CN108624803A

CN108624803A - 球墨铸合金

Info

Publication number: CN108624803A
Application number: CN201810244212.2A
Authority: CN
Inventors: K.帕皮斯; S.维尔施克
Original assignee: Georg Fischer Co Ltd; Georg Fischer Eisenguss GmbH; Georg Fischer Automotive AG; George Fischer Metal Forming Technology (kunshan) Co Ltd; Georg Fischer Automobilguss GmbH Germany
Current assignee: Georg Fischer Co Ltd; Georg Fischer Eisenguss GmbH; Georg Fischer Automotive AG; George Fischer Metal Forming Technology (kunshan) Co Ltd; Georg Fischer Automobilguss GmbH Germany
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2018-10-09
Also published as: JP2018162516A; EP3243920B1; BR102018004643A2; EP3243920A1; JP7369513B2; US20180274066A1; KR20180108495A; MX2018003248A

Abstract

本发明涉及球墨铸合金和由其制成的铸件及其产生方法，球墨铸合金具有用于铸铁产品的珠光体‑铁素体微结构，并且甚至在铸造状态具有高强度与优良延展性和韧性的组合，包含C、Si、Ni、Mn、Cu、Mg、Cr、Al、P、S和正常杂质作为非铁组分，其特征在于所述球墨铸合金包含2.8至3.7%重量C，1.5至4%重量Si，1至6.2%重量Ni，0.02至0.05%重量P，0.025至0.06%重量Mg，0.01至0.03%重量Cr，0.003至0.3%重量Al，0.0005至0.012%重量S，0.03至1.5%重量Cu，和0.1至2%重量Mn，余量Fe和不可避免的杂质，其中在所述铸造状态中在未随后热处理的球墨铸合金达到≥600MPa的0.2%补偿屈服强度，和≥750MPa的拉伸强度与2至10%的A5断裂伸长的优良延展性的组合的高静强度。

Description

球墨铸合金

本发明涉及一种球墨铸合金，该球墨铸合金具有用于铸铁产品的珠光体-铁素体微结构，甚至在铸造状态中在未随后热处理的情况下具有≥600MPa的0.2%补偿屈服强度，和≥750MPa的拉伸强度与2%至10%的断裂伸长率的优良延展性的组合的高静强度，包含非铁组分C、Si、P、Mg、S、Mn和Ni以及正常杂质。用于机动车构造的可能用途例如为底架组件(如轮架)、结构机动车组件以及曲轴。

为了潜在利用减重显示较高强度的较高强度铸铁合金正越来越多地用于机动车构造。由于成本原因，焦点集中在可能时免除任何热处理过程，并以只适中量的合金组分得到所需机械性质。

EP 1 225 239 A1公开一种较高强度贝氏体球墨铸合金，该合金包含2至4%重量的Ni和0.05至0.45%重量的Mn作为非铁组分，且该Ni-Mn范围用于调节可变的强度-伸长比。为了实施本发明，优选非铁组分为3.1至4%重量C和1.8至3%重量Si。在此微结构中具有这种组成的材料显示650至850MPa的高拉伸强度和≥500MPa的0.2%补偿屈服强度与14.5至7%的断裂伸长率的组合。虽然这些性质不用热处理得到，但可得到的强度受合金组成限制。

DE 10 2004 040 056 A1公开另一种铸铁合金，该合金被描述为高强度，并且耐磨和耐腐蚀。它由3至4.2%重量C、1至3.5%重量Si、1至6%重量Ni、≤5%重量Cr、≤3%重量Cu、≤3%重量Mo、≤1%重量Mn、≤1%重量V、≤0.4%重量P、≤0.1%重量S、≤0.08%重量Mg、≤0.3%重量Sn和生产相关杂质组成。这些宽合金范围得到具有不同比例的奥氏体(<20%)、马氏体(<30%)、珠光体(<50%)和碳化物(<15%)的>50%针状铁素体的多种基质组成，石墨形成不限于球形石墨，也可以为蠕虫型和薄片型。可为活塞环的使用实例达到的弯曲断裂强度>1100MPa，且硬度为320 HB2.5；强调未更详细说明的高韧性/延展性。然而，在微结构中具有高达15%碳化物含量的合金变体的情况下，可特别显著减小断裂伸长率。在小壁厚度(模量≤1.5cm)的情况下，在<700℃的温度下回火形式的另外的过程步骤也可能是必要的。

从CA 122 40 66 A1/US 448 49 53A了解一种较高强度球墨铸合金，该球墨铸合金包含3至3.6%重量C、3.5至5%重量Si、0.7至5%重量Ni、0至0.3%重量Mo、0.2至0.4%重量Mn、≤0.06%重量P和≤0.015%重量S作为非铁组分。在此的缺点是需要铁素体化热处理对其绝对必要的铁素体-贝氏体微结构达到≥950MPa的指示拉伸强度、≥550MPa的0.2%补偿屈服强度和6至10%的断裂伸长率。

US 370 22 69 A公开一种高强度相对较高合金的球墨铸合金，其非铁组分包括2.6至4%重量C、1.5至4%重量Si、6至11%重量Ni、≤7%重量Co、≤0.4%重量Mo、≤1%重量Mn和≤0.2%重量Cr。≥1000MPa的高拉伸强度是由于细粒贝氏体微结构，目标微结构必须通过回火形式的必要热处理设定，这继而需要另外的费用。

US 585 35 04 A描述一种铁基相对较高合金的铸材，其非铁组分包括0.8至3.5%重量C、1至7%重量Si、5至15%重量Ni、≤1%重量Mn、≤2%重量Cr、≤1%重量至少一种选自Mg、Ca和Ce的元素和≤2%重量至少一种选自Mo、Nb、Ti和V的元素。该材料以在微结构中至少30%马氏体的比例具有至少250HV的硬度；石墨形成主要为球形。研磨盘作为目标产品提到，优选用于半导体制造。尽管任选热处理，但由于在合金中存在5至10%碳化物和大部分马氏体基质，可只预期低断裂伸长率。由于安全原因，这排除用于动态应力机动车铸造产品，如结构/底架组件。

从US 354 94 30 A了解一种较高强度贝氏体球墨铸合金，其中球墨铸合金包含2.9至3.9%重量C、1.7至2.6%重量Si、3.2至7%重量Ni、0.15至0.4%重量Mo、≤0.2%重量Cr和≤1%重量Mn作为非铁组分。合金显示≥820MPa的高拉伸强度，≥520MPa的0.2%补偿屈服强度与至少2%断裂伸长率的组合。为了得到这些性质，热处理是必要的，且在相对较大壁厚度情况下，局部使用的冷铸模也可能是必要的。

另外，DE 180 85 15 A1描述一种高强度球墨铸合金，其非铁组分包括2.9至3.9%重量C、1.7至2.6%重量Si、3.2至7%重量Ni、0.15至0.4%重量Mo、≤0.1%重量Mg、0至1%重量Mn和0至0.25%重量Cr，且Mo和Cr的总含量不大于0.5%重量。这种材料具有≥1000MPa的拉伸强度，和≥750MPa的0.2%补偿屈服强度与至少4%的断裂伸长率的组合。然而，这种材料的中心特点是以回火形式在200至315℃的温度下热处理几小时，因为所示的性质不能不用基质微结构回火得到。

从EP 1 834 005 B1了解一种用于机动车构造中应用的较高强度主要珠光体球墨铸合金。这包含3.0至3.7%重量C、2.6至3.4%重量Si、0.02至0.05%重量P、0.025至0.045%重量Mg、0.01至0.03%重量Cr、0.003至0.017%重量Al、0.0005至0.012%重量S和0.0004至0.002%重量B、0.1至1.5%重量Cu、0.1至1.0%重量Mn和不可避免杂质的非铁组分。用这种组合物产生的底架组件甚至在铸造状态中在未另外热处理的情况下具有600至900MPa的拉伸强度，400至600的0.2%补偿屈服强度与14至5%的断裂伸长率的组合。

附图说明

图1是微结构图；和

图2是为断裂伸长率A5的函数的补偿屈服强度。

从此现有技术出发，本发明的中心目的是提供一种高强度球墨铸合金，其就0.2%补偿屈服强度、拉伸强度和断裂伸长率而言的需求可甚至在铸造状态中容易地达到，即，与已知高强度铸铁合金，例如ADI材料(=等温淬火延展性铁(Austempered Ductile Iron))对比，有利地不需要单独的热处理。

这一目的通过本发明的球墨铸合金达到，该合金包含2.8至3.7%重量C、1.5至4%重量Si、1至6.2%重量Ni、0.02至0.05%重量P、0.025至0.06%重量Mg、0.01至0.03%重量Cr、0.003至0.3%重量Al、0.0005至0.012%重量S、0.03至1.5%重量Cu和0.1至2%重量Mn、余量Fe和不可避免的杂质，其中在铸造状态中在未随后热处理的球墨铸合金达到≥600MPa的0.2%补偿屈服强度，和≥750MPa的拉伸强度与2至10%的A5断裂伸长率的优良延展性的组合的高静强度。

围绕球形石墨沉淀的基质微结构具有包含>50%珠光体的珠光体-铁素体结构，珠光体优选作为细条纹存在，且铁素体优选以球状形式存在。这是本发明的球墨铸合金和从US 585 35 04 A了解的合金之间的另一个重要差异，除了机械性质和省略碳化物形成物Mo、Nb、Ti和V外，从US 585 35 04 A了解的合金具有部分重叠Ni合金范围。同样，由于针状铁素体的机械性质显著不同于球状铁素体的机械性质，该合金不同于从DE 10 2004 040056 A1了解的铸铁合金。

球墨铸合金优选为砂中的球墨铸合金的形式。

本发明的关键概念是提供一种球墨铸合金，由于本发明的球墨铸合金的适合匹配的组成和得到的机械性质组合，该球墨铸合金可用于机动车构造，例如用于轮轴和底架组件，在机动车碰撞的情况下，这些组件必须塑性变形，并且不得破裂，但也可用于经受高动态应力的结构组件和曲轴。

值得提到的是，假定其机械性质和可能用途，与奥氏体球墨铸合金比较，本发明的球墨铸合金只需要适中的合金添加。

已知Ni和Si增加0.2%补偿屈服强度。这首先归因于混合晶体增强(Si和Ni)，且其次归因于通过奥氏体-铁素体转变温度转移到低温精炼珠光体(Ni)。有利的是合金具有在不太低的断裂伸长值下很高的0.2%补偿屈服强度(高轻质构造潜力)。这首先通过包含1至6.2%重量Ni，优选2.5至5.2%重量Ni，且特别优选4至5.2%重量Ni的球墨铸合金达到。

良好强度性质与不太低的断裂伸长值组合特别以1.5至4%重量Si，优选2至3.5%重量Si，且特别优选2.2至3.3%重量Si组合达到。例如，与从EP 1 225 239 A1了解的同样不需要任何热处理的贝氏体合金比较，与≥500MPa(拉伸强度同样有些高)相比，本发明的珠光体-铁素体球墨铸合金的0.2%补偿屈服强度在≥600MPa下显著更高。因此，在EP 1 225 239A1中给出的工作实施例不含高于550MPa的任何0.2%补偿屈服强度值。

遵守非铁组分Si和Ni的指示上限和下限对珠光体-铁素体目标微结构并因此对达到本发明的球墨铸合金的机械性质至关重要。

在<1%重量的Ni含量下，观察不到显著补偿屈服强度增加；含量>6.2%重量则必须避免，因为增加马氏体形成风险。关于这种马氏体形成风险，本发明的球墨铸合金具有超过具有类似Ni含量限度的DE 10 2004 040 056 A1合金的显著优点：因此，甚至在约8mm的低壁厚度下，也得到可靠无马氏体的微结构，而不需要后续回火步骤。在本发明的球墨铸合金的一个优选实施方案中，这通过遵守Ni、Si和Mn含量的特定组成比率达到。因此，为了得到铸造状态的无马氏体的珠光体-铁素体微结构，同时(Ni+0.5*Mn)/(1.5*Si)比率不应超过1.5的值，优选Ni和Si含量的总和≤9%重量。

<1.5%重量的Si含量增加碳化物形成风险；在最坏的情况下，结果可能是固化成为白铸铁。>4%重量的Si含量导致断裂伸长率显著减小，并且由于减小碳在奥氏体中的溶解性，同样增加马氏体形成风险。另外，由于硅使奥氏体-铁素体转变温度转移到较高温度，并因此起与通过加入镍寻求的珠光体精炼相反的作用，也应限制Si含量。

特别关于在同时高Si含量的本发明的球墨铸合金指示的低限制Ni含量，加入0.03至1.5%重量Cu到合金保证主要珠光体微结构包含>50%珠光体、余量铁素体，这对达到机械性质是必要的；铁素体优选以球状形式存在。

增加比例的Mn是一种废料伴随物。达到适中含量，Mn有利地用于提高补偿屈服强度。另外，Mn降低马氏体起始温度，并因此可以有助于减小更快速冷却的薄壁组成部件中马氏体形成的风险。用于本发明的球墨铸合金的2%重量Mn的上限通过由于碳化物形成的大脆化决定，然而，甚至在较低Mn含量下，尤其在同时相对较高Si含量下，发现分离的晶粒边界碳化物增加。

为了达到由于混合晶体增强进一步提高强度，可加入0.003至0.3%重量Al到合金。然而，Al含量应限于<0.3%重量，因为Al同时作为铁素体稳定剂，并因此与对机械性质必要的包含>50%珠光体的主要珠光体微结构相反作用。

遵守非铁组分Mn、Cu、Mg、Cr、Al、P、S的指示上限对于达到机械性质也对于由本发明的球墨铸合金组成的铸件的可加工性至关重要。Cu、Mg、Al和S的过高含量可对石墨形成具有不利影响，并且石墨形状从所需球形形状偏离导致断裂伸长和可达到强度显著变坏。Cr同样有脆化效应，在此情况下由碳化物形成促进。由于可能在晶粒边界形成的低熔点富P相(形成物，富P残余熔融区)的熟知脆化效应，必须限制P。

优选在铸造过程后，即在铸造和在模中冷却后立即存在大于90%铸造状态的球形石墨。

在铸造过程后，即在铸造和冷却模后立即，对于在铸造状态的铸件的基质微结构有利的是组成达到50至90%范围的珠光体。

在一个有利的实施方案中，在铸造过程后，即在铸造和在模中冷却后立即，铸造状态的铸件的微结构具有200至1200个球状体/mm²。

根据DIN EN ISO 945，石墨颗粒优选具有至少5%的8号，40%至70%的7号，和不大于35%的6号的尺寸分布。

铸件有利具有260至320HBW的布氏硬度。

以下将描述本发明的工作实施例，但本发明不只限于以下工作实施例或由以下工作实施例限制。

从本发明的球墨铸合金在砂中铸造Y2样品。化学组成为2.87%重量C、5.12%重量Ni、3.25%重量Si、0.03%重量Cu、0.22%重量Mn、0.046%重量Mg、0.037%重量P、0.022%重量Cr、0.013%重量Al和0.003%S、余量Fe和平常杂质。Ni+Si含量的总和因此为≈8.4%重量(≤9%重量是优选的)，且(Ni+0.5*Mn)/(1.5*Si)比率≈1.1(≤1.5是优选的)。在铸造状态试验铸件的球状体计数、石墨含量、石墨形状和石墨大小、珠光体含量以及在拉伸试验性质方面及布氏硬度和冲击功方面。球状体计数为218个球状体/mm²，石墨含量为10.6%。根据DIN EN ISO945的石墨形状为94%的VI形状。根据DIN EN ISO 945，尺寸分布为8%的8号，57%的7号和33%的6号。基质的珠光体含量为79%(关于微结构图像见图1，残余组分：铁素体，具有球状形状)。布氏硬度为310+/-2 HBW5/750。单独样品的冲击功在室温下为30.1 J，且在-30℃下为12.5 J。根据DIN EN ISO 6892-1，室温拉伸试验得到以下性质值：

-0.2%补偿屈服强度：658至663MPa，

-拉伸强度：884至889MPa，

-断裂伸长率：6.2至7.9%，

-弹性模量(通过在100–300MPa范围回归测定)：175至186GPa。

在试验区中铸件壁厚度为约8mm的拉伸样品空白样也从本发明的球墨铸合金的上述实施例的相同熔体铸造。从其取的6mm拉伸样品证明Y2样品结果：可达到652MPa的0.2%补偿屈服强度和872MPa拉伸强度与6.9%断裂伸长率的组合。

关于拉伸试验性质值，本发明的球墨铸合金的这种所示变体的样品甚至在铸造状态中在ADI(=等温淬火延展性铁)数量级为球墨铸材，这种球墨铸材在欧洲在EN 1564下标准化并通过很复杂的热处理产生，可只通过元素Ni和/或Mo加到合金以相对较大壁厚度得到，且因此，如所预料那样昂贵。

为了说明，在图2中，补偿屈服强度Rp0.2显示为A5断裂伸长率的函数。对本发明的球墨铸合金的上述工作实施例以及DIN EN 1563和DIN EN 1564中标准化的球墨铸合金的代表绘图。图2中的灰线结合根据标准DIN EN 1563对于包含在铸造状态产生的类型的球形石墨的铸铁的最小值。图2中的黑实线结合根据标准DIN EN 1564对于包含经热处理ADI级球形石墨的铸铁的最小值。黑虚线表示Georg Fischer公司的专利球墨铸合金(EP 1 834005 B1和EP 1 270 747 B1)。

Claims

1.一种球墨铸合金，所述球墨铸合金具有用于铸铁产品的珠光体-铁素体微结构，并且甚至在铸造状态具有高强度与优良延展性和韧性的组合，包含C、Si、Ni、Mn、Cu、Mg、Cr、Al、P、S和正常杂质作为非铁组分，其特征在于所述球墨铸合金包含

2.8至3.7%重量C，

1.5至4%重量Si，

1至6.2%重量Ni，

0.02至0.05%重量P，

0.025至0.06%重量Mg，

0.01至0.03%重量Cr，

0.003至0.3%重量Al，

0.0005至0.012%重量S，

0.03至1.5%重量Cu，和

0.1至2%重量Mn，

余量Fe和不可避免的杂质，其中在所述铸造状态中在未随后热处理的球墨铸合金达到≥600MPa的0.2%补偿屈服强度，和≥750MPa的拉伸强度与2至10%的A5断裂伸长率的优良延展性的组合的高静强度。

2.根据权利要求1的球墨铸合金，其特征在于所述合金包含2至3.5%重量Si，特别优选2.2至3.3%重量Si，其中所述合金中的Ni和Si含量的总和≤9%重量，且同时(Ni+0.5*Mn)/(1.5*Si)比率≤1.5，并在从铸造温度冷却到室温时得到包含>50%珠光体、余量铁素体的纯珠光体-铁素体微结构。

3.根据权利要求1或2的球墨铸合金，其特征在于所述合金包含2.5至5.2%重量Ni，特别优选4.0至5.2%重量Ni，其中所述合金中的Ni和Si含量的总和≤9%重量，同时(Ni+0.5*Mn)/(1.5*Si)比率≤1.5，并在从铸造温度冷却到室温时得到包含>50%珠光体、余量铁素体的纯珠光体-铁素体微结构。

4.根据权利要求1至3中任一项的球墨铸合金，其特征在于所述合金包含0.2至0.5%重量Mn，特别优选0.15至0.4%重量Mn，其中所述合金中的Ni和Si含量的总和≤9%重量，同时(Ni+0.5*Mn)/(1.5*Si)比率≤1.5，并在从铸造温度冷却到室温时得到包含>50%珠光体、余量铁素体的纯珠光体-铁素体微结构。

5.根据权利要求1的球墨铸合金，其特征在于所述合金包含0.03至0.5%重量Cu，特别优选0.03至0.1%重量Cu，其中所述合金中的Ni和Si含量的总和≤9%重量，同时(Ni+0.5*Mn)/(1.5*Si)比率≤1.5，并在从铸造温度冷却到室温时得到包含>50%珠光体、余量铁素体的纯珠光体-铁素体微结构。

6.根据权利要求1的球墨铸合金，其特征在于所述合金包含0.003至0.25%重量Al，特别优选0.003至0.02%重量Al，其中所述合金中的Ni和Si含量的总和≤9%重量，同时(Ni+0.5*Mn)/(1.5*Si)比率≤1.5，并在从铸造温度冷却到室温时得到包含>50%珠光体、余量铁素体的纯珠光体-铁素体微结构。

7.根据权利要求1至6中任一项的球墨铸合金，其特征在于存在的大于90%的石墨在铸造和冷却后立即具有球形形状。

8.根据权利要求1至7中任一项的球墨铸合金，其特征在于在铸造和冷却后立即，铸件的珠光体-铁素体基质微结构具有55至90%珠光体，且其余铁素体优选具有球状形状。

9.根据权利要求1至8中任一项的球墨铸合金，其特征在于在铸造和冷却后立即，所述铸件的微结构具有200至1200个球状体/mm²。

10. 根据权利要求1至9中任一项的球墨铸合金，其特征在于根据DIN EN ISO 945，所述石墨颗粒具有至少5%的8号，40%至70%的7号，和不大于35%的6号的尺寸分布。

11.根据权利要求1至10中任一项的球墨铸合金，其特征在于所述铸件具有260至320HBW的布氏硬度。

12.根据权利要求1的球墨铸合金用于产生机动车中底架组件的用途，所述底架组件具有≥600MPa的0.2%补偿屈服强度，和≥750MPa的拉伸强度与2至10%的A5断裂伸长率的优良延展性的组合的高静强度，优选机动车中的轮架、支枢式轴承、导轴、曲轴和/或后轴套。

13.一种产生由根据权利要求1的球墨铸合金组成的铸件的方法，其特征在于在铸造和冷却铸件后不进行铸件的热处理，且铸件具有≥600MPa的0.2%补偿屈服强度，和≥750MPa的拉伸强度与2至10%的A5断裂伸长率的优良延展性的组合的高静强度。