CN116200647A - 铁素体球墨铸铁、铸件及其制备方法 - Google Patents

铁素体球墨铸铁、铸件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁素体球墨铸铁、铸件及其制备方法，包含以下质量百分比的元素：Fe 92.25‑94.25％，Cu 0.09‑0.38％，C 2.92‑3.35％，Si2.92‑3.35％，Mn0.09‑0.38％，P≤0.04％，S≤0.02％，以及其铸件采用该铁素体球墨铸铁材料浇注而成，且铁素体球墨铸铁铸件的心部为铁素体组织，铁素体球墨铸铁的表面组织为马氏体。该制备方法包括制备球墨铸铁，铸件浇注，采用阶段性冷却的冷铁工艺冷却铸件，激光淬火。本发明得到一种抗拉强度达到450MPa以上、硬度达到150HBW以上，而且具有15％以上的高延长率的铁素体球墨铸铁，满足压铸机模板工作的使用需求。

Description

铁素体球墨铸铁、铸件及其制备方法
技术领域
本发明涉及铸铁冶金领域，具体涉及一种铁素体球墨铸铁、铸件及其制备方法。
背景技术
头板是压铸机的核心部件之一，在工作中受到交变载荷的作用，在开合模运动过程中不断产生冲击，经过一定的循环次数后容易产生疲劳破坏，机器和结构部件的失效大多数是由于发生疲劳造成的，而压铸机为动载工况下的加工机械，其零部件80％以上为疲劳破坏；中板是压铸机锁模装置的元件之一，锁模装置主要起到实现锁、开模动作和锁紧模具的作用，它也是增力机构的传力部件。
压铸机模板工作时模板间互相挤压、冲击，要求压铸机模板需要一定的抗变形能力，即延长率，且越高越好。专利公告号CN1760380A公开了一种关于铁素体的球墨铸铁材料的等温淬火工艺。经过特定的等温淬火的球墨铸铁具有独特的奥氏体—铁素体基体(称为奥氏铁素体)，微观组织的特征是在奥氏体基底上分布着针状铁素体，其综合性能十分优越，应用广泛。本发明提出了球墨铸铁的一种新的等温淬火工艺，其主要技术特征是：与传统的等温淬火工艺，本发明不是把工件从奥氏体保温温度直接放入等温炉中保温，而是在奥氏体化温度保持之后、进入等温炉中保温之前，把工件快速放入室温冷却介质中进行一次短时间冷却，然后再放入等温炉中保温。由于室温冷却温差较大，工件表层急冷，温度急剧降低至常温附近。在工件等温过程中，一方面，由于工件中存在较大的温度梯度，整个工件能以较快速度冷却，并且工件在急冷中已经散失部分热量，在等温温度保持的时间可以缩短，工件心部能够避免形成珠光体；另外一方面，盐炉中熔盐吸收工件热量减少，熔盐温度的升高减小，有利于保持较稳定的等温温度，得到所需要的奥氏铁素体组织。然而，上述技术方案得到的球墨铸铁材料的延长率只有3.5％，仍然无法满足压铸机模板的使用要求。
提高头、中板的疲劳性能可通过增加模面硬度的方法达到，由于激光淬火具有零件不变形、几乎不破坏表面粗糙度、对局部淬火定位精确、硬度比常规方法高且淬火层组织细密等特点，因此激光淬火是增加模面硬度的高效措施。其原理是利用激光将材料表面加热到相变点以上，随着材料自身冷却，奥氏体转变为马氏体。
目前的文献资料均对珠光体基体(如QT600、QT700)的球墨铸铁进行激光淬火。然而，珠光体基体延长率低，模板冲击时材料易开裂。在长期的压铸机的使用中容易由于模板的质量开裂问题影响压铸机的使用寿命，并不适合作为压铸机模板用的铸件的材料。而铁素体球墨铸铁的延长率较珠光体基体高，但铁素体球墨铸铁在回复阶段，生成的碳很少，导致铸件表面硬化困难，焊接性能差，因此很难进行激光淬火。对于铁素体基体的激光淬火尚无文献记载或技术方案公开。
发明内容
为了解决上述背景技术存在的技术问题，本发明的目的之一在于提供了一种铁素体球墨铸铁，铁素体球墨铸铁包含以下质量百分比的元素：Fe 92.25-94.25％，Cu 0.09-0.38％，C 2.92-3.35％，Si2.92-3.35％，Mn0.09-0.38％，P≤0.04％，S≤0.02％。
为了解决上述技术问题，本发明的目的之二在于提供了一种铁素体球墨铸铁铸件，铸件采用上述技术方案的铁素体球墨铸铁材料浇注而成，且铁素体球墨铸铁铸件的心部为铁素体组织，铁素体球墨铸铁的表面组织为马氏体。
作为优选方案，铸件为压铸机模板。
为了解决上述技术问题，本发明目的之三提供一种铁素体球墨铸铁的制备方法：包括以下步骤：
S0：制备球墨铸铁
准备铁料51-94份，增碳剂0.1-0.4份，铜0.1-0.4份，球化剂1.0-1.2份，孕育剂0.4-0.7份，随流孕育剂0.05-0.25份；把铁料、增碳剂、铜熔化，加入球化剂和孕育剂，得到铁水混合物，即为熔化状态下的球墨铸铁材料；
S1：铸件浇注
将铁水混合物浇注到模具中，浇注时加入随流孕育剂，得到待冷却铸件；
S2：铸件冷却
在模具外表面采用冷铁工艺冷却待冷却铸件，冷却时间从共析温度开始，直到下降至开箱温度后结束，得到冷却铸件；
S3：激光淬火
采用激光在冷却铸件表面进行淬火处理，使铸件心部为铁素体组织，表面形成马氏体组织，从而得到球墨铸铁铸件，激光淬火参数为：功率1500-2500W，进给速度150-250mm/min。
铁料其中包括生铁、硅铁、废钢和回炉材料等。这些原料的比例和选择会直接影响到最终的铁素体球墨铸铁的化学成分和机械性能。
阶段性冷铁冷却是铁素体球墨铸铁制备过程中的重要环节。在铸造过程中，当铁水冷却到一定温度时，需要进行冷铁冷却，以提高铸件的珠光体。这个过程是通过将高温铁水和周围的空气接触来降低温度，从而提高组织中的珠光体。如果没有进行冷铁冷却，铸件中的珠光体较低，这会导致铸件的力学性能下降，同时也会影响后续的激光淬火工艺。
激光淬火是现代铸造工艺中应用广泛的一种工艺。通过将激光束集中在铸件的表面区域上，使其迅速升温并迅速冷却，从而形成高硬度和高强度的表面层，提高铸件的耐磨性和耐腐蚀性。本申请的激光淬火的表层淬火深度控制在几百微米到几毫米之间，取决于激光功率、进给速度和材料的热传导性能等因素。从而控制马氏体的含量和材料内部的应力和变形情况。在铁素体球墨铸铁中，由于球墨铸铁具有较高的热导率和热容量，因此需要通过合理的激光淬火工艺参数来控制铸件的温度变化和热应力，以避免铸件在淬火过程中出现裂纹、变形等不良现象。
上述技术方案中，铸铁原料、阶段性冷铁工艺和激光淬火工艺参数的选取这三者的结合对于制备出高硬度、强度和延长率的铁素体球墨铸铁非常关键，三者缺一不可。只有在三者结合得当的情况下，才能保证铸件满足上述的要求，具有优良的机械性能和质量。
作为优选方案，铁料包括生铁50-90份，废钢0-30份，回炉材0-40份，硅铁1-4份。
硅铁是铸铁制备中常用的合金添加剂，可以改善铸铁的流动性和机械性能。而废钢、回炉材的回收和利用对环境保护和资源节约具有重要意义，可以将废钢加工成适用于铸造的原料，实现废钢资源的再利用，降低废钢的排放和环境污染。在铸造工艺中，原料之间的结合和组织结构的设计也需要考虑材料的流动性、凝固行为和热力学特性等因素。作为优选方案，铁料包括生铁50-90份，废钢0-30份，回炉材0-40份，硅铁1-4份。
作为优选方案，制备过程控制元素组成：Mn0.09-0.38wt％，P≤0.04wt％，S≤0.02wt％。其中，控制元素组成可以通过原料控制、熔炼控制等方式控制。
作为优选方案，在S2中，浇注温度为1320-1340℃。将浇注温度控制在1320-1340℃范围内，可以保证铸铁液体保持在熔融状态，不会出现凝固不完全的问题。同时，选择这个范围内的温度，也能够避免在铸造过程中产生过多的气泡和夹杂物等缺陷，从而得到更加完美的铸件。因此，选择浇注温度为1320-1340℃，可以在保证铸铁液体流动性、铸件表面硬度和耐磨性的同时，保证铸件内部的延展性和韧性。
作为优选方案，在S3中，采用通风冷铁冷却。
作为优选方案，在S3中，共析温度选取为727℃。共析温度是指铸铁在凝固过程中固态相和液态相同时的温度。在铸铁冶炼过程中，共析温度的选择会影响铸铁的组织结构和性能，特别是对于铁心的延展性和韧性有着重要的影响。727℃作为共析温度的选择，是发明人基于对铸铁组织和性能的理论和大量实验研究得出的。在这个温度下，具有球状的石墨颗粒在铸铁中形成良好的连续性，从而提高铸铁的韧性和延展性，还可以使得球墨铸铁具有较高的强度和硬度，尤其是表面强硬度较高，可以满足一定的使用需求。
作为优选方案，在S1中，球化剂为重稀土球化剂。在球化剂中，重稀土元素(如镧、铈、镨等)具有较高的亲和力和亲和力，因此它们更容易与铁原子结合并形成稳定的化合物。这些稀土元素的存在可以显著提高铸铁的强度和硬度，同时保持其高延展性。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明制备的铁素体球墨铸铁铸件只有表层组织改变，心部仍保持原基体组织，附铸及本体仍保持铁素体球墨铸铁的高性能，其抗拉强度达到450MPa以上、硬度达到150HBW以上，而且具有15％以上的高延长率；
(2)本发明技术方案的阶段性通风冷却和表面激光淬火可以促进铸铁的晶粒细化和均匀化，并优化其微观组织结构。这种优化可以使铸铁的机械性能更加稳定，并且在使用中不易产生裂纹和变形等问题，使得制备的铁素体球墨铸铁铸件提高了表面硬度，增强了模面抗疲劳性能，提高模板质量，延长压铸机使用寿命；
(3)经过阶段性通风冷却和表面激光淬火后的铸铁，其表面硬度和内部韧性的组合可以提高其加工性能。铸铁加工时通常需要进行切削、铣削等操作，这些操作需要较高的表面硬度和内部韧性来保证加工效果；
(4)本发明的制备方法采用的阶段性通风，不仅降低了冷却通风过程的高能耗，而且环保，既做到节能减排，又大大降低成本，具有较大的经济意义及理论价值；
(5)铁素体球墨铸铁铸件的制备方法可应用于各种高性能零件的制备。
附图说明
图1为实施例1通风前的金相组织图；
图2为实施例1通风后的金相组织图。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照本领域常规条件或按照制造厂商建议的条件；所使用的原料、试剂等，如无特殊说明，均为可从常规市场等商业途径得到的原料和试剂。本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
本申请实施例和对比例中原料的来源如无额外说明均为常规的原料：
表1-本申请实施例和对比例中原料的来源
原料名称 型号 厂家
增碳剂 JDZ-17 青岛九鼎
钙硅合金球化剂 Mg7Re1 龙钇
重稀土球化剂 DY-7 龙钇
孕育剂 CALBALLOY 龙钇
随流孕育剂 YFY-1A 龙钇
实施例1-6
实施例1
一种铁素体球墨铸铁的制备方法，其组分和含量如表1所示，包括以下步骤：
S0：准备材料，包括以下重量份数的组分：生铁90份，增碳剂0.4份，硅铁4份，铜0.4份，钙硅合金球化剂1.2份，孕育剂0.7份，随流孕育剂0.25份。制备过程控制元素组成：Mn0.09-0.38wt％，P≤0.04wt％，S≤0.02wt％；
S1：熔炼，把生铁、增碳剂、硅铁、铜熔化，加入球化剂和孕育剂，得到铁水混合物；
S2：浇注铁水混合物，浇注温度为1320℃，浇注时加入随流孕育剂，得到待冷却铸件；
S3:采用液冷冷铁工艺冷却待冷却铸件，冷却时间从共析温度727℃开始，直到下降至开箱温度400℃后结束，得到工件，其中；
S4：激光淬火，采用激光在工件表面进行淬火处理，得到铁素体球墨铸铁，激光淬火参数为：功率1500W，进给速度150mm/min。
通过光谱分析仪测量按照上述方法得到的铁素体球墨铸铁的元素组成(质量百分比)：Fe 92.62％，Cu 0.37％，C 3.29％，Si3.29％，Mn0.09％，P0.02％，S 0.01％。
实施例2
一种铁素体球墨铸铁的制备方法，其组分和含量如表1所示，包括以下步骤：
S0：准备材料，包括以下重量份数的组分：生铁50份，废钢30份，回炉材10份，增碳剂0.2份，硅铁1份，铜0.1份，硅钙合金球化剂1.0份，孕育剂0.4份，随流孕育剂0.05份。制备过程控制元素组成：Mn0.09-0.38wt％，P≤0.04wt％，S≤0.02wt％；
S1：熔炼，把生铁、增碳剂、硅铁、铜熔化，加入球化剂和孕育剂，得到铁水混合物；
S2：浇注铁水混合物，浇注温度为1320-1340℃，浇注时加入随流孕育剂，得到待冷却铸件；
S3:采用液冷冷铁工艺冷却待冷却铸件，冷却时间从共析温度727℃开始，直到下降至开箱温度400℃后结束，得到工件；
S4：激光淬火，采用激光在工件表面进行淬火处理，得到铁素体球墨铸铁，激光淬火参数为：功率2000W，进给速度250mm/min。
按照上述方法得到的铁素体球墨铸铁的元素组成(重量份)：Fe 92.25％，Cu0.19％，C 2.92％，Si2.92％，Mn0.19％，P0.04％，S 0.02％。
实施例3
一种铁素体球墨铸铁的制备方法，其组分和含量如表1所示，包括以下步骤：
S0：准备材料，包括以下重量份数的组分：生铁50份，增碳剂0.1份，硅铁2份，铜0.2份，钛铝合金球化剂1.1份，孕育剂0.5份，随流孕育剂0.15份。制备过程控制元素组成：Mn0.09-0.38wt％，P≤0.04wt％，S≤0.02wt％；
S1：熔炼，把生铁、增碳剂、硅铁、铜熔化，加入球化剂和孕育剂，得到铁水混合物；
S2：浇注铁水混合物，浇注温度为1320-1340℃，浇注时加入随流孕育剂，得到待冷却铸件；
S3:采用液冷冷铁工艺冷却待冷却铸件，冷却时间从共析温度727℃开始，直到下降至开箱温度400℃后结束，得到工件，其中；
S4：激光淬火，采用激光在工件表面进行淬火处理，得到铁素体球墨铸铁，激光淬火参数为：功率2500W，进给速度200mm/min。
按照上述方法得到的铁素体球墨铸铁的元素组成(重量份)：Fe 92.41％，Cu0.22％，C 3.06％，Si 3.06％，Mn 0.37％，P 0.04％，S 0.02％。
实施例4
一种铁素体球墨铸铁的制备方法，其组分和含量如表1所示，包括以下步骤：
S0：准备材料，包括以下重量份数的组分：生铁50份，回炉材40份，增碳剂0.25份，硅铁3.2份，铜0.3份，钛铝合金球化剂1.0份，孕育剂0.45份，随流孕育剂0.15份。制备过程控制元素组成：Mn0.09-0.38wt％，P≤0.04wt％，S≤0.02wt％；
S1：熔炼，把生铁、增碳剂、硅铁、铜熔化，加入球化剂和孕育剂，得到铁水混合物；
S2：浇注铁水混合物，浇注温度为1320-1340℃，浇注时加入随流孕育剂，得到待冷却铸件；
S3:采用液冷冷铁工艺冷却待冷却铸件，冷却时间从共析温度727℃开始，直到下降至开箱温度400℃后结束，得到工件，其中；
S4：激光淬火，采用激光在工件表面进行淬火处理，得到铁素体球墨铸铁，激光淬火参数为：功率1700W，进给速度220mm/min。
按照上述方法得到的铁素体球墨铸铁的元素组成(重量份)：Fe 92.44％，Cu0.32％，C 3.34％，Si 3.52％，Mn 0.22％，P 0.01％，S 0.01％。
实施例5
一种铁素体球墨铸铁的制备方法，各步骤及各步骤中使用的试剂、工艺参数均与实施例4相同，不同的地方在于，在S3中，采用通风冷铁冷却工艺，具体步骤如下：
A.在模板模面放置通风冷铁，该位置在工作时压模具，性能要求较高，为固定冷铁，防止起模后冷铁脱落，冷铁两端设有凹槽，此位置捆绑铁丝与砂箱箱筋连接；
B.冷铁中间钻孔放置
Figure BDA0004132034480000081
通风管A，钢管两端伸出冷铁100mm；
C.进风端：通风管A一侧连接一根
Figure BDA0004132034480000082
进风管B；/>
D.通风管A与进风管B中间用泥绳密封，进风管B伸出砂箱外侧与鼓风机通过塑胶管连接；
E.出风端：通风管A一侧连接一根
Figure BDA0004132034480000083
出风管C；
F.在冷铁位置放置测温线，测温线一端与钉子固定放置在冷铁背面，另一端与外界温度表连接，通过仪表可查看实时温度；
G.采用7.5KW鼓风机通风。
实施例6
一种铁素体球墨铸铁的制备方法，各步骤及各步骤中使用的试剂、工艺参数均与实施例4相同，不同的地方在于，在S1中，所述球化剂为重稀土球化剂。
对比例1-4
对比例1
将激光淬火的珠光体基体的球墨铸铁作为对比例1，得到的珠光体基体的球墨铸铁的元素组成：Fe 92.53％，Cu 0.32％，C 3.15％，Si3.15％，Mn0.22％，P0.11％，S0.02％。
对比例2
一种铁素体球墨铸铁的制备方法，各步骤及各步骤中使用的材料、工艺参数均与实施例1相同，不同的地方在于，原料中没有加铜。
对比例3
一种铁素体球墨铸铁的制备方法，各步骤及各步骤中使用的材料、工艺参数均与实施例1相同，不同的地方在于，阶段性通风从浇注完成开始到共晶温度1148℃。
对比例4
一种铁素体球墨铸铁的制备方法，各步骤及各步骤中使用的材料、工艺参数均与实施例1相同，不同的地方在于，激光淬火参数为：功率1250W，进给速度120mm/min。
将上述实施例和对比例的球墨铸铁进行性能检测试验，结果表3所示：
表2-实施例1-6和对比例1-4的性能测试结果
Figure BDA0004132034480000091
本发明各实施例的由上述实施例1-6可知，本发明制备获得的铁素体球墨铸铁的抗拉强度达到450MPa以上、硬度达到150HBW以上，而且具有15％以上的高延长率，满足压铸机模板工作的使用需求。
由实施例5可知，通风冷铁冷却由于表面和内部温度变化更加均匀，不容易产生内应力且能够提高铸件的表面质量：通风冷铁冷却使得铸件在冷却过程中表层与心部同时凝固，从而避免了由于凝固不均造成的内、外部缩孔，提高了表面质量，整体的强度和硬度的性能都得到提高。
由实施例6可知，重稀土球化剂具有良好的球化效果，能够使铸铁的球化率得到明显提高，从而提高铸件的力学性能。此外，重稀土球化剂还能提高铸铁的力学性能和使用寿命等。
铜是一种具有良好导热性和导电性的金属，可以促进铸件内部热量的传递和平衡。由对比例2可知，当铸铁过程中的原料缺少时会影响铸件的凝固过程，不利于其细而分散在表面，进而影响后续的激光淬火效果，而且铸件会在后续的进一步加工过程中容易产生裂纹和变形，降低铸件的质量和使用寿命。一般而言，球化率越高，铸铁的力学性能和加工性能也就越好。
发明人发现，阶段性通风对于球化率的提高十分关键，冷铁通风的时间会影响铸件的组织和硬度，从而影响激光淬火的效果。图1和图2分别为实施例1通风前和通风后的金相组织图，其放大参数均为100倍。由此可见，阶段性通风使得石墨球细而多地分散于组织表面。由对比例3可知，如果冷铁通风时间从浇注完成开始到共晶温度1148℃，铸件中的共晶组织没有充分形成，这样在激光淬火时，共晶组织中的渗碳量不足，导致铸件淬火后的硬度和耐磨性能不够理想。反之，如果冷铁通风时间过长，共晶组织会过度形成，导致铸件硬度变得过高，在激光淬火时，容易产生过深的淬火层和过硬的残余组织，影响铸件的韧性和抗冲击性能。而当冷却时间设定为从共析温度直到下降至开箱温度，有利于组织充分形成，减少铸件内部的应力，提高铸件的机械性能和耐用性能。
另外，激光淬火还会导致铸铁组织中出现脆性相，这也会对球化率产生负面影响。因此，在进行激光淬火时，需要通过适当的工艺参数和工艺控制来尽可能地减少对球化率的影响。由对比例4可知，当功率和进给速度的选取不合理时会导致铸件的球化率下降，从而对硬度以及伸长率的性能有不良影响。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种铁素体球墨铸铁，特征在于：
所述铁素体球墨铸铁包含以下质量百分比的元素：Fe 92.25-94.25％，Cu0.09-0.38％，C 2.92-3.35％，Si2.92-3.35％，Mn0.09-0.38％，P≤0.04％，S≤0.02％。
2.一种铁素体球墨铸铁铸件，其特征在于，铸件采用如权利要求1所述的铁素体球墨铸铁材料浇注而成，且铁素体球墨铸铁铸件的心部为铁素体组织，所述铁素体球墨铸铁的表面组织为马氏体。
3.如权利要求2所述的铁素体球墨铸铁铸件，其特征在于，所述铸件为压铸机模板。
4.如权利要求2或3所述的一种铁素体球墨铸铁铸件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S0：制备球墨铸铁
准备铁料51-94份，增碳剂0.1-0.4份，铜0.1-0.4份，球化剂1.0-1.2份，孕育剂0.4-0.7份，随流孕育剂0.05-0.25份；把所述铁料、增碳剂、铜熔化，加入球化剂和孕育剂，得到铁水混合物，即为熔化状态下的球墨铸铁材料；
S1：铸件浇注
将铁水混合物浇注到模具中，浇注时加入随流孕育剂，得到待冷却铸件；
S2：铸件冷却
在模具外表面采用冷铁工艺冷却所述待冷却铸件，冷却时间从共析温度开始，直到下降至开箱温度后结束，得到冷却铸件；
S3：激光淬火
采用激光在冷却铸件表面进行淬火处理，使铸件心部为铁素体组织，表面形成马氏体组织，从而得到球墨铸铁铸件，所述激光淬火参数为：功率1500-2500W，进给速度150-250mm/min。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：
所述铁料包括生铁50-90份，废钢0-30份，回炉材0-40份，硅铁1-4份。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：
制备过程控制元素组成：Mn0.09-0.38wt％，P≤0.04wt％，S≤0.02wt％。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：
在S1中，浇注温度为1320-1340℃。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：
在S2中，采用通风冷铁冷却：冷铁中间钻孔放置通风管，通风管的两端伸出冷铁并分别连接进风管和出风管，进风管连接鼓风机。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：
在S2中，共析温度选取为727℃。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：
在S1中，所述球化剂为重稀土球化剂。
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