CN110512136A - 一种高强度高韧性铸态球墨铸铁及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度高韧性铸态球墨铸铁及其制备方法，化学成分的质量百分数为：C含量3.2‑3.8%、Si含量2.4‑2.8%、Mn含量0.4‑0.7%、Cr含量<0.15%、P含量＜0.07%、S含量＜0.03%、Mg含量0.01～0.05%、Cu含量0.15‑0.3%、剩余为铁元素及不可避杂质，通过熔炼、球化孕育、造型、冷却得到铸态球墨铸铁，利用合金元素调控基体组织、微量元素复合增韧技术，提高球墨铸铁件的综合力学能力，使其同时具有较高强度和高的延伸率，使其适用于批量生产。

Description

一种高强度高韧性铸态球墨铸铁及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料制备，具体涉及一种高强度高韧性铸态球墨铸铁及其制备方法。

背景技术

铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金，由工业生铁、废钢等钢铁及其合金材料经过高温熔融和铸造成型而得到，除Fe外，还含及其它铸铁中的碳以石墨形态析出，若析出的石墨呈条片状时的铸铁叫灰口铸铁或灰铸铁、呈蠕虫状时的铸铁叫蠕墨铸铁、呈团絮状时的铸铁叫可锻铸铁或码铁、而呈球状时的铸铁就叫球墨铸铁。球墨铸铁件因具其良好的力学性能和铸造性能得以迅速发展，已成为替代铸钢的毛坯成型材料的一种选择，随着经济的快速发展和科技水平的提高，汽车产品的空载轻量化的需求不断加强，进而催生了汽车零件对高强度高韧性球墨铸铁件的需求。

为适应高强度、高韧性球墨铸铁件的需求，目前该类产品材料的研发在市面上开始推广应用，现有的球墨铸铁的性能提升研究，主要是通过热处理后获得高强度高韧性球墨铸铁，目前缺乏满足工业化批量生产的稳定工艺，由于现有可锻铸铁的使用标准，允许加入获得规定硬度和成分所要求元素以外的其他合金元素，因此，通过其他合金元素提高铸态球墨铸铁的强度和韧性是值得研究的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度高韧性铸态球墨铸铁及其制备方法，以期望利用合金元素调控基体组织、微量元素复合增韧技术，提高球墨铸铁件的综合力学能力，使其同时具有较高强度和高的延伸率。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种高强度高韧性铸态球墨铸铁，化学成分的质量百分数为：C含量3.2-3.8%、Si含量2.4-2.8%、Mn含量0.4-0.7%、Cr含量<0.15%、P含量＜0.07%、S含量＜0.03%、Mg含量0.01～0.05%、Cu含量0.15-0.3%、剩余为铁元素及不可避杂质。

作为优选，化学成分的质量百分数为：C含量3.20-3.5%、Si含量2.5-2.8%、Mn含量0.40-0.70%、Cr含量＜0.15%、P含量＜0.07%、S含量＜0.03%、Mg含量0.020～0.050%、Cu含量0.15-0.3%、剩余为铁元素及不可避杂质。

作为优选，上述铸态球墨铸铁的球化等级为1-2级，球径大小5-7级，珠光体含量为珠光体含量为50～65%。

作为优选，上述铸态球墨铸铁的的抗拉强度大于等于600兆帕，屈服强度大于等于370兆帕, 延伸率大于等于10%，布氏硬度为190-250HBW。

本发明还提供了一种铸态球墨铸铁的制备方法，制备高强度高韧性铸态球墨铸铁，其操作步骤为：物料选用，选用碳素废钢、球铁铁屑、球墨铸铁回炉、料作为原料，选配增碳剂。

熔炼，将原材料加入感应电炉熔炼，熔炼至1520摄氏度后静置，随后进行扒渣后得到铁液。

球化孕育，将球化包中逐层加入FeSiMg8Re2球化剂、硅铁、硅钡孕育剂，并覆盖珍珠岩，将铁液冲入球化包中进行球化，待球化完毕后造渣除渣，随后进行倒包孕育，得到纯净铁液。

造型，将制备好的覆膜砂加入制型机中进行壳型制作，形成铸型型壳，所述铸型型壳中放入铁型，随后将球化孕育后的纯净铁液吊至所述铁型的铸型浇注位置进行浇注，浇注完成后形成待成品。

冷却，将待成品进行冷却，在经过脱箱操作取下造型模具后得到铸态球墨铸铁。

作为优选，上述熔炼，在待接近1500摄氏度时，进行取样分析，根据分析结果调整配料，其静置时间为3至5分钟。

作为优选，上述球化孕育在球化包内还加入紫铜屑，上述倒包孕育过程中随铁液加入SiBa复合孕育剂，并充分搅拌铁液后加覆盖剂。

作为优选，上述造型，在浇注时，随流加入SiBa复合孕育剂进行随流孕育。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少是如下之一：

本发明的铸态球墨铸铁，基础材料很常见，易于获取，利用Mn和Cu等合金元素调控基体组织，提高球墨铸铁综合机械性能，其中Mn增加和细化珠光体，Cu是中等促进石墨化元素，用于抵消Mn增加延伸率下降的影响，从而稳定奥氏体，提高石墨的圆整度并级细化和稳定珠光体。

本发明才用的制备方法，利用浇注，以提高铸件致密度，根据铸件厚度与开箱时间配合控制铸件组织的进一步均匀化和降低铸件应力，以提高铸件的性能。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的一个实施例是，一种高强度高韧性铸态球墨铸铁，化学成分的质量百分数为：化学成分的质量百分数为：C含量3.2-3.8%、Si含量2.4-2.8%、Mn含量0.4-0.7%、Cr含量<0.15%、P含量＜0.07%、S含量＜0.03%、Mg含量0.01～0.05%、Cu含量0.15-0.3%、剩余为铁元素及不可避杂质。

C含量为3.2-3.8%，其中C是铸铁中最基本也是最重要的元素，通常含碳量高时析出的石墨数会増加，其中C含量有助于石墨化，促进Mg的吸收，且球墨铸铁的石墨呈球状，对比与灰铸铁、蠕墨铸铁、码铁而言，圆球形石墨对基体和力学性能的影响最小，可以充分发挥基体组织的作用，通常为了提高铁液的流动性，辅助球化效果。

Si含量为2.4-2.8%，Si属于促进石墨化的元素，Si含量的提髙有利于提髙C的活度并降低其在铁液的中的溶解，进而促进石墨化，当Si溶于基体组织中，还可以起到固溶强化铁素体的作用。

S含量＜0.03%，S在球墨铸铁中属于反石墨化元素，但是P含量过大会降低铁液的流动性，増大铸件出现裂纹倾向，因此含量应当严格控制。

Mn含量为0.4-0.7%，Mn能够Mn增加和细化珠光体，虽然Mn含量增大会阻碍石墨化元素，导致延伸率下降，但是Mn可固溶于铁素体中起到固溶强化铁素体。

Cu含量0.15-0.3%，Cu是中等促进石墨化元素，Cu与铁液互溶，形成液态固溶体，能够降低碳与铁的结合，具有强烈的促进珠光体形成的作用，降低共析转变温度，扩大珠光体转变区，促进珠光体形成并细化珠光体，其Cu与Mn组合后，相互促进，稳定奥氏体，能够提高石墨的圆整度并级细化和稳定珠交体，通过Mn还能和硫发生反应，还可以有效的减少金属液中的残留的硫。

P含量＜0.07%，P也是球墨铸铁中常见的有害杂质元素，但是能够在一定程度上降低球墨铸铁的共晶转变温度，使临界湿度范围变窄，从而提高球墨铸铁的耐磨性；但是P的含量需要严格控制，因为P共晶的熔点较低，常以液态形式存在，且凝固于共晶团边界，若不严格控制P在其中的含量会降低球墨铸铁的力学性能。

基于上述实施例，本实施例相比于实施例1其区别在于，C含量3.20-3.5%、Si含量2.5-2.8%，由于碳当量一般取共晶点附近，利于石墨膨胀对铁液的自补缩作用，因此，C含量的选择还取决于铸件壁厚，当属于薄壁铸件，在球化元素残留大或孕育不足时，C含量可取上限值；反之，当属于厚壁铸件，取下限值。需要注意的是当C含量过低时铸件易产生裂纹，C含量过髙会出现石墨漂浮，因此适应性的缩小C含量，使其稳定在3.20-3.5%时，能够在保证铸件韧性的前提下，降低出现石墨漂浮风险。

其中，Si的含量需要严格控制，若Si含量过髙易导致铁素体含量增大，珠光体含量降低，进而导致铸态球墨铸铁强度降低；当Si含量过低,其铸态球墨铸铁塑性存在显著下降，因此，适应性的缩小Si含量，使其稳定在为2.5-2.8%时，降低铸态球墨铸铁塑性下降风险。

基于上述实施例，本发明还提供一种铸态球墨铸铁的制备方法，以制备高强度高韧性铸态球墨铸铁，其操作步骤为：物料选用，选用碳素废钢、球铁铁屑、球墨铸铁回炉、料作为原料，选配增碳剂；其中，增碳剂是指碳素产品通过高温或者其他方式使其的分子结构改变，有规则的排列，这种分子排列方式，碳的分子间距更宽，更利于在铁液或者钢液中分解形核，本申请采用的增碳剂可以是石墨电极的废料切割或石油焦3000度的石墨化产品，通过增碳剂大幅度增加废钢用量，减少生铁用量，利用本身选择纯净的含碳石墨化物质，降低生铁里过多的杂质，通过增碳剂可降低铸件生产成本。

熔炼，将原材料加入感应电炉熔炼，熔炼至1520摄氏度后静置，随后进行扒渣后得到铁液。其中，熔炼温度直接决定着铁液的含气量以及合金元素含量，进而影响铁液的纯净度，当温度超过接近1500摄氏度时，铁液中的氧含量显著下降，因此在1520摄氏度后，不宜继续升高。

球化孕育，将球化包中逐层加入FeSiMg8Re2球化剂、硅铁、硅钡孕育剂，并覆盖珍珠岩，将铁液冲入球化包中进行球化，待球化完毕后造渣除渣，随后进行倒包孕育，得到纯净铁液。其中，硅铁含有钙、铝等物质，因为硅的孕育效果低下，需要搭配钙、铝等有益于提高孕育效果的物质。其中，硅钡孕育剂，主要是含硅钡元素为主的合金，利用钡元素极强的形核能力，较大程度的提高共晶团数，促进铁液的抗衰退能力。

造型，将制备好的覆膜砂加入制型机中进行壳型制作，形成铸型型壳，所述铸型型壳中放入铁型，随后将球化孕育后的纯净铁液吊至所述铁型的铸型浇注位置进行浇注，浇注完成后形成待成品；通过使用覆膜砂制作壳型，将其放入成型的金属型内浇注，实现在铸态条件下工业化稳定生产，通过随流孕育的方式保证孕育的均匀性，且操作简单。

冷却，将待成品进行冷却，将铁型进行开箱落砂，得到铸态球墨铸铁。

进一步的，上述熔炼，在待接近1500摄氏度时，进行取样分析，根据分析结果调整配料，其静置时间为3至5分钟，由于碳基孕育剂具有极强的石墨化和抗衰退能力，由于其熔点很髙因此对孕育处理温度要求高，因此需要在1500摄氏度时，进行检测，以便于保证孕育效果。

进一步的，上述球化孕育在球化包内还加入紫铜屑，上述倒包孕育过程中随铁液加入SiBa复合孕育剂，并充分搅拌铁液后加覆盖剂，通过紫铜屑作为Cu含量， SiBa复合孕育剂，以显著增加石墨球数,提高断面均匀性，提高铸态球墨铸铁的强度。

进一步的，上述造型，在浇注时，随流加入SiBa复合孕育剂进行随流孕育，SiBa复合孕育剂有利于石墨化、和抗衰退；需要注意的是，对于不同壁厚的铸件，浇注温度也有所不同，对薄壁件来说，浇注温度不宜过髙，否则会导致铁液的收缩量増大，产生缩松、缩孔等缺陷，温度通常在1300摄氏度左右，对厚壁铸件而言，若浇注温度过高，存在产生石墨漂浮、球化衰退的风险。

本实施例为检验实施例，根据GB/T1348-2009的球墨铸铁件拉伸试样的尺寸规定，对产品进行检测，测得抗拉试验 Rmin≥600MPa，Rsmin≥370MPa,延伸率A≥10%，硬度HB为190～250,利用光谱分析仪对金相试样进行主要的化学成分分析，利用型光学显微镜、扫描电子显微镜对石墨形态、基体组织形貌、珠光体的层片间距、初生奥氏体形貌等进行观察，其球化等级1～2级，球径大小5～7级，珠光体含量为50～65%，由于对比金相照片的方式测算球化率存在一定的误差，因此还可以按照更具有科学性和实用性的GB/T9441-2009中的计数法来计算球化率。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、 “实施例”、“优选实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (8)

1.一种高强度高韧性铸态球墨铸铁，其特征在于，化学成分的质量百分数为：C含量3.2-3.8%、Si含量2.4-2.8%、Mn含量0.4-0.7%、Cr含量<0.15%、P含量＜0.07%、S含量＜0.03%、Mg含量0.01～0.05%、Cu含量0.15-0.3%、剩余为铁元素及不可避杂质。

2.根据权利要求1所述的高强度高韧性铸态球墨铸铁，其特征在于：化学成分的质量百分数为：C含量3.20-3.5%、Si含量2.5-2.8%、Mn含量0.40-0.70%、Cr含量＜0.15%、P含量＜0.07%、S含量＜0.03%、Mg含量0.020～0.050%、Cu含量0.15-0.3%、剩余为铁元素及不可避杂质。

3.根据权利要求1所述的高强度高韧性铸态球墨铸铁，其特征在于：所述铸态球墨铸铁的球化等级为1-2级，球径大小5-7级，珠光体含量为珠光体含量为50～65%。

4.根据权利要求1所述的高强度高韧性铸态球墨铸铁，其特征在于：所述铸态球墨铸铁的的抗拉强度大于等于600兆帕，屈服强度大于等于370兆帕, 延伸率大于等于10%，布氏硬度为190-250HBW。

5.一种铸态球墨铸铁的制备方法，其特征在于：制备根据权利要求1至4任意一项所述的高强度高韧性铸态球墨铸铁，该方法操作步骤为：

步骤A、物料选用，选用碳素废钢、球铁铁屑、球墨铸铁回炉料作为原料，选配增碳剂；

步骤B、熔炼，将原材料加入感应电炉熔炼，熔炼至1520摄氏度后静置，随后进行扒渣后得到铁液；

步骤C、球化孕育，将球化包中逐层加入FeSiMg8Re2球化剂、硅铁、硅钡孕育剂，并覆盖珍珠岩，将铁液冲入球化包中进行球化，待球化完毕后造渣除渣，随后进行倒包孕育，得到纯净铁液；

步骤D、造型，将制备好的覆膜砂加入制型机中进行壳型制作，形成铸型型壳，所述铸型型壳中放入铁型，随后将球化孕育后的纯净铁液吊至所述铁型的铸型浇注位置进行浇注，浇注完成后形成待成品；

步骤E、冷却，将待成品进行冷却，将铁型进行开箱落砂，得到铸态球墨铸铁。

6.根据权利要求5所述的铸态球墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述熔炼，在待接近1500摄氏度时，进行取样分析，根据分析结果调整配料，其静置时间为3至5分钟。

7.根据权利要求5所述的铸态球墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述球化孕育在球化包内还入紫铜屑，所述倒包孕育过程中随铁液加入SiBa复合孕育剂，并充分搅拌铁液后加覆盖剂。

8.根据权利要求5所述的铸态球墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述造型，在浇注时，随流加入复合孕育剂进行随流孕育。