專利名稱：鑄鐵板材的半固態(tài)軋制工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種鑄鐵板材的半固態(tài)軋制工藝，它是將經(jīng)過預(yù)處理的鑄鐵坯料經(jīng)感應(yīng)加熱到半固態(tài)溫度進(jìn)行雙軋輥軋制得到一定厚度的鑄鐵板坯、經(jīng)適當(dāng)冷卻再進(jìn)入后續(xù)熱處理爐中進(jìn)行退火處理即得鑄鐵板材，屬于金屬壓力加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鑄鐵材料具有一定的機(jī)械性能，其低成本，切削加工性能和減振性能優(yōu)良；其板材制品用于制造有振動源的箱體與殼體，可大幅度降低振動或減小噪聲；由其制得的換熱器件，在保持高導(dǎo)熱性能、耐蝕性和低價格的同時，克服了鑄造換熱器的笨重、缺乏美觀等缺點(diǎn)，也避免鋁合金換熱器價格昂貴、耐蝕性性能差的不足；因而鑄鐵板材有廣闊的應(yīng)用前景。但是，鑄鐵含碳量高，室溫及高溫時的塑性變形能力差，不能像對鋼材那樣進(jìn)行固態(tài)塑性變形加工。因此，到目前為止，鑄鐵板材還無法進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，更談不上鑄鐵板材的軋制生產(chǎn)。
僅有的關(guān)于鑄鐵板材的實(shí)驗(yàn)室研究由日本早稻田大學(xué)材料技術(shù)研究所進(jìn)行。它先將流經(jīng)雙軋輥之間的鐵水凝固成1～1.5mm白口鑄鐵薄板，然后對其石墨化退火，再用通常的軋鋼設(shè)備軋制獲得鑄鐵板材。由該雙軋輥工藝制得的鑄鐵薄板尺寸為厚0.2～1mm、寬100mm，機(jī)械性能為σb373～1107MPa，δ2.3％～11％，并具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和減振性能。但該工藝僅為實(shí)驗(yàn)室研究，未見工業(yè)化生產(chǎn)報道。且其制造的鑄鐵板材的厚度尺寸有局限性，不能滿足工業(yè)需求。
半固態(tài)通常是指金屬或合金在液固兩相區(qū)時固相呈近球形或非枝晶狀分布在液相中的組織形態(tài)。這種半固態(tài)結(jié)構(gòu)，在其固相體積分?jǐn)?shù)達(dá)40％～80％時，仍具有良好的流變性和觸變性，據(jù)此開發(fā)了半固態(tài)成形技術(shù)半固態(tài)壓鑄、半固態(tài)鍛造、半固態(tài)擠壓和半固態(tài)軋制。金屬的半固態(tài)及其特性由麻省理工學(xué)院的研究人員于二十世紀(jì)七十年代初發(fā)現(xiàn)，由此開發(fā)的半固態(tài)成形技術(shù)因?qū)＠Ｗo(hù)而被局限在實(shí)驗(yàn)室及小規(guī)模生產(chǎn)中使用；1992～1993年專利保護(hù)終止后，半固態(tài)成形技術(shù)才得以廣泛的研究和開發(fā)應(yīng)用。目前較成熟的工藝過程是用電磁攪拌法制備半固態(tài)連鑄坯，然后加熱到液固兩相區(qū)進(jìn)行壓鑄、擠壓或軋制等成形；半固態(tài)成形主要集中在鋁合金、鎂合金等低熔點(diǎn)材料方面，鋁合金半固態(tài)成形在工業(yè)發(fā)達(dá)國家已用于批量生產(chǎn)汽車零部件。
高熔點(diǎn)鋼鐵材料的半固態(tài)成形加工研究剛剛開始。日本學(xué)者探討了灰鑄鐵半固態(tài)壓鑄件的外觀、組織、力學(xué)性能以及鑄型溫度的變化。當(dāng)前，對鋼鐵材料半固態(tài)成形技術(shù)的研究主要集中在半固態(tài)連鑄和半固態(tài)連鑄軋制方面半固態(tài)連鑄是凝固時施加攪拌得到半固態(tài)后進(jìn)行連鑄，半固態(tài)連鑄軋制是在半固態(tài)連鑄的同時進(jìn)行軋制。灰鑄鐵半固態(tài)連鑄后的抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為414MPa和4.1％，而由鐵水直接鑄造的抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為314MPa和1.2％，半固態(tài)連鑄鑄鐵的力學(xué)性能明顯提高；用60Si2Mn和1Crl8Ni9Ti進(jìn)行半固態(tài)連鑄軋制試驗(yàn)表明半固態(tài)連鑄軋制的變形抗力小，所得組織均勻、晶粒細(xì)小，可實(shí)現(xiàn)大變形軋制，減少軋制道次。
國內(nèi)外鋼鐵材料半固態(tài)連鑄技術(shù)和半固態(tài)連鑄軋制技術(shù)的研究有一些進(jìn)展，但①鋼鐵材料半固態(tài)連鑄過程中要求的強(qiáng)制對流、低過熱、小溫度梯度等條件難以滿足和有效控制；②制備半固態(tài)連鑄用漿料的機(jī)械攪拌或電磁攪拌設(shè)備中所用部件材料性能或關(guān)鍵技術(shù)，目前無法解決，國內(nèi)、外均還在探索與研究中；③半固態(tài)鋼鐵連鑄坯與結(jié)晶器之間的潤滑有特殊要求，無法用傳統(tǒng)連鑄中的保護(hù)渣進(jìn)行結(jié)晶器潤滑；④半固態(tài)連鑄工藝設(shè)計(jì)與控制的理論尚沒有形成。因而，要實(shí)現(xiàn)鋼鐵材料半固態(tài)連鑄或半固態(tài)連鑄軋制的工業(yè)化，有許多問題有待解決。
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于提供一種可連續(xù)、批量生產(chǎn)鑄鐵板材的半固態(tài)軋制工藝，該工藝避開了半固態(tài)連鑄或半固態(tài)連鑄軋制所遇到的工藝控制、工裝設(shè)備和相關(guān)理論等現(xiàn)階段無法解決的問題，也避開了鑄鐵在固態(tài)時塑性變形能力差的局限性，并可獲得雙軋輥凝固設(shè)備無法制備的、厚度尺寸范圍寬的鑄鐵板材。
技術(shù)方案本發(fā)明提供的一種鑄鐵板材的半固態(tài)軋制工藝，是將一定化學(xué)成分、一定形狀的連鑄或模鑄鑄鐵坯料進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理后，再用感應(yīng)加熱法重新將鑄鐵坯料加熱到固液相區(qū)(1150～1300℃范圍內(nèi)的某一溫度)可使鑄鐵坯料處于半固態(tài)(在固液相區(qū)時，當(dāng)固相呈近球形顆粒均勻分布在液相中，固相相對量為60～90％)，然后進(jìn)行雙軋輥軋制，再在750～1000℃范圍內(nèi)的某一溫度退火處理，即得到一定厚度與性能的鑄鐵板材。本工藝方案包括以下幾個關(guān)鍵技術(shù)鑄鐵坯料的化學(xué)成分、感應(yīng)加熱的控制、軋制工藝和退火工藝。
所述鑄鐵坯料的化學(xué)成分要求為C1.5％～3.0％；Si1.5％～3.2％；Mn0.5％～1.0％；P≤0.1％；S≤0.1％。碳當(dāng)量盡量控制在C1.8％～2.5％范圍內(nèi)。
所述鑄鐵坯料橫截面形狀可以是圓形、正方形或長方形，考慮到感應(yīng)加熱電源功率的限制，橫截面最大尺寸不超過150mm，長度不限。
所述鑄鐵坯料的預(yù)處理是將鑄鐵坯料加熱到1050～1140℃范圍內(nèi)的某一溫度保溫0.5～5h后冷卻到室溫。
所述鑄鐵坯料的感應(yīng)加熱工藝為感應(yīng)加熱是本專利順利實(shí)施的關(guān)鍵，它分為兩步預(yù)熱感應(yīng)加熱和均熱感應(yīng)加熱，先將坯料預(yù)熱到800～1000℃范圍內(nèi)的某一溫度，然后再將坯料均熱到1150～1300℃范圍內(nèi)的某一溫度，并保證軋制前的鑄鐵坯料表面與心部溫差≤10℃。
所述軋制所用軋機(jī)是雙軋輥軋機(jī)，其軋輥直徑在300mm～800mm范圍內(nèi)，軋機(jī)的電機(jī)功率≤100KW；軋制成的鑄鐵板的板材厚度在0.5mm～50mm范圍內(nèi)可變；一道次軋制變形量在0～70％范圍內(nèi)可調(diào)，軋制的變形速率控制在0.5～5s-1范圍內(nèi)。
所述鑄鐵板材的退火工藝為軋制所得板材經(jīng)冷卻后進(jìn)入后續(xù)熱處理爐中，進(jìn)行退火處理得到鑄鐵板材；所述退火處理是指軋制所得鑄鐵板材經(jīng)水冷至1000℃～750℃之間的某一溫度后，進(jìn)入后續(xù)熱處理爐中進(jìn)行退火即得所需性能的鑄鐵板材。
有益效果本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)是1、本發(fā)明是一種生產(chǎn)鑄鐵板材的半固態(tài)軋制工藝，用該工藝可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)鑄鐵板材。
2、本發(fā)明是利用半固態(tài)的觸變特性對鑄鐵進(jìn)行軋制，軋制變形抗力小，軋制所用的雙軋輥軋機(jī)所需電機(jī)功率小，能耗低，而一道次變形量可達(dá)70％。
3、該發(fā)明可用于生產(chǎn)其它截面形狀的鑄鐵型材，從而克服現(xiàn)有鑄鐵型材及其生產(chǎn)工藝缺點(diǎn)半連鑄、非軋制、品種規(guī)格少、力學(xué)性能與生產(chǎn)效率低。
4、該發(fā)明生產(chǎn)的鑄鐵板材厚度尺寸在0.5mm～50mm范圍內(nèi)可調(diào)，板材抗拉強(qiáng)度大于400MPa，延伸率大于5％。
5、該發(fā)明生產(chǎn)的鑄鐵(板)型材可真正發(fā)揮鑄鐵材料低成本、高減振性能和優(yōu)良切削性能的優(yōu)勢，其板材制品可用于制造有振動源的箱體與殼體，可降低振動或噪聲，也可降低成本；板材經(jīng)冷變形制得換熱器件，可克服直接鑄造的換熱器笨重、不美觀等不足，保持了高的導(dǎo)熱性能、耐蝕性和價格低的特點(diǎn)；其棒、管和異型截面等型材制品、板材制品可代替生產(chǎn)成本較高、有污染的易切削鋼(如含鉛易切削鋼)，實(shí)現(xiàn)綠色化生產(chǎn)。
6、本發(fā)明除用于鑄鐵材料軋制外，也用于具有較寬固液共存區(qū)的合金如鋁合金、鎂合金、鋅合金、銅合金、高碳鋼及高碳合金鋼等的軋制。
圖1是本發(fā)明的模鑄鑄鐵坯料原始組織及其預(yù)處理后現(xiàn)加熱到半固態(tài)后的水冷后的組織。
圖2是本發(fā)明的實(shí)施工藝流程簡圖。
A-鑄態(tài)組織 B---半固態(tài)水冷組織具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1用模鑄或連鑄法制造所得鑄鐵坯料，鑄鐵坯料的橫截面形狀為50mm×50mm的正方形，長為800mm，化學(xué)成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))為2.1％C、1.4％Si、0.6％Mn、0.1％P、0.1％S，將其軋制成10mm厚鑄鐵板材的半固態(tài)軋制工藝步驟為①模鑄法制備橫截面尺寸50mm×50mm的正方形鑄鐵坯料；②將坯料預(yù)加熱到1080℃保溫2小時后冷卻到室溫；③將坯料再重新快速感應(yīng)加熱到1180℃保溫60s后進(jìn)入雙軋輥軋機(jī)進(jìn)行軋制，坯料的變形速率為1s-1；④軋制出的鑄鐵板材經(jīng)適當(dāng)水冷到760～850℃后進(jìn)入后續(xù)退火爐中進(jìn)行退火處理，退火爐內(nèi)溫度為780℃，退火時間為10分鐘，然后再緩冷至660℃以下出爐空冷到室溫，即得鑄鐵板材。
權(quán)利要求
1.一種鑄鐵板材的半固態(tài)軋制工藝，其具體的工藝過程如下用連鑄法或模鑄法制造鑄鐵坯料→預(yù)處理→感應(yīng)加熱→雙軋輥軋機(jī)軋制→水冷→退火處理→鑄鐵板材。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄鐵板材的半固態(tài)軋制工藝，其特征在于所述的鑄鐵坯料的橫截面形狀是圓形或正方形或長方形，橫截面最大尺寸不超過150mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鑄鐵板材的半固態(tài)軋制工藝，其特征在于所述的鑄鐵坯料的化學(xué)成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在如下范圍內(nèi)C 1.5％～3.0％；Si1.5％～3.2％；Mn 0.5％～1.0％；P≤0.1％；S≤0.1％，碳當(dāng)量控制在[C]1.8％～2.5％范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鑄鐵板材的半固態(tài)軋制工藝，其特征在于所述的鑄鐵坯料預(yù)處理是指將鑄鐵坯料加熱到1050～1140℃之間的某一溫度，保溫0.5～5小時后再冷卻到室溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鑄鐵板材的半固態(tài)軋制工藝，其特征在于鑄鐵坯料的感應(yīng)加熱分為兩步先將坯料預(yù)熱到800～1100℃范圍內(nèi)的某一溫度，然后再在1150～1300℃范圍內(nèi)的某一溫度均熱0.5～5min，并保證鑄鐵坯料表面與心部溫差≤10℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鑄鐵板材的半固態(tài)軋制工藝，其特征在于雙軋輥軋機(jī)的軋制變形速率控制在0.5～5s-1范圍內(nèi)；一道次軋制變形量在0～70％范圍內(nèi)可調(diào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鑄鐵板材的半固態(tài)軋制工藝，其特征在于鑄鐵板材的退火處理是將軋制所得鑄鐵板材經(jīng)水冷至1000℃～750℃之間的某一溫度后進(jìn)行退火處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求2至7之一所述的鑄鐵板材的半固態(tài)軋制工藝，其特征在于軋制成的鑄鐵板的板材厚度在0.5mm～50mm范圍內(nèi)可變。
全文摘要
本發(fā)明是一種鑄鐵板材的半固態(tài)軋制工藝，它是將經(jīng)過預(yù)處理的鑄鐵坯料經(jīng)感應(yīng)加熱到半固態(tài)溫度進(jìn)行雙軋輥軋制得到一定厚度的鑄鐵板坯、經(jīng)適當(dāng)冷卻再進(jìn)入后續(xù)熱處理爐中進(jìn)行退火處理即得鑄鐵板材，屬于金屬壓力加工技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是將一定化學(xué)成分、一定形狀的連鑄或模鑄的鑄鐵坯料進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理后，再用感應(yīng)加熱法重新將鑄鐵坯料加熱到固液相區(qū)使鑄鐵坯料處于半固態(tài)，然后進(jìn)行雙軋輥軋制，再進(jìn)行退火處理，即得到一定厚度與性能的鑄鐵板材。本發(fā)明具有軋制變形抗力小，軋制所用的雙軋輥軋機(jī)所需電機(jī)功率小，能耗低，而一道次變形量可達(dá)70％的優(yōu)點(diǎn)；本發(fā)明生產(chǎn)的鑄鐵板材厚度尺寸在0.5mm～50mm范圍內(nèi)可調(diào)，板材抗拉強(qiáng)度大于400MPa，延伸率大于5％。
文檔編號B21B1/46GK1597159SQ200410041568
公開日2005年3月23日 申請日期2004年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月30日
發(fā)明者顏銀標(biāo), 刁岳川, 莊建志, 李翔, 章大慶, 徐海英 申請人:南京鋼鐵聯(lián)合有限公司, 南京理工大學(xué)