本发明涉及内燃机技术领域，尤其是涉及一种高强度高韧性的球墨铸铁、曲轴及其制备方法。
背景技术：
曲轴是发动机的关键部件之一，曲轴在工作时承受大的负荷和不断变化的弯矩和扭矩作用，曲轴的强度和刚度对发动机的可靠性有决定性影响。曲轴常见的失效形式有强度值、韧性不足导致的疲劳断裂及硬度值低造成的磨损。因此，实际生产与应用中对曲轴的强度、硬度及韧性提出了很高的要求。
目前制造曲轴的材质主要有两种，一种是锻钢材质，如40cr、42crmo等；另一种是球墨铸铁材质，一般采用qt800-2、qt900-2等。用中国专利“球墨铸铁曲轴的组份及其生产方法”(专利号zl201310335464.3)，可以制备qt900-5材质的曲轴，但该专利技术制备的曲轴与现有锻钢材质的曲轴的延伸率相比，还有一定差距(现有锻钢材质的延伸率一般在9％以上)，导致现在大功率的柴油机仍然更多使用锻钢曲轴。但是锻钢曲轴始终存在以下缺陷：重量大，锻造以及加工难度大，直接导致成本上升，不利于市场竞争，不符合国家提倡的节能减排要求。
因此，如何提供一种高强度且高韧性的球墨铸铁曲轴，降低曲轴的重量，降低曲轴的制备加工难度，减小曲轴的成本是目前本领域技术人员亟需解决的技术问题。
技术实现要素：
本发明实施例的目的是提供一种高强度高韧性的球墨铸铁。本发明实施例的另一目是提供一种高强度高韧性的球墨铸铁曲轴及其制备方法。
为解决上述的技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种高强度高韧性的球墨铸铁，包括以下质量百分数的组分：0.36％～0.40％的c，1.9％～2.4％的si，s≤0.020％，p≤0.025％，0.25％～0.65％的mn，2.0％～3.0％的ni，0.50％～0.85％的cu，0.002％～0.008％的sb，0.01％～0.02％的sn，余量为fe以及不可避免的杂质；且为上贝氏体组织2～3级。
优选的，还包括质量百分数为0.002％～0.005％的bi。
优选的，还包括以下质量百分数的组分：0.003％～0.004％的ca，0.0025％～0.003％的mg，0.006％～0.01％的稀土re，0.0003％～0.0075％的ba。
优选的，还包括质量百分数为0.001％～0.0035％的bi。
一种曲轴，由上述中任意一项所述的球墨铸铁制备而成。
优选的，所述曲轴的球化级别为1～2级，石墨大小为5～8级。
一种曲轴的制备方法，包括以下步骤：
1)冶炼铁水：控制冶炼完成后得到的铁水包括以下质量百分数的组分：0.36％～0.40％的c，1.9％～2.4％的si，s≤0.020％，p≤0.025％，0.25％～0.65％的mn，2.0％～3.0％的ni，0.50％～0.85％的cu，0.002％～0.008％的sb，0.01％～0.02％的sn，余量为fe以及不可避免的杂质；
2)球化处理：向步骤1)得到的铁水中加入球化剂，进行球化处理；
3)一次孕育处理：向球化处理后的铁水中加入一次孕育剂，进行一次孕育处理；
4)浇铸：浇注过程中向铁水中加入二次孕育剂进行二次孕育处理；
浇铸完成后冷却，待铁水凝固后得到曲轴毛坯，控制二次孕育处理后得到的曲轴毛坯的球化级别为1～2级，石墨大小为5～8级，珠光体数量≥60％；
5)将步骤4)得到的曲轴毛坯经粗机加工后进行等温淬火：将曲轴毛坯加热至880℃～920℃下保温1～3小时，然后进行盐浴等温冷却处理，盐浴等温冷却温度为260℃～300℃，盐浴等温冷却时间为1～3小时，控制等温淬火后得到上贝氏体组织2～3级；
等温淬火后，再经精机加工后得到曲轴成品。
优选的，步骤2)中，所述球化剂包括以下质量百分数的组分：mg：6.5％～7.5％，re：1.0％～2.0％，si：43％～48％，余量为铁以及不可避免的杂质；球化剂的加入质量为铁水总质量的1.0％～1.3％，球化处理温度为1490℃～1520℃。
优选的，步骤3)中，所述一次孕育剂包括以下质量百分数的组分：si：65％～70％，ba：0.3％～0.5％，ca：0.3％～0.5％，余量为铁以及不可避免的杂质；一次孕育剂的加入质量为铁水总质量的0.5％～0.6％，一次孕育处理温度为1490℃～1520℃。
优选的，步骤4)中，当一次孕育处理后的铁水温度达到1480℃～1500℃时开始浇铸；
且二次孕育剂包括以下质量百分数的组分：si：65％～70％，ba：0.3％～0.5％，ca：0.3％～0.5％，bi：0.4％～0.6％，re：0.1％～0.3％，余量为铁以及不可避免的杂质；二次孕育剂的加入质量为铁水总质量的0.1％～0.15％。
本发明提供了一种高强度高韧性的球墨铸铁，对曲轴所使用的球墨铸铁材料进行了成分强化，本发明还提供了一种高强度高韧性的球墨铸铁曲轴的制备方法，对球墨铸铁曲轴进行了工艺强化，使得球化处理后球化级别为1～2级，石墨大小为5～8级，珠光体数量≥60％，等温淬火后得到上贝氏体组织2～3级，成分强化结合工艺强化实现了强强联合使得该曲轴的抗拉强度≥900mpa，延伸率≥10％，冲击韧性≥190j/cm2，硬度为260-320hbw，综合机械性能指标优于锻钢40cr与42crmo，实现了真正意义上的以铁代钢，与同样锻钢曲轴相比，重量降低10％以上，节约成本30％以上，降低了曲轴的制备加工难度，有着极为显著的社会效益，应用前景十分广阔。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是进一步说明本发明的特征及优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本申请提供了一种高强度高韧性的球墨铸铁，包括以下质量百分数的组分：0.36％～0.40％的c，1.9％～2.4％的si，s≤0.020％，p≤0.025％，0.25％～0.65％的mn，2.0％～3.0％的ni，0.50％～0.85％的cu，0.002％～0.008％的sb，0.01％～0.02％的sn，余量为fe以及不可避免的杂质；且为上贝氏体组织2～3级。
在本申请的一个实施例中，上述的球墨铸铁还包括质量百分数为0.002％～0.005％的bi。
在本申请的一个实施例中，上述的球墨铸铁还包括以下质量百分数的组分：0.003％～0.004％的ca，0.0025％～0.003％的mg，0.006％～0.01％的稀土re，0.0003％～0.0075％的ba。
在本申请的一个实施例中，上述的球墨铸铁还包括质量百分数为0.001％～0.0035％的bi。
本申请还提供了一种曲轴，由上述中任意一项所述的球墨铸铁制备而成。
在本申请的一个实施例中，所述曲轴的球化级别为1～2级，石墨大小为5～8级。
本申请还提供了一种上述的曲轴的制备方法，包括以下步骤：
1)冶炼铁水：控制冶炼完成后得到的铁水包括以下质量百分数的组分：0.36％～0.40％的c，1.9％～2.4％的si，s≤0.020％，p≤0.025％，0.25％～0.65％的mn，2.0％～3.0％的ni，0.50％～0.85％的cu，0.002％～0.008％的sb，0.01％～0.02％的sn，余量为fe以及不可避免的杂质；
2)球化处理：向步骤1)得到的铁水中加入球化剂，进行球化处理；
3)一次孕育处理：向球化处理后的铁水中加入一次孕育剂，进行一次孕育处理；
4)浇铸：浇注过程中向铁水中加入二次孕育剂进行二次孕育处理；
浇铸完成后冷却，待铁水凝固后得到曲轴毛坯，控制二次孕育处理后得到的曲轴毛坯的球化级别为1～2级，石墨大小为5～8级，珠光体数量≥60％；
5)将步骤4)得到的曲轴毛坯经粗机加工后进行等温淬火：将曲轴毛坯加热至880℃～920℃下保温1～3小时，然后进行盐浴等温冷却处理，盐浴等温冷却温度为260℃～300℃，盐浴等温冷却时间为1～3小时，控制等温淬火后得到上贝氏体组织2～3级；
等温淬火后，再经精机加工后得到曲轴成品。
在本申请的一个实施例中，步骤2)中，所述球化剂包括以下质量百分数的组分：mg：6.5％～7.5％，re：1.0％～2.0％，si：43％～48％，余量为铁以及不可避免的杂质；球化剂的加入质量为铁水总质量的1.0％～1.3％，球化处理温度为1490℃～1520℃。
在本申请的一个实施例中，步骤3)中，所述一次孕育剂包括以下质量百分数的组分：si：65％～70％，ba：0.3％～0.5％，ca：0.3％～0.5％，余量为铁以及不可避免的杂质；一次孕育剂的加入质量为铁水总质量的0.5％～0.6％，一次孕育处理温度为1490℃～1520℃。
在本申请的一个实施例中，步骤4)中，当一次孕育处理后的铁水温度达到1480℃～1500℃时开始浇铸；
且二次孕育剂包括以下质量百分数的组分：si：65％～70％，ba：0.3％～0.5％，ca：0.3％～0.5％，bi：0.4％～0.6％，re：0.1％～0.3％，余量为铁以及不可避免的杂质；二次孕育剂的加入质量为铁水总质量的0.1％～0.15％。
中国专利“球墨铸铁曲轴的组份及其生产方法”(专利号zl201310335464.3)，可以制备qt900-5材质的曲轴，其公开了一种球墨铸铁曲轴的成分以及制备方法，通过成分强化结合工艺强化的强强联合实现了同时提高曲轴的强度、硬度以及韧性的目的，虽然其韧性得到了提高，但是其延伸率只提高到5％左右，相较于现有锻钢材质的一般在9％以上的延伸率，还相差很远。为此，本申请在专利zl201310335464.3中的球墨铸铁的成分的基础上继续改进，添加了镍元素，进行了二次成分强化；且在二次成分强化的基础上，相对应地进行了二次工艺强化(等温淬火)，使得球化处理后球化级别为1～2级，石墨大小为5～8级，珠光体数量≥60％，等温淬火后得到上贝氏体组织2～3级，成分强化结合工艺强化实现强强联合使得该曲轴的抗拉强度≥900mpa，延伸率≥10％，冲击韧性≥190j/cm2，硬度为260-320hbw，综合机械性能指标优于锻钢40cr与42crmo，实现了真正意义上的以铁代钢，与同样锻钢曲轴相比，重量降低10％以上，节约成本30％以上，降低了曲轴的制备加工难度，有着极为显著的社会效益，应用前景十分广阔。
与专利zl201310335464.3中的曲轴的5％左右的延伸率相比，本申请中的曲轴的延伸率提高到≥10％，提高幅度为一倍以上，究其原因主要是上述的合金成分的改变(添加镍元素)+合金组织的改变(等温淬火得到上贝氏体组织2～3级)共同决定了合金性能的改变：1.此处镍元素的作用，一是细化晶粒，二是增加淬透性，为后续的等温淬火做好成分准备，没有前面的添加镍元素后面是无法进行等温淬火的，因为专利zl201310335464.3中的球墨铸铁的淬透性不够良好无法进行淬火，进而也就无法得到上贝氏体组织2～3级；2.即使前面添加了镍元素后面不进行等温淬火也无法实现本申请的目的；此处的添加镍元素与等温淬火得到上贝氏体组织2～3级，二者对于实现本申请的目的都是必须的，二者是一个不可分割的整体，二者缺一不可。
鉴于合金的成分+合金的组织共同决定了合金的性能，因此本申请中，等温淬火不是目的，等温淬火只是一种手段，得到上贝氏体组织2～3级才是终极目的，等温淬火后得不到上贝氏体组织2～3级也是不可用的，因为只有当球墨铸铁的组织为上贝氏体组织2～3级时，再辅助以球化级别为1-2级，石墨大小为5-8级，才能使得该曲轴的抗拉强度≥900mpa，延伸率≥10％，冲击韧性≥190j/cm2，硬度为260-320hbw。
专利zl201310335464.3中的球墨铸铁曲轴毛坯是无法进行等温淬火热处理的，因为其球墨铸铁的淬透性不够良好，导致其无法进行淬火，硬淬是会淬裂的，因此专利zl201310335464.3中的热处理工艺为先正火再回火。
此处镍元素的作用，一是细化晶粒，二是增加淬透性，为后续的等温淬火做好成分准备。因此，本申请中所述ni的质量百分数为2.0％～3.0％，优选的为2.5％～3.0％，更优选的为2.7％～2.9％。
本申请中的稀土re为ce元素或y元素。
本申请中，在曲轴的制备方法中所添加的球化剂、一次孕育剂以及二次孕育剂均为少量或微量添加剂，其添加量的控制方法以添加剂的加入质量占铁水总质量的百分数为准，只要加入质量的百分数达标，就算球化剂、一次孕育剂以及二次孕育剂加入合格，而不体现在浇铸完成冷却凝固后得到曲轴毛坯的组分配方中，即化验检测曲轴毛坯的组分配方是否达标时不化验检测球化剂、一次孕育剂以及二次孕育剂所额外引入的元素的含量，即不化验曲轴毛坯的组分配方中的mg、re、ba、ca、bi的含量，只检测原始铁水中的元素此时在曲轴毛坯中的含量。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种高强度高韧性的球墨铸铁、曲轴及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
生产4td80增压柴油机曲轴，其制备方法包括以下步骤：
1)冶炼铁水：控制冶炼完成后得到的铁水包括以下质量百分数的组分：0.36％～0.40％的c，1.9％～2.4％的si，s≤0.020％，p≤0.025％，0.25％～0.65％的mn，2.0％～3.0％的ni，0.50％～0.85％的cu，0.002％～0.008％的sb，0.01％～0.02％的sn，余量为fe以及不可避免的杂质；
2)球化处理：向步骤1)得到的铁水中加入球化剂，进行球化处理；
步骤2)中，所述球化剂包括以下质量百分数的组分：mg：7.0％，re：1.0％％，si：45％，余量为铁以及不可避免的杂质；球化剂的加入质量为铁水总质量的1.2％，球化处理温度为1500℃；
3)一次孕育处理：向球化处理后的铁水中加入一次孕育剂，进行一次孕育处理；
步骤3)中，所述一次孕育剂包括以下质量百分数的组分：si：65％，ba：0.5％，ca：0.3％，余量为铁以及不可避免的杂质；一次孕育剂的加入质量为铁水总质量的0.5％，一次孕育处理温度为1500℃；
4)浇铸：浇注过程中向铁水中加入二次孕育剂进行二次孕育处理；
步骤4)中，当一次孕育处理后的铁水温度达到1500℃时开始浇铸；
且二次孕育剂包括以下质量百分数的组分：si：70％，ba：0.3％，ca：0.3％，bi：0.4％，re：0.1％，余量为铁以及不可避免的杂质；二次孕育剂的加入质量为铁水总质量的0.1％；
浇铸完成后冷却，待铁水凝固后得到曲轴毛坯，控制二次孕育处理后得到的曲轴毛坯的球化级别为2级，石墨大小为5级，珠光体数量为70％，无碳化物、夹杂、疏松等铸造缺陷；
5)将步骤4)得到的曲轴毛坯经粗机加工后进行等温淬火：在将曲轴毛坯加热至900℃下保温2小时，然后进行盐浴等温冷却处理，盐浴等温冷却温度为280℃，盐浴等温冷却时间为2小时，控制等温淬火后得到上贝氏体组织2级；
等温淬火后，再经精机加工后得到曲轴成品。
对本实施例1制备的曲轴成品进行取样化验，结果为：0.38％的c，1.9％的si，s≤0.01％，p≤0.01％，0.4％的mn，2.0％的ni，0.50％的cu，0.006％的sb，0.015％的sn，余量为fe以及不可避免的杂质；
按上述方法制备该实施例1的球墨铸铁材质的曲轴的检测用标准样，检测该曲轴的力学性能，结果为：抗拉强度为970mpa，延伸率为12％，冲击韧性为190j/cm2，硬度为298hbw，曲轴的疲劳弯曲扭矩超过3162n.m，高于40cr、42crmo调质锻钢曲轴。
实施例2
生产1tq000增压柴油机曲轴，其制备方法包括以下步骤：
1)冶炼铁水：控制冶炼完成后得到的铁水包括以下质量百分数的组分：0.36％～0.40％的c，1.9％～2.4％的si，s≤0.020％，p≤0.025％，0.25％～0.65％的mn，2.0％～3.0％的ni，0.50％～0.85％的cu，0.002％～0.008％的sb，0.01％～0.02％的sn，余量为fe以及不可避免的杂质；
2)球化处理：向步骤1)得到的铁水中加入球化剂，进行球化处理；
步骤2)中，所述球化剂包括以下质量百分数的组分：mg：6.5％，re：1.0％，si：43％，余量为铁以及不可避免的杂质；球化剂的加入质量为铁水总质量的1.1％，球化处理温度为1500℃；
3)一次孕育处理：向球化处理后的铁水中加入一次孕育剂，进行一次孕育处理；
步骤3)中，所述一次孕育剂包括以下质量百分数的组分：si：65％，ba：0.3％，ca：0.3％，余量为铁以及不可避免的杂质；一次孕育剂的加入质量为铁水总质量的0.5％，一次孕育处理温度为1500℃；
4)浇铸：浇注过程中向铁水中加入二次孕育剂进行二次孕育处理；
步骤4)中，当一次孕育处理后的铁水温度达到1500℃时开始浇铸；
且二次孕育剂包括以下质量百分数的组分：si：65％，ba：0.3％，ca：0.3％，bi：0.4％，re：0.1％，余量为铁以及不可避免的杂质；二次孕育剂的加入质量为铁水总质量的0.11％；
浇铸完成后冷却，待铁水凝固后得到曲轴毛坯，控制二次孕育处理后得到的曲轴毛坯的球化级别为2级，石墨大小为6级，珠光体数量为60％，无碳化物、夹杂、疏松等铸造缺陷；
5)将步骤4)得到的曲轴毛坯经粗机加工后进行等温淬火：在将曲轴毛坯加热至910℃下保温1.5小时，然后进行盐浴等温冷却处理，盐浴等温冷却温度为300℃，盐浴等温冷却时间为1.5小时，控制等温淬火后得到上贝氏体组织2级；
等温淬火后，再经精机加工后得到曲轴成品。
对本实施例2制备的曲轴成品进行取样化验，结果为：0.37％的c，2.1％的si，s≤0.01％，p≤0.01％，0.5％的mn，3.0％的ni，0.6％的cu，0.006％的sb，0.015％的sn，余量为fe以及不可避免的杂质；
按上述方法制备该实施例2的球墨铸铁材质的曲轴的检测用标准样，检测该曲轴的力学性能，结果为：抗拉强度为1009mpa，延伸率为14.2％，冲击韧性为200j/cm2，硬度为320hbw，曲轴的疲劳弯曲扭矩超过3875n.m，高于40cr、42crmo调质锻钢曲轴。
实施例3
生产4l30f增压柴油机曲轴，其制备方法包括以下步骤：
1)冶炼铁水：控制冶炼完成后得到的铁水包括以下质量百分数的组分：0.36％～0.40％的c，1.9％～2.4％的si，s≤0.020％，p≤0.025％，0.25％～0.65％的mn，2.0％～3.0％的ni，0.50％～0.85％的cu，0.002％～0.008％的sb，0.01％～0.02％的sn，余量为fe以及不可避免的杂质；
2)球化处理：向步骤1)得到的铁水中加入球化剂，进行球化处理；
步骤2)中，所述球化剂包括以下质量百分数的组分：mg：6.5％，re：1.0％，si：43％，余量为铁以及不可避免的杂质；球化剂的加入质量为铁水总质量的1.2％，球化处理温度为1500℃；
3)一次孕育处理：向球化处理后的铁水中加入一次孕育剂，进行一次孕育处理；
步骤3)中，所述一次孕育剂包括以下质量百分数的组分：si：65％，ba：0.3％，ca：0.3％，余量为铁以及不可避免的杂质；一次孕育剂的加入质量为铁水总质量的0.5％，一次孕育处理温度为1500℃；
4)浇铸：浇注过程中向铁水中加入二次孕育剂进行二次孕育处理；
步骤4)中，当一次孕育处理后的铁水温度达到1500℃时开始浇铸；
且二次孕育剂包括以下质量百分数的组分：si：65％，ba：0.3％，ca：0.3％，bi：0.4％，re：0.1％，其余为铁以及不可避免的杂质；二次孕育剂的加入质量为铁水总质量的0.12％；
浇铸完成后冷却，待铁水凝固后得到曲轴毛坯，控制二次孕育处理后得到的曲轴毛坯的球化级别为2级，石墨大小为6级，珠光体数量为65％，无碳化物、夹杂、疏松等铸造缺陷；
5)将步骤4)得到的曲轴毛坯经粗机加工后进行等温淬火：在将曲轴毛坯加热至900℃下保温1.8小时，然后进行盐浴等温冷却处理，盐浴等温冷却温度为290℃，盐浴等温冷却时间为1.8小时，控制等温淬火后得到上贝氏体组织2级；
等温淬火后，再经精机加工后得到曲轴成品。
对本实施例3制备的曲轴成品进行取样化验，结果为：0.36％的c，2.4％的si，s≤0.01％，p≤0.01％，0.6％的mn，3.0％的ni，0.8％的cu，0.006％的sb，0.015％的sn，余量为fe以及不可避免的杂
按上述方法制备该实施例3的球墨铸铁材质的曲轴的检测用标准样，检测该曲轴的力学性能，结果为：抗拉强度为996mpa，延伸率为13.2％，冲击韧性为195j/cm2，硬度为286hbw，曲轴的疲劳弯曲扭矩超过3200n.m，高于40cr、42crmo调质锻钢曲轴。
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。