一种高强韧球墨铸铁的制备方法
【专利摘要】本发明提供一种高强韧球墨铸铁的制备方法，它是一种利用中频电炉、通过选用含硫、磷和锰量低的生铁、废钢等原材料熔炼铁液生产高强韧球墨铸铁铸件的方法，主要包括化学成分设计、炉料选择及中频炉熔炼、球化剂选择及球化处理方法、孕育剂选择及孕育处理方法等。本方法不需热处理和脱硫处理，工序少，采用湿型砂生产线制造QT600-10铸件，比覆砂铁型铸造效率高、成本低；生产的球墨铸铁强度高、塑性和韧性好，可用于汽车、拖拉机底盘用传动轴、后桥壳体、差速器壳、支架等零部件。
【专利说明】一种高强韧球墨铸铁的制备方法
【技术领域】:
[0001]本发明属于金属材料领域，涉及一种利用中频电炉制备高强韧球墨铸铁的方法，特别是一种闻强朝球墨铸铁的制备方法。
【背景技术】:
[0002]球墨铸铁因其制造和经济方面的优势，同时具有强度较高、韧性好、耐磨性能好等优良的综合性能，用它代替碳钢、合金钢等作为一种优良的工程材料，广泛用于内燃机曲轴、齿轮、连杆、壳体，以及铸管等重要零部件上。
[0003]随着发动机功率的不断提高，对相关设备、零件的性能要求越来越高，一些在高速、高压、高温、重载、腐蚀等特殊环境下工作的零件，往往因其快速或异常损坏使整个设备报废，造成巨大的损失。传统的汽车、拖拉机底盘用传动轴、后桥壳体、差速器壳、支架等，在国内主要采用QT450-10或QT600-3，在国外如俄罗斯多采用QT500-7。随着功率的不断提高，在动力传动过程中，特别是变速和刹车时，由于承受强烈的扭矩和回转疲劳应力的作用，仍采用装配小功率的QT450-10、QT600-3或QT500-7标准牌号的球铁材料，相关零部件容易出现开裂现象，因此提高这些零部件材料强度的同时兼顾高的韧塑性，显得非常必要。
[0004]目前，各个国家等效采用国际标准IS01083_87(球墨铸铁分级)，常用的有:QT400-18, QT450-10, QT500-7, QT600-3, QT700-2等，某大功率拖拉机驱动桥的行星架和锥传动支座对材质的性能要求超过了此标准。其难点是:在要求高强度(抗拉强度不低于600MPa)的同时，还要求高的韧塑性(伸长率不低于10% )，同时满足高强度和高韧性，通常需进行适当热处理(如等温淬火)等方法才能达到，因此，在铸态条件下有很大的难度。
[0005]国内外类似研究应用的报道很少。2007/6现代铸铁公开了广州柴油机厂生产的筒式柴油打桩机上的活塞，其铸态性能要求达到QT600-10，采用如下技术措施:(1)采用冲天炉电炉双联熔炼，吹氮气搅拌脱硫，确保原铁液W(Sig) ^ 0.020% ；(2)采用覆砂铁型铸造，并适当控制W(Mg)和《(RE)含量，以获得较高的球化率；(3)采用含铜球化剂，并强化孕育，以获得恰当的珠光体和铁素体比例。矿山机械第34卷2006年第4期公开郑州大学研究者采用冲天炉与电炉双联的熔炼工艺，并进行二次脱硫处理成功生产QT600-10高强韧球墨铸铁。但这两处报道的方法均要采用脱硫处理，工序较为复杂。
【发明内容】
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[0006]综上所述，为了克服现有技术问题的不足，本发明提供一种利用中频电炉、通过选用低硫生铁、废钢等原材料熔炼铁液生产高强韧球墨铸铁铸件的方法，主要包括化学成分设计、炉料选择及中频炉熔炼、球化剂选择及球化处理方法、孕育剂选择及孕育处理方法等。本方法不需热处理和脱硫处理，工序少，采用湿型砂生产线制造QT600-10铸件，比覆砂铁型铸造效率高、成本低；生产的球墨铸铁强度高、塑性和韧性好，可用于汽车、拖拉机底盘用传动轴、后桥壳体、差速器壳、支架等零部件。
[0007]为达到上述目的，本发明采用的技术方案为:[0008]一种高强韧球墨铸铁，其材料化学成分的质量百分比为:
[0009]C:3.60 % ~3.80 %，S1:2.50 % ~2.80 %，Mn:0.30 % ~0.50 %，P ≤ 0.05 %，S ≤ 0.02%,Mg:0.030%~0.050%, RE:0.020%~0.040%, Cu:0.50%~0.70%，余量为Fe。
[0010]—种1?强朝球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤:
[0011]第一步、化学成分设计，材料最终化学成分按质量百分比为:
[0012]C:3.60% ~3.80%，Si:2.50 % ~2.80 %，Mn:0.30 % ~0.50 %，P ≤ 0.05 %，
5≤ 0.02%,Mg:0.030%~0.050%, RE:0.020%~0.040%, Cu:0.50%~0.70%，余量为
Fe ；
[0013]第二步、炉料选择及中频炉熔炼:采用中频感应电炉熔炼铁液，炉前原铁液的配料化学成份为 C:3.60% ~3.80%，S1:1.00% ~1.60%，Mn:≤ 0.20 %, P ≤ 0.05%,S≤0.03%，余量为Fe;选用含硫、磷、锰量低的生铁、废钢和回炉料，没有脱硫工序，配比(质量百分比)为:生铁:废钢:回炉料=30%~60%: 10%~30%:余量回炉料，将称量好的炉料加入炉内熔炼，保证处理前的原铁液化学成分要求，铁液出炉温度1450~14800C ;采用盖包球化处理，球化剂加入量按包铁液重量的1.0%，采用冲入法，球化剂加入量通常为1.2%~1.4%或更高；
[0014]第三步、球化剂选择及球化处理方法:球化剂是采用FeSiRE3Mg8球化剂，其中含Ca2.5%~3.5%，MgO < 0.7% ;球化处理方法是采用盖包方法进行球化处理；
[0015]第四步、孕育剂选择及孕育处理:采用二次孕育:首先,铁水包内采用含钡4%~
6%的WL孕育剂，加入量为0.2 %~0.25 %，粒度为3~10mm，其余为75SiFe孕育剂补充硅量，以保证材料最终硅含量，同时补加材料最终化学成分要求的锰铁和电解铜；二次随流孕育采用75SiFe孕育剂，加入量为0.1 %，粒度0.5~1.5mm ;浇注温度为1340~1380°C，生产线浇注铸件的同时浇注基尔试块；
[0016]第五步、熔炼得到的球墨铸铁经检测，石墨球化级别I~3级，基体组织为40 %~60%铁素体+珠光体，抗拉强度≤600MPa，伸长率≤10.0%，硬度190~250HB。
[0017]进一步,所述的生铁为含硫、磷、猛量低的QlO或Q12生铁。
[0018]合适的化学成分是保证生产出优良性能铸件的前提。获得铸态高强度高韧塑性混合基体球铁的方法与珠光体基体和铁素体基体球体有明显区别，化学成分选定时要保证基体中合适的珠光体和铁素体量，通常最少相的含量不低于30 %，特别是有一定量的铁素体(在40 %~60 %为宜)，以保证较高的韧塑性，在此基础上进行合金化，如加入一定量的Cu、Mn，及较高的Si对铁素体进行强化，从而得到较高的强度。
[0019]本发明中选用的化学成分作用如下:
[0020]碳和硅:制造球墨铸铁时，由于加入球化剂进行球化处理，使相图中共晶点右移至碳当量4.6%~4.8%或更高，为保持好的铸造工艺性，提高铁液的流动性，减小白口倾向和铸件的缩松缺陷，碳量通常比灰铸铁高得多；但碳量也不可过高，碳过高易产生石墨飘浮，降低铸件力学性能。因此将碳控制为3.60%~3.80%。硅促进石墨化，起孕育作用，降低球化处理过程中的白口倾向、元素偏析和结晶过冷倾向；硅在一定范围时，硅量增加，基体中铁素体含量增加，珠光体减少，球墨铸铁的韧性塑性有所提高，但硅增加到一定含量后，显著提高球铁韧-脆转变温度；Si量的控制范围为2.50%~2.80%。[0021]锰:稳定珠光体元素，一部分锰可溶入铁素体中提高球墨铸铁强度和硬度，但降低它的塑性和韧性；同时形成少量碳化物偏析在晶界上，降低铸件的力学性能；因此，将锰量控制为0.30%~0.50%。
[0022]硫:硫与球化元素镁及稀土元素有很强的化合能力，生成硫化物或硫氧化物，不仅消耗球化剂，使球化效果不稳定，且生成的夹杂物显著降低球铁的强度、塑性和韧性；控制原铁液s< 0.030%，球化后SS 0.020%，以保证球化质量。
[0023]磷:磷含量过高时，易偏析于共晶团边界形成磷共晶，降低球铁的强度、塑性和韧性；控制PS 0.06%或更低。[0024]镁和稀土:镁和稀土都有球化作用，国外大多采用纯镁生产球墨铸铁，我国通常采用稀土镁球化剂生产球铁，其中镁起主要球化作用，但镁的活性很强，纯镁处理的铁液反应剧烈，加入一定量的稀土可降低铁液球化反应时的飞溅现象，稀土也起辅助球化作用，并起到净化铁液、抗球化干扰元素的作用。但稀土含量超过一定数值后，石墨形状会受到破坏，产生石墨畸变；当铁液中残留稀土量增多时，球化级别逐渐变差，抗拉强度和韧性也逐渐降低；镁和稀土的残留量控制为Mg0.030%~0.050%, RE0.020%~0.040%。
[0025]铜:促进共晶石墨化，可减少或消除游离渗碳体的形成；在共析转变时，促进基体中珠光体的形成，减少铁素体含量；随着铜量的增加，球墨铸铁抗拉强度增加，但伸长率有所下降。
[0026]本发明的有益效果为:
[0027]制备的高强韧球墨铸铁抗拉强度大于600MPa，伸长率大于10%，性能指标超过国际标准和中国标准，用于汽车、拖拉机等驱动桥底盘等零部件，可以防止使用传统材料因汽车、拖拉机等功率增大引起的铸件断裂问题。本方法不需热处理和脱硫处理，工序少，采用湿型砂生产线制造QT600-10铸件，比覆砂铁型铸造效率高、成本低；盖包球化处理方法密封性好，在球化反应过程中，与普通冲入法球化相比球化元素氧化烧损减少，吸收率提高，球化剂消耗量少，且镁光和烟雾明显减少，污染排放量少，改善了生产作业环境；随流孕育处理效果稳定可靠，孕育剂加入量少，原材料成本大幅度降低，推广应用将具有更大的社会经济效益。
【专利附图】
【附图说明】:
[0028]图1是本发明实施例2的金相组织照片；
[0029]图2是本发明实施例2的拉伸断口扫描电镜照片。
【具体实施方式】:
[0030]以下结合实施例对本发明作详细说明。
[0031]实施例1 (本实施例采用3t中频感应电炉熔炼铁液)
[0032]一种闻强朝球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤:
[0033]第一步、化学成分设计，材料按质量百分比取C:3.63%，S1:2.59%，Mn:0.42%,P ≤0.05%, S ≤ 0.02%, Mg:0.041%, RE:0.025%, Cu:0.62%，余量为 Fe ；
[0034]第二步、炉料选择及中频炉熔炼:采用3t中频感应电炉熔炼铁液，按质量百分比生铁:废钢:回炉料=30%: 30%: 40%的炉料加入炉内熔炼，保证处理前的原铁液化学成分要求，由于采用盖包球化处理，铁液温度降低较少，出炉温度控制在1450~1480°C ；
[0035]第三步、球化剂选择及球化处理方法:采用盖包球化处理，球化剂加入量按包铁液重量的1.0%，同时补加炉后成分要求的锰铁和电解铜；球化剂是采用FeSiRE3Mg8球化剂，其中含2.5%~3.5% Ca7MgO ( 0.7%;球化处理方法是采用盖包方法进行球化处理；国内大多数工厂选用含稀土量高的球化剂如FeSiRE7Mg8，铸件白口倾向大，易出现游离碳化物，还易出现夹杂物，降低铸件力学性能；球化处理方法对球铁组织性能影响很大，国内多采用冲入法进行球化处理，不仅烟雾大，球化剂消耗量大，而且制造的球墨铸铁性能较低；
[0036]第四步、孕育剂选择及孕育处理:采用二次孕育方式:即WL孕育剂和75SiFe孕育剂的一次孕育+粒度0.5~1.5mm的75SiFe孕育剂二次随流孕育；浇注温度为1340~1380°C，生产线浇注铸件的同时浇注基尔试块；
[0037]第五步、熔炼得到的球墨铸铁经检测，石墨球化级别2级，基体组织为40 %铁素体+60%珠光体，抗拉强度656MPa，伸长率11.6%，硬度219HB。
[0038]实施例2 (本实施例采用3t中频感应电炉熔炼铁液)
[0039]—种闻强朝球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤:
[0040]第一步、化学成分设计，材料按质量百分比取:C:3.65%，Si:2.58%, Mn:0.31%,P ^ 0.04%, S ^ 0.02%, Mg:0.046%, RE:0.023%, Cu:0.51%，余量为 Fe ；
[0041]第二步、炉料选择及中频炉熔炼:采用3t中频感应电炉熔炼铁液，按质量百分比生铁:废钢:回炉料=60%: 10%: 30%的炉料加入炉内熔炼，保证处理前的原铁液化学成分要求，铁液出炉温度控制在1450~1480°C ；
[0042]第三步、球化剂选择及球化处理方法:球化剂是采用FeSiRE3Mg8球化剂，其中含
2.5%~3.5% Ca, MgO ^ 0.7% ;采用盖包球化处理，球化剂加入量按包铁液重量的1.0% ;
[0043]第四步、孕育剂选择及孕育处理，采用二次孕育方式:即WL孕育剂和75SiFe孕育剂的一次孕育+75% SiFe孕育剂二次随流孕育；浇注温度为1340~1380°C，生产线浇注铸件的同时浇注基尔试块；
[0044]第五步、熔炼得到的球墨铸铁经检测，石墨球化级别2级，基体组织约为45 %铁素体+55%珠光体，参见图1的金相组织照片，抗拉强度625.6MPa，伸长率10.8%，硬度197HB ;参见图2的拉伸断口扫描电镜照片，主要表现为韧性断裂，右下有少量解理河流花样，韧窝较多且较深。
[0045]实施例3 (本实施例采用3t中频感应电炉熔炼铁液)
[0046]一种高强韧球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤:
[0047]第一步、化学成分设计，材料按质量百分比取:C:3.72%, S1:2.55%, Mn:0.39%,P ≤ 0.05%, S ≤ 0.02%, Mg:0.044%, RE:0.034%, Cu:0.50%，余量为 Fe ；
[0048]第二步、炉料选择及中频炉熔炼:采用3t中频感应电炉熔炼铁液，按质量百分比生铁:废钢:回炉料=40%: 20%: 40%的炉料加入炉内熔炼，保证处理前的原铁液化学成分要求，铁液出炉温度1450~1480°C ；
[0049]第三步、球化剂选择及球化处理方法:球化剂是采用FeSiRE3Mg8球化剂，其中含
2.5%~3.5% Ca, MgO ^ 0.7% ;采用盖包球化处理，球化剂加入量按包铁液重量的1.0% ;
[0050]第四步、孕育剂选择及孕育处理:采用二次孕育方式:即WL孕育剂和75SiFe孕育剂的一次孕育+75SiFe孕育剂二次随流孕育；浇注温度为1340~1380°C，生产线浇注铸件的同时浇注基尔试块；
[0051 ] 第五步、熔炼得到的球墨铸铁经检测，石墨球化级别2级，基体组织为60 %铁素体+40%珠光体，抗拉 强度637.4MPa，伸长率11.0%，硬度209HB。
【权利要求】
1.一种高强韧球墨铸铁，其特征在于，其材料化学成分的质量百分比为:
C:3.60 % ~3.80 %，Si:2.50 % ~2.80 %，Mn:0.30 % ~0.50 %，P ≤ 0.05 %，S ≤ 0.02%,Mg:0.030%~0.050%, RE:0.020%~0.040%, Cu:0.50%~0.70%，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种高强韧球墨铸铁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 第一步、化学成分设计，材料最终化学成分按质量百分比为:
C:3.60 % ~3.80 %，Si:2.50 % ~2.80 %，Mn:0.30 % ~0.50 %，P ≤ 0.05 %，S≤ 0.02%,Mg:0.030%~0.050%, RE:0.020%~0.040%, Cu:0.50%~0.70%，余量为Fe ； 第二步、炉料选择及中频炉熔炼:采用中频感应电炉熔炼铁液，炉前原铁液的配料化学成份为 C:3.60%~3.80%，S1:1.00%~1.60%，Mn:≤ 0.20%，P ≤ 0.05%，S ≤ 0.02%，，余量为Fe ;选用含硫、磷、锰量低的生铁、废钢和回炉料，没有脱硫工序，按质量百分比配比为，生铁:废钢:回炉料=30~60: 10~30:余量回炉料，将称量好的炉料加入炉内熔炼，保证处理前的原铁液化学成分要求，铁液出炉温度1450~1480°C ;采用盖包球化处理，球化剂加入量按包铁液重量的1.0%，采用冲入法，球化剂加入量通常为1.2%~1.4%或更闻; 第三步、球化剂选择及球化处理方法:球化剂是采用FeSiRE3Mg8球化剂，其中含Ca2.5%~3.5%，MgO < 0.7% ;球化处理方法是采用盖包方法进行球化处理； 第四步、孕育剂选择及孕育处理:采用二次孕育:首先，铁水包内采用含钡4%~6%的WL孕育剂，加入量为0.2%~0.25%，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和电解铜；二次随流孕育采用75SiFe孕育剂，加入量为0.1%，粒度0.5~1.5mm;浇注温度为1340~1380°C，生产线浇注铸件的同时浇注基尔试块； 第五步、熔炼得到的球墨铸铁经检测，石墨球化级别I~3级，基体组织为40%~60%铁素体+珠光体，抗拉强度≤600MPa，伸长率≤10.0%，硬度190~250HB。
3.根据权利要求2所述的一种高强韧球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述的生铁为含硫、磷、锰量低的QlO或Q12生铁。
【文档编号】B22D1/00GK103981434SQ201410230659
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2014年5月28日
【发明者】李平, 李锋军, 韩建普, 徐治新, 苏莉, 彭保中, 欧阳维强, 甄艳君, 汤明健, 范随长 申请人:河南理工大学