CN103343279A

CN103343279A - 一种曲轴用铸态珠光体球铁材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103343279A
Application number: CN2013102681027A
Authority: CN
Inventors: 王建生; 龚华林; 田迎新; 谭昌发; 王松明
Original assignee: SHANGHAI SHENGDEMAN CASTING CO Ltd
Current assignee: Shanghai Sandmann Foundry Co Ltd
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2033-06-28
Also published as: CN103343279B

Abstract

本发明涉及一种曲轴用铸态珠光体球铁材料及其制备方法，所述材料由以下质量百分比的元素组成：C：3.40-3.75%；Si：2.25-2.60%；Mn：0.15-0.35%；S：＜0.015%；P：＜0.04%；Cu：0.9-1.1%；Sn：0.01-0.03%；Mg：0.03-0.05%；余量为Fe；以Q10生铁、回炉料、废钢为原料熔炼，经球化处理和包内孕育、浇注时随流孕育后，自然冷却即得。所得材料材质稳定，冲击值不低于40J/cm²、抗拉强度不小于850MPa、屈服强度不小于480MPa、延伸率不小于5.5%、硬度HB250-310、球化率不低于85%和珠光体含量不低于90%，可用于制造轿车用汽油机涡轮增压高效能曲轴。

Description

一种曲轴用铸态珠光体球铁材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种曲轴用铸态珠光体球铁材料及其制备方法，属于铸造材料领域。

背景技术

铸态珠光体球铁材料，是指铸态基体以珠光体为主的球铁材料，通常珠光体含量达80%以上，抗拉强度700-850MPa左右，广泛应用于汽车曲轴。对于珠光体球铁材料，国内外标准中均无冲击韧性要求。目前，铸态珠光体球铁抗拉强度达850MPa的曲轴生产，主要是采用高碳低硅、合金化和铁模覆砂铸型来实现的。

采用高碳低硅、合金化和铁模覆砂铸型生产出的铸态珠光体球铁曲轴，特点是强度高、韧性低，原因在于低硅使石墨析出减少，碳以化合物形式存在较多；又合金化和铁模覆砂铸型使浇注后的铁水过冷度增大，珠光体量多而其中渗碳体片间距较小，即渗碳体片较密集，渗碳体非常硬脆，所以对韧性减损很大。

然而，全球汽车发动机正朝轻量化、小型化、高效能方向发展，发动机的升功率大幅提高，曲轴承受的瞬时爆发力也大幅提高，要求曲轴有较高的冲击韧性、高强度和高延伸率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种曲轴用铸态珠光体球铁材料，该材料具有较高冲击韧性、高强度和高延伸率的特点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种曲轴用铸态珠光体球铁材料，由以下质量百分比的元素组成：

C：3.40-3.75%；Si：2.25-2.60%；Mn：0.15-0.35%；S：＜0.015%；P：＜0.04%；Cu：0.9-1.1%；Sn：0.01-0.03%；Mg：0.03-0.05%；余量为Fe。

所述一种曲轴用铸态珠光体球铁材料的冲击值不低于40J/cm²、抗拉强度不小于850MPa、屈服强度不小于480MPa、延伸率不小于5.5%、硬度为HB250-310、球化率不低于85%和珠光体含量不低于90%。

本发明进一步公开了所述的一种曲轴用铸态珠光体球铁材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将Q10生铁、回炉料、废钢置于中频感应炉中进行熔炼，并加入低硫增碳剂补充碳量；

（2）熔炼过程中对中频感应炉中的铁水进行取样检测，随时补充铁水成分不足部分；

（3）熔炼出铁后，进行球化处理和包内孕育处理；

（4）浇注，并同时进行随流孕育；

（5）自热冷却；

其中，

步骤（1）中，所述中频感应炉中添加原料的重量百分比例为：生铁10-30％、回炉料40-50％、废钢50-20％；低硫增碳剂为铁水重量的0.9-2.0%；所述熔炼的温度为1490-1510℃，保温时间为3-6分钟。

所述低硫增碳剂，碳的质量百分含量大于99%，硫的质量百分含量小于0.05%，粒度为0.5-5mm。

步骤（2）中，所述取样检测过程为：从中频感应电炉中舀取一勺铁水，浇注碳硫试样和光谱试样，分别用碳硫仪和光谱仪检测，获得铁水成分；若有成分不足，则补充至符合要求。

步骤（3）中，所述球化处理采用凹坑式冲入法，凹坑内，加入为处理铁水重量1.2-1.3%的稀土镁硅铁球化剂；同时，加入为处理铁水重量0.1-0.15%的铋硅铁孕育剂和为处理铁水重量0.1-0.15%的稀土硅铁孕育剂进行包内孕育。

所述稀土镁硅铁球化剂的粒度为3-25mm。

所述铋硅铁孕育剂的质量百分比组成为：铋0.75-1.30%，硅63-70%，钙0.8-2.8%，钡1.0-3.0%，余量为铁；粒度的为2-6mm。

所述稀土硅铁孕育剂的质量百分比组成为：稀土1.5-2.0%，硅70-76%，钙0.75-1.25%，余量为铁；粒度为3-8mm。

步骤（4）中，所述浇注的温度为1430-1380℃；所述随流孕育的孕育剂为硅锆铁孕育剂，加入量为浇注铁水重量的0.1-0.2%。

所述硅锆铁孕育剂质量百分比组成为：硅62-69%，锆4.0-5.0%，锰4.0-5.0%，钙1.0-2.0%，余量为铁；粒度为0.2-0.7mm。

所述浇注的铸型为粘土砂湿型，水平分型，高压造型。

将所述的一种曲轴用铸态珠光体球铁材料替代锻钢，用于制造轿车用汽油机涡轮增压高效能曲轴，具有较高的冲击韧性、高强度和高延伸率的特点。

本发明的技术效果及优点在于：

选择适当降低碳、提高硅，增加石墨化能力，减缓一定的结晶冷却速度使基体不仅留有少量铁素体，而且使体珠光体中渗碳体片间距有所增加，取得一定的韧性，同时，硅又可固溶强化基体中的铁素体，提高强度，尤其是屈服强度。高强度主要通过合金化获得。选用合金元素时，充分考虑各合金元素对冲击韧性的影响。合金元素铜（Cu）具有两重性：提高共晶温度和降低共析温度。铜在共晶时促进石墨化，能力约为硅的1/5，有利于石墨析出；在共析时阻碍石墨化，促进并细化珠光体。铜又是负偏析元素，主要分布在晶粒内，在晶界极少，就晶界而言对冲击韧性的不利影响较小，故铜是合适的合金元素，并用作为主要的合金元素，加入量较多。锡（Sn）降低共晶温度和共析温度，强烈反石墨化，强烈促进和稳定珠光体。加入一定数量的锡，易得珠光体。但锡属正偏析元素，在晶界有其化合物富集，这些晶界化合物较硬脆，对冲击韧性有减损。兼顾利弊和经济性，锡微量加入。锰（Mn）虽也是促进和稳定珠光体元素，要发挥作用，加入量要比锡高很多，又属正偏析，在晶界其化合物富集较多，对冲击韧性很不利，故加以向下控制。磷（P）、硫（S）所形成的低熔点硬脆性化合物集中在晶界，对冲击韧性不利，故低P、低S有利于冲击韧性的提高。各元素含量的确定，是围绕实现铸态曲轴材质目标要求趋利避害综合平衡设计并经许多试验优选得出的结果。此外，采用优质的稀土镁硅铁球化剂，确保石墨球化，减少缩松。采用铋硅铁孕育剂和稀土硅铁孕育剂进行包内孕育、硅锆铁孕育剂随流孕育，高效强化孕育，可提高石墨球圆整度，晶粒细化，石墨细小。因为：（1）铋是激冷元素，可成为石墨形成核心，增加石墨数量，细化石墨，细化晶粒；（2）稀土硅铁孕育剂含有一定量的Ca、Al、Ce。Ca、Al作为活性元素，与铁水中的硫、氧化合形成部分石墨核心；Ce是活性元素，可中和有害元素的破坏作用，且与硫、氧具有很强的亲和力，形成稳定的铈化物、硫化物及氧硫化合物，这些化合物也作为石墨核心。这些核心结合力强，较稳定，贯穿整个凝固过程，故石墨形核率高，增加石墨数量，细化晶粒；（3）硅锆铁孕育剂含有锆、锰，锆与铁水中的氧结合，有利于消除铸件中的气孔。同时，形成的ZrC作为石墨核心，增加石墨数量。锰可降低孕育剂熔点，有利于在铁水中溶解扩散，适用范围宽。这种孕育剂抗衰退能力强，减少白口倾向，改善石墨形态，细化晶粒。综合上述孕育叠加效果：晶粒细化，石墨细小，对强度和韧性提高均具有重要作用。浇注后自然冷却，所得铸态材料基体组织稳定，力学性能符合所需要求。

本发明投入生产，操作简便，所得铸态材质稳定，满足要求，适合大规模批量生产。

附图说明

图1为实施例1制备的曲轴的金相照片（未腐蚀）。

图2为实施例1制备的曲轴的金相照片（腐蚀）。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的技术方案。应理解，本发明提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤；还应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1

制备一种曲轴用铸态珠光体球铁材料，化学组成质量百分比为：C：3.42%，Si：2.27%，Mn：0.16%，S：0.009%，P：0.026%，Cu：0.92%，Sn：0.013%，Mg：0.035%，其余为Fe。

制备方法：

第一步，采用Q10生铁、回炉料、废钢，三者配比：生铁300kg，回炉料1200kg，废钢1500kg；在中频电炉熔炼中进行熔炼，并添加低硫增碳剂（其中，碳的质量百分含量大于99%，硫的质量百分含量小于0.05%；粒度为0.5-5mm）在炉中补充碳量，熔炼温度为1505℃；

第二步，熔炼过程中对中频感应炉中的铁水进行取样检测，所述取样检测过程为：从中频感应电炉中舀取一勺铁水，浇注碳硫试样和光谱试样，分别用碳硫仪和光谱仪检测，获得铁水成分；若有成分不符要求，则补充调整至符合要求；

第三步，熔炼出铁后采用凹坑式冲入法进行球化处理和包内孕育处理：凹坑内，加入为处理铁水重量的1.2%粒度为3-25mm的稀土镁硅铁球化剂；以及为处理铁水重量的0.12%粒度为2-6mm铋硅铁孕育剂（质量百分组成为：铋0.75-1.30%，硅63-70%，钙0.8-2.8%，钡1.0-3.0%，余为铁）和为处理铁水重量的0.12%粒度为3-8mm稀土硅铁孕育剂（质量百分组成为：稀土1.5-2.0%，硅70-76%，钙0.75-1.25%，余为铁）进行包内孕育；

第四步：然后进行浇注，直接浇注为轿车用汽油机涡轮增压高效能曲轴，浇注温度1430-1380℃，进行随流孕育，孕育剂为硅锆铁孕育剂（质量百分比组成为：硅62-69%，锆4.0-5.0%，锰4.0-5.0%，钙1.0-2.0%，余为铁），粒度为0.2-0.7mm，加入量为浇注铁水重量的0.14%；铸型为粘土砂湿型，水平分型，高压造型。

第五步：浇注后自然冷却即得。

材质检测结果见表1。

本实施例浇注的曲轴具有较高的冲击韧性、高强度和高延伸率的特点，其金相照片如图1（未腐蚀）和图2（腐蚀）所示。

实施例2

该实施例中，化学组成质量百分比为：C：3.74%，Si：2.58%，Mn：0.34%，S：0.008%，P：0.027%，Cu：1.08%，Sn：0.029%，Mg：0.047%，其余为Fe；Q10生铁900kg，回炉料1500kg，废钢600kg，稀土镁硅铁球化剂加入量为处理铁水重量的1.3%，其余内容步骤均与实施例1中相同。

材质检测结果见表1。

实施例3

该实施例中，化学组成质量百分比为：C：3.59%，Si：2.46%，Mn：0.26%，S：0.007%，P：0.026%，Cu：0.99%，Sn：0.022%，Mg：0.041%，其余为Fe；Q10生铁450kg，回炉料1350kg，废钢1200kg，稀土镁硅铁球化剂加入量1.25%，其余内容步骤均与实施例一中相同。

材质检测结果见表1。

表1

以上实施例对本发明所提供的一种曲轴用并具有较高冲击韧性高强度和高延伸率的铸态珠光体球铁材料进行了详细介绍。对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上或有任何改变之处，应视为本发明的技术方案。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，凡依本发明设计思想所做的任何改变都在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种曲轴用铸态珠光体球铁材料，由以下质量百分比的元素组成：C：3.40-3.75%；Si：2.25-2.60%；Mn：0.15-0.35%；S：＜0.015%；P：＜0.04%；Cu：0.9-1.1%；Sn：0.01-0.03%；Mg：0.03-0.05%；余量为Fe。

2.如权利要求1所述的一种曲轴用铸态珠光体球铁材料，其特征在于，所述材料的冲击值不低于40J/cm²、抗拉强度不小于850MPa、屈服强度不小于480MPa、延伸率不小于5.5%、硬度为HB250-310、球化率不低于85%和珠光体含量不低于90%。

3.如权利要求1或2所述的一种曲轴用铸态珠光体球铁材料的制备方法，包括以下步骤：

（3）熔炼出铁后，进行球化处理和包内孕育处理；

（4）浇注，并同时进行随流孕育；

（5）自热冷却。

4.如权利要求3所述的一种曲轴用铸态珠光体球铁材料的制备方法，其特征在于，所述中频感应炉中添加原料的重量百分比例为：Q10生铁10-30％、回炉料40-50％、废钢50-20％；低硫增碳剂为铁水重量的0.9-2.0%；所述熔炼的温度为1490-1510℃，保温时间为3-6分钟。

5.如权利要求4所述的一种曲轴用铸态珠光体球铁材料的制备方法，其特征在于，所述低硫增碳剂，碳的质量百分含量大于99%，硫的质量百分含量小于0.05%，粒度为0.5-5mm。

6.如权利要求3所述的一种曲轴用铸态珠光体球铁材料的制备方法，其特征在于，所述取样检测过程为：从中频感应电炉中舀取一勺铁水，浇注碳硫和光谱试样，分别用碳硫仪和光谱仪检测，获得铁水成分；若有成分不足，则补充至符合要求。

7.如权利要求3所述的一种曲轴用铸态珠光体球铁材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述球化处理采用凹坑式冲入法，凹坑内，加入为处理铁水重量1.2-1.3%的稀土镁硅铁球化剂；同时，加入为处理铁水重量0.1-0.15%的铋硅铁孕育剂和为处理铁水重量0.1-0.15%的稀土硅铁孕育剂进行包内孕育。

8.如权利要求7所述的一种曲轴用铸态珠光体球铁材料的制备方法，其特征在于，所述铋硅铁孕育剂的质量百分比组成为：铋0.75-1.30%，硅63-70%，钙0.8-2.8%，钡1.0-3.0%，余量为铁；粒度的为2-6mm。

9.如权利要求7所述的一种曲轴用铸态珠光体球铁材料的制备方法，其特征在于，所述稀土硅铁孕育剂的质量百分比组成为：稀土1.5-2.0%，硅70-76%，钙0.75-1.25%，余量为铁；粒度为3-8mm。

10.如权利要求3所述的一种曲轴用铸态珠光体球铁材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述浇注的温度为1430-1380℃；所述随流孕育的孕育剂为硅锆铁孕育剂，加入量为浇注铁水重量的0.1-0.2%；所述浇注的铸型为粘土砂湿型，水平分型，高压造型。

11.如权利要求10所述的一种曲轴用铸态珠光体球铁材料的制备方法，其特征在于，所述硅锆铁孕育剂质量百分比组成为：硅62-69%，锆4.0-5.0%，锰4.0-5.0%，钙1.0-2.0%，余量为铁；粒度为0.2-0.7mm。

12.如权利要求1或2所述的一种曲轴用铸态珠光体球铁材料在制造轿车用汽油机涡轮增压高效能发动机的曲轴的应用。