CN103952622A - 一种钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂及其生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铸铁合金领域，具体为一种钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂及其制备方法。该汽车轮毂采用钒钛铁素体球墨铸铁制造，钒钛铁素体球墨铸铁中的化学成分按质量百分比计为:C:3.3～3.6%，Si:3.0～3.4%，Mn:0.0%～0.4%，P≤0.06%，S≤0.02%，V:0.12～0.18%，Ti:0.05～0.10%，Cr:0.0%～0.08%，RE:0.040～0.060%，Mg:0.040～0.060%，余量为Fe和其他微量元素及杂质。本发明中的钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂强度为550MPa～650MPa，延伸率12%～15%。综合性能显著优于普通铁素体球铁汽车轮毂。
Description
技术领域
本发明涉及铸铁合金领域，尤其是一种含有钒钛的铁素体球墨铸铁，具体为一种钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂及其生产工艺。
背景技术
汽车轮毂是受力件，在汽车行驶时做旋转运动，内孔装轴承，轮毂起支撑作用，要求具有高的强度和韧性。汽车轮毂一般采用铁素体球墨铸铁制造，常用材质牌号为QT450-10，其组织性能要求为：球化级别1～3级，铁素体含量≥70％，抗拉强度≥450MPa，延伸率≥10％。汽车铸件出于节能环保要求，趋向于高强度，以适应轻量化设计要求。因此，在满足组织要求及延伸率条件下，高强度有利于轻量化设计。
钒钛球墨铸铁由于钒钛的强化作用，强度显著高于普通球墨铸铁，但由于钒促进珠光体形成，钛干扰石墨球化，使其难以获得高的球化率、铁素体率和延伸率。因此，若能解决若能解决钒钛铁素体球墨铸铁的球化率、铁素体率和延伸率”问题，则高强度高韧性钒钛铁素体球墨铸铁可用于汽车轮毂生产。
发明内容
本发明正是基于以上技术问题，提供一种可解决钒钛铁素体球墨铸铁“三率”即球化率、铁素体率和延伸率低的技术方案，使其组织性能满足高强度高韧性汽车轮毂技术要求的一种钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂。
本申请的另外一个目的是提供一种钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂尚未生产工艺。
本发明的技术方案为：
一种钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂，该汽车轮毂采用钒钛铁素体球墨铸铁制造，钒钛铁素体球墨铸铁中原料成分按质量百分含量计为：C：3.3～3.6％，Si：3.0～3.4％，Mn：0.0％～0.4％，V：0.12～0.18％，Ti：0.05～0.10％，Cr：0.0％～0.08％，RE：0.040～0.060％，Mg：0.040～0.060％，余量为Fe和其它微量元素及杂质。所述的杂质包括P和S，以质量百分含量计，P≤0.06％，S≤0.02％。
一种钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂，其生产工艺包括如下步骤：
1)熔制原铁水：以钒钛生铁、废钢、回炉料、增碳剂、硅铁为炉料进行配料，炉料中各元素重量百分比为：C：3.3～3.6％，Si：1.5～1.9％，Mn：0.0％～0.4％，P：≤0.06％，S：≤0.05％，V：0.12～0.18％，Ti：0.05～0.10％，Cr：0.0％～0.08％，余量为Fe和其他微量元素及杂质。将配制的炉料用中频感应炉熔化，并在1400～1450℃熔炼并保温10分钟，得到原铁水；保温10分钟，可以使增碳剂完全溶解，最高熔炼温度不超过1450℃。
2)铸型准备：设计铸造工艺时，铸件收缩率取1.2％，采用顶注式浇注系统，压边冒口，铸型用石英粘土砂造型，砂芯采用树脂砂造型；
3)铁水球化、孕育处理：将浇注用铁水包进行烘烤，然后在铁水包底部放入烘烤过的球化剂，所述的球化剂为采用质量百分含量为50％的FeSiMgRE8-7与质量百分含量为50％的FeSiMgRE8-5混合的球化剂；球化剂的加入量为铁水重量的1.6％，粒度5～10mm。在球化剂的上面覆盖烘烤过的硅钡孕育剂，再压上一块1.5mm厚钢板，再将熔制好的原铁水冲入铁水包，待反应完成后扒渣，在铁水表面加入硅铁孕育剂，搅拌至完全溶解，用集渣剂除渣；
4)浇注铸件：将处理后的铁水浇入汽车轮毂铸型，浇注温度为1320℃～1350℃，铸件冷却至200℃以下打箱清理，冷却至室温后即可。
所述的硅钡孕育剂为硅钡合金，其成分及其百分含量为：Si：60～70％，Ba：2～6％，Ca：0.5～2.0％，Al：1～2％，硅钡孕育剂的添加量为铁水重量的0.8％，粒度3～8mm。所述的硅铁孕育剂为Fe-Si75，其成分及其百分含量为：Si：70～75％，余量为铁，其粒度为1～3mm，硅铁孕育剂加入量为铁水质量的0.6％。所述的聚渣剂为膨胀珍珠岩，膨胀珍珠岩中的成分及其百分含量为：SiO2为68～74％、Ai2O3为10～16％，余量为Na2O、K2O、Ca0、MgO、Fe2O3和H2O。
铁水出炉温度控制在1410～1430℃。
采用该工艺制备出的钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂的石墨球化级别为1～3级，铁素体含量≥70％。采用该工艺制备出的钒钛铁素体球墨铸铁的抗拉强度为550MPa～650MPa，延伸率为12％～15％。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(一)、合理的成分设计：较低的钒钛含量，在提高强度的同时，减轻其不利影响；较高的碳硅，尽可能低的Mn、Cr，以促进石墨化，增加铁素体含量；低P以减少脆性；低S以提高球化率。
(二)、本发明中的钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂的球化级别和基体铁素体含量高于传统钒钛球墨铸铁，与普通铁素体球墨铸铁汽车轮毂相近。
(三)、普通铁素体球墨铸铁汽车轮毂强度为450MPa～500MPa，延伸率14％～18％；本发明的钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂强度为550MPa～650MPa，延伸率12％～15％。与普通铁素体球墨铸铁汽车轮毂比较，强度高2个牌号(100MPa)，延伸率略低，但满足≥10％的要求，综合性能显著优于普通铁素体球铁汽车轮毂。
(四)、由于钒钛生铁价格低廉，采用钒钛生铁生产铁素体球墨铸铁汽车轮毂还具有资源和成本上的优势。
(五)、本发明的钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂在满足高韧性的基础上，具有更高的强度，在强度及综合性能方面具有显著优势，可提高汽车轮毂制造水平，满足轻量化设计要求，达到节能环保效果。此外，还具有成本低，有利于钒钛资源综合利用的优势。
附图说明
图1为本发明中钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂石墨球化状况，按照GB/T9441-2009评定，球化级别为2级。
图2为本发明钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂基体组织状况，90％铁素体+10％珠光体。
金相样取自轮毂圆筒中部，采用MeF3金相显微镜检验拍照。
图3为本发明钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂结构示意图。
具体实施方式
本发明中的钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂化学成分按重量百分比计为：：C：3.3～3.6％，Si：3.0～3.4％，V：0.12～0.18％，Ti：0.05～0.10％，RE：0.040～0.060％，Mg：0.040～0.060％，Mn：0.0％～0.4％，Cr：0.0％～0.08％，余量为Fe和其他微量元素及杂质。所述的杂质包括P和S，以质量百分含量计，P≤0.06％，S≤0.02％。
钒钛球墨铸铁由于钒钛所具有的强化作用，其强度显著高于普通球墨铸铁，但由于钒会促进珠光体形成，钛会干扰石墨球化，使其难以获得高的球化率、铁素体率和延伸率。所以钒钛铁素体球墨铸铁用于制造高强度高韧性汽车轮毂需要解决“三率”技术难题，即球化率、铁素体率和延伸率。“球化率”问题一般通过降低原铁水含硫量、提高球化剂中稀土含量来解决。稀土可中和钛的反球化作用，提高石墨球化级别，但稀土促进白口化，降低基体铁素体含量，从而降低延伸率。原铁水低的含硫量、球化剂中适宜的稀土含量以及良好的球化处理、孕育处理效果是获得高球化率的关键。“铁素体率”问题一般通过提高硅量，降低锰、铬含量，以及强化孕育来解决。“延伸率”受石墨球化级别、大小，基体铁素体含量等因素影响，通过提高球化率和基体铁素体含量来解决。而本发明的钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂，通过成分和工艺优化，解决钒钛铁素体球墨铸铁“三率”，即球化率、铁素体率和延伸率低的技术难题，使其组织性能满足高强度高韧性汽车轮毂技术要求，同时发挥其高强度及制造成本低优势，为汽车轮毂轻量化设计创造条件。
本发明钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂中C和Si的选择需要考虑碳当量的影响，对于铁素体球铁,碳当量主要由C、Si决定，即：CE＝C+Si/3，碳当量过低会影响石墨化效果，对石墨球化和基体组织铁素体化不利；而碳当量过高，会导致石墨球数量过多，尺寸过大，降低强度和延伸率，甚至出现石墨漂浮，导致性能大幅度降低。因此，铁素体球墨铸铁一般选择碳当量在4.3～4.6％范围。Si可促进铁素体形成，对基体铁素体含量具有重要影响，在钒钛球墨铸铁中，V强烈促进珠光体形成，为克服V的这种不利影响，需要较高的Si含量。Si的质量百分含量小于3％，铁素体含量偏低，难以达到70％以上，Si大于3.4％，脆性明显增大，延伸率下降。因此，选择Si：3.0～3.4％，相应地，选择碳的质量百分含量为3.3～3.6％，以保证碳当量CE在4.3～4.6的范围内。
钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂中V和Ti对钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂的性能具有重要影响，一方面，钒钛具有细化、强化组织，从而提高强度和耐磨性的作用，另一方面，由于钒促进珠光体形成，钛干扰石墨球化，降低铁素体含量，降低球化率，从而降低延伸率，即降低铁素体球铁塑性。为利用钒钛提高强度有利影响，减轻其降低塑性的不利影响，需要将钒钛限制在一定范围。钒钛铸铁一般要求V：≥0.12％、Ti：≥0.0.5％，否则，钒钛细化强化铸铁组织的作用不显著。对于本发明的钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂，V高于0.18％则铁素体难以达到70％以上，Ti大于0.1％，则球化级别难以达到1～3级。因此，本发明钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂中V质量百分含量控制为0.12～0.18％、Ti质量百分含量控制为0.05～0.10％。
本发明钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂中由于Mn和Cr均不利于铁素体形成，在铁素体球铁中一般要求控制Mn＜0.3％，Cr＜0.05％。本发明钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂Mn由钒钛生铁、废钢带入，Cr由钒钛生铁带入，受炉料Mn、Cr含量限制，本发明钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂将Mn、Cr含量控制为：Mn≤0.4％，Cr≤0.08％。
本发明钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂中孕育剂种类和加入量对铁素体球墨铸铁汽车轮毂组织和性能有重要影响，大剂量多次孕育有利于细化石墨球，增加铁素体含量，从而提高强度和延伸率。但球化剂、孕育剂和压铁相对于铁水来说均是冷料，加入量过多会使铁水降温过大，影响球化、孕育处理效果，且受终点硅含量和炉料硅含量差值限制，孕育剂总量不能太高，一般孕育剂总量在1.2％以上即属于大剂量孕育。硅钡孕育剂孕育效果好且抗衰退能力强，适合于一次孕育，硅铁孕育剂瞬时孕育效果好，但衰退快，适合于二次孕育。本发明采用大剂量两次孕育方法，发挥硅钡孕育剂和硅铁孕育剂各自优势，便于取得更好的孕育效果。
钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂的制备工艺包括如下步骤：
1)熔制原铁水：以钒钛生铁、废钢、回炉料、增碳剂、硅铁为炉料，炉料中各元素重量百分比为：C：3.3～3.6％，Si：1.5～1.9％，Mn：0.0％～0.4％，P：≤0.06％，S：≤0.05％，V：0.12～0.18％，Ti：0.05～0.10％，Cr：0.0％～0.08％，余量为Fe和其他微量元素及杂质。将炉料用中频感应炉熔炼，熔清后得1400～1450℃的高温铁水，然后将高温铁水保温10分钟；以使增碳剂完全溶解，最高熔炼温度不超过1450℃；
2)铸型准备：设计铸造工艺时，铸件收缩率取1.2％，采用顶注式浇注系统，压边冒口，铸型用石英粘土砂造型，砂芯采用树脂砂造型。
3)铁水球化、孕育处理：在烘烤后的铁水包底部放入烘烤过的球化剂，球化剂为质量百分含量为50％的FeSiMgRE8-7与质量百分含量为50％的FeSiMgRE8-5混合的球化剂。球化剂的加入量为铁水质量的1.6％，粒度5～10mm。上面覆盖烘烤过的硅钡孕育剂，再压上一块1.5mm厚钢板，再将熔制好的原铁水冲入铁水包，铁水出炉温度控制在1410～1430℃。待反应完成后扒渣，在铁水表面加入硅铁孕育剂，搅拌至完全溶解，用集渣剂除渣；硅钡孕育剂为硅钡合金，其成分及其百分含量为：Si：60～70％，Ba：2～6％，Ca：0.5～2.0％，Al：1～2％，硅钡孕育剂的添加量为铁水质量的0.8％，粒度3～8mm。硅铁孕育剂为Fe-Si75，其成分及其百分含量为：Si：70～75％，余量为铁，其粒度为1～3mm，硅铁孕育剂加入量为铁水质量的0.6％。聚渣剂为膨胀珍珠岩，膨胀珍珠岩中的成分及其百分含量为：SiO2为68～74％、Ai2O3为10～16％，余量为Na2O、K2O、Ca0、MgO、Fe2O3和H2O。本发明申请中采用的球化剂具有适宜的RE和Mg比例，以发挥稀土中和Ti反球化作用的能力，同时减轻其促进白口化的不利影响，
4)浇注铸件：处理后的铁水浇入汽车轮毂铸型，铸件冷却至200℃以下打箱清理，冷却至室温后即可。
采用该工艺制备出的钒钛铁素体球墨铸铁的石墨球化级别为1～3级，铁素体含量≥70％，抗拉强度550MPa～650MPa，延伸率12％～15％。
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例并不限制本发明的范围，本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
按照本发明中钒钛铁素体球墨铸铁轮毂的生产工艺，在本发明要求成分范围内熔炼4炉不同成分组合钒钛铁素体球墨铸铁轮毂，其化学成分百分含量如下表所示。
熔制钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂的化学成分(w％)表：
| 炉号 | C | Si | Mn | P | S | V | Ti | Cr | RE | Mg |
| 实施例1 | 3.30 | 3.20 | 0.22 | 0.060 | 0.013 | 0.132 | 0.078 | 0.042 | 0.043 | 0.051 |
| 实施例2 | 3.35 | 3.22 | 0.29 | 0.051 | 0.011 | 0.140 | 0.089 | 0.059 | 0.049 | 0.056 |
| 实施例3 | 3.41 | 3.50 | 0.260 | 0.056 | 0.015 | 0.125 | 0.050 | 0.048 | 0.045 | 0.057 |
| 实施例4 | 3.50 | 3.35 | 0.282 | 0.049 | 0.013 | 0.136 | 0.100 | 0.032 | 0.42 | 0.051 |
对实施例1至实施例4中得到的汽车轮毂进行性能进行测试，测试结果如下表所示：
熔制钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂本体组织、性能表：
以上实验中的金相组织数据采用XJP-300金相显微镜进行检验；强度、延伸率采用φ10单肩金属拉伸长试样，在HENGSHAN(HS)600千牛顿液压万能试验机检验；硬度样尺寸为φ20×20，采用HB-3000B-I布氏硬度计检验3点，取平均值；冲击样尺寸为10×10×55无缺口，采用RPSW/A摆锤示波冲击试验机检验，数据为2个试样的平均值。
由上表实施例数据可知，本发明各实施例钒钛铁素体球墨铸铁轮毂的石墨球化级别1.5～3级，铁素体含量75～90％，抗拉强度590～620MPa，延伸率12.3～14％，均满足本发明钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂技术指标要求，即石墨球化级别为1～3级，铁素体含量≥70％，抗拉强度550MPa～650MPa，延伸率12％～15％。尤其是抗拉强度远超过普通球铁轮毂技术指标要求，综合性能显著优于普通铁素体球铁汽车轮毂。
Claims (8)
1.一种钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂，其特征在于：该汽车轮毂采用钒钛铁素体球墨铸铁制造，所述的钒钛铁素体球墨铸铁中的化学成分按质量百分比计为C：3.3～3.6%，Si：3.0～3.4%，Mn：0.0%～0.4%，P≤0.06%，S≤0.02%，V：0.12～0.18%，Ti：0.05～0.10%，Cr：0.0%～0.08%， RE：0.040～0.060%，Mg：0.040～0.060%，余量为Fe和其他微量元素及杂质。
2.根据权利要求1所述的钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂，其特征在于：所述的钒钛铁素体球墨铸铁的球化级别为1～3级，铁素体含量≥70%，抗拉强度为550MPa～650MPa，延伸率为12%～15%。
3.一种钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂的生产工艺，其特征在于包括如下步骤：
1）熔制原铁水：以钒钛生铁、废钢、回炉料、增碳剂、硅铁为炉料进行配料，炉料中各组分的重量百分比为：C：3.3～3.6%，Si：1.5～1.9%，Mn：0.0%～0.4%，P：≤0.06%，S：≤0.05%，V：0.12～0.18%，Ti：0.05～0.10%，Cr：0.0%～0.08%，余量为Fe和其他微量元素及杂质；将配制的炉料用中频感应炉熔化，并在1400～1450℃熔炼并保温10分钟，得到原铁水；
2）铸型准备：设计铸造工艺时，铸件收缩率取1.2%，采用顶注式浇注系统，压边冒口，铸型用石英粘土砂造型，砂芯采用树脂砂造型；
3）铁水球化、孕育处理：将浇注用铁水包进行烘烤，然后在铁水包底部放入烘烤过的球化剂，在球化剂的上面覆盖烘烤过的硅钡孕育剂，再压上一块1.5mm厚钢板，再将熔制好的原铁水冲入铁水包，待反应完成后扒渣，在铁水表面加入硅铁孕育剂，搅拌至完全溶解，用集渣剂除渣；
4）浇注铸件：将处理后的铁水浇入汽车轮毂铸型，浇注温度为1320℃～1350℃，铸件冷却至200℃以下打箱清理，冷却至室温后即可。
4.根据权利要求3所述的钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂的生产工艺，其特征在于：所述的球化剂为采用质量百分含量为50%的FeSiMgRE8-7与质量百分含量为50%的FeSiMgRE8-5混合的球化剂。
5.根据权利要求3所述的钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂的生产工艺，其特征在于：所述的球化剂的加入量为铁水重量的1.6%，粒度5～10mm。
6.根据权利要求3所述的钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂的生产工艺，其特征在于：所述的硅钡孕育剂为硅钡合金，其成分及其百分含量为：Si：60～70%， Ba：2～6%，Ca：0.5～2.0%，Al：1～2%，硅钡孕育剂的添加量为铁水重量的0.8%，粒度3～8mm，所述的硅铁孕育剂为Fe-Si75，其成分及其百分含量为：Si：70～75%，余量为铁，其粒度为1～3mm，硅铁孕育剂加入量为铁水质量的0.6%。
7.根据权利要求3所述的钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂的生产工艺，其特征在于：所述的聚渣剂为膨胀珍珠岩，膨胀珍珠岩中的成分及其百分含量为：SiO2为68～74%、Ai2O3为10～16%，余量为Na2O、K2O、Ca0、MgO、Fe2O3和H2O。
8.根据权利要求3所述的钒钛铁素体球墨铸铁汽车轮毂的生产工艺，其特征在于：所述的将熔制好的原铁水冲入铁水包，铁水出炉温度控制在1410～1430℃。
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