CN106947911A - 一种高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁及其制备方法和应用，其成分如下：C 3.3～3.8%、Si 2.5～2.8%、Mn 0.2～0.3%、Cr ≤0.02%、Ni 0.50～0.80%、Mo 0.25～0.40%、Cu 0.7～1.0%、P≤0.025%、S ≤0.016%、残留Mg 0.03～0.05%、Re 0.006～0.01%，余量为铁。本发明等温淬火球铁具有高强度、高韧性、高耐磨性的优点，和现有等温淬火球铁相比克服了提高强度和硬度的同时韧性降低的不足。本发明球铁材料性能优异，能够适合使用环境恶劣的矿用车，可以将其用于矿用车板簧支座、导向板等，具有很好的应用前景。

Description

一种高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及等温淬火铸铁材料技术领域，特别涉及一种高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁及其制备方法和应用。
背景技术
上世纪七十年代开始发展起来的等温淬火球铁（Austempered Ductile Iron简称ADI）新材料，具有高强度高耐磨性且兼有一定的韧性，在汽车、农机、建材、铁路、通用机械等众多领域得到了应用。2009年我国首次发布了GB/T 24733-2009《等温淬火球墨铸铁件》标准，力学性能指标（抗拉强度Mpa/伸长率%/硬度HBW）为800/10/270-340 , 900/8/270-340 , 1050/6/310-380, 1200/3/340-420, 1400/1/380-480,由此可以看出，随着强度和硬度的增加，ADI的韧性逐渐降低，如何使ADI在保持高强度、高硬度下提高韧性是个难题。
随着机械行业的发展，对球铁件的力学性能要求越来越高，特别是使用环境恶劣的矿用车，其板簧支座、导向板要求具有较高强度、较好的韧性和较强的耐磨性，以实现高可靠性和轻量化的目的。但在目前条件下，能达到上述性能要求的球铁材料较少，难以在满足高强度、高硬度的同时满足高韧性的要求。
中国专利CN101876026A公开了一种高韧性兼高强度的ADI件及其制造方法，该ADI件中各元素的质量百分量为： C ：3.6～3.9%、Si：2.5～2.7%、Mn：0.2～0.3%、P≤0.03%、S≤0.012%、Mo：0.2～0.3%、Cu：0.6～0.8%、Ni：0.5～0.8%，余量为Fe和不可避免的杂质，其伸长率为12.5~14.5%，冲击韧度为125-140J/cm3,抗拉强度为990-1080Mpa。中国专利CN103205625A公开了一种高强韧等温淬火球铁，由球墨铸铁经等温淬火处理获得，所述高强韧等温淬火球铁的化学成分及其质量百分比含量为： C ：3.0～4.0%、Si：2.5～3.5%、Mn：0.1（1+L）%、P≤0.05%、S≤0.02%、Mg＜0.06%，Re＜0.009%、Mo：0.1L%、Ni：0.3L%、Cu：0.4～0.6%，余量为Fe，L=壁厚/30 -1。其伸长率大于10%，冲击韧度超过100J/cm3,抗拉强度大于950Mpa，布氏硬度为250~285HBS。中国专利CN201510415039.4公开了一种等温淬火球铁及其生产推力杆端头的方法，所述等温淬火球铁的化学成分及其质量百分比含量为：C ：3.4～3.8%、Si：2.3～2.7%、Mn：≤0.35%、P：≤0.04%、S：≤0.02%、Mg：0.03～0.05%、Cu：0.3～0.5%、Ni：0.5～0.8%，余量为Fe及不可避免的夹杂。其力学性能为：伸长率为8～10%，布氏硬度为270~340HBS，抗拉强度900～1028Mpa。以上几个专利硬度偏低，不能满足重型矿用卡车板簧支座、导向板的使用要求。
中国专利 CN103320681A公开了一种等温淬火球铁及其工艺，所述等温淬火球铁中各化学成分及其质量百分比含量为： C ：3.3～3.8%、Si：2.3～3.2%、Mn：1.0～2.5%、P：0.01～0.05%、S：0.005～0.02%、Mg：0.025～0.045%，Re：0.0:15～0.03%、Nb：0～0.2%、Cu：0.3～1.0%、B：0.01～0.08%、Cr：0.1～0.3%，其余为Fe 。其冲击韧度15~30J/cm3,抗拉强度大于1400Mpa，硬度为HRC42~46。该专利虽然抗拉强度、硬度高，但是冲击韧度较低，也不能满足重型矿用卡车板簧支座、导向板等的使用要求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁，该等温淬火球铁能够同时满足高强度、高韧性和高耐磨性，可以满足矿用卡车的要求。
本发明还提供了上述高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁的制备方法，该方法操作简便、易于实施，所得产品性能好，便于工业化推广应用。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁，其由以下质量百分含量的成分组成：C 3.3～3.8%、Si 2.5～2.8%、Mn 0.2～0.3%、Cr ≤0.02%、Ni 0.50～0.80%、Mo 0.25～0.40%、Cu0.7～1.0%、P≤0.025%、 S ≤0.016%、残留Mg 0.03～0.05%、Re 0.006～0.01%，余量为铁。
进一步的，该等温淬火球铁由以下质量百分含量的成分组成：C 3.65～3.76%、Si2.5～2.67%、Mn 0.21～0.25%、Cr ≤0.017%、Ni 0.5～0.59%、Mo 0.28～0.35%、Cu 0.7～0.91%、P≤0.023%、 S ≤0.014%，残留Mg 0.032～0.034%、Re 0.007～0.009%，余量为铁。
进一步的，该等温淬火球铁由以下质量百分含量的成分组成：C 3.71%、Si 2.67%、Mn 0.23%、Cr 0.016%、Ni 0.59%、Mo 0.32%、Cu 0.88%、P 0.021%、 S 0.013%、残留Mg0.034%、Re 0.009%，余量为铁。
进一步的，该等温淬火球铁由以下质量百分含量的成分组成：C 3.75%、Si 2.5%、Mn 0.21%、Cr 0.016%、Ni 0.50%、Mo 0.32%、Cu 0.8%、P 0.021%、 S 0.013%、残留Mg0.032%、Re0.007%，余量为铁。
进一步的，该等温淬火球铁由以下质量百分含量的成分组成：C 3.8%、Si 2.6%、Mn0.2%、Cr 0.015%、Ni 0.80%、Mo 0.25%、Cu 0.2%、P 0.01%、 S 0.015%、残留Mg 0.04%、Re0.009%，余量为铁。
进一步的，该等温淬火球铁由以下质量百分含量的成分组成：C 3.3%、Si 2.52%、Mn 0.25%、Cr 0.013%、Ni 0.8%、Mo 0.4%、Cu 0.9%、P 0.015%、 S 0.016%、残留Mg 0.04%、Re0.006%，余量为铁。
进一步的，该等温淬火球铁由以下质量百分含量的成分组成：C 3.65%、Si 2.67%、Mn 0.30%、Cr 0.014%、Ni 0.59%、Mo 0.28%、Cu 1.0%、P 0.02%、 S 0.014%、残留Mg 0.05%、Re0.01%，余量为铁。
本发明高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁，其球化级别：大于2级，石墨球大小：6级以上，石墨球数不少于150个/平方毫米。该高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁的基体组织为：细针状铁素体：80~93体积%、富碳奥氏体：7~20体积%。
本发明提供了上述高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁的制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）根据等温淬火球铁的成分组成配备原材料，将各原材料装入中频电炉熔炼，得原铁液，将原铁液升温至1500～1520℃，再进行球化、孕育处理，得终铁液，然后将终铁液浇入铸型，得到球铁铸件毛坯，球铁铸件毛坯的各组分组成与上述高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁的组成相同；
（3）将球铁铸件毛坯升温至905-940℃,保温80-100分钟，进行奥氏体化处理，然后在保护性气氛下用盐浴等温淬火，盐浴温度为260-275℃，时间为90-120min；
（4）盐浴等温淬火后，将球铁铸件毛坯在空气中自然冷却，即得高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁。
上述制备方法中，以生铁、硅铁、废钢、回炉料作为C、Si、Mn的主要来源，以镍铁、钼铁、电解铜为Ni、Mo、Cu的主要来源，其他组分通过这些原料或者孕育剂、球化剂带入。
本发明等温淬火球铁具有高强度、高韧性、高耐磨性的特点，可以用于矿用车中，作为矿用车板簧座或导向板的材质。在矿用车上，板簧座、导向板等与板簧接触，尤其板簧座起支撑板簧的作用。矿车行驶的路况条件差，矿车行驶中板簧在板簧座和导向板表面不断滑动，对板簧座和导向板的接触面进行摩擦。现有板簧座基本都采用铸钢材质（铸钢表面进行感应淬火），板簧座和导向板失效比较快，采用本发明等温淬火球铁作为板簧座和导向板的材质后，因为优异的性能，大大提高了矿车板簧座和导向板的使用寿命。
本发明通过配料--中频炉熔炼--球化--孕育--浇注成型--奥氏体化处理--等温淬火处理，得到高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁材料。将浇注成型的工件进行奥氏体化处理，使奥氏体碳饱和，奥氏体化处理后的工件使用盐浴快速冷却到了马氏体开始转变温度以上进行等温淬火，使珠光体转变为细针状铁素体和富碳奥氏体，有效提高了产品的硬度及耐磨性。通过对球铁成分的选择和控制，以及搭配制备工艺，能够稳定生产出抗拉强度Rm≥1300MPa、屈服强度Rp0.2≥900MPa、断后伸长率≥3.5％、表面硬度400-450HBW（43-47HRC）的高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁材料，和现有等温淬火球铁相比，克服了提高强度和硬度的同时韧性降低的不足。本发明球铁材料性能优异，能够适合使用环境恶劣的矿用车，可以将其用于矿用车板簧支座、导向板等，具有很好的应用前景。
附图说明
图1是实施例1所得等温淬火球铁的金相显微镜图片；
图2是实施例2所得等温淬火球铁的金相显微镜图片；
图3是实施例3所得等温淬火球铁的金相显微镜图片；
图4是实施例4所得等温淬火球铁的金相显微镜图片；
图5是实施例5所得等温淬火球铁的金相显微镜图片。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施实例来进一步说明。下述实施例仅是示例性的，并不对其内容进行限定。下述实施例中，如无特别说明，所述百分含量均为质量百分含量。
实施例1
制备高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁，步骤如下：
1、制备铁液：以生铁、硅铁、废钢、回炉料为碳、硅、Mn的主要来源，以镍铁、钼铁、电解铜等合金调整Ni、Mo、Cu的含量，按最终铁液的要求计算各原材料配比，将各原材料按要求装入中频电路熔炼，待铁液化清，温度在1320-1360℃时测铁液成分，调整铁液后得原铁液，将原铁液继续升温至1500～1520℃出炉；通过冲入法球化处理，在1吨球化包内放入1wt%的球化剂与1.1wt%的孕育剂，用铁屑覆盖，冲入原铁液后静止1分钟，倒入浇注包，在浇注时进行随流孕育，孕育剂量为0.8-1.1wt%，所得最终铁液的组成为：C 3.75%、Si 2.5%、Mn 0.21%、Cr 0.016%、Ni 0.50%、Mo 0.32%、Cu 0.8%、P 0.021%、 S 0.013%、残留Mg 0.032%、Re0.007%，余量为铁。
所用球化剂和孕育剂成分如下：
2、将终铁液浇入铸型，得到球铁铸件毛坯。通过金相显微镜观测，所得铸件毛坯的铸态组织为珠光体球铁，珠光体的含量大于70%，球化率在80%以上，即球化级别达到2级以上，石墨球大小在6级以上，石墨球数大于150个/mm2。
3、将球铁铸件毛坯进行奥氏体化处理，使奥氏体碳饱和，奥氏体化温度为905℃,保温时间为90分钟，温度偏差±5℃，然后在封闭保护性气氛下将球铁铸件毛坯快速转移到工业盐的熔盐槽内，冷却至马氏体开始转变温度以上，进行盐浴等温淬火处理，盐浴温度为270℃，时间为120min，温度偏差±5℃；
4、盐浴等温淬火后，将球铁铸件毛坯在空气中自然冷却，即得等温淬火球铁。
通过金相显微镜观测，等温淬火球铁的基体组织（见图1）由以下体积百分比的组分组成：细针状铁素体：92%，富碳奥氏体：8%。
对所得等温淬火球铁的性能进行检测，结果如表3所示，性能均高于国标GB/T24733-2009《等温淬火球墨铸铁件》标准要求。其中，抗拉强度采用液压强度试验机测试，表面硬度采用布氏硬度计测试。
从表中数据可以看出，本发明等温淬火球铁综合机械性能好，同时具有高强度、高韧性和高耐磨性。
实施例2
按照实施例1的方法制备球铁铸件毛坯，不同的是：经过球化孕育处理，浇注时终铁液成分为：C 3.8%、Si 2.6%、Mn 0.2%、Cr 0.015%、Ni 0.80%、Mo 0.25%、Cu 0.2%、P 0.01%、 S0.015%、残留Mg 0.04%、Re0.009%，余量为铁。
将球铁铸件毛坯进行等温淬火处理：奥氏体化温度为920℃,保温时间为80分钟，温度偏差±5℃，然后在封闭保护性气氛下将球铁铸件毛坯快速转移到工业盐的熔盐槽内，冷却至马氏体开始转变温度以上，进行盐浴等温淬火处理，盐浴温度为260℃，时间为90min，温度偏差±5℃；盐浴等温淬火后，将球铁铸件毛坯在空气中自然冷却，即得等温淬火球铁。
通过金相显微镜观测，所得等温淬火球铁的基体组织（见图2）由以下体积百分比的组分组成：细针状铁素体：93%，富碳奥氏体：7%。
对所得等温淬火球铁的性能进行检测，性能均高于国标GB/T 24733-2009《等温淬火球墨铸铁件》标准的要求性能。结果如下：
实施例3
按照实施例1的方法制备球铁铸件毛坯，不同的是：经过球化孕育处理，浇注时终铁液成分为：C 3.3%、Si 2.52%、Mn 0.25%、Cr 0.013%、Ni 0.8%、Mo 0.4%、Cu 0.9%、P 0.015%、 S0.016%、残留Mg 0.04%、Re 0.006%，余量为铁。
将球铁铸件毛坯进行等温淬火处理：奥氏体化温度为940℃,保温时间为100分钟，温度偏差±5℃，然后在封闭保护性气氛下将球铁铸件毛坯快速转移到工业盐的熔盐槽内，冷却至马氏体开始转变温度以上，进行盐浴等温淬火处理，盐浴温度为275℃，时间为100min，温度偏差±5℃；盐浴等温淬火后，将球铁铸件毛坯在空气中自然冷却，即得等温淬火球铁。
通过金相显微镜观测，所得等温淬火球铁的基体组织（见图3）由以下体积百分比的组分组成：细针状铁素体：90%，富碳奥氏体：10%。
对所得等温淬火球铁的性能进行检测，性能均高于国标GB/T 24733-2009《等温淬火球墨铸铁件》标准的要求性能。结果如下：
实施例4
按照实施例1的方法制备高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁，不同的是：步骤1中制得的铁液原铁水组分如下：C 3.65%、Si 2.67%、Mn 0.30%、Cr 0.014%、Ni 0.59%、Mo 0.28%、Cu 1.0%、P 0.02%、 S 0.014%、残留Mg 0.05%、Re0.01%，余量为铁。
将球铁毛坯进行等温淬火处理：奥氏体化温度为910℃,保温时间为90分钟，温度偏差±5℃，然后在封闭保护性气氛下将球铁铸件毛坯快速转移到工业盐的熔盐槽内，冷却至马氏体开始转变温度以上，进行盐浴等温淬火处理，盐浴温度为275℃，时间为100min，温度偏差±5℃；
通过金相显微镜观测，所得等温淬火球铁的基体组织（见图4）由以下体积百分比的组分组成：细针状铁素体：89%，富碳奥氏体：11%。
对所得等温淬火球铁的性能进行检测，性能均高于国标GB/T 24733-2009《等温淬火球墨铸铁件》标准的要求性能。结果如下：
实施例5
按照实施例1的方法制备高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁，不同的是：步骤1中制得的铁液原铁水组分如下：C 3.71%、Si 2.67%、Mn 0.23%、Cr 0.016%、Ni 0.59%、Mo 0.32%、Cu 0.88%、P 0.021%、 S 0.013%、残留Mg 0.034%、Re 0.009%，余量为铁。
将球铁铸件毛坯进行等温淬火处理：奥氏体化温度为910℃,保温时间为90分钟，温度偏差±5℃，然后在封闭保护性气氛下将球铁铸件毛坯快速转移到工业盐的熔盐槽内，冷却至马氏体开始转变温度以上，进行盐浴等温淬火处理，盐浴温度为270℃，时间为120min，温度偏差±5℃；盐浴等温淬火后，将球铁铸件毛坯在空气中自然冷却，即得等温淬火球铁。
通过金相显微镜观测，所得等温淬火球铁的基体组织（见图5）由以下体积百分比的组分组成：细针状铁素体：83%，富碳奥氏体：17%。
对所得等温淬火球铁的性能进行检测，性能均高于国标GB/T 24733-2009《等温淬火球墨铸铁件》标准的要求性能。结果如下：
对比例1
按照实施例1的方法制备高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁，不同的是：步骤1中制得的铁液组分如下：C 3.75%、Si 2.65%、Mn 0.5%、Cr 0.2%、Ni 0.30%、Mo 0.1%、Cu 0.45%、P0.02%、 S 0.015%、残留Mg 0.04%、Re 0.006%，余量为铁。
对所得等温淬火球铁的性能进行检测，其抗拉强度Rm为1035 MPa、屈服强度Rp0.2为780MPa、断后伸长率为3.0%、表面硬度为361 HBW。
本发明采用奥氏体化处理和盐浴等温淬火处理，制得基体组织理想的等温淬火球铁，具有硬度高、强度高、韧性适当、抗磨性强等优点。该等温淬火球铁综合力学性能好，抗拉强度Rm≥1300MPa、屈服强度Rp0.2≥900MPa、断后伸长率≥3.5％、表面硬度400-450HBW（43-47HRC），性能均高于国标要求。

Claims (10)

1.一种高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁，其特征是由以下质量百分含量的成分组成：C 3.3～3.8%、Si 2.5～2.8%、Mn 0.2～0.3%、Cr ≤0.02%、Ni 0.50～0.80%、Mo 0.25～0.40%、Cu 0.7～1.0%、P≤0.025%、 S ≤0.016%、残留Mg 0.03～0.05%、Re 0.006～0.01%，余量为铁。
2.根据权利要求1所述的高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁，其特征是由以下质量百分含量的成分组成：C 3.65～3.76%、Si 2.5～2.67%、Mn 0.21～0.25%、Cr ≤0.017%、Ni0.5～0.59%、Mo 0.28～0.35%、Cu 0.7～0.91%、P≤0.023%、 S ≤0.014%，残留Mg 0.032～0.034%、Re 0.007～0.009%，余量为铁。
3.根据权利要求1所述的高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁，其特征是由以下质量百分含量的成分组成：C 3.71%、Si 2.67%、Mn 0.23%、Cr 0.016%、Ni 0.59%、Mo 0.32%、Cu0.88%、P 0.021%、 S 0.013%、残留Mg 0.034%、Re 0.009%，余量为铁。
4.根据权利要求1所述的高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁，其特征是由以下质量百分含量的成分组成：C 3.75%、Si 2.5%、Mn 0.21%、Cr 0.016%、Ni 0.50%、Mo 0.32%、Cu0.8%、P 0.021%、 S 0.013%、残留Mg 0.032%、Re0.007%，余量为铁。
5.根据权利要求1所述的高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁，其特征是由以下质量百分含量的成分组成：C 3.8%、Si 2.6%、Mn 0.2%、Cr 0.015%、Ni 0.80%、Mo 0.25%、Cu0.2%、P 0.01%、 S 0.015%、残留Mg 0.04%、Re0.009%，余量为铁。
6.根据权利要求1所述的高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁，其特征是由以下质量百分含量的成分组成：C 3.3%、Si 2.52%、Mn 0.25%、Cr 0.013%、Ni 0.8%、Mo 0.4%、Cu0.9%、P 0.015%、 S 0.016%、残留Mg 0.04%、Re 0.006%，余量为铁。
7.根据权利要求1所述的高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁，其特征是由以下质量百分含量的成分组成：C 3.65%、Si 2.67%、Mn 0.30%、Cr 0.014%、Ni 0.59%、Mo 0.28%、Cu1.0%、P 0.02%、 S 0.014%、残留Mg 0.05%、Re0.01%，余量为铁。
8.根据权利要求1所述的高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁，其特征是：其基体组织为：细针状铁素体：80~93体积%、富碳奥氏体：7~20体积%。
9.一种权利要求1所述的高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁的制备方法，其特征是包括以下步骤：
（1）根据等温淬火球铁的成分组成配备原材料，将各原材料装入中频电炉熔炼，得原铁液，将原铁液升温至1500～1520℃，再进行球化、孕育处理，得终铁液，然后将终铁液浇入铸型，得到球铁铸件毛坯，球铁铸件毛坯组成为：C 3.3～3.8%、Si 2.5～2.8%、Mn 0.2～0.3%、Cr ≤0.02%、Ni 0.50～0.80%、Mo 0.25～0.40%、Cu 0.7～1.0%、P≤0.025%、 S ≤0.016%、残留Mg 0.03～0.05%、Re 0.006～0.01%，余量为铁；
（3）将球铁铸件毛坯升温至905-940℃,保温80-100分钟，进行奥氏体化处理，然后在保护性气氛下用盐浴等温淬火，盐浴温度为260-275℃，时间为90-120min；
（4）盐浴等温淬火后，将球铁铸件毛坯在空气中自然冷却，即得高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁。
10.权利要求1所述的高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁在矿用车中的应用，优选作为矿用车板簧座或导向板的材质。
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