CN107354370A - 一种铸态铁素体球墨铸铁及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铸态铁素体球墨铸铁及其制备方法，所述铸态铁素体球墨铸铁在壁厚大于500mm的疲劳强度为250‑270MPa，断后伸长率≥24%，室温冲击功≥22J；本发明通过选用特定重量份的优质生铁、优质废钢、硅铁以及增碳剂的配方，并辅以特定配比的电解铜与锑锭复配使用，采用特定的制备方法得到的铸态铁素体球墨铸铁在壁厚大于500mm的疲劳强度为250‑270MPa，断后伸长率≥24%，室温冲击功≥22J，韧性高。

Description

一种铸态铁素体球墨铸铁及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种球墨铸铁，特别涉及一种铸态铁素体球墨铸铁及其制备方法。
背景技术
随着球墨铸铁技术的不断发展，球墨铸铁逐步代替铸钢，成为一种新型的金属材料，铸态铁素体球墨铸铁作为球墨铸铁的一种，已被广泛应用于工程机械、注塑机基础零部件、压铸机基础零部件和风力发电基础或关键零部件等。
球墨铸铁件的力学性能主要以抗拉强度和断后伸长率两个指标为验收指标，疲劳强度作为一项非强制性指标，在实际生产和验收中未被真正重视。然而随着球墨铸铁的广泛应用，尤其是在承受交变应力工况下球墨铸铁件，疲劳破坏是其主要失效形式，断裂突然发生，危险性很大。
球墨铸铁的疲劳强度与基体组织中珠光体数量有关，珠光体含量越多，其疲劳强度也越高。然而，目前工艺的铸态铁素体球墨铸铁的基体主要以铁素体为主，其珠光体数量一般不超过15%，其疲劳强度不会超过230MPa；特别当铸件壁厚大于500mm时，其珠光体含量一般不超过5%，其疲劳强度不会超过200MPa。因为厚，冷却速度慢，很少产生珠光体。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种高疲劳强度高韧性的铸态铁素体球墨铸铁。
本发明所述的铸态铁素体球墨铸铁在壁厚大于500mm的疲劳强度为250-270MPa，断后伸长率≥24%，室温冲击功≥22J。其中，断后伸长率和室温冲击功是用来表征所述铸态铁素体球墨铸铁韧性的两项性能指标，断后伸长率以及室温冲击功越大，说明其韧性越高。
其中，所述疲劳强度的测试方法是按GB/T4337-2008金属材料疲劳试验旋转弯曲方法进行，采用升降法，进行1×107的疲劳极限寿命测试；测量结果数据按GB/T24176-2009金属材料疲劳试验数据统计方案与分析方法计算数据；所述断后伸长率的测试方法是按GB/T228-2010金属材料室温拉伸试验方法进行，采用Φ14的试样，沿试样轴向匀速施加静态拉伸载荷，直到试样断裂的伸长，在整个过程中，测量试样伸长值，可计算出断后伸长率。所述室温冲击功的测试方法是按GB/T229-2007金属夏比摆锤冲击试验方法，试样加工成55mm×10mm×10mm，V型缺口有45度夹角，深度2mm，底部曲率半径为0.25mm，试样在温度23±5℃进行，试样紧贴试验机砧座，锤刃沿缺口对称面打击试样缺口的背面。
此外，本发明还公开了上述铸态铁素体球墨铸铁的制备方法，包括如下步骤：
a）先将65-75重量份的优质生铁全部加入电炉内熔化成液态，熔化温度为1350-1370℃，熔化时间为75-85min，得到熔融铁液；再加入25-35重量份的优质废钢，同时加入0.75-1.18重量份的硅铁和0.47-1.31重量份的增碳剂，全部熔化成液态，熔化温度为1380-1400℃，熔化时间为25-30min；
b）升温至1430-1440℃，取样分析成分符合下列要求：C：3.73-3.78%；Si：1.00-1.10%；Mn≤0.20%；P≤0.030%；S≤0.020%；
c）继续升温至1460-1470℃后，出水球化孕育处理。
其中，所述出水球化孕育处理具体为：球化剂加入量为1.1-1.2wt%，覆盖剂加入量：0.6wt%，全部压在球化剂上；电解铜：0.31-0.37wt%，全部压在球化剂上；孕育剂1加入量：0.6wt%，出水2/3时加入；孕育剂2加入量：0.3wt%，放置在定量浇口杯内随流孕育处理；0.0055-0.0065wt%的锑锭放在定量浇口杯内；其中，浇注温度为1360-1370℃。所述“wt%”是以出铁水重量为基础计算的。
其中，所述优质生铁符合如下要求：C：4.00-4.40%；Si：0.5-0.65%；Mn≤0.15%；P≤0.035%；S≤0.015%；Ti≤0.020%；Cr≤0.015%；V≤0.008%；Pb≤0.002%。
其中，所述优质废钢符合如下要求：C：0.005-0.010%；Si：0.010-0.10%；Mn：0.10-0.20%；P≤0.020%；S：0.002-0.008%；Ti≤0.025%；Zn≤0.010%。
其中，所述硅铁符合如下要求：Si：73.8%；Al≤1.5%。
其中，所述增碳剂符合如下要求：固定碳≥99%；S≤0.020%；粒度：3-5mm。
其中，所述球化剂符合如下要求：Mg：5.5-6.0%；Si：44-46%；Ca：1.00-1.20%；Y：1.20-1.30%；La：0.40-0.50%；Al≤0.80%；粒度：4-32mm；所述覆盖剂符合如下要求：Si：46.9%；Ca：0.52%；Ba：2.03%，Al：0.75%；粒度：2-5mm；所述孕育剂1为高钙钡孕育剂，符合如下要求：Si：72.5%；Ca：1.32%；Ba：2.35%，Al：1.11%；粒度：3-8mm；所述孕育剂2为硫氧孕育剂，符合如下要求：Si：75%；Ca：0.95%；Ce：1.68%，Al：0.95%；S、O适量；粒度：0.7-2mm。
其中，所述电解铜的含铜量为99%；所述锑锭的含锑量为98.3%，破碎成粒度0.5-1.5mm。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明通过选用特定重量份的优质生铁、优质废钢、硅铁以及增碳剂的配方，并辅以特定配比的电解铜与锑锭复配使用，采用特定的制备方法得到的铸态铁素体球墨铸铁在壁厚大于500mm的疲劳强度为250-270MPa，断后伸长率≥24%，室温冲击功≥22J，韧性高。
附图说明
图1为实施例1的铸态铁素体球墨铸铁腐蚀前石墨形态100倍的金相结果；
图2为实施例1的铸态铁素体球墨铸铁腐蚀后基体组织 100倍的金相结果。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明，以下实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受下述实施例的限制。
各性能指标的测试方法：
疲劳强度的测试方法是按GB/T4337-2008金属材料疲劳试验旋转弯曲方法进行，采用升降法，进行1×107的疲劳极限寿命测试；测量结果数据按GB/T24176-2009金属材料疲劳试验数据统计方案与分析方法计算得到。
断后伸长率的测试方法是按GB/T228-2010金属材料室温拉伸试验方法进行，采用Φ14的试样，沿试样轴向匀速施加静态拉伸载荷，直到试样断裂的伸长，在整个过程中，测量试样伸长值，可计算出断后伸长率。
室温冲击功的测试方法是按GB/T229-2007金属夏比摆锤冲击试验方法，试样加工成55mm×10mm×10mm，V型缺口有45度夹角，深度2mm，底部曲率半径为0.25mm，试样在温度23±5℃进行，试样紧贴试验机砧座，锤刃沿缺口对称面打击试样缺口的背面。
抗拉强度Rm的测试方法是按GB/T228-2010金属材料室温拉伸试验方法进行，采用Φ14的试样，沿试样轴向匀速施加静态拉伸载荷，直到试样断裂的伸长，在整个过程中，测量施加在试样上载荷，可计算出抗拉强度值。
硬度的测试方法是按GB/T231.2-2002 金属布氏硬度试验的方法进行。
实施例1
一种铸态铁素体球墨铸铁的制备方法，包括如下步骤：
a）以15吨中频熔炼炉为熔炼设备，先将70重量份的优质生铁（C：4.00-4.40%；Si：0.5-0.65%；Mn≤0.15%；P≤0.035%；S≤0.015%；Ti≤0.020%；Cr≤0.015%；V≤0.008%；Pb≤0.002%）全部加入电炉内熔化成液态（10.5吨），熔化温度为1360℃，熔化时间为80min，得到熔融铁液；再加入30重量份的优质废钢（4.5吨）（C：0.005-0.010%；Si：0.010-0.10%；Mn：0.10-0.20%；P≤0.020%；S：0.002-0.008%；Ti≤0.025%；Zn≤0.010%），同时加入0.97重量份的硅铁（Si：73.8%；Al≤1.5%）和0.89重量份的增碳剂（固定碳≥99%；S≤0.020%；粒度：3-5mm），全部熔化成液态，熔化温度为1390℃，熔化时间为28min；
b）升温至1435℃，取样分析成分符合下列要求：C：3.73-3.78%；Si：1.00-1.10%；Mn≤0.20%；P≤0.030%；S≤0.020%；
c）继续升温至1465℃后，出水球化孕育处理：球化剂（Mg：5.5-6.0%；Si：44-46%；Ca：1.00-1.20%；Y：1.20-1.30%；La：0.40-0.50%；Al≤0.80%；粒度：4-32mm）加入量为1.15wt%，覆盖剂（Si：46.9%；Ca：0.52%；Ba：2.03%，Al：0.75%；粒度：2-5mm）加入量：0.6wt%，全部压在球化剂上；电解铜（含铜量为99%）：0.34wt%，全部压在球化剂上；孕育剂1（高钙钡孕育剂：Si：72.5%；Ca：1.32%；Ba：2.35%，Al：1.11%；粒度：3-8mm）加入量：0.6wt%，出水2/3时加入；孕育剂2（硫氧孕育剂：Si：75%；Ca：0.95%；Ce：1.68%，Al：0.95%；S、O适量；粒度：0.7-2mm）加入量：0.3wt%，放置在定量浇口杯内随流孕育处理；0.006wt%的锑锭（含锑量为98.3%，破碎成粒度0.5-1.5mm）放在定量浇口杯内；其中，浇注温度为1365℃；即得铸态铁素体球墨铸铁；制备得到的铸态铁素体球墨铸铁的金相结果如图1和图2所示，在壁厚大于500mm的疲劳强度、断后伸长率、硬度、抗拉强度Rm、室温冲击功如表1所示。
实施例2
步骤a）中优质生铁、优质废钢、增碳剂、硅铁的重量份分别是65重量份、35重量份、0.75重量份和1.31重量份，其他同实施例1；制备得到的铸态铁素体球墨铸铁在壁厚大于500mm的疲劳强度、断后伸长率、硬度、抗拉强度Rm、室温冲击功如表1所示。
实施例3
步骤a）中优质生铁、优质废钢、增碳剂、硅铁的重量份分别是75重量份、25重量份、1.18重量份和0.47重量份，其他同实施例1；制备得到的铸态铁素体球墨铸铁在壁厚大于500mm的疲劳强度、断后伸长率、硬度、抗拉强度Rm、室温冲击功如表1所示。
实施例4
步骤c）中电解铜的加入量为0.31wt%，锑锭的加入量为0.0065wt%，其他同实施例1；制备得到的铸态铁素体球墨铸铁在壁厚大于500mm的疲劳强度、断后伸长率、硬度、抗拉强度Rm、室温冲击功如表1所示。
实施例5
步骤c）中电解铜的加入量为0.37wt%，锑锭的加入量为0.0055wt%，其他同实施例1；制备得到的铸态铁素体球墨铸铁在壁厚大于500mm的疲劳强度、断后伸长率、硬度、抗拉强度Rm、室温冲击功如表1所示。
对比例1：
a）以15吨中频熔炼炉为熔炼设备，先将20重量份的Q10生铁和30重量份球铁回炉料全部加入电炉内熔化成液态（7.5吨），熔化温度为1365℃，熔化时间为54min，得到熔融铁液；再加入50重量份的废钢（7.5吨），同时加入1.88重量份的增碳剂，全部熔化成液态，熔化温度为1384℃，熔化时间为58min；
b）升温至1432℃，取样分析成分符合下列要求：C：3.68%；Si：1.07%；Mn≤0.30%；P≤0.030%；S≤0.020%；
c）继续升温至1467℃后，出水球化孕育处理。
其中，所述出水球化孕育处理具体为：球化剂加入量为1.3wt%，75SiFe加入量：0.5wt%，全部压在球化剂上；；孕育剂1加入量：0.4wt%，出水2/3时加入；孕育剂2加入量：0.2wt%，放置在定量浇口杯内随流孕育处理；其中，浇注温度为1360-1370℃。
其中，所述Q10生铁符合如下要求：C：4.48%；Si：1.04%；Mn：0.28%；P：0.051%；S：0.025%；Ti≤0.040%；Cr≤0.015%。
其中，所述球铁回炉料符合如下要求：C：3.59%；Si：2.52%；Mn：0.38%；P：0.024%；S：0.015%。
其中，所述废钢符合如下要求：C：0.21%；Si：0.27%；Mn：0.18%；P：0.020%；S：0.009%。
其中，所述增碳剂符合如下要求：固定碳：99%；S：0.018%；粒度：3-5mm。
其中，所述球化剂符合如下要求：Mg：7.24%；Si：45.1%；Ca：1.38%；Y：2.08%；Al：1.00%；粒度：4-32mm；所述75SiFe符合如下要求：Si：74.6%；Al：0.85%；粒度：3-8mm；所述孕育剂1为高钙钡孕育剂，符合如下要求：Si：72.5%；Ca：1.32%；Ba：2.35%；Al：1.11%；粒度：3-8mm；所述孕育剂2为硫氧孕育剂，符合如下要求：Si：75%；Ca：0.95%；Ce：1.68%，Al：0.95%；S、O适量；粒度：0.7-2mm。
制备得到的铸态铁素体球墨铸铁在壁厚大于500mm的疲劳强度、断后伸长率、硬度、抗拉强度Rm、室温冲击功如表1所示。
对比例2
步骤a）中优质生铁、优质废钢、增碳剂、硅铁的重量份分别是55重量份、30重量份、0.97重量份和0.89重量份，15重量份为非优质生铁和非优质废钢，其他同实施例1；制备得到的铸态铁素体球墨铸铁在壁厚大于500mm的疲劳强度、断后伸长率、硬度、抗拉强度Rm、室温冲击功如表1所示。
对比例3
步骤a）中优质生铁、优质废钢、增碳剂、硅铁的重量份分别是70重量份、20重量份、0.97重量份和0.89重量份，10重量份为非优质生铁和非优质废钢，其他同实施例1；制备得到的铸态铁素体球墨铸铁在壁厚大于500mm的疲劳强度、断后伸长率、硬度、抗拉强度Rm、室温冲击功如表1所示。
对比例4
步骤a）中优质生铁、优质废钢、增碳剂、硅铁的重量份分别是70重量份、30重量份、1.50重量份和0.89重量份，其他同实施例1；制备得到的铸态铁素体球墨铸铁在壁厚大于500mm的疲劳强度、断后伸长率、硬度、抗拉强度Rm、室温冲击功如表1所示。
对比例5
步骤a）中优质生铁、优质废钢、增碳剂、硅铁的重量份分别是70重量份、30重量份、0.97重量份和1.5重量份，其他同实施例1；制备得到的铸态铁素体球墨铸铁在壁厚大于500mm的疲劳强度、断后伸长率、硬度、抗拉强度Rm、室温冲击功如表1所示。
对比例6
步骤c）中电解铜的加入量为0.37wt%，锑锭的加入量为0.0010wt%，其他同实施例1；制备得到的铸态铁素体球墨铸铁在壁厚大于500mm的疲劳强度、断后伸长率、硬度、抗拉强度Rm、室温冲击功如表1所示。
对比例7
步骤c）中电解铜的加入量为0.10wt%，锑锭的加入量为0.0055wt%，其他同实施例1；制备得到的铸态铁素体球墨铸铁在壁厚大于500mm的疲劳强度、断后伸长率、硬度、抗拉强度Rm、室温冲击功如表1所示。

Claims (10)

1.一种铸态铁素体球墨铸铁在壁厚大于500mm的疲劳强度为250-270MPa，断后伸长率≥24%，室温冲击功≥22J。
2.根据权利要求1所述的铸态铁素体球墨铸铁，其特征在于，所述疲劳强度的测试方法是按GB/T4337-2008金属材料疲劳试验旋转弯曲方法进行，采用升降法，进行1×107的疲劳极限寿命测试；测量结果数据按GB/T24176-2009金属材料疲劳试验数据统计方案与分析方法计算得到；所述断后伸长率的测试方法是按GB/T228-2010金属材料室温拉伸试验方法进行，采用Φ14的试样，沿试样轴向匀速施加静态拉伸载荷，直到试样断裂的伸长，在整个过程中，测量试样伸长值，可计算出断后伸长率；所述室温冲击功的测试方法是按GB/T229-2007金属夏比摆锤冲击试验方法，试样加工成55mm×10mm×10mm，V型缺口有45度夹角，深度2mm，底部曲率半径为0.25mm，试样在温度23±5℃进行，试样紧贴试验机砧座，锤刃沿缺口对称面打击试样缺口的背面。
3.一种如权利要求1或2所述的铸态铁素体球墨铸铁的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a）先将65-75重量份的优质生铁全部加入电炉内熔化成液态，熔化温度为1350-1370℃，熔化时间为75-85min，得到熔融铁液；再加入25-35重量份的优质废钢，同时加入0.75-1.18重量份的硅铁和0.47-1.31重量份的增碳剂，全部熔化成液态，熔化温度为1380-1400℃，熔化时间为25-30min；
b）升温至1430-1440℃，取样分析成分符合下列要求：C：3.73-3.78%；Si：1.00-1.10%；Mn≤0.20%；P≤0.030%；S≤0.020%；
c）继续升温至1460-1470℃后，出水球化孕育处理。
4.根据权利要求3所述的铸态铁素体球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述出水球化孕育处理具体为：球化剂加入量为1.1-1.2wt%，覆盖剂加入量：0.6wt%，全部压在球化剂上；电解铜：0.31-0.37wt%，全部压在球化剂上；孕育剂1加入量：0.6wt%，出水2/3时加入；孕育剂2加入量：0.3wt%，放置在定量浇口杯内随流孕育处理；0.0055-0.0065wt%的锑锭放在定量浇口杯内；其中，浇注温度为1360-1370℃。
5.根据权利要求3所述的铸态铁素体球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述优质生铁符合如下要求：C：4.00-4.40%；Si：0.5-0.65%；Mn≤0.15%；P≤0.035%；S≤0.015%；Ti≤0.020%；Cr≤0.015%；V≤0.008%；Pb≤0.002%。
6.根据权利要求3所述的铸态铁素体球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述优质废钢符合如下要求：C：0.005-0.010%；Si：0.010-0.10%；Mn：0.10-0.20%；P≤0.020%；S：0.002-0.008%；Ti≤0.025%；Zn≤0.010%。
7.根据权利要求3所述的铸态铁素体球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述硅铁符合如下要求：Si：73.8%；Al≤1.5%。
8.根据权利要求3所述的铸态铁素体球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述增碳剂符合如下要求：固定碳≥99%；S≤0.020%；粒度：3-5mm。
9.根据权利要求4所述的铸态铁素体球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述球化剂符合如下要求：Mg：5.5-6.0%；Si：44-46%；Ca：1.00-1.20%；Y：1.20-1.30%；La：0.40-0.50%；Al≤0.80%；粒度：4-32mm；所述覆盖剂符合如下要求：Si：46.9%；Ca：0.52%；Ba：2.03%，Al：0.75%；粒度：2-5mm；所述孕育剂1为高钙钡孕育剂，符合如下要求：Si：72.5%；Ca：1.32%；Ba：2.35%，Al：1.11%；粒度：3-8mm；所述孕育剂2为硫氧孕育剂，符合如下要求：Si：75%；Ca：0.95%；Ce：1.68%，Al：0.95%；S、O适量；粒度：0.7-2mm。
10.根据权利要求4所述的铸态铁素体球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述电解铜的含铜量为99%；所述锑锭的含锑量为98.3%，破碎成粒度0.5-1.5mm。
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