～0.6％、sn:0.04％～0.08％、cr:0.10％～0.3％，以上百分比均为质量百分比。

进一步优选地，变质处理剂的加入量与s％密切相关，具体地，s％含量为0.01％～0.020％时，变质处理剂的加入量为铁水出汤重量的0.3％；s％含量为0.021％～0.040％时，变质处理剂的加入量为铁水出汤铁水重量的0.35％。

本发明的有益之处在于：

(1)将碳当量c.e.值控制在4.3～4.8之间，能够保证铁水在凝固过程中的碳当量接近于共晶成分，从而达到细化石墨尺寸(避免石墨爆炸)以及避免内部缩松的目的；

(2)本发明中合理控制了mn、cu及cr的质量百分比，保证涡旋盘其整个基地组织中的珠光体含量在90％以上，同时又避免了因mn、cu、cr含量过高所导致的硬度过高的问题；

(3)通过添加cr元素，生产出低延伸率(≤3％)的蠕墨铸铁涡旋盘(市售的蠕墨铸铁材质材料通常延伸率不小于3％)，并且本发明所控制的添加量在保证低延伸需求的基础上又避免了材料硬度的增加问题；

(4)通过mg、ce的含量进行控制实现了对于蠕化率的控制，使得本发明的蠕状石墨铸铁涡旋盘其原料中的石墨形态蠕化率为20％～60％，相比于市场上的普通灰口铸铁，本发明的蠕状石墨铸铁涡旋盘的机械性能得到极大的提升，抗拉强度≥450n/mm²、屈服强度≥315n/mm²、延伸率≤3％、硬度范围为hb200～hb250，耐久寿命测试高达2600小时，能够应用于高机械强度需求的压缩机核心零件涡旋盘制造。

附图说明

图1是现有技术中普通灰铸铁的金相图；

图2是本发明的蠕状石墨铸铁涡旋盘的原料的金相图；

图3是本发明的蠕状石墨铸铁涡旋盘的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

实施例1～6为本发明的各实施例的涡旋盘的原料元素成分。

表1实施例1～6化学组成成分

表2实施例1～6中变质处理剂的化学组成成分

将具有表1所示的化学组成(质量％)的石墨铸铁按以下工艺铸造成涡旋盘，然后性能检测，具体生产工艺包括如下步骤：

s1、熔料：将主原料、边角料及回炉料投入中频炉内升温至1380～1450℃熔炼，使其熔化成铁水，用碳硅仪对铁水的含碳量进行检测，再用分光光谱仪检测si％、mn％、p％、s％、cu％、sn％、cr％的含量，分析结束后断电进行第一次除渣作业并加入合金配料，经成分分析确认后进行第二次除渣作业，化学成分控制目标为:c:3.6％～4.0％、si:1.6％～2.0％、mn:0.4％～0.8％、p:0％～0.25％、s:0.01％～0.04％、cu:0.20％～0.6％、sn:0.04％～0.08％、cr:0.10％～0.3％；

s2、蠕化处理：向铁水包中加入占铁水总质量0.30％～0.40％的变质处理剂对铁水进行蠕化处理，所述变质处理剂为镧系稀土镁硅铁合金，各元素在变质处理剂中的质量百分含量分别为:mg:5.0％～6.0％、al:0％～1.0％、si:40％～50％、ca:1.5％～2.5％、re:5.5％～6.5％，余量为fe，re代表镧系稀土元素的总和，蠕化处理时间为20～50s；

s3、出汤：将铁水包转移至炉前进行出汤作业，控制出汤温度为1450～1600℃，将铁水包的铁水倒入浇铸盆内，在转包时加入0.2％的接种剂进行铁水孕育从而完成转包动作；

s4、浇铸前进行铁水取样，采用分光光谱写再次对成分进行分析，目标成分含量同上，为：c:3.6％～4.0％、si:1.6％～2.0％、mn:0.4％～0.8％、p:0％～0.25％、s:0.01％～0.04％、cu:0.20％～0.6％、sn:0.04％～0.08％、cr:0.10％～0.3％，余量为fe和伴随杂质；合格的话即向砂模型腔内填充浇铸，同时加入0.15％的随流孕育进行铁水孕育动作，浇铸过程中铁水温度保持为1350～1450℃，即得到蠕状石墨铸铁涡旋盘；不合格则直接回炉处理。

在步骤s1中，已对成分进行了严格控制和检测，步骤s4中，对成分进行再次确认，是为了避免蠕化等过程对成分产生影响。因蠕化剂的加入量占铁水总质量的比例(0.30％～0.40％)很小，所以，一般并不会使化学成分发生明显的变化。

对各供试材进行以下性能检测：

(1)金相结构：采用金相显微镜检测，品牌：olympus、型号：bx41m；

(2)机械性能：采用拉力试验机检测，品牌：日本岛津、型号：ag-x-plus；

(3)硬度：采用布式硬度机检测，品牌：今井精机、型号brinell-bo3。

性能检测结果见表3：

表3实施例1-6的性能检测结果

本发明的蠕状石墨铸铁的金相结构图如图2所示，相较于图1灰口铸铁的金相结构而言，本发明的涡旋盘其原料的石墨形态发生了显著的变化，由蠕虫状石墨和球状石墨共同组成，蠕化率(即蠕虫状石墨所占的比例)为20％～60％。相比于市场上的普通灰口铸铁制成的涡旋盘，该涡旋盘的机械性能得到极大的提升，抗拉强度≥450n/mm²，是市面上涡旋盘的1.6倍，屈服强度≥315n/mm²、延伸率≤3％、硬度范围为hb200～hb250，耐久寿命测试高达2600小时(市场上的涡旋盘耐久寿命不超过2000小时)，使用寿命提升30％，因而，该蠕状石墨铸铁涡旋盘能够用作高机械强度需求的压缩机核心零件，其结构如图3所示。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。