CN106435337A - 一种球墨铸铁及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种球墨铸铁,其中包含的元素的质量百分比为:C:3.35%‑3.7%,Si:2.3%‑2.7%,Mn:0.35%‑0.55%,P≤0.035%,S≤0.015%,Re:0.016%‑0.018%,Mg:0.02%‑0.04%,Nb:0.55%‑0.85%,痕量元素Cu、Zn、Sn、Mo、Al、Zr的总量≤0.22%;所述球墨铸铁的抗拉强度>750MPa,屈服强度约560MPa,断后延伸率达到7.5%以上,本发明还公开了该球墨铸铁的制备方法,该方法省掉了正火和调质热处理的过程,且制备的球墨铸铁同时具备高强度、高塑性。

Description

一种球墨铸铁及其制备方法
技术领域
本发明涉及铸铁研发及生产领域,具体涉及一种球墨铸铁及其制备方法。
背景技术
球墨铸铁是我国国民经济乃至世界制造业最主要的材料之一,广泛应用在机械制造、矿山冶金、石油化工和国防工业等行业。但随着在石油钻井、汽车制造业和发动机等领域现代工业技术的高速发展,对球墨铸铁强度和塑性的要求也越来越高,例如,石油钻井的十字头要求力学性能为抗拉强度≥689MPa,屈服强度≥483MPa,延伸率≥3.0;车床的主轴、球磨机齿轴、小型水轮机主轴等,其所要求的抗拉强度达到700MPa以上,屈服强度达到420MPa以上,延伸率达到2%以上;汽车齿轮系列(正时齿轮、行星齿轮、后桥齿轮等)则要求有更高的强度与韧性。
从本领域技术人员所熟知的球墨铸铁牌号表中可以看出,铸态下抗拉强度及屈服强越高时,相应的延伸率变低,这两者之间是成反比关系。现有技术中,通常采用增加Mn,Sn,Cr的用量的方法来提升珠光体含量,从而得到较高的抗拉强度及屈服强度,然而所得到的球墨铸铁的延伸率会相应降低,因此不能得到高强度高塑性的球墨铸铁。反之,现有技术中,当采用减少Mn,Sn,Cr的用量的方法来降低珠光体含量时,可得到较高的延伸率,却会导致球墨铸铁的抗拉强度及屈服强度变低,同样不能得到高强度塑性的球墨铸铁。
中国发明专利CN103614612A公开了一种高强度高弹性模量低应力铸态球墨铸铁,它是由以下质量分数的成分组成:C:3.7-3.9%;Si:2.0-2.2%;Ce:4.50-4.65%;Mn:0.5-0.6%;P≤0.03%;S≤0.02%;Mg:0.03-0.06%;Re:0.0l-0.02%;Cu:0.5-0.7%;Sn:0.05-0.06%。该发明制造方法的特色是“高温纯净的基铁铁液+复合合金化+精确加入”,得到球墨铸铁的显微组织为:珠光体含量≥95%,球化率≥90%,单位面积球墨数目为200-380个/mm2,屈服强度400MPa以上,抗拉强度700MPa以上,弹性模量170GPa以上,硬度HB190-250,延伸率3%以上,铸造内应力≤50MPa。
中国发明专利CN 104388810 A,公布了一种铸态球墨铸铁的制备方法,所述制备方法包括熔炼、调节铁水成分含量、加入合金元素、球化和微量合金化、孕育处理、浇注的步骤,该方法既能够稳定地将球墨铸铁的抗拉强度控制在700MPa以上,又能将断后延伸率达到4.5%左右。
中国发明专利CN 105177214 A,公布了一种高强度高延展性的球墨铸铁的制造方法及其产品和应用。使用上述方法制备所得到的球墨铸铁,其抗拉强度≥700MPa,屈服强度≥450MPa,延伸率≥6%;以及该球墨铸铁在车轮支架制造上的应用。
因此,研发出一种有效可行、经济实用的高强度高塑性的球墨铸铁及其制备工艺,对促进我国球墨铸铁的发展与应用具有重大的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种具备高强度、高塑性水平的球墨铸铁及其制备方法。
本发明的技术方案是:一种球墨铸铁,其中包含的元素的质量百分比为:C:3.35%-3.7%,Si:2.3%-2.7%,Mn:0.35%-0.55%,P≤0.035%,S≤0.015%,Re:0.016%-0.018%,Mg:0.02%-0.04%,Nb:0.55%-0.85%。
进一步的,上述球墨铸铁中包含的痕量元素Cu、Zn、Sn、Mo、Al、Zr,上述痕量元素的总量≤0.22%,所述量基于球墨铸铁的总重量。
进一步的,上述球墨铸铁的抗拉强度>750MPa,屈服强度约560MPa,断后延伸率达到7.5%以上。
本发明还包括上述高强、高塑性球墨铸铁的制备方法,包括以下步骤:
1)熔炼:铁液采用中频感应电炉熔炼工艺,电炉中加入重量百分比为55-65%的生铁,25-35%的球铁回炉料,5-10%的废钢,电炉升温至1450-1550℃,将所述生铁、球铁回炉料、废钢的混合物熔炼成铁水;
2)调节铁水成分含量:通过炉前分析,将步骤1)所得铁水中化学成分的重量百分比调节至以下范围:C:0.35%-3.7%,Si:2.3%-2.7%,Mn:0.35%-0.55%,P≤0.035%,S≤0.015%,RE:0.018%-0.016%,Mg:0.02%-0.04%,Nb:0.55%-0.85%;
3)球化处理:在含痕量合金元素Cu、Zn、Sn的球化剂浇包中加入步骤2)中所得的铁水,进行球化处理;
4)孕育处理:在步骤3)中所得铁水中加入含痕量合金Mo、Zr的孕育剂进行孕育处理;
5)浇注:将步骤4)所得铁水转至铸件型腔中进行浇注,浇注后自然冷却,即得铸态球墨铸铁。
本申请与现有技术相比,先进点如下:
1)调节熔炼后铁水中各成分的含量,可以使球化剂加入量达到精确控制,达到了稳定球化率的效果,提高球墨铸铁的机械性能;
2)加入了0.55%-0.85%的铌元素,少量Nb对球墨铸铁的石墨化、球化率、圆度、石墨球大小等影响不大,但能显著增加珠光体数量。Nb是一种强碳化物形成元素,在球墨铸铁中可有效细化晶粒,并且形成的富铌相可起到显著的弥散强化作用,从而提高强度、塑韧性等力学性能。
3)通过一定量合金加入,痕量元素共同作用,提高力学性能,得到超固溶强化铁素体,稳定、细化的珠光体,及超细晶粒基体组织的匹配,从而同时达到高强高塑性。
4)该制备方法在强度提高的同时得到高塑性,经实验测试表明,该方法既能够稳定地将球墨铸铁的抗拉强度控制在750MPa以上,屈服强度560MPa左右,又能将断后延伸率达到7.5%以上;相比于常规铸态的生产方法,本申请所得球墨铸铁能同时达到高强度、高塑性水平。
本申请的铸态球墨铸铁,能够同时达到高强度和高塑性,且其力学性能稳定,而相比于常规需要正火和调质的铸造方法,本申请省去了正火和调质热处理的过程,大大减少了工作量,也缩短了铸造周期,降低了铸造成本。
附图说明
附图1为本发明实施例制备所得的铸态球墨铸铁的单铸试块的示意图;
附图2为本发明实施例制备所得的铸态球墨铸铁的单铸试块的右视图;
附图3为本发明实施例制备所得的铸态球墨的形状与分布100X组织图片;
附图4为本发明实施例制备所得的铸态球墨经4%硝酸酒精腐蚀后的金相照片;
图5、6为本发明实施例制备所得的球墨铸铁拉伸断口扫描照片。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种铸态球墨铸铁的制备方法,包括以下步骤:
1)熔炼:铁液采用中频感应电炉熔炼工艺,电炉中加入重量百分比为55-65%的生铁,25-35%的球铁回炉料,5-10%的废钢,电炉升温至1450-1550℃,将所述生铁、球铁回炉料、废钢的混合物熔炼成铁水;
2)调节铁水成分含量:通过炉前分析,将步骤1)所得铁水中化学成分的重量百分比调节至以下范围:C:3.35%-3.7%,Si:2.3%-2.7%,Mn:0.35%-0.55%,P≤0.035%,S≤0.015%,Re:0.016%-0.018%,Mg:0.02%-0.04%,Nb:0.55%-0.85%;
3)球化处理:在含痕量合金元素Cu、Zn、Sn的球化剂浇包中加入步骤2)中所得的铁水,进行球化处理;
4)孕育处理:在步骤3)中所得铁水中加入含痕量合金Mo、Zr的孕育剂进行孕育处理;
5)浇注:将步骤4)所得铁水转至铸件型腔中进行浇注,浇注后自然冷却,即得铸态球墨铸铁。
上述步骤5)所得铸态球墨铸铁中的各成分如表1所示。
表1化学成分
通过以上步骤,分别铸造单铸试块4个,见附图1,分别编号为1,2,3,4。试块型号为Y25,单位:mm,将以上4个单铸试块每块取样加工成拉伸试样3个。拉伸试样尺寸及形状符合国家标准。力学性能测试和金相组织分析,结果如下:
A、力学性能检测
将4个单铸试块取样加工成的拉伸试样,分别进行力学性能测试,测试温度为室温,测试结果为同一单铸试块中三个试样结果的平均值。其力学性能如表2所示:
表2力学性能测试结果
从以上力学性能测试结果可知,本申请中的铸态球墨铸铁能维持较高的屈服强度,更重要的是能够兼顾高强度和高塑性。
B、金相组织分析:
将四个单铸试块分别进行金相组织分析,分析结果如表3所示:
表3金相组织分析结果
从以上金相组织分析结果可知,本申请中铸态球墨铸铁试件上的石墨大小为7-6级,且石墨个数较多,珠光体比例较大,其中珠光体可使铸件在保持高强度的情况下,有很好的塑性,本申请中的铸态球墨铸铁通过制备工艺上的改进,能够在球化率、石墨大小、石墨个数、铁素体和珠光体的比例上达到平衡,形成稳定的内部金相组织结构,因此在宏观的高强度和高塑性上达到兼顾。
铸态球状石墨形状与分布100X组织图片如附图3所示。根据国标GB/T9441-2009可知,石墨为球状石墨的个数所占石墨总数的百分比作为球化率,样品球化率大于90%,石墨大小4-7mm,等级为6-7级。
附图4是经4%硝酸酒精腐蚀后的金相照片,从图中可以观察到基体组织由珠光体、铁素体和大量的石墨组成。
图5、6为球墨铸铁拉伸断口扫描照片,可以看到,基体上大量的撕裂脊,石墨脱落,形成韧窝状的坑,裂纹沿着石墨扩展导致石墨脱落,并且能看到少量的解理台阶,从20000倍下可以看到大量细小的韧窝,可以判断基体进行较大的塑形变形,因此表明材料断裂过程中主要还是韧性断裂。
以上仅是本发明的优选实施方式,应当指出的是,上述优选实施方式不应视为对本发明的限制,本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明的精神和范围内,还可以做出若干改进,这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种球墨铸铁,其中包含的元素的重量百分比为:C:3.35%-3.7%,Si:2.3%-2.7%,Mn:0.35%-0.55%,P:≤0.035%,S:≤0.015%,Re:0.016%-0.018%,Mg:0.02%-0.04%,Nb:0.55%-0.85%。
2.一种如权利要求1所述的球墨铸铁,其中包含的痕量元素Cu、Zn、Sn、Mo、Al、Zr。
3.一种如权利要求2所述的球墨铸铁,其中痕量元素的总量≤0.22%,所述量基于球墨铸铁的总重量。
4.一种如权利要求3所述的球墨铸铁,所述球墨铸铁的抗拉强度>750MPa,屈服强度约560MPa,断后延伸率达到7.5%以上。
5.一种如权利要求1~3中任一权利要求所述的球墨铸铁的制备方法,包括以下步骤:
1)熔炼:铁液采用中频感应电炉熔炼工艺,电炉中加入重量百分比为55-65%的生铁,25-35%的球铁回炉料,5-10%的废钢,电炉升温至1450-1550℃,将所述生铁、球铁回炉料、废钢的混合物熔炼成铁水;
2)调节铁水成分含量:通过炉前分析,将步骤1)所得铁水中化学成分的重量百分比调节至以下范围:C:0.35%-3.7%,Si:2.3%-2.7%,Mn:0.35%-0.55%,P:≤0.035%,S:≤0.015%,RE:0.016%-0.018%,Mg:0.02%-0.04%,Nb:0.55%-0.85%;
3)球化处理:在含痕量合金元素Cu、Zn、Sn的球化剂浇包中加入步骤2)中所得的铁水,进行球化处理;
4)孕育处理:在步骤3)中所得铁水中加入含痕量合金Mo、Zr的孕育剂进行孕育处理;
5)浇注:将步骤4)所得铁水转至铸件型腔中进行浇注,浇注后自然冷却,即得铸态球墨铸铁。
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