CN105506441B - 球墨铸铁材料、包含其的组合物和承载鞍及球墨铸铁的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种球墨铸铁材料、包含其的组合物和承载鞍及球墨铸铁的制作方法。以重量百分含量计，球墨铸铁材料包括：3.35～3.81％的C、2.35～2.75％的Si、0.35～0.85％的Mn、0.30～0.56％的Cu、≤0.05％的P、≤0.05％的S以及余量的铁和不可避免的杂质。采用具有上述组成的球墨铸铁材料制作的球墨铸铁的屈服强度、抗拉强度和伸长率能达到承载鞍对抗拉强度、屈服强度和伸长率的标准要求，因此可以用来制作承载鞍。

Description

球墨铸铁材料、包含其的组合物和承载鞍及球墨铸铁的制作 方法

技术领域

本发明涉及合金材料领域，具体而言，涉及一种球墨铸铁材料、包含其的组合物和承载鞍及球墨铸铁的制作方法。

背景技术

随着铁路运输事业的发展，重载、快捷成为铁路货运发展的两大趋势。目前世界铁路货车已发展到45吨轴重，机车牵引总重量高达3.8万吨，且其运行工况非常恶劣，这对铁路货车的零部件制造质量提出了更高的要求。承载鞍作为铁路货车转向架的关键零部件之一，正常工作时，被安装在货车的滚动轴承和侧架的导框之间，起着连接轴承与侧架、定位和传递各种载荷的作用，承受载荷较大，因此对其制造质量要求较高。目前，有些客户对其采购的承载鞍提出了新的标准要求，标准规定承载鞍材质由原有的铸钢改为球墨铸铁，力学性能符合表1的要求。

表1 承载鞍球墨铸铁力学性能(基尔试棒)

性能类别	屈服强度Rp0.2/Mpa(min)	抗拉强度Rm/Mpa(min)	伸长率A/％(min)
				新标准	≥600	≥390	≥6

球墨铸铁是指铁液在凝固过程中碳以球型石墨析出的铸铁，是20世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢，正是基于其优异的性能，已成功地用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。我国国家标准GB/T1348《球墨铸铁件》中球墨铸铁力学性能如表1所示，由此可见我国现有球墨铸铁材料无法满足承载鞍新标准的要求。

表1 国家标准GB/T1348中球墨铸铁力学性能

材料牌号	抗拉强度Rm/Mpa(min)	屈服强度Rp0.2/Mpa(min)	伸长率A/％(min)
				QT450-10	450	310	10
QT500-7	500	320	7
				QT550-5	550	350	5
QT600-3	600	370	3
				QT700-2	700	420	2
QT800-2	800	480	2
				QT900-2	900	600	2

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种球墨铸铁材料、包含其的组合物和承载鞍及球墨铸铁的制作方法，以解决现有技术中的球墨铸铁材料不能满足承载鞍标准要求的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种球墨铸铁材料，以重量百分含量计，该球墨铸铁材料包括：3.35～3.81％的C、2.35～2.75％的Si、0.35～0.85％的Mn、0.30～0.56％的Cu、≤0.05％的P、≤0.05％的S以及余量的铁和不可避免的杂质。

进一步地，上述球墨铸铁材料包括：3.45～3.75％的C、2.45～2.70％的Si、0.45～0.75％的Mn、0.35～0.50％的Cu、≤0.05％的P、≤0.05％的S以及余量的铁和不可避免的杂质。

为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供了一种球墨铸铁组合物，包括球墨铸铁材料、球化剂和孕育剂，该球墨铸铁材料为上述的球墨铸铁材料。

进一步地，上述球化剂、孕育剂和球墨铸铁材料的重量比为1～3:0.5～2:100。

进一步地，上述球化剂为稀土镁球化剂，以重量百分含量计，稀土镁球化剂包括：1.5～2.5％的RE且不含1.5％、5.5～6.5％的Mg且不含5.5％、≤48.0％的Si、1.0～4.0％的Ca、＜1.0％的Al、＜0.5％的Ti以及其他不可避免的杂质。

进一步地，以重量百分含量计，上述孕育剂包括:≤0.20％的C、72.0～80.0％的Si、≤0.50％的Mn、≤0.040％的P、≤0.020％的S、≤0.50％的Cr以及余量的铁和不可避免的杂质。

为了实现上述目的，根据本发明的又一个方面，提供了一种承载鞍，该承载鞍由上述的球墨铸铁组合物制作而成。

为了实现上述目的，根据本发明的又一个方面，提供了一种球墨铸铁的制作方法，该制作方法采用上述的球墨铸铁组合物为原料，制作方法包括：步骤S1，将球墨铸铁材料进行熔炼，得到铁水；步骤S2，在球化剂和孕育剂的作用下将铁水进行球化和孕育；步骤S3，将球化和孕育后的铁水进行浇铸，得到球墨铸铁。

进一步地，上述熔炼的出炉温度为1450～1500℃。

进一步地，上述步骤S2包括：采用球化剂和重量百分含量为球墨铸铁组合物的0.7～1.2％的孕育剂进行包底球化和第一次孕育；球化和第一次孕育完成后，采用剩余的孕育剂进行第二次孕育。

进一步地，上述步骤S3在1350～1400℃下进行浇铸。

进一步地，上述步骤S3还包括在浇铸后进行落砂的过程，且在环境温度5℃以下落砂时间为2.5～3h或在环境温度大于5℃时落砂时间为1.5～2h。

应用本发明的技术方案，采用具有上述组成的球墨铸铁材料制作的球墨铸铁的屈服强度、抗拉强度和伸长率能达到上述表1中的标准要求，因此可以用来制作承载鞍。上述球墨铸铁材料的各化学元素的含量控制在合理范围内，从而相互之间形成协同作用，使得球墨铸铁的基体组织为铁素体和珠光体混合组织，珠光体含量较高，宏观表现为具有较高强度、硬度，同时兼具良好的塑性。具体为：珠光体的机械性能介于铁素体和渗碳体之间，由于其含量较高使得球墨铸铁具有适中的强度、硬度；而铁素体塑性较好，但较多时对强度、硬度性能损失较大，本申请的铁素体含量相对较少，因此能使球墨铸铁保持相对高的强度和硬度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的实施例1的石墨球金相组织图；

图2示出了根据本发明的实施例1的基体金相组织图；

图3示出了根据本发明的对比例1的石墨球金相组织图；以及

图4示出了根据本发明的对比例1的基体金相组织图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如背景技术所记载的，现有的球墨铸铁的力学性能不能满足承载鞍的要求，为了解决该问题，在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种球墨铸铁材料，以重量百分含量计，球墨铸铁材料包括：3.35～3.81％的C、2.35～2.75％的Si、0.35～0.85％的Mn、0.30～0.56％的Cu、≤0.05％的P、≤0.05％的S以及余量的铁和不可避免的杂质。

采用具有上述组成的球墨铸铁材料制作的球墨铸铁的屈服强度、抗拉强度和伸长率能达到上述表1中的标准要求，因此可以用来制作承载鞍。上述球墨铸铁材料的各化学元素的含量控制在合理范围内，从而相互之间形成协同作用，使得球墨铸铁的基体组织为铁素体和珠光体混合组织，珠光体含量较高，宏观表现为具有较高强度、硬度，同时兼具良好的塑性。具体为：珠光体的机械性能介于铁素体和渗碳体之间，由于其含量较高使得球墨铸铁具有适中的强度、硬度；而铁素体塑性较好，但较多时对强度、硬度性能损失较大，本申请的铁素体含量相对较少，因此能使球墨铸铁保持相对高的强度和硬度。以下对各元素的作用以及相互之间的协同作用进行分析。

C元素：C元素含量高，析出的石墨数量多，石墨球数多，球径尺寸小，圆整度增加。因此提高含碳量可以减小缩孔体积，减少缩松面积，可使铸件致密；但是，含碳量过高，降低缩松的作用不明显，反而会出现严重的石墨漂浮。本申请发明人在C含量对球墨铸铁的力学性能的影响进行研究时发现：对铸态球墨铸铁来说，增加C含量可以减少游离渗碳体；C含量接近3.0％时，渗碳体消失；C含量超过3.0％时，开始出现铁素体；继续增加C含量，抗拉强度和屈服强度下降，断后伸长率上升；而进一步提高C含量时，(碳高于3.2％的范围)冲击韧性可得到改善。

Si元素：在球墨铸铁中，硅是第二个有重要影响的元素，它不仅可以有效地减小白口倾向，增加铁素体量，而且具有细化共晶团，提高石墨球圆整度的作用。硅是Fe-C合金中能够封闭γ区的元素，降低碳在γ-Fe中的溶解度，使共析点的含碳量降低，提高共晶温度和共析转变温度。硅含量增加，铁素体含量增加，从而可以改变球铁组织中的珠光体和铁素体的比例。同时，硅也是促进石墨化的元素，进而使共晶含碳量降低。但是，本申请发明人发现：硅能够提高铸铁的韧脆性转变温度，降低冲击韧性，因此硅含量不宜过高，尤其是当铸铁中锰和磷含量较高时，更需要严格控制硅的含量。

Mn元素：球墨铸铁中锰是扩大γ区的元素，锰在α-Fe和γ-Fe中进行扩散要比碳在其中进行扩散困难很多，主要表现在增加珠光体的稳定性，帮助形成碳化锰、碳化铁。这些碳化物偏析于晶界，对球墨铸铁的韧性影响很大。此外，锰也会提高铁素体球墨铸铁的韧脆性转变温度，锰含量每增加0.1％，脆性转变温度提高10℃～12℃。同时，在球墨铸铁凝固时，锰使白口倾向增加，从这些方面考虑，球墨铸铁中锰含量一般是愈低愈好。但是，本申请发明人发现：虽然锰含量降低具有上述优势，但是，锰含量过低时，材料的抗拉强度和屈服强度明显降低。

S元素：S是一种反球化元素，属于有害杂质。它随炉料、燃料带入球墨铸铁中，因此，球墨铸铁中总存在一些硫。当采用稀土镁球化剂处理铁液时，硫与镁、稀土等球化元素有很强的亲合力，硫的存在会大量消耗铁液中的球化元素，形成镁和稀土的硫化物，引起夹渣、气孔等铸造缺陷，剩余的稀土和镁才起球化作用。硫溶解在铁液中，而几乎不溶解在α-Fe和γ-Fe中，铁与硫可以组成各种硫化物，容易产生热裂。

P元素：P亦是一种有害元素，可以溶解在铁液中，降低共晶含碳量，降低共晶温度和开始凝固温度，形成磷共晶，产生偏析。磷一般是随金属炉料进入球墨铸铁中的，因此，球墨铸铁中也总存在一些磷。它在铸铁中溶解度极低，当其含量小于0.05％时，固溶于基体中，对力学性能几乎没有影响。当含量大于0.05％时，磷极易偏析于共晶团边界，形成二元、三元或复合磷共晶，降低铸铁的韧性。因此，在在充分考虑球墨铸铁的连续生产以及硫、磷元素的作用，本申请优选将硫、磷含量控制在0.050％以下。

Cu元素：Cu含量过高时，试样的抗拉强度和屈服强度较高，伸长率降低且低于标准值；Cu含量较低时，基体组织中的铁素体较多，连接成片，强度损害较大。而本申请的Cu元素含量适中，因此可提高球墨铸铁的球化效果，增加珠光体含量以及球墨铸铁试样的强度，改善铸件断面组织与性能的均匀性。

为了进一步改善球墨铸铁产品的力学性能，优选上述球墨铸铁材料包括：3.45～3.75％的C、2.45～2.70％的Si、0.45～0.75％的Mn、0.35～0.50％的Cu、≤0.05％的P、≤0.05％的S以及余量的铁和不可避免的杂质。当将上述个元素的含量控制在上述范围内时，其力学性能又发生明显改善。

在本申请另一种典型的实施方式中，提供了一种球墨铸铁组合物，包括球墨铸铁材料、球化剂和孕育剂，该球墨铸铁材料为本申请上述的球墨铸铁材料。由于该球墨组铸铁合物具有本申请的球墨铸铁材料，因此其也具备球墨铸铁材料所具有的优势；进一步地其还包括球化剂和孕育剂，孕育剂主要作用是可促进石墨化，减少白口倾向，改善石墨形态和分布情况，细化基体组织，球化剂主要作用是促进球状石墨的形成，其中孕育剂、球化剂和球墨铸铁材料的用量配比可以参考现有技术。

本申请的球化剂和孕育剂可以采用本领域常规的球化剂和孕育剂，在经过对球化剂和孕育剂研究后，本申请优选上述球化剂、孕育剂和球墨铸铁材料的重量比为1～3:0.5～2:100。球化剂的含量和孕育剂的含量控制在上述范围内能够得到较好的球化效果和孕育效果。当加入的球化剂量较少时，得到的球墨铸铁试样中蠕虫状石墨量增多，当球化剂的含量控制在上述范围时，蠕虫状石墨消失，石墨球的圆整度较好，球化效果良好，而球化剂用量继续增多其效果改善并不明显。当孕育剂的含量控制在上述范围时，能够使石墨球的分布以及珠光体和铁素体的更为理想。

如前所述，本申请对球化剂和孕育剂没有特殊要求，但是当采用以下稀土镁球化剂时，球化的效果较好，以重量百分含量计，该稀土镁球化剂包括1.5-2.5％的RE且不含1.5％、5.5-6.5％的Mg且不含5.5％、≤48.0％的Si、1.0～4.0％的Ca、＜1.0％的Al、＜0.5％的Ti以及其他不可避免的杂质。以重量百分含量计，孕育剂包括≤0.20％的C、72.0-80.0％的Si、≤0.50％的Mn、≤0.040％的P、≤0.020％的S、≤0.50％的Cr以及余量的铁和不可避免的杂质。

在本申请又一种优选的实施方式中，提供了一种承载鞍，该承载鞍由上述的球墨铸铁组合物制作而成。由本申请的球墨铸铁组合物制作而成的承载鞍的力学性能完全能够达到上述表1中的要求，

进一步，本申请还提供了一种球墨铸铁的制作方法，该制作方法采用上述的球墨铸铁组合物为原料，制作方法包括：步骤S1，将球墨铸铁材料进行熔炼，得到铁水；步骤S2，在球化剂和孕育剂的作用下将铁水进行球化和孕育；步骤S3，将球化和孕育后的铁水进行浇铸，得到球墨铸铁。以本申请的球墨铸铁组合物为原料，采用上述方法制作的球墨铸铁的显微组织显示，球化效果较好，球化级别为2级，基体组织为铁素体和珠光体的混合组织，且珠光体含量较高，且经过力学性能测试得到的屈服强度、抗拉强度和伸长率都能达到承载鞍的要求。

为了进一步改善通过制作方法得到的球墨铸铁的力学性能，优选熔炼的出炉温度为1450～1500℃。

孕育是提高球墨铸铁质量的冶金技术的重要手段之一，一次孕育处理易发生孕育衰退，采用二次孕育的球墨铸铁的石墨组织可以得到进一步明显得到改善，基体中珠光体的含量略有增加，强度、硬度提高，为了减缓孕育衰退而进行大剂量的二次孕育反而容易导致石墨产生畸变，促使碎块状石墨和铁素体基体的形成，强度、硬度急剧下降。因此，优选上述步骤S2包括：采用球化剂和重量百分含量为球墨铸铁组合物的0.7～1.2％的孕育剂进行包底球化和第一次孕育；球化和第一次孕育完成后，采用剩余的孕育剂进行第二次孕育。

本申请的浇铸温度可以参考现有技术，为了避免在浇铸过程中出现过多的缩孔、缩松等缺陷，优选上述步骤S3在1350～1400℃下进行浇铸。将浇铸温度控制在上述范围内，一方面能够避免由于浇铸温度过高，导致的凝固速度慢，晶粒组织易长大德清缺陷，另一方面能够避免由于浇铸温度过低，导致铁液充型困难，铸件密实度不佳，易形成缩孔、缩松等缺陷。

为了保证浇铸后所取得球墨铸铁具有较好的表面组织，优选上述步骤S3还包括在浇铸后进行落砂的过程，且在环境温度5℃以下落砂时间为2.5～3h或在环境温度5℃以上落砂时间为1.5～2h。

以下将结合实施例和对比例进一步说明本申请的有益效果。

实施例1至20和对比例1的球墨铸铁材料的各元素组成见表3，所采用的球化剂为钇基重稀土球化剂，即以Y(钇)为主要稀土成分的球化剂，其他主要元素是La(镧)、Ce(铈)、Y(钇)、Mg(镁)、Si(硅)和Fe(铁)，该球化剂的元素组成见表4，所采用的孕育剂的元素组成见表5。

表3

表4

表5

实施例1

熔炼：将球墨铸铁材料置于500kg中频感应熔炼炉进行熔炼得到铁水，控制出炉温度为1480℃。

球化和孕育：采用包底球化，8kg球化剂放在包底，上面放重量6kg孕育剂，然后覆盖一层由青岛富赛科铸造材料有限公司生产的K-34#型集渣剂1kg、。球化处理完成后，扒渣、二次孕育。其中二次孕育添加孕育剂为1kg，得到孕育后铁水；

浇铸：将孕育后的铁水温度降至1400℃后进行浇铸，采用覆膜砂制备Y型试棒铸型，浇注前使基尔试棒砂型的干燥并对砂型内浮砂的进行吹扫。

落砂：

在15℃下落砂时间1.5小时。

实施例2

工艺流程与实施例1相同，具体参数见表6。

表6

采用OLYMPUS BH2-UMA光学金相显微镜随机抽出一个试样，对实施例1和对比例1的显微组织进行检测，得到如图1至4所示金相组织。从图中可以看出，现场试样的球化良好，球化级别为2级。基体组织为铁素体和珠光体混合组织，珠光体含量较高。

采用GB/T 1348-2009标准对球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度和伸长率进行检测，检测结果见表7。

表7

试棒编号	抗拉强度Rm/Mpa(min)	屈服强度Rp0.2/Mpa(min)	伸长率A/％(min)
				实施例1	746	456	7
实施例2	714	444	7
				实施例3	742	451	8.0
实施例4	702	428	9.0
				实施例5	710	440	9.5
实施例6	670	430	11
				实施例7	695	460	8
实施例8	675	430	7
				实施例9	705	390	11
实施例10	700	430	10
				实施例11	633	401	6.3
实施例12	613	395	6.5
				实施例13	645	411	7.4
实施例14	655	419	7.3
				实施例15	648	421	6.9
实施例16	665	430	7.0
				实施例17	675	435	7.2
实施例18	658	425	7.2
				实施例19	655	430	6.9
实施例20	636	412	6.7
				对比例	545	382	6.4
标准	≥600	≥390	≥6

通过表7的数据可以看出，采用本申请的球墨铸铁材料所制备的球墨铸铁的上述力学性能均能够达到承载鞍的标准要求，且由图1看出本申请实施例1的球墨铸铁的石墨球均匀分布，圆整度较好，由图2看出，本申请球墨铸铁的基体组织为铁素体和珠光体的混合组织，且珠光体含量较高；而由图3可以看出，对比例的球墨铸铁的石墨球较少，蠕虫结构较多，且由图4可以看出，其中虽然也含有珠光体，但含量较少。

此外，本申请还以实施例6的球墨铸铁材料、球化剂和孕育剂为原料，按照与实施例6相同的工艺流程和参数对球化剂和孕育剂的用量对球墨铸铁的力学性能进行了研究，发现球墨铸铁组合物中，当球化剂、孕育剂和球墨铸铁材料的重量比为1～3:0.5～2:100时都能得到符合标准要求的球墨铸铁，只是其中的石墨球金相组织和基体金相组织稍有差别。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

采用具有上述组成的球墨铸铁材料制作的球墨铸铁的屈服强度、抗拉强度和伸长率能达到上述表1中的标准要求，因此可以用来制作承载鞍。上述球墨铸铁材料的各化学元素的含量控制在合理范围内，从而相互之间形成协同作用，使得球墨铸铁的基体组织为铁素体和珠光体混合组织，珠光体含量较高，宏观表现为具有较高强度、硬度，同时兼具良好的塑性。具体为：珠光体的机械性能介于铁素体和渗碳体之间，由于其含量较高使得球墨铸铁具有适中的强度、硬度；而铁素体塑性较好，但较多时对强度、硬度性能损失较大，本申请的铁素体含量相对较少，因此能使球墨铸铁保持相对高的强度和硬度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种球墨铸铁组合物，包括球墨铸铁材料、球化剂和孕育剂，其特征在于，以重量百分含量计，所述球墨铸铁材料包括：3.58％的C、2.53％的Si、0.61％的Mn、0.42％的Cu、0.037％的P、0.010％的S以及余量的铁和不可避免的杂质，所述球化剂为稀土镁球化剂，以重量百分含量计，所述稀土镁球化剂包括：2.3％的RE、6.20％的Mg、43％的Si、1.5％的Ca、0.021％的Al、0.035％的Ti以及其他不可避免的杂质，以重量百分含量计，所述孕育剂包括:0.20％的C、72.4％的Si、0.45％的Mn、0.031％的P、0.011％的S、0.018％的Cr以及余量的铁和不可避免的杂质。

2.一种球墨铸铁组合物，包括球墨铸铁材料、球化剂和孕育剂，其特征在于，以重量百分含量计，所述球墨铸铁材料包括：3.59％的C、2.52％的Si、0.61％的Mn、0.41％的Cu、0.039％的P、0.014％的S以及余量的铁和不可避免的杂质，所述球化剂为稀土镁球化剂，以重量百分含量计，所述稀土镁球化剂包括：2.3％的RE、6.22％的Mg、43％的Si、1.51％的Ca、0.019％的Al、0.039％的Ti以及其他不可避免的杂质，以重量百分含量计，所述孕育剂包括:0.19％的C、72.4％的Si、0.44％的Mn、0.033％的P、0.012％的S、0.021％的Cr以及余量的铁和不可避免的杂质。

3.一种承载鞍，其特征在于，所述承载鞍由权利要求1或2所述的球墨铸铁组合物制作而成。