CN106811676B - 一种高强度高韧性铸态qt700-10及其生产方法 - Google Patents

一种高强度高韧性铸态qt700-10及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于铸造技术和新材料领域，尤其涉及一种高强度高韧性铸态QT700‑10及其生产方法，与现有技术生产的球铁相比具有较高的强度和伸长率，不需要热处理，生产中不加入Ni、Mo等贵金属，铸态下抗拉强度Rm≥700MPa、延伸率A≥10％，与标准牌号QT450‑10相比，相同延伸率下最低抗拉强度提高了55％；与标准牌号QT700‑2相比，相同抗拉强度下最低延伸率提高了4倍。可满足对安全性及综合力学性能有较高要求的汽车球铁件的要求。

Description

一种高强度高韧性铸态QT700-10及其生产方法
技术领域
本发明属于铸造技术和新材料领域，尤其涉及一种高强度高韧性的铸态QT700-10及其生产方法。
背景技术
球墨铸铁特别是高强度高韧性球墨铸铁在工程机械、汽车零件领域中的应用越来越广泛，很多铸钢件产品逐渐由高强韧球墨铸铁所替代。对于一些汽车安全件如桥壳、转向节、行星轮壳、差壳、轮毂、法兰轴等，是主要的承载受力件，要求零件具有较高的强度，同时具有较好的延伸性。目前国家标准GB/T1348-2009对球墨铸铁材质规定了15种牌号，其中常用的有QT450-10、QT600-3、QT700-2等牌号，前者伸长率较高但抗拉强度较低，后者抗拉强度较高但伸长率较低，因此非常需求一种既具有较高的抗拉强度又具有较高的伸长率的新材料。
目前一些高强度高韧性的球墨铸铁材料，其力学性能大多是通过热处理以后获得的。如《高强度高韧性QT900-5新材料及在大功率高速增压柴油机曲轴上的应用开发》一文介绍了QT900-5的力学性能最后是通过等温正火而获得的。这样不仅工艺复杂，而且成本较高。
发明内容
本发明针对上述的问题，提出了一种高强度高韧性铸态QT700-10及其生产方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为，本发明提供一种高强度高韧性铸态QT700-10，其特征在于，所述球墨铸铁不含Ni、Mo贵金属，所述球墨铸铁的化学成分的质量百分比为：C 3.6％～3.8％，Si 2.1％～2.7％，P≤0.04％，且碳当量CE＝C+1/3(Si+P)＝4.3％～4.6％，Mn 0.2％～0.4％，Cu 0.3％～0.5％，Cr≤0.05％，Sn 0.013％～0.02％，且AF＝Mn+2.4Cu+3.2Cr+20Sn＝1.56％～2.0％，S 0.006％～0.015％，Mg 0.025％～0.05％，RE≤0.02％，余量为Fe。
作为优选，所述球墨铸铁原材料为熔炼用生铁、废钢和回炉铁；所述生铁采用高纯生铁，化学成分的质量百分比C≥3.3％，Si0.4％～0.7％，Mn 0.05％～0.15％，P≤0.03％，S≤0.02％，Ti≤0.02％；所述废钢采用无锈中、低碳钢，化学成分的质量百分比C≤0.5％，Si≤0.4％，Mn≤0.5％，P≤0.03％，S≤0.02％，Cr≤0.1％，Cu≤0.3％，Ni≤0.1％；所述回炉铁采用与本材质相同的材料。
发明人还提出一种高强度高韧性铸态QT700-10的生产方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)电炉熔炼，将电炉内熔炼温度调至1530℃～1550℃之间，加入增碳剂，将炉内原铁液化学成分质量百分比调整为：C 3.8％～4.0％，Si 1.1％～1.7％，P≤0.04％，且CE＝C+1/3(Si+P)＝4.17％～4.47％；Mn 0.2％～0.4％，Cu 0.3％～0.5％，Cr≤0.05％，Sn≤0.013％；且AF＝Mn+2.4Cu+3.2Cr+20Sn＝1.56％～2.0％，S≤0.02％，高温静置8～10分钟，扒清渣得到纯净铁液；
(2)球化孕育，对上述成分的铁液进行盖包法的球化处理，将球化处理温度调至1510℃±10℃，依次加入球化剂、孕育剂和小钢片，逐层加料、扒平、捣实，球化剂加入量为铁液重量的1.2％～1.5％，孕育剂加入量为铁液重量的0.3％～0.5％，小钢片加入量为铁液重量的1.2％～1.3％，最终加入锡片，加入量为满足最终目标值w(Sn)％±0.0005％，球化完成后扒渣干净；
(3)二次孕育，采用Si-Ba孕育剂进行倒包孕育，加入量为铁液重量的0.1％～0.3％；
(4)浇注，经过球化孕育和二次孕育的铁液，在1360℃～1420℃温度条件下浇注带黏土湿型砂铸型中，在浇注过程中进行第三次孕育即随流瞬时孕育，加入量为浇注铁液量的0.1％～0.15％，浇注后的铁液在铸型中凝固成形，随铸型冷却至600℃以下落砂。
作为优选，所述盖包法的球化处理所使用的堤坝式球化包，其堤坝高度高于加料高度30-50mm，包盖与包体顶部由密封耐火材料密实，深度为内径的1.5～2倍，使用前预热至800℃以上；球化剂、孕育剂、小钢片使用前烘干。
作为优选，所述增碳剂为经高温石墨化处理的优质晶体增碳剂，化学成分为：C99.5％～99.8％，S 0.015％～0.05％，N 0.001％～0.003％；吸收率≥95％；粒度0.5～5mm。
作为优选，所述球化剂采用Mg6RE0.5，化学成分为：Mg 5.5％～6.5％，RE 0.5％～＜1.0％(Ce/RE≥46％),Ca 1.5％～3.0％，Si 35％～45％，Mn≤1.0％，Ti≤0.5％，MgO≤0.65％，Al≤0.5％,余量为Fe；粒度5～30mm。
作为优选，所述球化孕育的孕育剂采用Si-Ba合金孕育剂，化学成分为：Si 65％～70％，Ba 4％～6％，粒度1.5～3mm，所述二次孕育的孕育剂成分与所述球化孕育的孕育剂成分相同，粒度为1～2mm。
作为优选，所述第三次孕育的孕育剂采用Si-Bi合金孕育剂；化学成分为：Si 68％～75％，Bi 0.8％～1.2％,Ca＜2.0％，RE＜1.2％,Al＜1.5％；粒度0.2～0.7mm。
作为优选，所述小钢片为无锈低碳钢。
作为优选，所述生产方法为节拍生产，落砂温度一致，保证从球化完成到浇注结束时间不超过8分钟，球化反应时间2分钟左右，从出铁球化到整包铁液浇注结束节拍时间不超过10分钟。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于，
1、提升了球化率及球状石墨的数量。第一，改进球化剂的覆盖。按球化剂+孕育剂+小钢片顺序加料，每层使用平头锤扒平、捣实，且覆盖层由铁屑改用小钢片，提高了熔点。这些措施延迟了球化反应时间，使球化反应保证在有一定铁液压头的情况下进行，减少了Mg的氧化烧损，Mg的吸收率达65％以上，且最终Mg残保持在0.03％～0.04％左右，充分发挥了Mg的球化作用。第二，降低了RE含量。稀土(RE)有抵消反球化元素对石墨球化不利影响的作用，同时稀土元素(主要是Ce)易促进石墨形成团状和团片状，RE含量过多影响石墨球的圆整度，所以要进一步提高球状石墨的数量，RE含量应尽量低些。为使团状石墨低于20％，球化剂中的RE含量选择在0.5％～1％之间。使用高纯生铁降低了硫含量及其它反球化微量元素含量，从而减少了球化剂加入量而且可以降低球化剂中RE含量。第三，为提高镁的吸收率，在电炉生产条件下确定球化剂的镁含量为6％左右。第四，为提高球化剂中有效镁的含量改善球化效果，根据相关试验资料规定球化剂中MgO的含量不超过其镁含量的1/10。综合以上因素，最终确定了球化剂成分。与球化剂厂家合作研制了新型球化剂Mg6RE0.5，其成分为w(Mg)5.5％～6.5％，w(RE)0.5％～＜1.0％,w(Ca)1.5％～3.0％，w(Si)35％～45％，w(Mn)≤1.0％，w(Ti)≤0.5％，w(MgO)≤0.65％，w(Al)≤0.5％。通过精细配料与严格操作，球化率提高到2级以上，且团状石墨低于20％。第五，球化处理后加集渣剂覆盖并多次扒渣，减少了“回硫”现象。第五，从球化处理完成到浇注完毕不超过8分钟。
2、提高了铁液的纯净度。第一，使用干净的原料从源头上减少了夹杂，对炉料的化学成分、物理状态制定严格的控制标准。第二，高温静置处理使铁液在此时进行“自脱氧”反应，使铁液氧化及氧化夹渣倾向大幅减少，成为高温低氧化的优质铁液。第三，由于Mg的吸收率的提高、球化剂中有效Mg含量的提高、高纯生铁中反球化元素含量的减少，从而降低了球化剂的加入量，减少了造渣量。第四，加强盖包密实，使球化处理在相对封闭的包内进行，与外界空气减少了接触，减少了氧化夹渣。第五，球化前原铁液扒清渣，球化完成后充分扒渣。
3、孕育效果加强。通过球化包底Si-Ba孕育+倒包Si-Ba孕育+随流Si-Bi三次孕育，有效防止了孕育衰退。Si-Ba合金孕育剂延长了衰退时间，特别是随流孕育采用Si-Bi孕育剂使石墨球数大幅提高，提高了凝固品质，使球铁的综合性能相应提高并将少了缩孔、缩松及白口倾向。
4、成份优化，包括合理的化学成分及基体组织。根据各化学元素对铸件组织及性能的影响，经过多次研制，确定了铸件合理的化学成分及生产方案，提出了合金元素含量AF值控制方法及根据壁厚及浇注温度确定的窄碳当量CE值范围控制方法。保证了基体组织，从而保证了力学性能。
5、原材料优化。对原材料进行优选和创新，选择合金型Si-Bi复合孕育剂，与材料厂合作研制新型球化剂Mg6RE0.5等。对原材料成分优化调整，炉料纯净化处理，使用高温石墨化处理的晶体型增碳剂等。
6、节拍生产。以上所述的生产方法，还必须贯以严谨的管理，节拍生产，落砂温度一致，保证从球化完成到浇注结束时间不超过8分钟，球化反应时间2分钟左右，为便于生产实际控制，从出铁球化到整包铁液浇注结束节拍时间不超过10分钟。
以上措施，使铸件综合指标得到了较大提高：球化率≥90％，且团状石墨不大于20％。铸态下即可满足Rm≥700MPa、A≥10％，超过了我国现行标准，代表了当代国际先进水平。依据Y形Ⅱ型单铸试块上切取的φ14mm的标准拉伸试样测得的力学性能，并根据GB/T1348关于单铸试样测得的力学性能定义牌号等级的方法将其定义为QT700-10。本发明的力学性能是由铸态获得的，生产中不加入Ni、Mo等贵金属，铸件不用进行热处理，所以成本较低。由于其具有高强度、高韧性因而适用于对力学性能要求较高的环境。本方法生产的铸件无碳化钛等硬质点并缩小了硬度范围，提高了铸件的切削性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1提供的拉伸试验应力应变曲线图；
图2为实施例2提供的拉伸试验应力应变曲线图；
图3为实施例3提供的拉伸试验应力应变曲线图；
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其它方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
发明人为了证明所研究的球墨铸铁性能得到大大提高，下面将通过在具体的生产过程中，遵循以上所述的生产技术和方法对一款主要壁厚为11mm、质量为4.5kg的差速器壳体实施三种制造方案，以检验本发明的技术效果。采用的原材料如下：生铁的化学成分为C
4.19％，Si 0.5％，Mn 0.046％，P 0.018％，S0.017％，Ti 0.019％，其它微量元素小于0.07％；废钢应干净无锈，否则进行物理除锈；化学成分为C0.16％，Si 0.18％，Mn0.45％，P 0.02％，S 0.01％，Cr 0.1％，Cu 0.027％，Ni 0.058％；选用的回炉铁化学成分为C 3.7％，Si 2.3％，Mn 0.35％，P 0.032％，S 0.011％，Cr 0.03％，Cu 0.4％，Cr0.03％，Sn 0.013％，Mg 0.035％，RE 0.012％，回炉铁抛丸清理15min；晶体增碳剂吸收率大于95％，粒度在0.5～5mm之间，化学成分为C 99.6％，S 0.03％，N 0.002％。
实施例1
电炉调温至1530℃～1550℃，在电炉熔炼的过程中加入增碳剂、废钢来调整铁液内化学成分质量百分比，将炉内铁液化学成分质量百分比调整为：C3.82％，Si 1.10％，P≤0.04％，CE 4.2％，Cr≤0.05％，Mn 0.40％，Sn≤0.013％，Cu 0.45％，S≤0.02％，其它微量元素≤0.1％，高温静置8～10分钟，扒清渣得到纯净铁液；得到的铁液进行球化孕育，并调整Sn含量，对上述成分的铁液球化处理、包底一次孕育，包内调整Sn含量，一次处理铁液重量为750Kg，所述球化处理采用盖包法即堤坝式球化包，使用前按技术要求修包合格，球化包使用前预热至800℃以上；球化剂、孕育剂、小钢片使用前烘干，按球化剂、孕育剂、小钢片顺序逐层加料并用平头锤扒平、捣实；高度应低于堤坝30～50mm；球化剂采用Mg6RE0.5，化学成分Mg 6％，RE 0.8％，Si 42％，粒度5～30mm。加入量的计算如下：根据我们的研究试验和生产实践，使用Mg6RE0.5球化剂和前述生铁生产本球墨铸铁时可控制w(Mg残)在0.025％～0.05％之间，因球墨铸铁中的Mg残＞0.04％时，凝固范围急剧加宽，收缩倾向加大，所以在保证球化良好的前提下Mg残应尽量低些。球化剂的加入量计算公式:其中：λ为球化剂加入量，S原铁液为球化前原铁液中S含量，S球化后为球化后铁液中S含量，Mg残为铸件中Mg含量，Mg衰减为球化后至浇注结束Mg的衰减量，η为镁的吸收率，Mg含量为球化剂中Mg的含量。试验得出：脱硫量(S原铁液-S球化后)＜0.01％，则脱硫镁量为0.76(S原铁液-S球化后)＜0.0076％；镁每分钟衰减率在0.001％～0.003％之间，取平均值0.002％，球化反应完成至浇注结束时间小于8分钟,则Mg衰减＝0.002％×8＝0.016％；镁的吸收率η≥70％，按70％计算；由上知：Mg含量＝6％；Mg残按0.03％计算；则＝(0.0076％+0.030％+0.016％)/(70％×6％)＝1.28％，即可满足石墨球化的要求。为安全起见，球化剂加入量设为1.30％，则球化增硅量为：Si球化＝1.30％×42％×95％＝0.519％，一次孕育剂的选用及加入量：Si-Ba孕育剂，粒度1.5～3mm，化学成分Si 68％，Ba 5.5％，加入量0.4％，则一次孕育增硅量为：Si孕育Ⅰ＝0.4％×68％×95％＝0.258％。小钢片覆盖：小钢片应干净无锈，否则进行除锈处理。化学成分C 0.21％，Si 17％，Mn 0.3％，P 0.012％，S0.01％，Cr 0.055％，Cu 0.013％，Ni 0.028％，加入量1.2％～1.3％；加入锡片以调整最终Sn含量，加入量满足最终目标值w(Sn)％±0.0005％。调节球化处理温度在1510℃±10℃；出铁重量在750±10Kg，球化完成后多次扒渣，每次拔完渣在铁液表面撒一层聚渣剂再扒，连续迅速进行，扒渣至少三次以上，时间不超过2分钟。接着，在球化包倒入浇注包时进行二次孕育，采用Si-Ba孕育剂，粒度1～2mm；化学成分Si 68.2％，Ba 5％，加入量按0.2％，则二次孕育增硅量为：Si孕育Ⅱ＝0.2％×67.2％×95％＝0.127％。根据铸件壁厚与结构特征确定浇注温度为1380℃～1420℃，使用自动浇注机以规定的浇注速度浇注到粘土湿型砂铸型中。在浇注过程中进行随流瞬时孕育(三次孕育)；采用Si-Bi合金孕育剂，化学成分Si69.6％，Bi0.85％，Ca 1.3％，RE 0.83％，Al 1.21％，粒度0.2～0.7mm；加入量为浇注铁液量的0.14％，则三次孕育增硅量为：Si孕育Ⅲ＝0.14％×69.6％×95％＝0.092％。在每球化包浇注后期浇注光谱试块。在每球化包浇注后期浇注Y型25mm厚度标准试块。整包铁液浇注时间：从出铁球化计时，到整包铁液浇注结束不超过10分钟。浇注后冷却至600℃以下落砂。最终经测量得到铸件化学成分为：C 3.62％，Si 2.10％，P 0.029％，CE 4.33％，Cr0.032％，Mn 0.40％，Sn 0.015％，Cu 0.45％，AF 1.88％，S 0.008％，Mg 0.033％，RE0.01％，其它微量元素不足0.1％。
实施例2
所采用的生产方法与实施例1相同，熔炼时铁液化学成分质量百分比调整为：C3.90％，Si 1.16％，P≤0.04％，CE 4.30％，Cr≤0.05％，Mn 0.35％，Sn≤0.013％，Cu0.41％，S≤0.02％，其它微量元素≤0.1％，经生产加工之后，最终经测量得到铸件化学成分为：C 3.70％，Si 2.16％，P 0.03％，CE 4.43％，Cr 0.03％，Mn 0.35％，Sn 0.014％，Cu0.41％，AF 1.71％，S 0.009％，Mg 0.035％，RE 0.011％，其它微量元素不足0.1％。
实施例3
所采用的生产方法与实施例1相同，熔炼时铁液化学成分质量百分比调整为：C3.95％，Si 1.40％，P≤0.04％，CE 4.43％，Cr≤0.05％，Mn 0.30％，Sn≤0.013％，Cu0.38％，S≤0.02％，其它微量元素≤0.1％，经生产加工之后，最终经测量得到铸件化学成分为：C 3.75％，Si 2.40％，P 0.03％，CE 4.56％，Cr 0.029％，Mn 0.30％，Sn 0.013％，Cu0.38％，AF 1.58％，S 0.012％，Mg 0.036％，RE 0.012％，其它微量元素不足0.1％。
根据上述实施例1、实施例2和实施例3得出的结论进行列表分析，如下表1、表2、表3所示。
表1光谱试块分析结果
表2 Y型试块的金相检测结果
表3 Y型试块的力学性能、硬度检测结果
从上述表1、表2、表3和图1、图2、图3可知，由实施例方法生产的球磨铸铁其性能指标均达到QT700-10要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种高强度高韧性铸态QT700-10的生产方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)电炉熔炼，将电炉内熔炼温度调至1530℃～1550℃之间，加入增碳剂，将炉内原铁液化学成分质量百分比调整为：C3.8％～4.0％，Si1.1％～1.7％，P≤0.04％，且CE＝C+1/3(Si+P)＝4.17％～4.47％；Mn0.2％～0.4％，Cu0.3％～0.5％，Cr≤0.05％，Sn≤0.013％；且AF＝Mn+2.4Cu+3.2Cr+20Sn＝1.56％～2.0％，S≤0.02％，高温静置8～10分钟，扒清渣得到纯净铁液；
(2)球化孕育，对上述成分的铁液进行盖包法球化处理，将球化处理温度调整至1510℃±10℃，依次加入球化剂、孕育剂和小钢片，逐层加料、扒平、捣实，球化剂加入量为铁液重量的1.2％～1.5％，孕育剂加入量为铁液重量的0.3％～0.5％，小钢片加入量为铁液重量的1.2％～1.3％，最终加入锡片，加入量为满足最终目标值w(Sn)％±0.0005％，球化完成后扒渣干净；
(3)二次孕育，采用Si-Ba孕育剂进行倒包孕育，加入量为铁液重量的0.1％～0.3％；
(4)浇注，经过球化孕育和二次孕育的铁液，在1360℃～1420℃温度条件下浇注到黏土湿型砂铸型中，在浇注过程中进行第三次孕育即随流瞬时孕育，孕育剂加入量为浇注铁液量的0.1％～0.15％，浇注后的铁液在铸型中凝固成形，随铸型冷却至600℃以下落砂，从而得到化学成分的质量百分比为：C3.6％～3.8％，Si2.1％～2.7％，P≤0.04％，且碳当量CE＝C+1/3(Si+P)＝4.3％～4.6％，Mn0.2％～0.4％，Cu0.3％～0.5％，Cr≤0.05％，Sn0.013％～0.02％，且AF＝Mn+2.4Cu+3.2Cr+20Sn＝1.56％～2.0％，S0.006％～0.015％，Mg0.025％～0.05％，RE≤0.02％，余量为Fe的铸态QT700-10。
2.根据权利要求1所述一种高强度高韧性铸态QT700-10的生产方法，其特征在于：所述盖包法的球化处理所使用的堤坝式球化包，其堤坝高度高于加料高度30-50mm，包盖与包体顶部由密封耐火材料密实，深度为内径的1.5～2倍，使用前预热至800℃以上；球化剂、孕育剂、小钢片使用前烘干。
3.根据权利要求1所述一种高强度高韧性铸态QT700-10的生产方法，其特征在于：所述增碳剂为经高温石墨化处理的优质晶体增碳剂，化学成分的质量百分比为：C99.5％～99.8％，S0.015％～0.05％，N0.001％～0.003％；吸收率≥95％；粒度0.5～5mm。
4.根据权利要求1所述一种高强度高韧性铸态QT700-10的生产方法，其特征在于：所述球化剂采用Mg6RE0.5，化学成分为：Mg5.5％～6.5％，RE0.5％～1.0％,Ca1.5％～3.0％，Si35％～45％，Mn≤1.0％，Ti≤0.5％，MgO≤0.65％，Al≤0.5％,余量为Fe；粒度5～30mm。
5.根据权利要求1所述一种高强度高韧性铸态QT700-10的生产方法，其特征在于：所述球化孕育的孕育剂采用Si-Ba合金孕育剂，化学成分为：Si65％～70％，Ba4％～6％，粒度1.5～3mm，所述二次孕育的孕育剂成分与所述球化孕育的孕育剂成分相同，粒度为1～2mm。
6.根据权利要求1所述一种高强度高韧性铸态QT700-10的生产方法，其特征在于：所述第三次孕育的孕育剂采用Si-Bi合金孕育剂；化学成分为：Si68％～75％，Bi0.8％～1.2％,Ca＜2.0％，RE＜1.2％,Al＜1.5％；粒度0.2～0.7mm。
7.根据权利要求1所述一种高强度高韧性铸态QT700-10的生产方法，其特征在于：所述小钢片为无锈低碳钢。
8.根据权利要求1所述一种高强度高韧性铸态QT700-10的生产方法，其特征在于：所述生产方法为节拍生产，落砂温度一致，保证从球化完成到浇注结束时间不超过8分钟，球化反应时间2分钟左右，从出铁球化到整包铁液浇注结束节拍时间不超过10分钟。
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