本发明涉及废钢回收处理，具体为一种回收废钢制备高强度球铁材料的方法。
背景技术：
1、球墨铸铁是一种石墨以球状形式存在的铸铁，其综合性能与钢接近，兼具中高强度和韧性，耐磨性、减振性、铸造工艺性能良好。传统的球墨铸铁的生产需要大量的铸造生铁，其成本较高。且生铁存在遗传性，表现在组织结构特征、微量元素、缺陷等的保留和遗传；高纯生铁的生产难度较大，成本更高。而废钢的沉淀存留量较多且价格较低，并且是经过高炉冶炼、氧化还原、精炼等工艺所得，s、p等杂质含量较少。因此，大量铸造企业采用废钢增碳技术替代铸造生铁，来生产低成本、高性能球墨铸铁铸件。
2、球墨铸铁的组织由铁素体、珠光体和分布在其上的球状石墨组成。球墨铸铁的力学性能受其微观组织的影响较大，主要体现在以下方面:1.组织内石墨形态，降低石墨球尺寸，提高石墨的球化率及石墨球的均匀分布均能够改善球墨铸铁强度和塑韧性；2.组织内铁素体含量的增加，有助于球墨铸铁塑性和韧性的提高；3.组织内珠光体含量的增加，有助于球墨铸铁强度和耐磨性的提高。
3、高性能球墨铸铁主要分为珠光体球墨铸铁和等温淬火球墨铸铁两类。等温淬火球墨铸铁的综合性能较高，但受高硬度和加工硬化的影响，使其加工性能较差。而珠光体球墨铸铁具有更好的加工性，适用性更高，但其综合性能不佳。因此，我们提出一种回收废钢制备高强度球铁材料的方法。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种回收废钢制备高强度球铁材料的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种回收废钢制备高强度球铁材料的方法，包括以下工艺：
3、步骤1.熔炼：将废钢、增碳剂，依次加入炉中，升温熔炼至1500～1560℃增碳剂完全熔融；加入硅铁、铜，形成原铁水；
4、步骤2.球化孕育：在球化包底部加入球化剂，在球化剂上覆盖一次孕育剂，将原铁水流入，控温在1430～1460℃，在球化的同时进行型内孕育；
5、出炉浇注，过程中加入随流孕育剂，进行随流孕育；冷却、成型后进行热处理，得到球墨铸铁。
6、进一步的，废钢的成分如下：以质量百分比计，碳c:0.14～0.30％，硅si:0.25～0.35％，锰mn:≤0.3％，磷p:≤0.04％，硫s:≤0.03％，其他杂质含量＜0.1％，余量为铁fe。
7、进一步的，步骤2中，出炉温度为1420～1460℃；浇注温度为1300～1360℃，在30min内完成浇注。
8、进一步的，球墨铸铁包括以下成分：以质量百分比计，碳c:3.4～3.9％，硅si:2.2～3.0％，锰mn:0.3～0.6％，铜cu:0.5～0.8％，镁mg:0.03～0.06％，磷p:＜0.10％，硫s:＜0.03％，稀土元素re:0.02～0.05％，氮n:50～120ppm，锆zr:0.015～0.040％，余量为铁fe。
9、进一步的，在球墨铸铁的质量成分中，c+si/3＝4.3～4.6％；
10、mn+cu:＜1.20％，si/2≥mn+cu。
11、进一步的，稀土元素为多种稀土元素的混合，以质量百分比计，re＝55％铈ce+28％镧la+17％铷nd。
12、在上述技术方案中，碳元素的石墨化过程在稳定系平衡温度teg和介稳定系平衡温度tem区间内进行。而cr、mn、v缩小了teg-tem温度区间，使得球墨铸铁组织中易产生碳化物。硅能够强烈削弱fe-c结合键、扩大teg-tem区间、提高teg温度，有效抑制了碳化物的析出。但硅含量的增加，会降低球墨铸铁的塑性和韧性，因此需要控制硅含量。碳当量ce(c+si/3)用于表示碳、硅含量促进石墨化程度的能力，碳含量的提高，使得球墨铸铁中结晶析出的石墨(球)数量增多，石墨球趋向细化、圆整，但过高的碳含量或碳当量会影响石墨漂浮；过多的硅会损害球墨铸铁的低温冲击性能。因此，需要控制二者含量。
13、锰能够稳定和细化珠光体，提高珠光体的含量，提高所制球墨铸铁的抗拉强度和硬度；但会降低球墨铸铁的塑性，且锰是阻碍石墨化的元素，会缩小teg-tem温度区间，在球铁中存在偏析倾向，晶界上的锰含量较晶内更高，严重时会形成碳化物，增加球墨铸铁的脆性，导致球墨铸铁的性能下降。而加入的铜元素，能够在共晶阶段，促进石墨化，减少游离碳化物的形成，改善石墨形态，提高石墨球的圆整度，增加石墨数量、细化石墨尺寸，并改善组织均匀性；在共析转变时，能够促进珠光体的形成，稳定和细化珠光体，起到固溶强化、沉淀硬化的作用；且随着其含量的增加，所制球墨铸铁的抗拉强度提高，断后伸长率降低。因此，需要二者含量加以控制。硅、锰、铜元素均对铁素体有着固溶作用，硅在增强铁素体转变的同时，会促进珠光体的粗化，铜和锰的加入缓解了这一现象。为兼顾球墨铸铁的强韧性，需要控制三者的相对含量。
14、镁是球墨铸铁中的常用球化元素，过高的镁元素会加剧铸铁的白口倾向。硫、磷属于有害元素。其中，磷会在球墨铸铁中形成多元磷共晶，使得球墨铸铁的脆性提高，伸长率降低。硫会与石墨化元素反应，导致体系球化的不稳定。因此，需要控制二者含量，以便于获得高强度球墨铸铁。
15、稀土元素能够促进球化，一般与镁复合，以确保体系球化的最优效果。但过多的稀土会破坏石墨形状，使其发生畸变，球化级别变差，球墨铸铁的强度和韧性下降。
16、进一步的，增碳剂为焦炭、石墨、碳化硅中的一种或多种混合。
17、在上述技术方案中，碳化硅能够与铁反应，生成fesi和非平衡碳，易于吸收铁水中的碳，使得晶核能够在短时间内大量形成，并有着持久的形核效果，晶粒数量提高。随着碳化硅的熔融，并向周围释放大量热量，促进形核温度的提高，抑制了晶粒的生长，实现细晶强化，共晶冷却曲线上移，石墨的析出得到促进，能够抑制碳化物的析出。
18、进一步的，步骤2中，球化剂为稀土硅铁镁合金和氮化锰，氮化锰的加入量为原铁水质量的0.1～0.3％。
19、在上述技术方案中，球化剂中的稀土能够中和掉废钢中残留的微量有害元素。球化过程中加入氮化锰，在添加锰元素的同时，向铁水中引入微量氮(50～120ppm)，而锰元素有助于改善氮的溶解度。氮原子的原子半径较小，能够固溶于铁基体中，形成间隙固溶体，强化组织，发挥微合金化效果，起到固溶强化的作用，并能够稳定奥氏体，促进珠光体的形成、稳定、细化和间距的减小。氮元素固溶于碳中，能够抑制渗碳体的形成；吸附在石墨表面，抑制了铁水中碳原子向石墨的扩散，阻碍了石墨的生长，有助于石墨球化及其尺寸细化，进一步改善了球墨铸铁的性能。
20、进一步的，步骤2中，一次孕育剂为75sife；
21、随流孕育剂为含锆孕育剂，所述随流孕育剂包括以下成分：以质量百分比计，zr:15～40％，si:40～70％，c:＜0.5％，s:＜0.02％，p:＜0.04％，mn:＜0.2％，al:＜1.5％，余量为fe。
22、在上述技术方案中，si元素以fesi孕育剂的形式，加入至铁水中时，能够在铁水中作为石墨的形核质点，从而促进石墨的形成。
23、随流孕育剂使用含锆孕育剂，其中的锆元素能够中和铁水中氮元素的影响，能够防止氮气孔缺陷出现，消除球化工艺带来的不利影响；并能够降低铁水的过冷度，促进石墨球化，提高球墨铸铁的球化率，进一步改善其综合力学性能。锆能够与游离碳形成具有高熔点、高硬度的间隙相碳化锆，从而使所制球墨铸铁表面硬度和耐磨性的改善。且锆元素在随流孕育过程中加入，能够有效避免其对碳的占用，生成的碳化物对球墨铸铁的组织性能造成负面影响。
24、进一步的，所述热处理工艺为：升温至850～880℃，保温反应90～120min；空冷；
25、升温至260～280℃，保温反应45～90min；空冷。
26、在上述技术方案中，通过热处理对生成的球墨铸铁进行奥氏体化、等温转变。浇注、冷却后形成的球墨铸铁，其铸态组织主要为珠光体，其余为铁素体和石墨球。等温淬火后转变为针状铁素体、高碳奥氏体和石墨球。
27、在高温下，珠光体和铁素体发生奥氏体化，奥氏体的碳浓度介于铁素体和渗碳体之间，使其优先在铁素体和渗碳体的界面上开始形核；而珠光体中存在大量铁素体和渗碳体界面，可形核的界面更大，有助于奥氏体晶粒数目的增多和尺寸的细化。过高的温度会导致石墨的溶解和扩散，过长的保温时间会使得奥氏体尺寸长大，会多球墨铸铁的强韧性造成影响。
28、然后进行等温淬火，铁素体在奥氏体晶界或其与石墨的晶界处形核并长大，形成针状铁素体。奥氏体化后形成的尺寸细小的高温奥氏体晶粒，使得晶界增多，而铁素体的的长大终止于界面处，从而能够促进铁素体细化。较低的温度有助于奥氏体、铁素体晶粒的细化，能够有效改善球墨铸铁的力学强度。
29、进一步的，所述球墨铸铁经过表面处理，具体工艺如下：
30、s1.将羧基化石墨烯、偏钨酸铵溶液混合、分散；升温至60～70℃，搅拌处理4～5h；过滤，干燥；
31、在氮气气氛保护下，升温至900～950℃，同时通入氢气和甲烷混合气体，保温反应4～5h；自然冷却，得到复合材料a；
32、s2.将复合材料a与碳化硼混合，加入乙醇球磨，干燥，过100目筛；冷等静压，烧结，得到复合材料b；
33、s3.将复合材料b、铁粉混合、球磨，冷压，热压烧结，破碎，得到复合材料c；
34、s4.将复合材料c喷涂至球墨铸铁的表面，进行等离子束改性，得到球铁材料。
35、进一步的，s1中，羧基化石墨烯、偏钨酸铵溶液的体积比为1:(5～10)；
36、偏钨酸铵溶液的浓度为15～50wt％；
37、混合气体中，氢气、甲烷的体积比为1:10。
38、进一步的，s2中，复合材料a、碳化硼的质量比为(8～10):(2.5～3.7)；固液比为1:0.8。
39、进一步的，s2中，冷等静压的工艺条件为：压力160～200mpa，时长180～200s；
40、烧结的工艺条件为：在真空、900～950℃温度下，保温60～90min；
41、在氩气气氛下，升温至1600～1650℃，保温60～90min；升温至2150～2200℃，保温100～150min。
42、进一步的，s3中，复合材料c的粒径为5～8μm；
43、复合材料b为铁粉质量的12～30％；
44、冷压的工艺条件为：压力16～24mpa，时长3～4h；
45、烧结的工艺条件为：热压压力15～18mpa，在氩气气氛中，于700～750℃温度下，保温160～200min；升温至1200～1250℃，保温160～200min；降温至450～480℃，保温100～150min；随炉冷却至室温。
46、进一步的，s4中，复合材料c的喷涂厚度为0.5～1.0mm；
47、等离子束改性的工艺条件为：电流30～50a；氩气流量5～8l/min；扫描速度500～800mm/min。
48、在上述技术方案中，利用偏钨酸铵将金属钨离子修饰到羧基化石墨烯的表面，在高温下，钨离子通过原位碳还原，形成碳化物，制得碳化钨-石墨烯复合材料，记为复合材料a。将复合材料与碳化硼球磨、混合，再进行烧结，使得碳化硼与碳化钨反应，形成硼化钨和热解碳，结合未反应完全的石墨烯，得到复合材料b。将复合材料b与铁粉制得的复合材料c，喷涂于球墨铸铁的表面处理，利用等离子体束，对球墨铸铁进行表面处理，使其渗入铸铁基体中，形成复合层。复合层中存在弥散分布的超硬材料硼化钨，复合层的组织得到强化，能够显著提高球铁材料的表面硬度，改善其耐磨性；并对位错运动和裂纹扩展导致的塑性变形有着抑制作用。且向复合层中引入具有强韧性的良好石墨烯，其热膨胀系数存在差异，能够阻止复合层中晶粒的长大，细化复合层组织、晶粒，进而改善其综合性能。另外，热解产生的碳，随工艺渗入球铁材料表面，提高了它的表面碳含量，缓解等离子束对球墨铸铁表面石墨造成的影响，在保证其强度的同时，能够进一步改善其表面硬度和耐磨减摩性能。
1.一种回收废钢制备高强度球铁材料的方法，其特征在于：包括以下工艺：
2.根据权利要求1所述的一种回收废钢制备高强度球铁材料的方法，其特征在于：所述球墨铸铁包括以下成分：以质量百分比计，c:3.4～3.9％，si:2.2～3.0％，mn:0.3～0.6％，cu:0.5～0.8％，mg:0.03～0.06％，p:＜0.10％，s:＜0.03％，re:0.02～0.05％，n:50～120ppm，zr:0.015～0.040％，余量为fe。
3.根据权利要求2所述的一种回收废钢制备高强度球铁材料的方法，其特征在于：在球墨铸铁的质量成分中，以质量百分比计，c+si/3＝4.3～4.6％；mn+cu:＜1.20％，si/2≥mn+cu。
4.根据权利要求1所述的一种回收废钢制备高强度球铁材料的方法，其特征在于：所述步骤2中，球化剂为稀土硅铁镁合金和氮化锰，稀土硅铁镁合金的加入量为原铁水质量的1.4～2.0％；氮化锰的加入量为原铁水质量的0.1～0.3％；
5.根据权利要求1所述的一种回收废钢制备高强度球铁材料的方法，其特征在于：所述球墨铸铁经过表面氮化，具体工艺如下：
6.根据权利要求5所述的一种回收废钢制备高强度球铁材料的方法，其特征在于：s1中，羧基化石墨烯、偏钨酸铵溶液的体积比为1:(5～10)；偏钨酸铵溶液的浓度为15～50wt％。
7.根据权利要求5所述的一种回收废钢制备高强度球铁材料的方法，其特征在于：s2中，复合材料a、碳化硼的质量比为(8～10):(2.5～3.7)。
8.根据权利要求5所述的一种回收废钢制备高强度球铁材料的方法，其特征在于：s2中，冷等静压的工艺条件为：压力160～200mpa，时长180～200s；
9.根据权利要求5所述的一种回收废钢制备高强度球铁材料的方法，其特征在于：s3中，复合材料b为铁粉质量的12～30％；
10.根据权利要求5所述的一种回收废钢制备高强度球铁材料的方法，其特征在于：s4中，复合材料c的喷涂厚度为0.5～1.0mm；
