CN109750218A - 一种自润滑耐磨损的共晶石墨钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自润滑耐磨损的共晶石墨钢及其制备方法，涉及黑色金属材料领域。共晶石墨钢在制备方法、石墨形态和工程服役响应行为上与普通的等温淬火球墨铸铁有重大区别。采用具有快速冷却能力的连续铸造方法拉制型材，并严格控制铁水成分处于共晶点，从而获得100％球化率的共晶石墨球。另外，细小石墨球呈弥散分布且外围包覆着一层非晶态的机械混杂物，集纳了铁水中的杂质元素，净化了基体晶界。材料在服役时的微小高频弹性变形，会在石墨球周围出现了一圈“应变时效+热时效”的软化组织，有效抑制了疲劳裂纹的萌生，提高了疲劳寿命。综上，该共晶石墨钢兼具了淬火钢优秀的力学性能和铸铁材料自润滑、吸音降噪和减震减摩的物理性能。

Description

一种自润滑耐磨损的共晶石墨钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及黑色金属材料领域，具体而言，涉及一种自润滑耐磨损的共晶石墨钢及其制备方法。

背景技术

在制作关键摩擦配副类零件的金属材料中，至今缺乏能兼顾自润滑、吸音减震、耐磨损和抗疲劳四大性能的材料。球墨铸铁材料内含球状石墨，其工作表面具有自润滑性能，可以大大降低摩擦系数，减少摩擦热量和磨损率。但是与中高碳结构钢和合金渗碳钢相比，球铁的力学性能较差，难以制作诸如轴承、齿轮等摩擦配副类关键零件。碳钢、普通合金钢经淬火回火处理后硬度提高，强韧性配合良好，金相组织细密，至今一直是制作摩擦配副类零件的主要材料。但是这种材料没有自润滑性能，做成的零件使用时需要良好的“它润滑”，否则在干摩擦或不良润滑条件下很快会发热软化、磨损失效。

上世纪七十年代，人们发明了ADI材料，即对球墨铸铁进行等温淬火，得到针状铁素体和高碳奥氏体的混合物—奥铁体组织，内嵌石墨球。这种材料兼顾了球铁和钢的特点，有较好的强韧性配合，比重轻，导热快，自润滑，在某些结构件和耐磨损零件上得到应用。但是对于制作摩擦配副类关键零件，如滚动轴承和齿轮，其可靠性仍然不高。虽然奥铁体组织的力学性能与钢相近，但内嵌其中的石墨球的体积较大，直径一般高达50-120μm，远超钢中第二相硬质粒子的尺寸，割裂了基体组织的连续性，对其力学性能的损伤较大。在石墨球与基体的界面上，往往会形成疲劳裂纹。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种自润滑、耐磨损、吸音减震的共晶石墨钢的制备方法，其能够及时判断铁水成分是否处于共晶范围，迅速作出调整，最终制得具有自润滑、吸音减震、且耐磨和抗疲劳的共晶石墨钢。

本发明的另一目的在于提供一种自润滑耐磨损的共晶石墨钢，其能够同时兼备自润滑性、吸音减震、耐磨性和抗疲劳性四大性能。

为了实现上述目的，本发明提供一种技术方案：

本发明实施例提供了一种自润滑耐磨损的共晶石墨钢的制备方法，包括如下步骤：

将预设成分物料在电炉中熔化成铁水，所述预设成分物料中的各组分质量百分比包括：C：3.2％-3.6％、Si:1.4-1.8％、Mn：0.1-0.5％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：≤0.6％、Cu：≤0.8％、Ni≤1.0％、其他合金元素：≤1.0％和余量为Fe，所述各组分的质量百分比总和为100％，其中，碳含量为99.95％-100％的理论碳当量；向所述铁水加入孕育剂和球化剂，以使所述铁水经孕育和球化处理后的终硅量为2.5-3.1％，残镁含量为0.035％-0.045％；将所述孕育和球化处理后的铁水导入垂直连铸炉，且流入结晶器中，并启动拉拔机对进入所述结晶器中的铁水进行步进式提拉；对从所述结晶器拉拔出的一个步距的型材的颜色均匀性进行观察；若所述拉拔出的一个步距的型材颜色为均匀的橘红色，则继续进行拉拔工艺；待拉拔工艺结束后，对所述拉拔工艺结束后得到的型材进行金相检测和电镜扫描检测；待所述金相检测和电镜扫描检测合格后，对所述拉拔工艺结束后得到的型材进行再结晶退火处理；对所述再结晶退火处理后的型材进行粗加工或半精加工得到半成品；对所述半成品进行等温淬火处理。

进一步地，所述对从所述结晶器拉拔出的一个步距的型材的颜色均匀性进行观察的步骤还包括：所述拉拔出的一个步距的型材颜色呈条带状明暗相间分布，则向所述垂直连铸炉中继续添加所述孕育剂；向所述电炉中加入增碳剂。

进一步地，所述对所述半成品进行等温淬火处理的步骤包括：将所述半成品在890-910℃下，保温40-60min；将所述在890-910℃下保温后的半成品进行淬火，并保温40-60min，其中，根据所述半成品的硬度要求选择恒温硝盐槽以维持250-420℃的温度范围；将所述淬火并保温40-60min后的半成品取出空冷至室温，并用清水去除盐渍。

进一步地，所述待拉拔工艺结束后，对所述拉拔工艺结束后得到的型材进行金相检测和电镜扫描检测的步骤中包括：检测所述型材中的石墨球径是否≤25μm；检测所述型材中的球化率是否为100％；检测所述型材中的石墨球密度是否达到300-700个/mm²，其中，距所述型材表面12mm以内的所述石墨球密度≥400个/mm²，距所述型材表面12mm以外的所述石墨球密度≥300个/mm²。

本发明实施例还提供了一种自润滑耐磨损的共晶石墨钢，采用上述的自润滑耐磨损的共晶石墨钢的制备方法制成。

相对于现有技术，本发明提供的自润滑耐磨损的共晶石墨钢及其制备方法的有益效果是：

本发明提供的一种自润滑耐磨损的共晶石墨钢及其制备方法，通过观察刚拉拔出一个步距的型材的颜色是否为均匀的橘红色，并及时向垂直连铸炉中的铁水加入孕育剂，或向电炉中的铁水添加增碳剂，将铁水的成分调控至共晶成分的微小范围内，再利用水冷结晶器提供的强烈冷却能力，使得整个结晶过程始终处在伪共晶区内进行，在型材全部断面上获得近100％的共晶石墨，球化率近100％或达到100％，球数高达300-700个/mm²，石墨球径≤25μm，再经等温淬火奥氏体化过程，球化率进一步提高。共晶石墨钢避免了会造成力学性能损伤的大块的初生石墨。

本发明得到了近100％或达到100％共晶石墨、石墨球直径≤25μm，球化率近100％或达到100％，再加上较高的硅含量使其针状铁素体的硬度提高到HB250以上，比传统铁素体的硬度(HB80-120)提高了2倍以上，其强韧性达到较佳的配合。所制备的自润滑耐磨损的共晶石墨钢同时具有自润滑性，吸音减震、耐磨性和抗疲劳性四大性能，并且具有比钢优越的吸音减震性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例一提供的垂直连铸炉浇铸时的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的共晶成分下连铸型材的颜色示意图；

图3为本发明实施例一提供的非共晶成分下连铸型材的颜色示意图；

图4为本发明实施例一提供的共晶石墨钢经电镜扫描检测的表面形貌图；

图5为本发明实施例一提供的共晶石墨钢的石墨球包覆层的断口形貌图；

图6为本发明实施例一提供的共晶石墨钢的石墨球包覆层的电子能谱图；

图7为本发明实施例一提供的共晶石墨钢经金相检测的石墨形态图；

图8为本发明实施例一提供的共晶石墨钢原始的显微硬度分布图；

图9为本发明实施例一提供的共晶石墨钢经多次弹性变形后的硬度分布图。

图标：1-拉拔辊；2-连铸型材；3-结晶器；4-进水口；5-出水口；6-泄铁口；7-垂直连铸炉炉体；8-茶壶包；9-加热器；10-上法兰盘；11-浇注口；12-石墨套。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例提供的自润滑耐磨损的共晶石墨钢及其制备方法进行具体说明。

一种自润滑耐磨损的共晶石墨钢制备方法，包括如下步骤：

根据所要生产的共晶石墨钢的力学性能(硬度、抗拉强度、延展率、冲击韧性等)和规格尺寸要求，来确定其坯材—球铁空心型材的牌号(如QT450-12、QT500-10、QT550-6、QT600-5等)与规格，运用经验公式计算各种物料(面包铁、废钢、回炉料、各种铁合金等)的配比比例，预设其熔化铁水在经过孕育和球化处理后，其碳当量将处在共晶成分(CE)或稍低于此成分0.05％的范围内；将预设成分物料在电炉中熔化成铁水，其中，预设成分物料中的各组分质量百分比范围是：C：3.2％-3.6％、Si:1.4-1.8％、Mn：0.1-0.5％，P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：≤0.6％、Cu：≤0.8％、Ni≤1.0％、其它合金元素总量：≤1.0％和余量为Fe，各组分的质量百分比总和为100％。需要说明的是，对于具体牌号和尺寸规格的连铸型材2，上述各元素成分范围要进一步收窄，其碳硅当量的变化范围不超过0.1％，即CE±0.05％。需要强调的是，受冷却水温、结晶器3螺旋冷却套材质和使用状况、型材的外径和壁厚等多种因素的影响，每次拉拔所经受的冷却强度是不同的，所对应的共晶成分(CE)也有所差别，需要进行“在线观测”和“在线调整”。需要说明的是，电炉为中频感应炉，且不限于中频感应炉，还可以为真空电弧炉等，只需能够将共晶成分物料熔化为铁水即可，如图1所示。

需要说明的是，把铁水配置为共晶成分有四个优势。一、只有在共晶成分范围内的铁水凝固，才能获得100％的共晶石墨，避免出现初生石墨(初生石墨球的体积较大或很大)，从而保证所有石墨球的直径≤25μm。二、只有在共晶成分和共晶温度下结晶的石墨球，才会因过冷度最大、晶体棱边与{1000}基面上的结晶潜热差别最大，基面生长速度较高，从而有最高的圆整度，亦即最高的球化率(近100％)，而球化率的高低和球径大小对材料性能有决定性影响。三、共晶反应时与石墨球同时结晶的奥氏体枝晶，阻挡和紊乱了铁水的微区流动，使随着铁水微区流动而漂浮的石墨球不再成串排列分布，避免了材料力学性能的各向异性。四、从铁水实际温度直接到共晶温度的冷却，避免与液相线相交，提高了过冷度，有利于加大相变动力、增加形核率，提高石墨球的密度，减小石墨球体积。

进一步地，将所述铁水在1500-1530℃静置20分钟以上后，分批次倒入吊包，加入孕育剂和球化剂，以使所述铁水经孕育和球化处理后的终硅量为2.5-3.1％，残镁含量为0.035％-0.045％。需要说明的是，孕育剂可促进石墨球化，减少白口倾向，改善石墨形态和分布状况，增加共晶团数量，细化基体组织，一般孕育5-8min。孕育剂采用75^#硅铁，且不限于此物质，还可以是含锶硅铁、含钡硅铁、含锆硅铁或硅钡合金等。球化剂采用稀土镁，还可以是钇重稀土、纯镁或镁合金等，用于将铁水中的石墨结晶成为球状。

需要说明的是，所述吊包内经过孕育和球化处理后的铁水的温度为1450℃-1480℃。

还需要说明的是，在熔化铁水的同时，对垂直连铸炉的炉膛进行预热。预热的方法是用燃油喷火器或氧-乙炔火焰，对着“U”字形炉膛的浇注口11喷火，持续一小时以上；再对着结晶器3一端喷火，持续20分钟以上，使炉膛内壁的颜色呈现红黄色，约为700℃以上；临浇注铁水前，停止喷火。

进一步地，将经孕育和球化处理后的铁水导入垂直连铸炉，且流入结晶器3中，并启动拉拔机对进入结晶器3中的铁水所冷凝成的管壳(即型材)进行步进式提拉，一开始提拉采用一端伸入结晶器3中的引晶轴，等把管壳上引提拉到拉拔机上方后，由拉拔机牵引辊夹持着管壳直接向上拉拔，拉至一定高度后作“在线定长熔断”和卸取。其中，垂直连铸炉的炉膛与竖直安装的结晶器3构成了U字形流体通道。

进一步地，对从结晶器3拉拔出的一个步距的型材的颜色均匀性进行观察。需要说明的是，可以用肉眼直接观察，也可以采用光电仪器辅助观察。若拉拔出的一个步距的型材颜色为均匀的橘红色，铁水即为共晶成分，则继续进行拉拔工艺。需要说明的是，若拉拔出的一个步距的型材颜色呈条带状明暗相间分布，铁水成分即偏离了共晶成分，处于亚共晶成分区，此时就需向垂直连铸炉中添加孕育剂，调节铁水至共晶成分，并增加电炉铁水中的碳当量。需要说明的是，实际生产中，把铁水成分预设为共晶或稍微偏向亚共晶成分区，故当型材颜色出现条带状明暗相间分布现象时，可判定为有初生奥氏体相产生，铁水成分处在亚共晶区，一般需少量添加1-2次孕育剂即可。

需要说明的是，制备低合金共晶石墨钢需要拉制低合金球墨铸铁连铸型材2，在铁水中加入相关合金元素。在快速冷却所造成的严重非平衡凝固条件下，这将提高铁水共晶成分对碳当量的敏感性，也就是说，多元合金系统中伪共晶区形态扭曲变异，使得实际共晶成分的确定变得较为困难，难以进行事先确定。在垂直连铸过程中尤其需要通过观察刚拉出结晶器3的型材的颜色来快速判断铁水成分的合适与否，并作相机调整，得到全共晶石墨球的型材。

需要说明的是，若电炉中的铁水静置时间过长，铁水会发生脱碳情况，还需向电炉中添加增碳剂。增碳剂可以采用石墨、焦炭、木质碳等。

进一步地，待拉拔工艺结束后，对所得到的型材进行SEM检测。SEM检测主要是采用扫描电子显微镜利用二次电子信号成像和背散射成像以观察显微组织形貌。检测型材中的石墨球径是否≤25μm；检测型材中的球化率是否接近或达到100％；检测型材中的石墨球密度是否达到300-700个/mm²，其中，距型材表面12mm以内的石墨球密度≥400个/mm²，距型材表面12mm以外的石墨球密度≥300个/mm²。

同时，扫描电镜观察到铁水在连续铸造的强烈冷却速度下，在精确的共晶成分和较低的共晶反应温度下所得到的共晶石墨球，其外围会包覆一层机械混杂物。其形成机理是：石墨球长大时，所放出的结晶潜热与球半径的三次方成正比，这一潜热在结晶前沿(亦即石墨球的外围)形成薄薄的高温铁水层。从高温层向周围铁水中所散发的热量，与高温球壳的表面积大小有关，也就是与其球半径的平方成正比。高温铁水层的总热量是上述两项热量的代数和，而此代数和对石墨球半径的变化率的函数曲线，是一个抛物线，存在极大值。在此极值点上，热量最大，高温层最厚。在形成共晶石墨球的同时，奥氏体树枝晶的结晶前沿也有高温层向前推进。当两个高温层相遇时，热量相加，高温层更厚。此时已到达凝固末期，铁水迅速凝固，从而形成了非晶态的物相。由于高温铁水可以容纳高熔点杂质元素和化合物颗粒，所以这种物相是含有C、Si、O和高熔点合金元素的机械混杂物。该组织厚度约为石墨球直径的3-5％。这个包覆层作为石墨球与基体组织的过渡层，容纳了铁水中的杂质，净化了基体晶界，减少了基体中萌生疲劳裂纹的启裂源。另外，在零件服役时，材料的弹性变形在石墨球周围形成热力耦合效应，使石墨球外围一层基体组织软化退火，并消弭了增殖位错，使其无法累积饱和，降低了疲劳裂纹产生的概率，从而提高了材料的疲劳强度。

需要说明的是，对拉拔工艺结束后得到的型材可以预先进行金相检测。通过金相检测可以粗测型材是否达到100％共晶石墨，且不得有初生石墨，球化率接近或达到100％。由于金相检测是一个依赖测试人员技术水平高低的方法，故金相检测一般作为电镜扫描检测的前序检测手段，若检测结果离100％球化率差距甚远，也就无需进行高成本的电镜扫描检测了，而若检测结果离100％球化率差距不大，则可进一步进行电镜扫描检测，以便作出精确的判断。

进一步地，待电镜扫描检测合格后，对拉拔工艺结束后得到的型材进行再结晶退火处理。再结晶退火处理可使铸态组织的晶粒细化和球化。

进一步地，对经再结晶退火处理后的型材进行粗加工或半精加工得到半成品。

进一步地，对半成品进行等温淬火处理。需要说明的是，将半成品在890-910℃下，保温40-60min，保温时间由半成品的厚度决定；将在890-910℃下保温后的半成品浸入温度范围为250-420℃的恒温深井式硝盐槽进行淬火，具体温度由对零件硬度的要求而定，保温40-60min；将在250-420℃下保温后的半成品取出空冷至室温，并用清水去除盐渍。

需要说明的是，淬火介质—硝盐的具体的恒温温度由所要求的共晶石墨钢的硬度来决定。譬如，在用QT500-10连铸球铁型材等温淬火时，硝盐温度250℃时，淬火硬度约为HRC46-50，当硝盐温度350℃时，淬火硬度约为HRC34-38。

还需要说明的是，由于材料中的石墨细密，曲率半径小，溶解速度快，故在本发明等温淬火工艺中，奥氏体化时间和等温淬火时间短，比传统ADI淬火的奥氏体化保温时间和等温淬火时间缩短了约1/3。

还需要说明的是，本发明的制备方法的具体的益处和原因如下：

(1)细密圆整的石墨球(球径≤25μm)与传统球墨铸铁和ADI中的大直径(50-120μm)石墨球相比，在其所制工件服役受力后发生微小弹性变形时，细小石墨球与基体交界面上的应力应变量比粗大石墨球的情况减小数十倍，大大降低了在此交界面上产生疲劳裂纹的概率。

(2)工件服役受力变形时，紧挨石墨球的基体内壁上变形较大，当弹性交变频率较高时，此处发生粘弹性生热，出现热力耦合效应，在石墨球及其周围形成了一个球形高温温度场，处在这个场内的基体金属球壳被回火软化。同时位错增殖过来的大量位错在此高温场中被消解，产生不了累积和饱和，从而很难萌生疲劳裂纹，工件的疲劳强度和疲劳寿命因而显著提高。

(3)无论是石墨球结晶还是奥氏体结晶，除了形核时吸纳一部分杂质外，晶粒长大过程都将把杂质元素排斥在液固界面前沿的高温铁水层中，这些杂质最终都聚集到由高温铁水层快速冷凝而成的非晶态机械混合物—包覆层中。这些包覆层在随后的热处理中基本不发生组织成分变化，在等温淬火后仍然存留，其作用只相当于将石墨球直径增大了3-5％，对基体不起割裂作用，但是却集纳了几乎所有的杂质元素及其化合物颗粒(SiO₂\FeO\Al₂O₃等等)，有效地净化了基体组织的晶界，使材料疲劳强度和寿命大大提高。

(4)基体中的高碳奥氏体(约占20-40％)有应力硬化效应。共晶石墨钢工件服役受力后，受力较大部位(如齿轮啮合面、滚动轴承的滚道)上几个微米厚的表层内的高碳奥氏体转变为马氏体组织，硬度陡然提高，耐磨性增加。

(5)细密弥散分布的石墨球可以有效吸收震动和噪音，使材料的震动和噪音降低一倍以上。

(6)裸露在工作摩擦面上的石墨，被对偶面刮蹭下来，以片状蔓布在摩擦表面，成为固体润滑膜。此膜摩擦系数低，不易破裂，在325℃以下温度不氧化，使得所制工件在300℃以下环境中有自我润滑性能，避免了润滑不良或干摩擦带来的一系列严重后果。

基于以上分析可知，此材料以超细密的球墨铸铁作为坯材，经等温淬火制成，与普通的等温淬火球墨铸铁(ADI)相比，其力学性能接近或达到普通淬火钢的水平，同时又具有了自润滑、吸音减震等功能，故本发明将其称之为共晶石墨钢。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例一

目标：拉制外径200mm、壁厚20mm的球铁空心型材，并制备成硬度≥HRC45的共晶石墨钢。

将铸造物料(60％Q14^#面包铁、20％低碳钢下脚料、20％球铁回炉料)在中频感应炉中熔化成铁水，并调整成如下组分的质量百分比：C：3.30％±0.05％、Si:1.6±0.05％、Mn≤0.2％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cu：0.6％、Ni≤0.6％、Cr：≤0.3％和余量Fe，各组分的质量百分比总和为100％。

待熔化铁水达到1530℃后定置20分钟，倒入吊包300Kg，吊包底坑内预先放进4.5Kg铈稀土镁球化剂(占铁水重量1.5％)，用球铁铁屑覆盖；待球化反应完成后，向铁水中加入75^#硅铁孕育剂3Kg(占铁水重量1.0％)，以使铁水经孕育和球化处理后的终硅量为2.60％±0.05％，残镁含量为0.035％-0.045％。经孕育和球化处理后，吊包内铁水的温度为1460℃。

熔化铁水的同时，用燃油喷火器对垂直连铸炉的炉膛进行预热，使其内壁温度达到700℃以上。临浇注铁水前停止喷火。

将经孕育和球化处理后的铁水倒进茶壶包8，茶壶包8设置有加热器9，以使铁水在茶壶包8中的能够维持约为1320-1360℃的温度。从浇注口11导入垂直连铸炉7中的炉膛(如图1所示)，此时进入炉膛的铁水温度平均约为1300℃，经U字形通道进入结晶器3中，图中箭头所示即为铁水流动方向。结晶器3的石墨套12的上部预先插有引晶轴，引晶轴上端与拉拔机构相连。待铁水液面升至结晶器3上法兰盘10高度后，茶壶包8停止浇注。20-30秒后，进入结晶器3中的铁水已与引晶轴下端部凝成一体，并在石墨套12中冷凝出管壳。启动拉拔机进行步进式提拉，用拉拔辊1拉出连铸型材2，由拉拔机的拉拔辊1夹持着型材直接向上拉拔，拉至一定高度后作在线定长熔断和卸取。结晶器3的冷却水循环系统采用上进下出式，即进水口4在出水口5上方。且当拉拔出1-2米后，炉温趋于均匀，结晶器3热场正常。当连铸型材2被步进式拉拔出结晶器3时，铁水液面下降，此时茶壶包8给炉膛内持续注入铁水，使铁水液面始终保持在与结晶器3上法兰盘10稍高一点的位置。具体地，在拉拔过程中，每隔十分钟左右重复一次由电炉到茶壶包8再到垂直连铸炉的铁水孕育、球化和浇注过程，茶壶包8徐徐向垂直连铸炉注入铁水，以补充型材被拉拔出后炉膛内铁水的体积减少和液面降低，其中，茶壶包8的注入速度是使其浇注口11的铁水液面高度保持在结晶器3上法兰盘10的高度稍上位置。拉拔结束后，炉膛内剩余的铁水从泄铁口6排出。

以每步距50mm，每拉一步停顿8秒的速度拉拔。当拉拔出1-2米型材后，对刚从结晶器3拉拔出的一个步距的型材的颜色均匀性进行观察。若拉拔出的一个步距的型材颜色为均匀的橘红色(如图2所示)，铁水即为共晶成分，则继续进行拉拔工艺。若拉拔出的一个步距的型材颜色呈条带状明暗相间分布(如图3所示)，则向垂直连铸炉浇注口11追加少量孕育剂，根据明暗条带的颜色差别大小决定追加孕育剂的量，直到颜色变为均匀橘红色即可。此过程一般需要3-5分钟。由于铁水静置过长时间会脱碳，需同时给电炉中的铁水增碳。

当第一次“在线定长熔断”型材后，根据型材断面的壁厚，调整拉拔机的停占比，达到壁厚要求。

待拉拔工艺结束后，对拉拔工艺结束后得到的型材进行金相检测或电镜扫描检测。检测型材中的石墨球径是否≤25μm；检测型材中的球化率是否接近或达到100％；检测型材中的石墨球密度是否达到300-700个/mm²，其中，距型材表面12mm以内的石墨球密度≥400个/mm²，距型材表面12mm以外的石墨球密度≥300个/mm²。如图4和图7所示，可以看出石墨球形态大小均匀且一致，球化率近100％。若各项指标均不符合检测标准，则需重新进行制备该材料。

电镜扫描电镜观察到铁水在连续铸造的强烈冷却速度下，在精确的共晶成分和较低的共晶反应温度下所得到的共晶石墨球，其外围会包覆一层机械混杂物(如图5和图6所示)。物相为含有C、Si和O及其化合物的机械混杂物。这个包覆层作为石墨球与基体组织的过渡层，容纳了铁水中的杂质，净化了基体晶界，减少了基体中萌生疲劳裂纹的启裂源，从而提高了材料的疲劳强度。

待金相检测和电镜扫描检测合格后，对拉拔工艺结束后得到的型材进行再结晶退火处理，并进行粗加工或半精加工得到半成品。

对半成品进行等温淬火处理。将半成品在900±5℃下，保温40min；将在900±5℃下保温后的半成品浸入温度范围为250-260℃的恒温硝盐槽进行淬火，保温40min；将在250-260℃下保温后的半成品从硝盐浴中取出空冷至室温，并用清水去除盐渍。

对比例

本对比例采用市售常规ADI材料。

将实施例一与对比例做对比实验相比较。结果如表1所示。

表1对比例与实施例一主要指标对比结果

根据表1的结果，本发明的石墨球球径小于对比例，石墨球密度高，球化率高，石墨球分布均匀，磨损率低，抗疲劳性高。从以上数据可以看出本发明同时兼具具有自润滑、吸音减震、耐磨损和抗疲劳性性能。

实施例一所制备的共晶石墨钢，基体组织的硬度为750-800HV0.01，如图8所示。在随后服役过程中，经受微小高频率弹性变形时，石墨球外围的基体组织会被回火，形成一圈“热时效+应变时效”的组织，如图9所示，石墨球周围出现了一圈新组织，其硬度降低到600-650HV0.01，而其余基体组织的硬度上升到985-1019HV0.01，如图9所示。弹性变形引入的位错增殖使基体组织硬度增高，而石墨球外围基体的弹性变形较大，发生粘弹性生热，加上包覆层中不同的机械混杂物之间的摩擦生热，在石墨球周围形成了高温温度场，使其区域内的材料被回火，降低了硬度，而增值位错传播到高温温度场后，会相互抵消或消解，无法累积和饱和，从而避免出现疲劳裂纹。而对比例中石墨球周围仅仅有一圈薄薄的变色带，并无新组织。

实施例二

目标：拉制外径100mm、壁厚10mm的球铁空心型材，并制备成硬度≥HRC32的共晶石墨钢。

为了简要描述，本实施例未提及之处，可参照实施例一。

将铸造物料(60％Q14^#面包铁、20％低碳钢下脚料、20％球铁回炉料)在中频感应炉中熔化成铁水，并调整成如下组分的质量百分比：C：3.45％±0.05％、Si:1.5±0.05％、Mn≤0.2％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cu≤0.6％、Ni≤0.8％、Cr：≤0.2％和余量为Fe，各组分的质量百分比总和为100％。

需要说明的是，铁水经孕育和球化处理后的终硅量为2.80％±0.05％，残镁含量为0.035％-0.045％。经孕育和球化处理后，吊包内铁水的温度为1460℃。

需要说明的是，以每步距40mm，每拉一步停顿3秒的速度拉拔。当拉拔出1-2米型材后，对刚从结晶器3拉拔出的一个步距的型材的颜色均匀性进行观察。若拉拔出的一个步距的型材颜色为均匀的橘红色，铁水即为共晶成分，则继续进行拉拔工艺。若拉拔出的一个步距的型材颜色呈条带状明暗相间分布，则向垂直连铸炉浇注口11追加少量孕育剂，根据明暗条带的颜色差别大小决定追加孕育剂的量，直到颜色变为均匀橘红色即可。此过程一般需要3-5分钟。由于电炉中的铁水静置过长时间会脱碳，需同时给电炉中的铁水增碳。

需要说明的是，对半成品零件进行等温淬火处理。将半成品零件在900±5℃下，保温40min；将在900±5℃下保温后的半成品浸入温度为365±5℃的恒温硝盐槽进行淬火，保温40min以上；将在365±5℃下保温后的半成品取出空冷至室温，并用清水去除盐渍。

综上所述，通过观察刚拉拔出一个步距的型材的颜色是否为均匀的橘红色，以及时向电炉中的铁水加入孕育剂或增碳剂，将铁水的成分调控至共晶成分的微小范围内，最终获得近100％球化的共晶石墨，且石墨球径≤25μm，避免出现大块的初生石墨所造成力学性能损伤的情况发生。所制备的自润滑耐磨损的共晶石墨钢同时具有自润滑性、吸音减震、耐磨性和抗疲劳四大性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (5)

1.一种自润滑耐磨损的共晶石墨钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将预设成分物料在电炉中熔化成铁水，所述预设成分物料中的各组分质量百分比包括：C：3.2％-3.6％、Si:1.4-1.8％、Mn：0.1-0.5％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：≤0.6％、Cu：≤0.8％、Ni≤1.0％、其他合金元素：≤1.0％和余量为Fe，所述各组分的质量百分比总和为100％，其中，碳含量为99.95％-100％的理论碳当量；

向所述铁水加入孕育剂和球化剂，以使所述铁水经孕育和球化处理后的终硅量为2.5-3.1％，残镁含量为0.035％-0.045％；

将所述孕育和球化处理后的铁水导入垂直连铸炉，且流入结晶器中，并启动拉拔机对进入所述结晶器中的铁水进行步进式提拉；

对从所述结晶器拉拔出的一个步距的型材的颜色均匀性进行观察；

若所述拉拔出的一个步距的型材颜色为均匀的橘红色，则继续进行拉拔工艺；

待拉拔工艺结束后，对所述拉拔工艺结束后得到的型材进行金相检测和电镜扫描检测；

待所述金相检测和电镜扫描检测合格后，对所述拉拔工艺结束后得到的型材进行再结晶退火处理；

对所述再结晶退火处理后的型材进行粗加工或半精加工得到半成品；

对所述半成品进行等温淬火处理。

2.根据权利要求1所述的自润滑耐磨损的共晶石墨钢的制备方法，其特征在于，所述对从所述结晶器拉拔出的一个步距的型材的颜色均匀性进行观察的步骤还包括：

所述拉拔出的一个步距的型材颜色呈条带状明暗相间分布，则向所述垂直连铸炉中继续添加所述孕育剂；

向所述电炉中加入增碳剂。

3.根据权利要求1所述的自润滑耐磨损的共晶石墨钢的制备方法，其特征在于，所述对所述半成品进行等温淬火处理的步骤包括：

将所述半成品在890-910℃下，保温40-60min；

将所述在890-910℃下保温后的半成品进行淬火，并保温40-60min，其中，根据所述半成品的硬度要求选择恒温硝盐槽以维持250-420℃的温度范围；

将所述淬火并保温40-60min后的半成品取出空冷至室温，并用清水去除盐渍。

4.根据权利要求1所述的自润滑耐磨损的共晶石墨钢的制备方法，其特征在于，所述待拉拔工艺结束后，对所述拉拔工艺结束后得到的型材进行金相检测和电镜扫描检测的步骤中包括：

检测所述型材中的石墨球径是否≤25μm；

检测所述型材中的球化率是否为100％；

检测所述型材中的石墨球密度是否达到300-700个/mm²，其中，距所述型材的表面12mm以内的所述石墨球密度≥400个/mm²，距所述型材的表面12mm以外的所述石墨球密度≥300个/mm²。

5.一种自润滑耐磨损的共晶石墨钢，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述的自润滑耐磨损的共晶石墨钢的制备方法制成。