CN115074608A - 一种具有良好抗疲劳性能的球墨铸铁及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种具有良好抗疲劳性能的球墨铸铁及其制备方法。所述具有良好抗疲劳性能的高硅固溶球墨铸铁，包括如下质量百分比的组分：铁91.886‑92.715％，碳3.0‑3.2％，硅3.9‑4.20％，锰≤0.10％，磷≤0.025％，硫≤0.010％，稀土元素≤0.010％，镁0.035‑0.055％，铜0.3‑0.4％，钒0.05‑0.10％，锑≤0.005％，不可避免杂质含量≤0.009％，无缩孔、缩松等结构缺陷，具有优异的抗疲劳性能。

Description

一种具有良好抗疲劳性能的球墨铸铁及其制备方法
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种具有良好抗疲劳性能的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，球墨铸铁是一种高强度铸铁材料，通过球化和孕育处理得到球状石墨，有效地提高了铸铁的机械性能，特别是提高了塑性和韧性，从而得到比碳钢还高的强度，已成功地用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。所谓“以铁代钢”，主要指球墨铸铁。
铸铁构件机械结构失效最常见的原因是材料疲劳，结构在循环载荷作用下出现失效，即使材料受到的应力远低于材料的静态强度，也可能会发生这种类型的结构损伤。组件在反复载荷作用下导致最终失效的过程，可以分为三个阶段：(1)在多次循环作用下，材料损伤在微观层面不断发展，直到形成宏观裂纹；(2)在每次循环中，宏观裂纹都会不断增长，直至达到临界长度；(3)当出现裂纹的组件无法继续承受峰值载荷时，就会发生断裂。在某些应用中，无法观察到裂纹在微观尺度上快速增长，因此组件会发生突然失效，事实上其大部分的寿命都消耗在了出现宏观裂纹之前。
金属疲劳是无法避免的，但是可以通过结构设计或材料质量进行选择性预防，当三维结构成型后，通过二次元仿真模拟，确定材料的力学性能要求，其中比较重要的就是有效屈服强度，抗拉强度，断面伸长率，疲劳极限等，确保材料的疲劳极限能够满足工件的使用环境，不发生疲劳断裂。风电铸件一般要求20年服役期，目前还没有风电轮毂、底座、主轴等铸件有断裂的事故案例，说明风电铸件结构设计和材质选择安全系数还是比较高的，但是随着风电行业的发展和降本增效的实施，铸件向轻量化发展成为客观事实，壁厚减薄预示着铸铁材料的强度和疲劳极限必须得到提升。
现在行业青睐的QT500-14高硅固溶强化球墨铸铁制造风机大兆瓦铸件，缺点是热疲劳和高周疲劳不好，铸件热切割性差，容易开裂，高周疲劳是因为显微缩松、晶格畸变、错位排列、晶界夹渣、石墨畸形等问题，导致测试时内部传输力不均匀，导致内应力增大，最终试样受裂纹扩展导致断裂。QT500-14高硅固溶强化铁素体球墨铸铁强度高，但材料脆性大，脆性转变温度比QT400-18AL高20-100℃，缺口冲击下降明显，不宜生产结构上有应力集中部位的铸件，尤其是在低温条件下承受冲击载荷大的铸件。
高硅固溶铁素体材质在风电领域开始推广应用后出现两个设计流派，其一是设计厚大的主轴或中型壁厚的轮毂、底座，另一个是将整体壁厚控制在60mm以下，以轻量化为主。无论那个设计流派，如何提升材料疲劳是一个永恒的话题，欧标EN-1563-2012表E.1中QT500-14的旋转弯曲无缺口疲劳极限是225Mpa，旋转弯曲有缺口疲劳极限是140Mpa，实际中的铸件在工作时不需要弯曲，铸件也不存在缺口缺陷，更多会承受拉压的载荷力，因此拉压疲劳极限对铸件的意义会更大。
发明内容
本发明的目的是针对以上球墨铸铁在实际应用中疲劳强度不足的问题，提供一种具有良好抗疲劳性能的球墨铸铁，基体组织含量单一、纯度高，材料内部缺陷少，力学强度以及延伸率较好，应用于风力发电领域。
本发明的技术方案中一种具有良好抗疲劳性能的高硅固溶球墨铸铁，包括如下质量百分比的组分：铁91.886-92.715％，碳3.0-3.2％，硅3.9-4.20％，锰≤0.10％，磷≤0.025％，硫≤0.010％，稀土元素≤0.010％，镁0.035-0.055％，铜0.3-0.4％，钒0.05-0.10％，锑≤0.005％，不可避免杂质含量≤0.009％。
本发明还提供上述具有良好抗疲劳性能高硅固溶球墨铸铁的制备方法，包括如下步骤：
S1加料熔炼：向熔化炉底部加入硅铁、碳化硅和10～20％生铁，将废钢与剩余生铁混合后加入熔化炉，铁水熔化后升高温度，静置，表面浮渣清除干净后出铁；
S2球化出铁：在铁水包中加入球化剂捣实，球化剂表面加上硅钡孕育剂，出铁时冲入铁水包中进行球化；
S3浇注孕育：在浇注时随铁水流加入硅锰锆孕育剂进行第二次孕育；
S4造型开箱：在开放式底注浇注系统中采用呋喃树脂砂进行造型，造型完成后冷却开箱。
本发明采用自行设计的开放式底注浇注系统，包括直浇道、上模浇道、下模浇道、内浇道和试铁铸型，且上模浇道与下模浇道之间设置有过滤器。铁水经由浇杯口倒入直浇道内，直浇道引导铁水向下流进上模浇道，由于上模浇道与下模浇道之间设置有过滤器，使得流向下模浇道的铁水中的渣滓被过滤，过滤后的铁水经下模浇道引导流向内浇道，在内浇道控制流向试铁铸型铁水的速度和方向，进而调节铸型各部分的温度，最终铁水在试铁铸型处冷却成型。
进一步地，熔化炉设备条件为：15吨中频电炉，功率3000-7000KW·h，熔化率9T/h。
进一步地，生铁、废钢、硅铁、碳化硅、球化剂、硅锰锆孕育剂的添加量分别为70-80份、20-30份、3-4份、0.5-1.0份、0.9-1.0份、0.1-0.2份。
进一步地，生铁为熔融还原法生产的生铁，具体成分为：碳≥3.80％，硅0.3-0.5％，锰≤0.010％，磷≤0.020％，铬≤0.010％，铜≤0.005％，钛≤0.005％；钒≤0.0050％，钼≤0.0009％，余量为铁。
采用熔融还原法生产的生铁，将煤粉、矿粉和富氧热风通过高压喷枪压入铁水熔池，在液态中既有还原反应，也有氧化反应，压入熔池的气体可强有力的翻滚铁水，氧气和煤粉与矿粉可充分接触反应，强还原性气氛中还原出铁，并通过氧化除去磷、锰、钛、硅，从而得到纯度极高的铁水，浇注后成生铁。
生铁中的铜、钒，提高了球墨铸铁强度，也增加了成分过冷动力，细化了石墨，提高了材料的延伸性能，但合金量不宜过大，过大时会形成二次石墨化及细片状珠光体，主要是合金在晶界富集，影响了碳的扩散，导致石墨化能力减弱。
进一步地，废钢选择低碳钢，其金属成分含量：碳≤0.3％，锰≤0.30％，钛≤0.020％，磷≤0.030％，硫≤0.03％，锑≤0.01％，余量为铁。
废钢中钛和锑的含量要严格控制，钛和锑容易导致钉状石墨的形成，主要是因为钛、锑过量易形成碳化物，石墨形核生长时，碳在形核物质上堆积，受钛、锑争夺碳的影响，导致石墨分枝生长，最终无法形成球型石墨，而形成水藻状或钉状石墨，而钉状石墨对基体的割裂作用非常明显，做拉力试验时，试棒形变的同时内部进行着晶体的滑移或位错运动，钉状石墨割裂作用将阻碍晶体滑移，导致试棒外部形变处应力集中，过早的出现微观裂纹，随着加载力的进一步提高，裂纹呈现为宏观裂纹直到断裂，最终导致力学性能明显下降。
进一步地，硅铁使用75硅铁，含硅量72-80％，铝≤0.50％，钙≤0.30％，钛≤0.20％，余量为铁。
进一步地，碳化硅增碳增硅，碳≥25％，硅≥59％，余量为铁。
碳化硅可以增加石墨形核能力，并减少铁水过冷度，还具有脱氧作用，使得脱氧产物在铁液中有一系列的冶金反应，减轻锈蚀炉料中氧化物的有害影响，有效的净化铁液，具体的化学反应如下：
3SiC+2Fe2O3＝3SiO2+4Fe+3C；
C+FeO＝Fe+CO；
SiO2+2C＝Si+CO；
SiO2+FeO＝FeOSiO2(渣)；
Al2O3+SiO2＝Al2O3SiO2(渣)；
进一步地，步骤S1中生铁分两次加入，先加入总生铁量的10-20％，剩余生铁和废钢混合后加入。
进一步地，步骤S1中铁水熔化后升温至1470-1490℃，静置时间为10-15min，有利于铁水中氧化渣上浮除渣，起到净化铁水的作用。
进一步地，步骤S2中球化剂各组分含量为硅44-48％、稀土0.15-0.40％、镁5.60-6.15％、铝≤0.40％、氧化镁≤0.4％。
进一步地，步骤S2中硅钡孕育剂表面覆盖率为0.1-0.2％，粒度为3-8mm。
进一步地，步骤S3中硅锰锆孕育剂的组分为：硅60-70％，钙0.5-2.0％，锆3.0-5.0％，铝0.50-1.5％，锰2.5-4.5％，钡0.3-1.0％，其余为铁，粒度为0.2-0.7mm，浇注温度为1320-1360℃，充型速度为120-220秒。
硅锰锆随流孕育剂瞬时添加时，锰、锆可与铁液中的碳形成极细小的离子碳化物，铝、钙、钡可与硫、氧形成氧化物或硫化物，从而可提高球数和降低铸件白口倾向。
进一步地，步骤S4中凝固模数超过10cm，可设置发热冒口，消除缩松缺陷，发热冒口模数是壁厚模数的0.6-1倍，当壁厚超过95mm，凝固模数≥10cm可全覆盖铸铁冷铁，冷铁间隙15-25mm，铸铁冷铁为QT400-18L材质。
相比现有技术，本发明的技术方案具有如下有益效果：
(1)本发明使用熔融还原法生产的生铁、低碳钢、75硅铁和碳化硅，通过获得纯度极高的铁水得到以全铁素体为主，无缩孔、缩松、碳化物、晶间夹渣、石墨漂浮、黑斑等缺陷的球墨铸铁铸件；
(2)本发明方法所得球墨铸铁抗拉强度大于590Mpa，屈服强度大于470Mpa，延伸率大于15％，硬度170-230，适用壁厚为0-200mm的铸件；
(3)本发明方法所得球墨铸铁，试棒最小直径为9mm时的疲劳极限压力为±183.5Mpa时，疲劳循环次数大于500万次，具有较好的抗疲劳性能；
(4)本发明为QT500-14球墨铸铁铸件轻量化设计提供了疲劳数据支撑，推动了风电铸件设计的发展。
附图说明
图1是30mm壁厚试块金相SEM图；
图2是60mm壁厚试块金相SEM图；
图3是100mm壁厚试块金相SEM图；
图4是120mm壁厚试块金相SEM图；
图5是150mm壁厚试块金相SEM图；
图6是开放式底注浇注系统结构图；
图中：1-直浇道、2-上横浇道、3-过滤器、4-下横浇道、5-内浇道、6-试铁铸型。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图，对本发明的技术方案作进一步描述说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于帮助理解本发明，不用于本发明的具体限制。且本文中所使用的附图，仅仅是为了更好地说明本发明所公开内容，对保护范围并不具有限制作用。如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。
实施例1
本实施例具有良好抗疲劳性能高硅固溶球墨铸铁由如下方法制得：
S1加料熔炼：向熔化炉底部加入16份生铁、3.0份硅铁、0.6份碳化硅，将22份废钢与56份生铁混合后加入熔化炉，铁水熔化后升温至1480℃，关闭功率，静置15min，将其表面浮渣清除干净；
S2球化出铁：在铁水包中加入0.9份球化剂捣实，球化剂表面加上其质量0.1％的硅钡孕育剂，铁水冲入球化剂中进行球化出铁，爆镁60s；
S3浇注造型：1350℃进行浇注，浇注时随铁水加入0.1份硅锰锆孕育剂进行孕育，充型速度为200，在开放式底注浇注系统中采用呋喃树脂砂进行造型，造型完成后冷却至200℃后开箱；
所得高硅固溶球墨铸铁组分为：碳3.0％，硅3.9％，锰0.08％，磷0.025％，硫0.01％，稀土元素0.01％，镁0.035％，铜0.3％，钒0.05％，锑0.005％，不可避免杂质含量0.009％，其余为Fe。
实施例2
本实施例具有良好抗疲劳性能高硅固溶球墨铸铁由如下方法制得：
S1加料熔炼：向熔化炉底部加入16份生铁、3.0份硅铁、0.6份碳化硅，将24份废钢与56份生铁混合后加入熔化炉，铁水熔化后升温至1480℃，关闭功率，静置15min，将其表面浮渣清除干净；
S2球化出铁：在铁水包中加入0.9份球化剂捣实，球化剂表面加上其质量0.1％的硅钡孕育剂，铁水冲入球化剂中进行球化出铁，爆镁70s；
S3浇注造型：1350℃进行浇注，浇注时随铁水加入0.1份硅锰锆孕育剂进行孕育，充型速度为200，在开放式底注浇注系统中采用呋喃树脂砂进行造型，造型完成后冷却至200℃后开箱；
所得高硅固溶球墨铸铁组分为：碳3.1％，硅4.0％，锰0.10％，磷0.02％，硫0.01％，稀土元素0.009％，镁0.04％，铜0.3％，钒0.06％，锑0.005％，不可避免杂质含量0.008％，其余为Fe。
实施例3
本实施例具有良好抗疲劳性能高硅固溶球墨铸铁由如下方法制得：
S1加料熔炼：向熔化炉底部加入16份生铁、3.5份硅铁、0.8份碳化硅，将26份废钢与60份生铁混合后加入熔化炉，铁水熔化后升温至1480℃，关闭功率，静置15min，将其表面浮渣清除干净；
S2球化出铁：在铁水包中加入1.0份球化剂捣实，球化剂表面加上其质量0.1％的硅钡孕育剂，铁水冲入球化剂中进行球化出铁，爆镁60s；
S3浇注造型：1350℃进行浇注，浇注时随铁水加入0.15份硅锰锆孕育剂进行孕育，充型速度为200，在开放式底注浇注系统中采用呋喃树脂砂进行造型，造型完成后冷却至200℃后开箱；
所得高硅固溶球墨铸铁组分为：碳3.2％，硅4.0％，锰0.09％，磷0.025％，硫0.009％，稀土元素0.010％，镁0.045％，铜0.4％，钒0.08％，锑0.005％，不可避免杂质含量0.009％，其余为Fe。
实施例4
本实施例具有良好抗疲劳性能高硅固溶球墨铸铁由如下方法制得：
S1加料熔炼：向熔化炉底部加入16份生铁、3.5份硅铁、0.8份碳化硅，将24份废钢与60份生铁混合后加入熔化炉，铁水熔化后升温至1480℃，关闭功率，静置15min，将其表面浮渣清除干净；
S2球化出铁：在铁水包中加入1.0份球化剂捣实，球化剂表面加上其质量0.1％的硅钡孕育剂，铁水冲入球化剂中进行球化出铁，爆镁80s；
S3浇注造型：1350℃进行浇注，浇注时随铁水加入0.2份硅锰锆孕育剂进行孕育，充型速度为200，在开放式底注浇注系统中采用呋喃树脂砂进行造型，造型完成后冷却至200℃后开箱；
所得高硅固溶球墨铸铁组分为：碳3.0％，硅4.10％，锰0.10％，磷0.025％，硫0.010％，稀土元素0.008％，镁0.05％，铜0.3％，钒0.10％，锑0.003％，不可避免杂质含量0.009％，其余为Fe。
实施例5
本实施例具有良好抗疲劳性能高硅固溶球墨铸铁由如下方法制得：
S1加料熔炼：向熔化炉底部加入16份生铁、4.0份硅铁、1.0份碳化硅，将30份废钢与64份生铁混合后加入熔化炉，铁水熔化后升温至1480℃，关闭功率，静置15min，将其表面浮渣清除干净；
S2球化出铁：在铁水包中加入1.0份球化剂捣实，球化剂表面加上其质量0.1％的硅钡孕育剂，铁水冲入球化剂中进行球化出铁，爆镁90s；
S3浇注造型：1350℃进行浇注，浇注时随铁水加入0.2份硅锰锆孕育剂进行孕育，充型速度为200，在开放式底注浇注系统中采用呋喃树脂砂进行造型，造型完成后冷却至200℃后开箱；
所得高硅固溶球墨铸铁组分为：碳3.2％，硅4.20％，锰0.06％，磷0.015％，硫0.010％，稀土元素0.010％，镁0.055％，铜0.4％，钒0.10％，锑0.005％，不可避免杂质含量≤0.009％，其余为Fe。
对比例1
本对比例采用QT500-14高硅固溶强化铁素体球墨铸铁。
对比例2
本对比例采用QT400-18AL铁素体球墨铸铁。
以上实施例采用开放式底注浇注系统(图6)进行造型工艺，根据铸件壁厚分布，局部凝固模数设置冷铁、发热冒口(凝固模数超过10cm，可设置发热冒口，消除缩松缺陷，发热冒口模数是壁厚模数的0.6-1倍)，防止缩松缺陷产生，当壁厚超过95mm，凝固模数≥10cm可全覆盖铸铁冷铁，冷铁间隙15-25mm，其中铸铁冷铁为QT400-18L材质。使用应力幅度5.5Mpa的阶梯法对直径9mm的试样进行拉压疲劳测试。
表1实施例与对比例力学性能数据表
抗拉强度 屈服强度 延伸率 球化率 疲劳压力 循环次数
实施例1 605MPa 490MPa 18.5％ >92％ 183.5Mpa >500万
实施例2 595Mpa 481Mpa 16.0％ ＞90％ 230Mpa >500万
实施例3 601Mpa 482Mpa 15.0％ ＞90％ 183.5Mpa >500万
实施例4 597Mpa 483Mpa 18.5％ ＞91％ 200Mpa ＞500万
实施例5 592Mpa 479Mpa 17.5％ ＞90％ 183.5Mpa >500万
对比例1 590Mpa 485Mpa 15.5％ ＞90％ 183.5Mpa 1872149
对比例2 370Mpa 235Mpa 20.0％ ＞90％ 183.5Mpa 653417
附图分别为实施例1-5据凝固模数设计得到的不同壁厚试块的SEM图，图1-5显示不同壁厚的试块，其石墨球较为圆整且分布均匀，球化级别较高。如表1所示，实施例1-5所得具有良好抗疲劳性能高硅固溶球墨铸铁的抗拉强度大于590MPa，失效循环次数超过500万次，对比例1力学强度尚可，失效循环次数较少，对比例2力学强度较差，失效循环次数也较少。表明本发明的技术方案得到缺陷较少的球墨铸铁，具有较好的力学强度和抗疲劳性能。
最后应说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明，而并非对本发明的实施方式的限定。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具有实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，这里无需也无法对所有的实施方式予以全例。而这些属于本发明的实质精神所引申出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种具有良好抗疲劳性能的高硅固溶球墨铸铁，其特征在于，包括如下质量百分比的组分：铁91.886-92.715％，碳3.0-3.2％，硅3.9-4.20％，锰≤0.10％，磷≤0.025％，硫≤0.010％，稀土≤0.010％，镁0.035-0.055％，铜0.3-0.4％，钒0.05-0.10％，锑≤0.005％，不可避免杂质含量≤0.009％。
2.如权利要求1所述一种具有良好抗疲劳性能的高硅固溶球墨铸铁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1加料熔炼：向熔化炉底部加入硅铁、碳化硅和10～20％生铁，将废钢与剩余生铁混合后加入熔化炉，铁水熔化后升高温度，静置，表面浮渣清除干净后出铁；
S2球化出铁：在铁水包中加入球化剂捣实，球化剂表面加上硅钡孕育剂，出铁时冲入铁水包中进行球化；
S3浇注孕育：在浇注时随铁水流加入硅锰锆孕育剂进行第二次孕育；
S4造型开箱：在开放式底注浇注系统中采用呋喃树脂砂进行造型，造型完成后冷却开箱。
3.根据权利要求2所述一种具有良好抗疲劳性能的高硅固溶球墨铸铁的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述的开放式底注浇注系统包括直浇道、上模浇道、下模浇道、内浇道和试铁铸型，且上模浇道与下模浇道之间设置有过滤器。
4.根据权利要求2所述一种具有良好抗疲劳性能的高硅固溶球墨铸铁的制备方法，其特征在于，生铁为熔融还原法生产的生铁，具体成分为：碳≥3.80％，硅0.3-0.5％，锰≤0.010％，磷≤0.020％，铬≤0.010％，铜≤0.005％，钛≤0.005％；钒≤0.0050％，钼≤0.0009％，余量为铁。
5.根据权利要求2所述一种具有良好抗疲劳性能的高硅固溶球墨铸铁的制备方法，其特征在于，碳化硅增碳增硅，碳≥25％，硅≥59％，余量为铁。
6.根据权利要求2所述一种具有良好抗疲劳性能的高硅固溶球墨铸铁的制备方法，其特征在于，生铁、废钢、硅铁、碳化硅、球化剂、硅锰锆孕育剂的添加量分别为70-80份、20-30份、3-4份、0.5-1.0份、0.9-1.0份、0.1-0.2份。
7.根据权利要求2所述一种具有良好抗疲劳性能的高硅固溶球墨铸铁的制备方法，其特征在于，步骤S1中铁水熔化后升温至1470-1490℃，静置时间为10-15min。
8.根据权利要求2所述一种具有良好抗疲劳性能的高硅固溶球墨铸铁的制备方法，其特征在于，步骤S2中球化剂各组分含量为硅44-48％、稀土0.15-0.40％、镁5.60-6.15％、铝≤0.40％、氧化镁≤0.4％。
9.根据权利要求2所述一种具有良好抗疲劳性能的高硅固溶球墨铸铁的制备方法，其特征在于，步骤S2中硅钡孕育剂表面覆盖率为0.1-0.2％，粒度为3-8mm。
10.根据权利要求2所述一种具有良好抗疲劳性能的高硅固溶球墨铸铁的制备方法，其特征在于，步骤S3中硅锰锆孕育剂的组分为：硅60-70％，钙0.5-2.0％，锆3.0-5.0％，铝0.50-1.5％，锰2.5-4.5％，钡0.3-1.0％，其余为铁，粒度为0.2-0.7mm，浇注温度为1320-1360℃，充型速度为120-220秒。
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