CN113737085B - 一种球墨铸铁桥壳及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种球墨铸铁桥壳及其制备方法，球墨铸铁桥壳的化学成分按重量百分比计为:碳:3.45‑3.70％，硅:3.6‑4.3％，锰:0.31‑0.58％，硫:0.05％以下，磷:0.05％以下，铋:0.0016‑0.0032％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素，并且碳含量[C]、硅含量[Si]、铋含量[Bi]满足1300≤[Si]:[Bi]≤2300以及1500≤([C]+1/3[Si]):[Bi]≤2500，其制备方法包括熔炼、球化、孕育、浇注步骤，并且孕育过程中使用含Bi孕育剂；该桥壳兼顾了强度、韧性、硬度、延伸率以及疲劳性能，还具有轻量化的特点。

Description

一种球墨铸铁桥壳及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种球墨铸铁桥壳及其制造方法，该桥壳兼顾了强度、韧性、硬度、延伸率以及疲劳性能，还具有轻量化的特点，可以适用于重载荷、大功率的工况使用，本发明还提供了上述球墨铸铁桥壳的制备方法。

背景技术

桥壳是车辆最重要的承重部件之一，通常要求其材料具有高的强度、延伸率、硬度、韧性、疲劳强度，以确保车辆在长期的行驶和颠簸振动中能够安全运行。并且近年来，降低车辆能耗是一个主要的课题，为车辆减重很重要的一个发展方向。由于桥壳结构大，尺寸厚，导致其重量较高，因此，实现桥壳的轻量化是降低车辆量能耗的有利渠道。

目前车辆的桥壳多选用QT450-10和QT500-7等球墨铸铁材料。但是这些材料难以兼顾强度、延伸率、韧性，特别是疲劳性能较差，高载荷下长期使用容易出现疲劳损坏。如QT450-10延伸可以满足要求但强度不符合要求，QT500-7材料强度满足要求但延伸相差较远，为了确保性能达标，通常使用这两种材料的桥壳壁厚较厚，重量较高，不利于整车轻量化要求，并且二者的韧性和疲劳性能也较低，无法满足轻量化、重载荷、大功率工况使用要求，因此要求开发一种高强度、高延伸率、高韧性、高疲劳性能且硬度理想的桥壳用球墨铸铁材料，以满足零件的轻量化高性能要求。

发明内容

本发明提供一种兼顾了强度、韧性、延伸率、疲劳性能、硬度的球墨铸铁桥壳，无需添加贵重的元素Ni、Cu、Mo等，在低成本条件下即可实现实桥壳的轻量化和高性能。

本发明的技术目的是通过以下手段实现的。

本发明提供一种球墨铸铁桥壳，所述球墨铸铁桥壳的化学成分按重量百分比计为:碳:3.45-3.70％，硅:3.6-4.3％，锰:0.31-0.58％，硫:0.05％以下，磷:0.05％以下，铋:0.0016-0.0032％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素，并且碳含量[C]、硅含量[Si]、铋含量[Bi]满足1300≤[Si]:[Bi]≤2300以及1500≤([C]+1/3[Si]):[Bi]≤2500。

本发明的技术目的主要是依靠对球墨铸铁桥壳的成分及含量的调整实现的。

使用Si进行固溶强化，Si可以提高桥壳的强度和硬度，但是强度的提高往往会带来延伸率的损失，而Mn也是强化和提高硬度的元素，Mn与Si的作用类似，但Mn容易生成碳化物，恶化延伸率和韧性，因此，控制Si:3.6-4.3％、Mn:0.31-0.58％，即采用高硅低锰的设计，这样桥壳的强度、硬度性能能够得到基本保证，并且合金化元素比较低廉。作为优选，Si为3.7-4.2％，Si更优选3.75-4.1％；Mn优选为0.35-0.55％，Mn更优选为0.40-0.50％。

但是在Si含量较高时，会导致球墨铸铁桥壳石墨碎块化，严重影响球墨铸铁的性能，现有技术认为通过采用含Bi的孕育剂，可以克服石墨碎块化的问题，而本发明的发明人在生产过程中发现，通过将Si和Bi的含量控制在一定的比例范围内，可以在防止石墨碎块化的同时获得高的韧性和延伸率。

控制球墨铸铁桥壳的碳含量[C]、硅含量[Si]与铋含量[Bi]满足1500≤([C]+1/3[Si]):[Bi]≤2500，[C]+1/3[Si]实际代表了球墨铸铁的碳当量值CE，发明人发现，通过控制CE与[Bi]的比例，可以在确保优异延伸率和韧性性能的同时确保球墨铸铁具有优异的铸造性能和石墨化能力，铸造性能的改善可以有效的减少铸造缺陷，提高铸件的各项力学性能，特别的，铸造缺陷是影响疲劳性能的主要原因之一，铸造缺陷的减少对于获得优异的疲劳性能具有决定性的作用。

基于以上认识，发明人完成了本发明。通过控制球墨铸铁桥壳的碳:3.45-3.70％，硅:3.6-4.3％，锰:0.31-0.58％来保证材料的强度和硬度，通过孕育过程加入0.0016-0.0032％的Bi可以防止石墨的碎块化，而通过限制特定的[Si]和[Bi]比例在1300-2300，获得优异的延伸率和韧性的匹配，通过控制1500≤([C]+1/3[Si]):[Bi]≤2500可以获得疲劳性能优异的球墨铸铁桥壳。

如果Bi的含量过高，则防止石墨碎块化的作用到达极限，并且其会急剧的恶化球墨铸铁的韧性和延伸率，对球墨铸铁桥壳的性能带来不利影响；Bi如果过低，则不能够有效的起到防止石墨碎块化倾向的效果，因此，限定Bi的含量范围为0.0016-0.0032％，优选0.002-0.003％。

本发明的球墨铸铁桥壳其微观组织基体为珠光体和铁素体，优选的，珠光体的体积分数为40-60％，铁素体的体积分数为40-60％，球墨铸铁桥壳的球化等级为1-3级，石墨大小级别为6-7级。

通过成分以及含量和比例关系的优化，所述球墨铸铁桥壳的抗拉强度为580MPa以上，延伸率15％以上，室温冲击韧性65J/cm²以上，硬度170-230HB，台架试验的疲劳寿命110万次以上，屈服强度优选450MPa以上。

另外，对于球墨铸铁成分中的Bi元素，优选是在球墨铸铁熔炼过程中通过含Bi孕育剂加入的，由于Bi有抑制高Si球墨铸铁石墨碎块化倾向的作用，因此，通过含Bi孕育剂加入Bi既能够起到调控微观组织形貌的作用，又能够与Si一起调控延伸率和韧性。

另外，作为本发明的另一个方面，本发明还提供前述的球墨铸铁桥壳的制备方法，其包括熔炼、球化、孕育、浇注步骤，并且孕育过程中使用含Bi孕育剂；由于Bi有抑制高Si球墨铸铁石墨碎块化倾向的作用，因此，通过含Bi孕育剂加入Bi既能够起到调控微观组织形貌的作用，又能够与Si一起调控延伸率和韧性。

具体的，该球墨铸铁桥壳的制备方法包括如下步骤：

第一步、原料准备：按照设计成分和原料成分选择原料并计算配比；

第二步、熔炼：采用中频感应电炉熔炼铁液；

第三步、球化剂处理；

第四步、孕育剂处理和浇注：采用二次孕育，首先，进行一次包内孕育，之后，浇注并进行随流孕育，在随流孕育时使用所述的含Bi孕育剂，浇注完成得到球墨铸铁桥壳。

作为优选的技术方案，浇注过程采用铁型覆砂工艺。铁型覆砂铸造在球墨铸铁液结晶过程中有冷激作用，可进一步细化晶粒，有效提高强度和硬度，并且可以通过球墨铸铁的石墨化膨胀对桥壳进行自补缩，进一步减少铸造缺陷，提高桥壳铸造质量。

本发明的有益效果如下。

充分利用廉价合金化元素并合理搭配含量，确保优异的强度和硬度性能。使用Si进行固溶强化，提高球墨铸铁的强度和硬度，降低强化元素Mn的含量，即采用高硅低锰的设计，无需添加昂贵的金属Cu、Ni、Mo等，也可以使强度、硬度的性能得到保证。

发挥Bi元素与Si元素的协同作用。Bi元素可以避免高硅球墨铸铁的石墨碎块化。本发明的发明人发现通过将Si和Bi的含量控制在一定的比例范围内，可以在防止石墨碎块化的同时获得高的韧性和延伸率。

即，本发明通过高硅低锰微铋的元素及含量配合并限定特定的[Si]和[Bi]比、特定的[C]和[Si]及[Bi]比，最终获得了高强度，高延伸率，高韧性、高疲劳性能，硬度适合的球墨铸铁桥壳，其特别适用于轻量化且大功率、重载荷的工况条件。

本发明获得的球墨铸铁的抗拉强度为580MPa以上，延伸率15％以上，室温冲击韧性65J/cm²以上，硬度170-230HB，台架试验的疲劳寿命110万次以上。

具体实施方式

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体的试验例做进行进一步说明。

按照设计成分进行球墨铸铁桥壳的制备，其中所有的P元素控制在0.025％±0.002％即为合格，所有的S元素控制在0.02％±0.002％即为合格。具体的制备方法如下。

第一步、化学成分设计：按照目标化学成分选择选用含硫、磷、锰量低的生铁、废钢和回炉料等作为原料，并计算各个原料的用量。

第二步、中频炉熔炼：采用中频感应电炉将各个组分熔炼成铁液，铁液出炉温度1500±10℃。

第三步、球化处理：球化剂是采用FeSiMg8RE3球化剂，球化处理方法是采用冲入法进行球化处理，球化剂加入量为1.35％。

第四步、孕育处理和浇注：采用二次孕育，首先，铁水包内采用硅钡孕育剂，加入量为0.3％，粒度为3-10mm，其余为75SiFe孕育剂补充硅量，同时补加材料最终化学成分要求的锰铁；浇注过程中进行随流孕育，随流孕育剂为含Bi的硅铁铋孕育剂，其质量百分数为Si≥72％，Bi:1.3％；浇注温度为1400±10℃，所有样品均采用了砂型铸造(S)工艺，部分样品同时采用了砂型铸造(S)和铁型覆砂(T)工艺，同一试验编号的球墨铸铁浇注得到球墨铸铁试验样品，同时也浇注得到球墨铸铁桥壳。

对浇注得到的球墨铸铁进行化学成分分析，强度、延伸率、韧性、硬度的检测同时进行微观组织的观察与分析，对球墨铸铁桥壳进行疲劳性能的检测，疲劳寿命130万次以上的记为“△”，疲劳寿命110万次以上但小于130万次的记为“〇”，在未达到110万次之前发生疲劳断裂的记为“×”。化学成分的分析、强度、延伸率、韧性、硬度的测试以及微观组织的观察与分析均参照国家标准GB/T1348-2009及其援引的标准要求进行，球墨铸铁桥壳疲劳性能的检测参照QC/T533-1999标准进行。试验编号1～22、1-1、2-1、3-1、4-1、9-1、10-1的球墨铸铁的化学成分的分析结果记录在表1中，CE:[Bi]即([C]+1/3[Si]):[Bi]，其中试验编号1和1-1、2和2-1、3和3-1、4和4-1、9和9-1、10和10-1分别采用同一炉球墨铸铁液浇注，因此具有相同的成分，区别仅是铸造工艺不同。力学性能测试以及微观组织观察分析的结果展示在表2中。

表1(各组分均为质量百分比，余量为Fe)

上述试验例中，编号1～12、1-1、2-1、3-1、4-1、9-1、10-1的成分以及元素比例元素均符合本发明的要求，均是本发明的发明例。编号13的[Si]:[Bi]不符合本发明的要求，编号14的CE:[Bi]不符合本发明的要求，编号15～16的C含量不符合本发明的要求，编号17～18的Si含量不符合本发明的要求、编号19～20的Bi含量、[Si]:[Bi]、CE:[Bi]不符合本发明的要求，编号21～22的Mn含量不符合本发明的要求，因此，试验例编号13～22是本发明的对比例。

表2展示了试验编号1～22、1-1、2-1、3-1、4-1、9-1、10-1的力学性能和微观组织情况。

表2

下面结合表1的化学成分和表2的力学性能及微观组织作进一步分析说明。

表1中编号1～12、1-1、2-1、3-1、4-1、9-1、10-1均是本发明的发明例，其满足本发明对于各元素含量的要求并且满足[Si]:[Bi]在1300-2300以及CE:[Bi]在1500-2500范围内，各发明例在表2中的性能均能够满足本发明要求的抗拉强度为580MPa以上，延伸率15％以上，室温冲击韧性65J/cm²以上，硬度170-230HB，台架试验的疲劳寿命达到110-130万次以上。特别的，对于编号1-1、2-1、3-1、4-1、9-1、10-1的发明例，由于其采用铁型覆砂的铸造工艺，在相同成分条件下，其强度、硬度、韧性明显提升，延伸率略有下降但是也仍然在17％以上，并且其疲劳寿命130万次以上。可知，采用铁型覆砂工艺相比传统的砂型铸造能够获得为维持延伸率基本不变的情况下大幅提升球墨铸铁的强度、硬度和韧性，并且可以通过球墨铸铁的石墨化膨胀对桥壳进行自补缩，减少铸造缺陷，提高桥壳铸造质量。

各发明例的球化等级、石墨大小级别、金相结构也均符合本发明球化等级1-3级、石墨大小级别6-7级以及基体组织为珠光体+铁素体的要求。

下面结合表1和表2逐一分析本发明的对比例。

对比例13：虽然C、Si、Mn、P、S、Bi的含量以及CE:[Bi]比例均在本发明要求范围内，但[Si]:[Bi]不满足本发明的要求，通过表2的力学性能试验及微观组织分析证明，虽然其强度、硬度、疲劳性能以及微观组织能够满足本发明要求，但是其延伸率和韧性达不到本发明的要求，说明控制[Si]:[Bi]在合理的范围内对于获得优异的延伸率和韧性是重要的。

对比例14：虽然C、Si、Mn、P、S、Bi的含量以及[Si]:[Bi]比例均在本发明要求范围内，但CE:[Bi]不符合本发明的要求，通过表2的力学性能试验及微观组织分析证明，虽然其强度、硬度、延伸率、韧性以及微观组织能够满足本发明要求，但是疲劳性能不到本发明的要求，说明控制CE:[Bi]在合理的范围内对于获得优异的疲劳性能是重要的。

对比例15：虽然Si、Mn、P、S、Bi的含量以及[Si]:[Bi]比例、CE:[Bi]比例均在本发明要求范围内，但C含量低于本发明的要求，通过表2的力学性能试验及微观组织分析证明，虽然其硬度、延伸率、韧性、疲劳性能以及微观组织能够满足本发明要求，但是由于C的过低会显著影响强度，导致其强度达不到本发明的要求。

对比例16：虽然Si、Mn、P、S、Bi的含量以及[Si]:[Bi]比例、CE:[Bi]比例均在本发明要求范围内，但C含量高于本发明的要求，通过表2的力学性能试验及微观组织分析证明，虽然其强度、硬度、疲劳性能以及微观组织能够满足本发明要求，但是由于C过高会显著影响延伸率和韧性，导致其延伸率和韧性达不到本发明的要求，并且由于延伸率和韧性的下降导致疲劳性能无法达到本发明的要求。

对比例17：虽然C、Mn、P、S、Bi的含量以及[Si]:[Bi]比例、CE:[Bi]比例均在本发明要求范围内，但Si含量低于本发明的要求，通过表2的力学性能试验及微观组织分析证明，虽然其延伸率、韧性、疲劳特性以及微观组织能够满足本发明要求，但是由于Si的过低会显著影响强度和硬度，导致其强度和硬度达不到本发明的要求。

对比例18：虽然C、Mn、P、S、Bi的含量以及[Si]:[Bi]比例、CE:[Bi]比例均在本发明要求范围内，但Si含量高于本发明的要求，通过表2的力学性能试验及微观组织分析证明，虽然其强度、硬度、韧性、球化率以及基体组织能够满足本发明要求，但是由于Si的过高会显著影响延伸率，导致其延伸率达不到本发明的要求。并且由于Si过高，导致石墨碎块化严重，石墨大小级别无法满足本发明的要求，进而直接影响了材料的疲劳性能，无法满足本发明的要求。

对比例19：虽然C、Si、Mn、P、S的含量在本发明要求范围内，并且由于Bi含量过低，导致[Si]:[Bi]比例和CE:[Bi]比例超出本发明范围，通过表2的力学性能试验及微观组织分析证明，虽然其硬度、球化率及基体组织能够满足本发明要求，但是由于Bi过低，其对高硅条件下石墨碎块化的抑制不足，且[Si]:[Bi]比例不满足本发明要求，导致其强度、延伸率、韧性以及石墨大小级别均达不到本发明的要求，另外，CE:[Bi]比例超出本发明范围，由此也导致材料的疲劳性能无法满足本发明的要求。

对比例20：虽然C、Si、Mn、P、S的含量在本发明要求范围内，并且由于Bi含量过高，导致[Si]:[Bi]比例和CE:[Bi]比例超出本发明范围，通过表2的力学性能试验及微观组织分析证明，虽然其强度、硬度以及微观组织能够满足本发明要求，但是由于Bi的过高会恶化延伸率和韧性，且[Si]:[Bi]比例不满足本发明要求，导致其延伸率和韧性达不到本发明的要求，另外，CE:[Bi]比例超出本发明范围，由此也导致材料的疲劳性能无法满足本发明的要求。

对比例21：虽然C、Si、P、S、Bi的含量以及[Si]:[Bi]比例、CE:[Bi]比例均在本发明要求范围内，但Mn含量低于本发明的要求，通过表2的力学性能试验及微观组织分析证明，虽然其延伸率、韧性、疲劳性能以及微观组织能够满足本发明要求，但是由于Mn是提高强度和硬度的元素，Mn过低导致其强度和硬度达不到本发明的要求。

对比例22：虽然C、Si、P、S、Bi的含量以及[Si]:[Bi]比例、CE:[Bi]比例均在本发明要求范围内，但Mn含量高于本发明的要求，通过表2的力学性能试验及微观组织分析证明，虽然其强度、硬度以及微观组织能够满足本发明要求，但是由于Mn太高会恶化延伸率和韧性，导致其延伸率和韧性达不到本发明的要求，并且由于延伸率和韧性的下降导致疲劳性能无法达到本发明的要求。

通过上述发明例和对比例可以看出，C是强化元素，但是过高会对延伸率和韧性带来不利影响，过低则材料的强度不足；Si对于强度和硬度具有较为重要的影响，过高则延伸率不满足发明要求，过低则强度和硬度不满足发明要求；Mn也是提高强度和硬度的元素，但是过高会导致延伸率下降，过低则强度和硬度无法满足发明要求；Bi是防止石墨碎块化的元素，过高则会影响材料的延伸率和韧性，过低则无法起到防止石墨碎块化的作用，导致材料的各项力学性能下降；控制[Si]:[Bi]的比例在合理的范围内对于获得优异的延伸率和韧性的匹配是十分重要的，控制CE:[Bi]比例在合理的范围内对于获得优异的疲劳性能是重要的，且合适的C、Si、Bi、Mn含量对于确保优异的疲劳性能也是重要的。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对于这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (8)

1.一种球墨铸铁桥壳，其特征在于，所述球墨铸铁桥壳的化学成分按重量百分比计为:碳:3.49-3.68%，硅:3.77-4.3%，锰:0.31-0.58%，硫:0.05%以下，磷:0.05%以下，铋:0.0025-0.0032%，余量为Fe以及不可避免的杂质元素，并且碳含量[C]、硅含量[Si]、铋含量[Bi]满足1300≤[Si]:[Bi]≤1885以及1500≤([C]+1/3[Si]):[Bi]≤1988；所述球墨铸铁桥壳的抗拉强度为580MPa以上，延伸率15%以上，室温冲击韧性65J/cm²以上，硬度170-230HB，台架试验的疲劳寿命110万次以上。

2.根据权利要求1所述的一种球墨铸铁桥壳，其特征在于，所述球墨铸铁桥壳的铋含量为0.0025-0.003%。

3.根据权利要求1-2任一项权利要求所述的一种球墨铸铁桥壳，其特征在于，所述球墨铸铁桥壳的微观组织基体为珠光体和铁素体，珠光体的体积分数为40-60%，铁素体的体积分数为40-60%。

4.根据权利要求1-2任一项权利要求所述的一种球墨铸铁桥壳，其特征在于，所述球墨铸铁桥壳的球化等级为1-3级，石墨大小级别为6-7级。

5.根据权利要求1-2任一项权利要求所述的一种球墨铸铁桥壳，其特征在于，所述球墨铸铁桥壳的化学成分中的Bi元素是通过含Bi孕育剂加入的。

6.一种权利要求1-5任一项所述的球墨铸铁桥壳的制备方法，其特征在于，所述球墨铸铁的制备方法包括熔炼、球化、孕育、浇注步骤，并且孕育过程中使用含Bi孕育剂。

7.根据权利要求6所述的球墨铸铁桥壳的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

第一步、原料准备：按照设计成分和原料成分选择原料并计算配比；

第二步、熔炼：采用中频感应电炉熔炼铁液；

第三步、球化剂处理；

第四步、孕育剂处理和浇注：采用二次孕育，首先，进行一次包内孕育，之后，浇注并进行随流孕育，在随流孕育时使用所述的含Bi孕育剂，浇注完成得到球墨铸铁桥壳。

8.根据权利要求6-7任一项权利要求所述的球墨铸铁桥壳的制备方法，其特征在于，浇注过程采用铁型覆砂工艺。