CN109402496A - 具有均匀壁厚的球墨铸铁铸件中合金元素添加量的确定方法与球墨铸铁铸件及其铸造和模具 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有均匀壁厚的球墨铸铁铸件中合金元素添加量的确定方法与球墨铸铁铸件及其铸造和模具，本发明的均匀壁厚的球墨铸铁铸件中合金元素添加量的确定方法中，所述合金元素包括碳、硅、镁、镍、铜、铬和锰，且以所述球墨铸铁铸件的重量百分比计，所述合金元素的添加量为碳：200％D％+(2.95～3.25)％；硅：3*(CE)％+(0.05～0.10)％；镁：D％+(‑0.015～0.015)％；镍：500％D％+(0.05～0.1)％；铜：500％D％+(0.01～0.1)％；铬：250％D％+(‑0.01～0)％；锰：10D％+(0.01～0.1)％；其中，D为所述球墨铸铁铸件的壁厚，且0.04m＜D≤0.05m；CE为所述球墨铸铁铸件的碳当量。本发明通过该方法确定的合金元素添加量所制备成的球墨铸铁件，其硬度和抗拉强度均能满足要求，尤为重要的是其延伸率也能够很好的满足要求，从而可为高速冲压模具提供性能可靠的部件成型基材。
Description
技术领域
本发明涉及球墨铸铁技术领域，特别涉及一种具有均匀壁厚的球墨铸铁铸件中合金元素添加量的确定方法。本发明还涉及有由上述方法确定合金元素添加量的球墨铸铁铸件，以及由该球墨铸铁铸件所成型的模具。
背景技术
以汽车行业所使用的冲压模具中的修边翻边模具为例，成型该模具中的压料芯的材质一般为ECD550或者QT600球墨铸铁，而高速冲压模具要求既有较高的抗拉强度及硬度，又要有较高的延伸率。不过，现有球墨铸铁件中很难做到强度与延伸率均较高，而若将球墨铸铁采用GM246或GGG70L材质，铸件的抗拉强度及硬度能达到要求，但其延伸率却较低，再者若使用FCD550或 QT600，两种情况下的延伸率比较靠近可满足要求，不过其在抗拉强度与硬度上又达不到要求。
高塑性球墨铸铁是在保证满足一定硬度及抗拉强度的前提下，仍具有较高伸长率的球墨铸铁。由于球墨铸铁的强度与塑性存在此消彼长的矛盾关系，因而随着球墨铸铁应用要求越来越高，如何在保证球墨铸铁较好硬度与抗拉强度 (例如压料芯所需的中等硬度及抗拉强度)的前提下，亦提高其延伸率成为当前球墨铸铁材料研究的难点。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种均匀壁厚的球墨铸铁铸件中合金元素添加量的确定方法，以能够获得具有较好硬度和抗拉强度以及较高延伸率的球墨铸铁材料。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种均匀壁厚的球墨铸铁铸件中合金元素添加量的确定方法，所述合金元素包括碳、硅、镁、镍、铜、铬和锰，且以所述球墨铸铁铸件的重量百分比计，所述合金元素的添加量为：
碳：200％D％+(2.95～3.25)％；
硅：3*(CE)％+(0.05～0.10)％；
镁：D％+(-0.015～0.015)％；
镍：500％D％+(0.05～0.1)％；
铜：500％D％+(0.01～0.1)％；
铬：250％D％+(-0.01～0)％；
锰：10D％+(0.01～0.1)％；
其中，D为所述球墨铸铁铸件的壁厚，且0.04m＜D≤0.05m；CE为所述球墨铸铁铸件的碳当量。
进一步的，所述合金元素还包括硫和磷，且以所述球墨铸铁铸件的重量百分比计，硫与磷的添加量为：
硫：0.006％～0.012％；
磷：＜0.04％。
进一步的，CE在4.45～4.55之间。
针对于本发明的具有均匀壁厚的球墨铸铁铸件中合金元素添加量的确定方法，发明人在生产中发现，一般工厂进行球墨铸铁铸件，例如汽车冲压模具中的压料芯铸造生产时，并没有具体的配料方案，多主要根据经验来进行配料，由此所生产的球墨铸铁铸件中往往存在硬度、抗拉强度以及延伸率不能同时满足要求的问题，其会难以满足高速冲压模具的使用要求，因而很有必要对球墨铸铁铸件的铸造生产进行研究，以获得满足其硬度、抗拉强度和延伸率要求的产品。
为此，发明人进行了大量的研究探索，发现球墨铸铁强度与塑性的影响因素主要有铁液的化学成分(特别是碳当量及合金元素含量)，冷却条件等方面，同时对诸如有着较为均匀的壁厚的压料芯产品，铸件铸造完成后的性能亦与其壁厚有着较大的关联。其中，铸件壁厚大，铸件冷却速度慢，有利于铁素体的生成，而经过多次试验验证，发现球墨铸铁基体中铁素体的含量决定了铸件体积的延伸性。
此外，发明人通过大量的试验验证，亦发现球墨铸铁基体中的珠光体的含量与合金元素的种类及含量，也决定了铸件的抗拉强度与硬度，珠光体含量高虽然会令铸件强度较高，但其也会造成铸件的延伸率达不到标准。
发明人经由多次的试验生产，通过不断的工艺调整，结合于铸件的壁厚条件对铸造原料中的相关合金元素的种类与含量进行摸索，获得了根据铸件壁厚以确定球墨铸铁铸件中合金元素添加量的方法。而且发明人意外的发现，通过该方法确定的合金元素添加量所制备成的球墨铸铁件，其硬度和抗拉强度均能满足要求，尤为重要的是其延伸率也能够很好的满足要求，从而可为高速冲压模具提供性能可靠的部件成型基材，以提高模具使用效果。
本发明的另一目的在于提出一种具有均匀壁厚的球墨铸铁铸件，所述球墨铸铁铸件的壁厚D为0.04m＜D≤0.05m，所述球墨铸铁铸件中的合金元素包括碳、硅、镁、镍、铜、铬和锰、硫、磷，且以所述球墨铸铁铸件的重量百分比计，所述合金元素的添加量为：
碳：200％D％+(2.95～3.25)％；
硅：3*(CE)％+(0.05～0.10)％；
镁：D％+(-0.015～0.015)％；
镍：500％D％+(0.05～0.1)％；
铜：500％D％+(0.01～0.1)％；
铬：250％D％+(-0.01～0)％；
锰：10D％+(0.01～0.1)％；
硫：0.006％～0.012％；
磷：＜0.04％；
其中，CE为所述球墨铸铁铸件的碳当量，且CE在4.45～4.55之间。
进一步的，所述球墨铸铁铸件的壁厚D为0.045m，且以所述球墨铸铁铸件的重量百分比计，所述合金元素的添加量为：
碳：3.27％；
硅：3.77％；
镁：0.045％；
镍：0.285％；
铜：0.279％；
铬：0.026％；
锰：0.503％；
硫：0.007％；
磷：0.024％。
进一步的，所述球墨铸铁铸件的重量为2.13吨。
进一步的，所述球墨铸铁铸件中的珠光体含量在15％以内，铁素体的含量在85％以上。
本发明的球墨铸铁铸件通过采用如上的合金元素比例，可获得铁素体含量在85％以上，抗拉强度在600Mpa以上，且延伸率达到15％以上，同时硬度满足要求的铸件基材，从而可满足高速冲压模具对部件材质的要求，以能够提高模具使用性能。
此外，本发明也提供了上述具有均匀壁厚的球墨铸铁铸件的铸造方法，且该方法包括如下的步骤：
a、涂型，采用全纸管造型工艺，实型表面喷涂水基耐火材料，涂覆厚度 1.0～2.0mm，热节点位置涂层厚度在2.0mm上；
b、造型，采用树脂砂造型，将各位置型砂夯实，砂型满足硬度后翻箱；
c、熔炼，采用生铁、回炉料、废钢比例分别为20％、30％、50％进行配料，并采用孕育剂SiBa三次孕育包内孕育，孕育剂投入量分别为0.2％、0.2％、0.1％；
d、浇注，浇注温度在1400～1420℃，拆箱时间在24小时以上；
e、热处理。
另外，本发明还提供了一种模具，所述模具为冲压模具，且所述冲压模具内至少其压料芯由上述的球墨铸铁铸件成型。
进一步的，所述模具为汽车修边翻边类冲压模具。
本发明的模具中的压料芯通过由上述的球墨铸铁铸件成型，可使压料芯的硬度、抗拉强度及延伸率均满足要求，从而能够提高模具的使用性能。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明制备实例的试棒腐蚀前的金相图；
图2为本发明制备实例的试棒腐蚀后的金相图；
图3为本发明对比例的试棒腐蚀前的金相图；
图4为本发明对比例的试棒腐蚀前的金相图；
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本实施例首先涉及一种具有均匀壁厚的球墨铸铁铸件中合金元素添加量的确定方法，其中，该球墨铸铁铸件例如可为冲压模具中的压料芯，且所述的冲压模具也例如可为汽车修边翻边类冲压模具。而对于所述的铸件的均匀壁厚，需要说明的是，此处所指的壁厚的均匀不仅仅表示铸件不同位置的壁厚均严格的保持在一确定的数值上，对于铸件，若其上不同位置的壁厚均处于一个可接受的区间内，那么可一般可认为该铸件的壁厚为均匀的，而这里的区间例如其可为包含上述的“确定数值”、以及该“确定数值”上下各±5％的范围。
而进一步的，本实施例的上述确定方法中，其所述合金元素包括碳、硅、镁、镍、铜、铬和锰，且以该球墨铸铁铸件的重量百分比计，各合金元素的添加量依次为：
碳：200％D％+(2.95～3.25)％；
硅：3*(CE)％+(0.05～0.10)％；
镁：D％+(-0.015～0.015)％；
镍：500％D％+(0.05～0.1)％；
铜：500％D％+(0.01～0.1)％；
铬：250％D％+(-0.01～0)％；
锰：10D％+(0.01～0.1)％；
其中，D即为球墨铸铁铸件的壁厚，且本实施例中0.04m＜D≤0.05m，CE 则为球墨铸铁铸件的碳当量，同时，CE在4.45～4.55之间。
此外，本实施例中上述的合金元素亦包括有硫和磷，且同样以球墨铸铁铸件的重量百分比计，硫与磷的添加量可分别为：硫：0.006％～0.012％、磷：＜ 0.04％。
具体而言，上述的合金元素添加量确定方法中，铸件铸造完成后的性能亦与其壁厚有着较大的关联，铸件壁厚大，铸件冷却速度慢，有利于铁素体的生成，从而能够在使铸件硬度及强度满足要求的基础上，提升铸件的延伸性。本发明人通过多次的试验验证发现，球墨铸铁中，碳元素和硅元素的含量决定着铸件的性能，一般铸件的碳当量取在共晶及过共晶成分，且球墨铸铁的CE值一般控制在4.45％～4.55％。其中，碳元素在一定范围内可促进石墨化，使球径变小，且在冷却过程中石墨析出，可减少缩孔、缩松缺陷发生，但碳元素超出一定范围会导致析出的石墨个数增多，并降低铸件的硬度与抗拉强度。
硅元素则可以使铸态铁素体增多，使珠光体减少，并能够促进石墨化，使共晶温度升高，以及还可有效减少渗碳体的产生，但硅元素过多也会使铸件抗拉强度及延伸率降低。镁元素是石墨球化元素，能够保证球化率，可大大提高奥氏体的稳定性，并降低奥氏体向珠光体的转变温度，以促使珠光体基体的形成，但镁元素也容易在共晶团边界上形成偏析，超出一定范围的镁元素会增加铁水碳化物，增加脆性。
本实施例的镍元素可降低铸件的白口倾向，减少基体的端面敏感性，并可使铁水的奥氏体转变温度降低，细化珠光体，增加珠光体的数量，以提高铸件基体的硬度及强度。铜元素能够促进珠光体的生成，降低共析温度，并可在铁水的共晶转变时促进石墨化并减少或消除游离渗碳体的形成，改善石墨形态，细化晶粒，增加石墨球数，改善铸件的断面组织和均匀性。此外铜元素还可在淬火时增加铸件的淬透性，以及与铁水共析转变时促进珠光体的形成，对铸铁基体起到固溶强化的作用，提高铸件的强度与硬度。
本实施例中所采用的铬元素能够促进碳化物和珠光体的形成，淬火时也会增加铸件的淬透性，同时铬元素也会对铸铁基体起到固溶强化的作用，提高其硬度和强度。另外，本实施例中，锰元素属于偏析元素，其可大大提高奥氏体的稳定性，降低奥氏体向珠光体的转变温度，并促使形成珠光体基体，但锰元素的加入也容易在共晶团边界上形成偏析，促进碳化物生成，从而降低铸件的抗拉强度。
硫元素与磷元素是球墨铸铁中的有害元素，其会增加铸件的裂纹倾向，消耗锰、镁等元素，从而降低铸件的抗拉强度与硬度，故而硫元素和磷元素应控制的愈低愈好。
本发明的合金元素添加量的确定方法，正是基于铸件的壁厚，并充分利用所添加的各元素的特点，从而能够获得具有较好硬度与抗拉强度，且同时亦具有较高延伸率的产品，由此可满足高速冲压模具的使用要求。
其次，本实施例还涉及一种基于如上确定方法的具有均匀壁厚的球墨铸铁铸件，该球墨铸铁铸件的壁厚D具体为0.04m＜D≤0.05m，且对应于上述的确定方法，此时的球墨铸铁铸件中的合金元素的添加量分别为：
碳：200％D％+(2.95～3.25)％；
硅：3*(CE)％+(0.05～0.10)％；
镁：D％+(-0.015～0.015)％；
镍：500％D％+(0.05～0.1)％；
铜：500％D％+(0.01～0.1)％；
铬：250％D％+(-0.01～0)％；
锰：10D％+(0.01～0.1)％；
硫：0.006％～0.012％；
磷：＜0.04％；
其中，CE仍为在4.45～4.55之间。
同时，本实施例的球墨铸铁铸件在铸造时，其包括的步骤如下：
步骤a：涂型，采用全纸管造型工艺，内浇口的规格可为φ50mm，内浇口数量可为2～2.5个/顿，例如2.5个，实型表面喷涂水基耐火材料，涂覆厚度 1.0～2.0mm，例如1.5mm，热节点位置涂层厚度应在2.0mm上，例如2.5mm，且埋入件安装端正外漏尺寸应符合设计要求；
步骤b：造型，采用树脂砂造型，将各位置型砂夯实，以防止包砂及夹渣类缺陷产生，砂型满足硬度后翻箱，避免塌箱；
步骤c：熔炼，采用生铁、回炉料、废钢比例分别为20％、30％、50％进行配料，并采用孕育剂SiBa三次孕育包内孕育，孕育剂投入量分别为0.2％、0.2％、 0.1％；
步骤d：浇注，浇注温度在1400～1420℃，例如1410℃，拆箱时间在24小时以上，例如可为30小时；
步骤e：热处理，以常规方式去应力退火处理即可。
而进一步的，基于上述的铸造方法及石墨铸铁铸件中合金元素的添加量，本实施例的石墨铸铁铸件的具体制备实例如下。在该实例中，铸件具体以冲压模具中的压料芯为例，且其壁厚满足0.04m＜D≤0.05m，同时，制备成品的重量为2.13吨。
制备实例具体如下：
制备实例
铸件的壁厚为45mm，各合金元素的添加量如下表1。
| 元素 | 碳 | 硅 | 锰 | 磷 | 硫 | 铬 | 铜 | 镍 | 镁 |
| 添加量 | 3.27 | 3.77 | 0.503 | 0.024 | 0.007 | 0.026 | 0.279 | 0.285 | 0.045 |
表1.制备实例合金元素添加量
另外，除了以上制备实例，作为对比试验，本实施例也给出了一对比例，相对于上述的基于铸件壁厚确定合金元素添加量的制备实例，该对比例为仍依据前述的铸造方法，但却是根据现有经验制定的各合金元素的添加量，也即其并未依据铸件的壁厚进行合金元素添加量的选取，同时，对比例中的开箱时间控制在36小时。
该对比例具体如下：
对比例
铸件重量2.03吨，各合金元素的添加量如下表2。
| 元素 | 碳 | 硅 | 锰 | 磷 | 硫 | 铬 | 铜 | 镍 | 镁 |
| 添加量 | 3.2 | 3.65 | 0.5 | 0.024 | 0.01 | 0.1 | 0.25 | 0.45 | 0.04 |
表2.对比例合金元素添加量
由上述制备实例与对比例分别获得成品试棒，并通过对试棒力学性能及金相组织的检测，得到如下表3所示的检测结果。
表3.试棒力学性能及金相组织检测结果
此外，通过对试棒进行金相腐蚀，制备实例所获得的试棒在腐蚀前与腐蚀后的金相图分别如图1和图2中所示，而对比例所获得的成品试棒在腐蚀前与腐蚀后的金相图则分别如图3和图4中所示。
另外，作为参考，对于制成的压料芯球墨铸铁产品，其力学性能与金相腐蚀后金相组织应满足的标准值分别如下表4所示。
表4.力学性能及金相组织标准值
由以上力学性能检测结果以及附图所示出的腐蚀前后的对比，并参照标准值，可以看出本实施例中的基于前述确定方法所获得的球墨铸铁铸件有着较好 (中等)的抗压强度和硬度，而其延伸率也较高，从而获得了可满足例如高速冲压模具等需求的球墨铸铁材料。
最后，本实施例亦涉及一种模具，且具体的该模具为冲压模具，且该冲压模具内至少其压料芯为由上述的球墨铸铁铸件成型。此外，优选的上述模具也为汽车修边翻边类冲压模具。
而本实施例的模具中的压料芯通过由前述的球墨铸铁铸件成型，可使得压料芯的硬度、抗拉强度及延伸率均满足要求，因而能够提高模具的使用性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种均匀壁厚的球墨铸铁铸件中合金元素添加量的确定方法，其特征在于：所述合金元素包括碳、硅、镁、镍、铜、铬和锰，且以所述球墨铸铁铸件的重量百分比计，所述合金元素的添加量为：
碳：200％D％+(2.95～3.25)％；
硅：3*(CE)％+(0.05～0.10)％；
镁：D％+(-0.015～0.015)％；
镍：500％D％+(0.05～0.1)％；
铜：500％D％+(0.01～0.1)％；
铬：250％D％+(-0.01～0)％；
锰：10D％+(0.01～0.1)％；
其中，D为所述球墨铸铁铸件的壁厚，且0.04m＜D≤0.05m；CE为所述球墨铸铁铸件的碳当量。
2.根据权利要求1所述的均匀壁厚的球墨铸铁铸件中合金元素添加量的确定方法，其特征在于：所述合金元素还包括硫和磷，且以所述球墨铸铁铸件的重量百分比计，硫与磷的添加量为：
硫：0.006％～0.012％；
磷：＜0.04％。
3.根据权利要求2所述的均匀壁厚的球墨铸铁铸件中合金元素添加量的确定方法，其特征在于：CE在4.45～4.55之间。
4.一种具有均匀壁厚的球墨铸铁铸件，其特征在于：所述球墨铸铁铸件的壁厚D为0.04m＜D≤0.05m，所述球墨铸铁铸件中的合金元素包括碳、硅、镁、镍、铜、铬和锰、硫、磷，且以所述球墨铸铁铸件的重量百分比计，所述合金元素的添加量为：
碳：200％D％+(2.95～3.25)％；
硅：3*(CE)％+(0.05～0.10)％；
镁：D％+(-0.015～0.015)％；
镍：500％D％+(0.05～0.1)％；
铜：500％D％+(0.01～0.1)％；
铬：250％D％+(-0.01～0)％；
锰：10D％+(0.01～0.1)％；
硫：0.006％～0.012％；
磷：＜0.04％；
其中，CE为所述球墨铸铁铸件的碳当量，且CE在4.45～4.55之间。
5.根据权利要求4所述的具有均匀壁厚的球墨铸铁铸件，其特征在于：所述球墨铸铁铸件的壁厚D为0.045m，且以所述球墨铸铁铸件的重量百分比计，所述合金元素的添加量为：
碳：3.27％；
硅：3.77％；
镁：0.045％；
镍：0.285％；
铜：0.279％；
铬：0.026％；
锰：0.503％；
硫：0.007％；
磷：0.024％。
6.根据权利要求5所述的具有均匀壁厚的球墨铸铁铸件，其特征在于：所述球墨铸铁铸件的重量为2.13吨。
7.根据权利要求4所述的具有均匀壁厚的球墨铸铁铸件，其特征在于：所述球墨铸铁铸件中的珠光体含量在15％以内，铁素体的含量在85％以上。
8.一种具有均匀壁厚的球墨铸铁铸件的铸造方法，其特征在于：该方法包括如下的步骤：
a、涂型，采用全纸管造型工艺，实型表面喷涂水基耐火材料，涂覆厚度1.0～2.0mm，热节点位置涂层厚度在2.0mm上；
b、造型，采用树脂砂造型，将各位置型砂夯实，砂型满足硬度后翻箱；
c、熔炼，采用生铁、回炉料、废钢比例分别为20％、30％、50％进行配料，并采用孕育剂SiBa三次孕育包内孕育，孕育剂投入量分别为0.2％、0.2％、0.1％；
d、浇注，浇注温度在1400～1420℃，拆箱时间在24小时以上；
e、热处理。
9.一种模具，所述模具为冲压模具，其特征在于：所述冲压模具内至少其压料芯由权利要求4至7中任一项所述的球墨铸铁铸件成型。
10.根据权利要求9的模具，其特征在于：所述模具为汽车修边翻边类冲压模具。
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