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

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。