本发明涉及铸铁冶金技术领域，特别是涉及了一种变速器壳体用球墨铸铁的制备方法。
背景技术
球墨铸铁是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。球墨铸铁是从20世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢，正是基于其优异的性能，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。球墨铸铁已迅速发展为仅次于灰铸铁的、应用十分广泛的铸铁材料。所谓“以铁代钢”，主要指球墨铸铁。
变速器一般安装在车辆的离合器与传动轴之间，通过改变传动比扩大车辆驱动力和速度的变化范围，以适应经常变化的行驶条件。在某些极端情况下，需要变速器壳体具有较高的强度和良好的韧性。现有的车辆变速器一般是普通铸铁制造，不能在保证高强度的同时兼有高的韧性。
技术实现要素：
为了弥补已有技术的缺陷，本发明提供一种变速器壳体用球墨铸铁的制备方法。
本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：
一种变速器壳体用球墨铸铁的制备方法，该球墨铸铁由以下质量百分比的元素成分组成：c:3.7-3.9％、si:3.5-3.8％、mn:0.1-0.3％、sn:0.02-0.03％、ge:0.005-0.015％、ni:0.4-0.6％、ti:0.3-0.4%、mo:0.5-0.6％、sb:0.004-0.012％、re:0.02-0.04％、p≤0.04%，s≤0.02%、余量为fe及不可避免的杂质。
对于铸铁材料而言，其中不同组分间具体成分含量的不同，对实际产生的金相组织形态、材料应用性能、加工难度及成品质量的影响是极大的。
硅在球墨铸铁中是有重要影响的元素，它不仅可以有效地减小白口倾向，而且具有细化共晶团，提高石墨球圆整度的作用；同时又形成二氧化硅氧化膜层，阻碍氧的侵入，增加铸件抗氧化能力。但是硅含量高铸件脆性增加。因此，硅含量不宜过高，通常硅含量不超过3.3%。本发明中，增加了硅含量，硅的质量百分比达到3.5-3.8％，促进了石墨化，实现了较高的强度，通过增加镍和钛，促进凝固组织的细化，增加石墨球数量，强化了基体，解决了由于硅含量的增加所带来的脆性的影响，提高了铸件的韧性。
与普通球铁比较，由于钼元素的加入，强化了基体，并能提高屈服强度，提高了材料的尺寸稳定性。
进一步地，制备方法包括如下步骤：
s1.以废钢、生铁、回炉料、硅铁、锰铁、钛铁、镍锭、钼铁、增碳剂为原料，将原料熔炼为铁液；
s2.在球化包包底的一侧放入球化剂，在球化剂上覆盖一层碳化硅粉，碳化硅粉上覆盖第一孕育剂，将铁屑均匀的覆盖在第一孕育剂上，铁屑的上面均匀覆盖铸造用珍珠岩并捣实；采用冲入法将铁液沿球化包另一侧注入球化包中，铁液温度为1400-1430℃，进行球化处理和包内孕育处理；当球化包中冲入铁液的量占铁液总质量2/3时，加入第二孕育剂进行型内孕育处理，并继续冲入剩余铁液；
s3.进行浇注，在浇注的同时随流加入第三孕育剂进行随流孕育；
s4.热处理：将浇注完成后的铸铁冷却后进行退火热处理，退火温度为900℃，保温时间为3小时，退火处理后以10-12℃/min的速度降温至580℃，然后空冷至室温，得到球墨铸铁。
进一步地，步骤s1的具体操作为：（1）配料：采用原料以及配比如下：废钢20-30%、生铁40-50%、回炉料15-25%、硅铁1.5-2.0%、锰铁0.8-1%、钛铁0.8-1.2%、镍锭0.5-1%、钼铁1-1.2%、增碳剂0.4-0.6%；（2）熔炼：将废钢、生铁、回炉料加入至中频炉进行加热，在温度升至750℃之前将增碳剂分三次加入至中频炉内；在中频炉内温度高于1400℃之后，加入硅铁、锰铁、钛铁、镍锭及钼铁；升温至1510℃-1530℃，熔炼至全部熔化，得到铁液。
本发明中，将废钢、生铁、回炉料放入到中频炉进行加热时，先在温度升至750℃之前将增碳剂加入，发明人在实践中发现，若在炉内温度高于750℃时加入增碳剂容易发生团聚结块现象，并且不能够促进燃烧作用，而低于750℃时，增碳剂能够起到助燃的作用，促进炉内温度的升高，使得中频炉的加热效果更好。
冲入法是目前应用最为广泛的球化工艺，对铁液包没有特殊的要求，方法最为简单，且现有技术中冲入法工艺中的压包工艺多为一层球化剂、二层孕育剂、三层铁屑的方案。本发明对压包工艺进行改进，一层球化剂，二层碳化硅粉，三层孕育剂，四层铁屑，五层珍珠岩，一方面克服了球化剂提前过热反应和吸收率低的问题，另一方面，可以增加了石墨形核核心，促进石墨的细化，使石墨球更加细小、圆整，提高了制备得到的球墨铸铁的球化率。
进一步地，球化剂占铁液总质量的1.2-1.5%；所述碳化硅粉、球化剂、铁屑和珍珠岩的质量比为0.3:1.5:1:0.5；第一孕育剂占铁液总质量的0.3-0.4%；第二孕育剂占铁液总质量的0.4％；第三孕育剂占铁液总质量的0.2％；所述球化剂的粒度为5-25mm；所述第一孕育剂的粒度为5-8mm；所述第二孕育剂的粒度为4-10mm；第三孕育剂的粒度为0.5-1mm。
进一步地，所述球化剂的质量百分比组成为镁：5.5-6.2％、硅：44-48％、钙：0.8-1.2％、锰：0.05-0.08%、镍：1-1.2%、稀土：0.8-1.2％，其余为铁。
球化即指铸铁中的石墨在加入的球化剂的影响下成为石墨结晶的过程。常规的球墨铸铁铸造过程中，通常加入稀土镁合金fesimg8re7球化剂。本发明通过对球化剂配方的改进优化，引入了多种具有协同作用的元素，提高了球化剂对石墨的球化率，能够最低保证1-2级的球化效果，球化率≥95%，在抗球化衰退能力得到了极大的加强，球化效果良好，得到的球墨铸铁具有高韧性。
本发明的球化剂设计成分配方理论依据如下：mg是最强的球化剂，其能使亚共晶、共晶和过共晶成分的铁液中的石墨球化并具有良好的脱硫吸氧能力。稀土元素（re）与铁液中的氧、硫、氢及其它干扰球化的元素有较强的亲和作用，使铁液净化，又可以提供一定的异质核心，有利于减少夹杂、皮下气孔等铸造缺陷；同时使镁的球化作用得到充分的发挥，起到球化或间接球化的作用；但是，在球铁中过量的稀土残余量将导致石墨形态恶化，导致石墨畸变。本发明中，合理调控稀土元素和mg的添加比例，同时添加钙、锰、镍元素，协同作用，延缓镁的分解，控制球化剂的吸收和反应速度，可以防止石墨畸变，增加石墨核心数、促进石墨化、延长球化衰退时间，促进形核细化组织，明显增加石墨球数，使铸件的力学性能得到提高。
进一步地，第一孕育剂中各组分质量百分比为si:72-74%、ba:1.2-1.8%、ca:1-2%、mn:4-5%、re:10-20%、bi:3-5%、al:1.0-2.0%，余量为fe。
进一步地，第二孕育剂中各组分质量百分比为si:30-45％、ca:1.8-3％、zr:2-3％，mn:6-8％、re:0.5-1％，余量为fe。
进一步地，所述第三孕育剂中各组分质量百分比为si:68-75％，ca:≤2.0％，al:≤1.5％，bi:0.5-2.5％，余量为铁。
本发明中孕育包括包内孕育、型内孕育及随流孕育三次孕育。孕育剂是一种可促进石墨化，减少白口倾向，改善石墨形态和分布状况，增加共晶团数量，细化基体组织的加工助剂。现有技术中，包内孕育的孕育剂常采用fesi75孕育剂，型内孕育的孕育剂常采用硅钡孕育剂，随流孕育的孕育剂常采用硅锶孕育剂。发明人在实践中发现，本发明中采用现有技术的孕育剂，无法有效提高球墨铸铁的强度，因此无法满足铸件的强度要求。
采用本发明的孕育剂，它的孕育效果好，能加强球化效果，增加球墨的数量和密度，改善石墨球圆整度，使石墨球分布均匀，降低球化衰退，延长孕育有效时间，不仅可以减少白口倾向，还能使孕育后铸铁的成分均匀性好，力度、性能均有大幅度提升，提高成品强度。
进一步地，浇注温度控制在1370-1420℃。
本发明制备方法中各个步骤是经过申请人无数次试验确定出来的，任何一个步骤出现问题将导致产品性能下降。
本发明具有如下有益效果：
本发明的球墨铸铁的抗拉强度为980-1050mpa，屈服强度为800-820mpa，延伸率为15-16%，球化率为95%，各项性能优异，克服了现有的球墨铸铁变速器壳体材料在具有很高的强度的同时，不能具备高的韧性；或者具有高的韧性的同时，强度却不能满足使用要求的缺陷。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细的说明，实施例仅是本发明的优选实施方式，不是对本发明的限定。
实施例1
一种变速器壳体用球墨铸铁的制备方法，该球墨铸铁由以下质量百分比的元素成分组成：c:3.8％、si:3.6％、mn:0.2％、sn:0.02％、ge:0.008％、ni:0.5％、ti:0.35%、mo:0.5％、sb:0.008％、re:0.03％、p≤0.04%，s≤0.02%、余量为fe及不可避免的杂质。
其制备方法包括如下步骤：
s1.（1）配料：采用原料以及配比如下：废钢25%、生铁46%、回炉料23%、硅铁1.8%、锰铁0.9%、钛铁0.9%、镍锭0.8%、钼铁1.1%、增碳剂0.5%；（2）熔炼：将废钢、生铁、回炉料加入至中频炉进行加热，在温度升至750℃之前将增碳剂分三次加入至中频炉内；在中频炉内温度高于1400℃之后，加入硅铁、锰铁、钛铁、镍锭及钼铁；升温至1520℃，熔炼至全部熔化，得到铁液；
s2.在球化包包底的一侧放入球化剂，在球化剂上覆盖一层碳化硅粉，碳化硅粉上覆盖第一孕育剂，将铁屑均匀的覆盖在第一孕育剂上，铁屑的上面均匀覆盖铸造用珍珠岩并捣实；采用冲入法将铁液沿球化包另一侧注入球化包中，铁液温度为1420℃，进行球化处理和包内孕育处理；当球化包中冲入铁液的量占铁液总质量2/3时，加入第二孕育剂进行型内孕育处理，并继续冲入剩余铁液；球化剂占铁液总质量的1.3%；所述碳化硅粉、球化剂、铁屑和珍珠岩的质量比为0.3:1.5:1:0.5；第一孕育剂占铁液总质量的0.3%；第二孕育剂占铁液总质量的0.4％；第三孕育剂占铁液总质量的0.2％；所述球化剂的粒度为5-25mm；所述第一孕育剂的粒度为5-8mm；所述第二孕育剂的粒度为4-10mm；第三孕育剂的粒度为0.5-1mm；所述球化剂的质量百分比组成为镁：6％、硅：46％、钙：1％、锰：0.06%、镍：1.1%、稀土：1％，其余为铁；第一孕育剂中各组分质量百分比为si:73%、ba:1.5%、ca:1.5%、mn:4.5%、re:12%、bi:4%、al:1.5%，余量为fe；第二孕育剂中各组分质量百分比为si:38％、ca:2.2％、zr:2.5％，mn:7％、re:0.8％，余量为fe；所述第三孕育剂中各组分质量百分比为si:70％，ca:≤2.0％，al:≤1.5％，bi:1.8％，余量为铁；
s3.进行浇注，浇注温度控制在1400℃在浇注的同时随流加入第三孕育剂进行随流孕育；
s4.热处理：将浇注完成后的铸铁冷却后进行退火热处理，退火温度为900℃，保温时间为3小时，退火处理后以10-12℃/min的速度降温至580℃，然后空冷至室温，得到球墨铸铁。
实施例2
一种变速器壳体用球墨铸铁的制备方法，该球墨铸铁由以下质量百分比的元素成分组成：c:3.7％、si:3.5％、mn:0.1％、sn:0.02％、ge:0.005％、ni:0.4％、ti:0.3%、mo:0.56％、sb:0.004％、re:0.02％、p≤0.04%，s≤0.02%、余量为fe及不可避免的杂质。
其制备方法包括如下步骤：
s1.（1）配料：采用原料以及配比如下：废钢20%、生铁50%、回炉料25%、硅铁1.5%、锰铁0.8%、钛铁0.8%、镍锭0.5%、钼铁1%、增碳剂0.4%；（2）熔炼：将废钢、生铁、回炉料加入至中频炉进行加热，在温度升至750℃之前将增碳剂分三次加入至中频炉内；在中频炉内温度高于1400℃之后，加入硅铁、锰铁、钛铁、镍锭及钼铁；升温至1510℃，熔炼至全部熔化，得到铁液；
s2.在球化包包底的一侧放入球化剂，在球化剂上覆盖一层碳化硅粉，碳化硅粉上覆盖第一孕育剂，将铁屑均匀的覆盖在第一孕育剂上，铁屑的上面均匀覆盖铸造用珍珠岩并捣实；采用冲入法将铁液沿球化包另一侧注入球化包中，铁液温度为1400℃，进行球化处理和包内孕育处理；当球化包中冲入铁液的量占铁液总质量2/3时，加入第二孕育剂进行型内孕育处理，并继续冲入剩余铁液；球化剂占铁液总质量的1.2%；所述碳化硅粉、球化剂、铁屑和珍珠岩的质量比为0.3:1.5:1：0.5；第一孕育剂占铁液总质量的0.4%；第二孕育剂占铁液总质量的0.4％；第三孕育剂占铁液总质量的0.2％；所述球化剂的粒度为5-25mm；所述第一孕育剂的粒度为5-8mm；所述第二孕育剂的粒度为4-10mm；第三孕育剂的粒度为0.5-1mm；所述球化剂的质量百分比组成为镁：5.5％、硅：44％、钙：0.8％、锰：0.05%、镍：1%、稀土：0.8％，其余为铁；第一孕育剂中各组分质量百分比为si:72%、ba:1.2%、ca:1%、mn:4%、re:10%、bi:3%、al:1.0%，余量为fe；第二孕育剂中各组分质量百分比为si:30％、ca:1.8％、zr:2％，mn:6％、re:0.5％，余量为fe；所述第三孕育剂中各组分质量百分比为si:68％，ca:≤2.0％，al:≤1.5％，bi:0.5％，余量为铁；
s3.进行浇注，浇注温度控制在1370℃在浇注的同时随流加入第三孕育剂进行随流孕育；
s4.热处理：将浇注完成后的铸铁冷却后进行退火热处理，退火温度为900℃，保温时间为3小时，退火处理后以10-12℃/min的速度降温至580℃，然后空冷至室温，得到球墨铸铁。
实施例3
一种变速器壳体用球墨铸铁的制备方法，该球墨铸铁由以下质量百分比的元素成分组成：c:3.9％、si:3.8％、mn:0.3％、sn:0.03％、ge:0.015％、ni:0.6％、ti:0.4%、mo:0.6％、sb:0.012％、re:0.04％、p≤0.04%，s≤0.02%、余量为fe及不可避免的杂质。
其制备方法包括如下步骤：
s1.（1）配料：采用原料以及配比如下：废钢30%、生铁40%、回炉料23%、硅铁2.0%、锰铁1%、钛铁1.2%、镍锭1%、钼铁1.2%、增碳剂0.6%；（2）熔炼：将废钢、生铁、回炉料加入至中频炉进行加热，在温度升至750℃之前将增碳剂分三次加入至中频炉内；在中频炉内温度高于1400℃之后，加入硅铁、锰铁、钛铁、镍锭及钼铁；升温至1530℃，熔炼至全部熔化，得到铁液；
s2.在球化包包底的一侧放入球化剂，在球化剂上覆盖一层碳化硅粉，碳化硅粉上覆盖第一孕育剂，将铁屑均匀的覆盖在第一孕育剂上，铁屑的上面均匀覆盖铸造用珍珠岩并捣实；采用冲入法将铁液沿球化包另一侧注入球化包中，铁液温度为1400-1430℃，进行球化处理和包内孕育处理；当球化包中冲入铁液的量占铁液总质量2/3时，加入第二孕育剂进行型内孕育处理，并继续冲入剩余铁液；球化剂占铁液总质量的1.5%；所述碳化硅粉、球化剂、铁屑和珍珠岩的质量比为0.3:1.5:1：0.5；第一孕育剂占铁液总质量的0.35%；第二孕育剂占铁液总质量的0.4％；第三孕育剂占铁液总质量的0.2％；所述球化剂的粒度为5-25mm；所述第一孕育剂的粒度为5-8mm；所述第二孕育剂的粒度为4-10mm；第三孕育剂的粒度为0.5-1mm；所述球化剂的质量百分比组成为镁：6.2％、硅：48％、钙：1.2％、锰：0.08%、镍：1.2%、稀土：1.2％，其余为铁；第一孕育剂中各组分质量百分比为si:74%、ba:1.2%、ca:2%、mn:5%、re:10%、bi:5%、al:2.0%，余量为fe；第二孕育剂中各组分质量百分比为si:45％、ca:3％、zr:3％，mn:8％、re:1％，余量为fe；所述第三孕育剂中各组分质量百分比为si:68-75％，ca:≤2.0％，al:≤1.5％，bi:2.5％，余量为铁；
s3.进行浇注，浇注温度控制在1420℃在浇注的同时随流加入第三孕育剂进行随流孕育；
s4.热处理：将浇注完成后的铸铁冷却后进行退火热处理，退火温度为900℃，保温时间为3小时，退火处理后以10-12℃/min的速度降温至580℃，然后空冷至室温，得到球墨铸铁。
对比例1
基于实施例1，不同之处仅在于：本对比例中：步骤s2中在球化剂上不覆盖碳化硅粉。
对比例2
基于实施例1，不同之处仅在于：本对比例中：球化剂采用市售的稀土镁合金fesimg8re7球化剂。
对比例3
基于实施例1，不同之处仅在于：本对比例中：第一孕育剂采用市售的fesi75孕育剂。
对比例4
基于实施例1，不同之处仅在于：本对比例中：第二孕育剂采用市售的硅钡孕育剂，其成分及其百分含量为：si:60-70%，ba:2-6%，ca:0.5-2.0%，al:1-2%，余量为铁。
对比例5
基于实施例1，不同之处仅在于：本对比例中：第三孕育剂采用市售的硅锶孕育剂，其成分及其百分含量为：si:73-78％，zr:1.0-1.5％，sr:0.8-1.2％，ca≤0.1％，al≤0.5％，余量为fe。
对实施例1-3以及对比例1-5的球墨铸铁进行性能测试，经检测，实施例1-3中的球墨铸铁的抗拉强度为980-1050mpa，屈服强度为800-820mpa，延伸率为15-16%，球化率为95%；对比例1-5中的抗拉强度分别为620mpa、780mpa、680mpa、720mpa、750mpa，对比例1-5中的屈服强度分别为585mpa、480mpa、525mpa、465mpa、610mpa，对比例1-5中的延伸率分别为9%、8%、9%、7%、7%，对比例1-5中的球化率分别为87%、85%、86%、86%、85%。
本发明用到的主要化学元素符号及名称解释如下：c：碳，si：硅，mn：锰，p：磷，s：硫，ge：锗，mo：钼，ni：镍，ti：钛，sb：锑，al：铝，fe：铁，ba：钡，ca：钙，bi：铋，zr锆；re：全称为rareearth，指稀土元素，稀土元素即为元素周期表中镧系元素以及与镧系元素密切相关的钪(sc)元素与钇(y)元素。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。