一種高強(qiáng)韌球墨鑄鐵的制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種高強(qiáng)韌球墨鑄鐵的制備方法，它是一種利用中頻電爐、通過(guò)選用含硫、磷和錳量低的生鐵、廢鋼等原材料熔煉鐵液生產(chǎn)高強(qiáng)韌球墨鑄鐵鑄件的方法，主要包括化學(xué)成分設(shè)計(jì)、爐料選擇及中頻爐熔煉、球化劑選擇及球化處理方法、孕育劑選擇及孕育處理方法等。本方法不需熱處理和脫硫處理，工序少，采用濕型砂生產(chǎn)線制造QT600-10鑄件，比覆砂鐵型鑄造效率高、成本低；生產(chǎn)的球墨鑄鐵強(qiáng)度高、塑性和韌性好，可用于汽車(chē)、拖拉機(jī)底盤(pán)用傳動(dòng)軸、后橋殼體、差速器殼、支架等零部件。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種高強(qiáng)韌球墨鑄鐵的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及一種利用中頻電爐制備高強(qiáng)韌球墨鑄鐵的方法，特別是一種聞強(qiáng)朝球墨鑄鐵的制備方法。
【背景技術(shù)】:
[0002]球墨鑄鐵因其制造和經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具有強(qiáng)度較高、韌性好、耐磨性能好等優(yōu)良的綜合性能，用它代替碳鋼、合金鋼等作為一種優(yōu)良的工程材料，廣泛用于內(nèi)燃機(jī)曲軸、齒輪、連桿、殼體，以及鑄管等重要零部件上。
[0003]隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率的不斷提高，對(duì)相關(guān)設(shè)備、零件的性能要求越來(lái)越高，一些在高速、高壓、高溫、重載、腐蝕等特殊環(huán)境下工作的零件，往往因其快速或異常損壞使整個(gè)設(shè)備報(bào)廢，造成巨大的損失。傳統(tǒng)的汽車(chē)、拖拉機(jī)底盤(pán)用傳動(dòng)軸、后橋殼體、差速器殼、支架等，在國(guó)內(nèi)主要采用QT450-10或QT600-3，在國(guó)外如俄羅斯多采用QT500-7。隨著功率的不斷提高，在動(dòng)力傳動(dòng)過(guò)程中，特別是變速和剎車(chē)時(shí)，由于承受強(qiáng)烈的扭矩和回轉(zhuǎn)疲勞應(yīng)力的作用，仍采用裝配小功率的QT450-10、QT600-3或QT500-7標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)的球鐵材料，相關(guān)零部件容易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，因此提高這些零部件材料強(qiáng)度的同時(shí)兼顧高的韌塑性，顯得非常必要。
[0004]目前，各個(gè)國(guó)家等效采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS01083_87(球墨鑄鐵分級(jí))，常用的有:QT400-18, QT450-10, QT500-7, QT600-3, QT700-2等，某大功率拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)橋的行星架和錐傳動(dòng)支座對(duì)材質(zhì)的性能要求超過(guò)了此標(biāo)準(zhǔn)。其難點(diǎn)是:在要求高強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度不低于600MPa)的同時(shí)，還要求高的韌塑性(伸長(zhǎng)率不低于10% )，同時(shí)滿足高強(qiáng)度和高韌性，通常需進(jìn)行適當(dāng)熱處理(如等溫淬火)等方法才能達(dá)到，因此，在鑄態(tài)條件下有很大的難度。
[0005]國(guó)內(nèi)外類(lèi)似研究應(yīng)用的報(bào)道很少。2007/6現(xiàn)代鑄鐵公開(kāi)了廣州柴油機(jī)廠生產(chǎn)的筒式柴油打樁機(jī)上的活塞，其鑄態(tài)性能要求達(dá)到QT600-10，采用如下技術(shù)措施:(1)采用沖天爐電爐雙聯(lián)熔煉，吹氮?dú)鈹嚢杳摿?，確保原鐵液W(Sig) ^ 0.020% ；(2)采用覆砂鐵型鑄造，并適當(dāng)控制W(Mg)和《(RE)含量，以獲得較高的球化率；(3)采用含銅球化劑，并強(qiáng)化孕育，以獲得恰當(dāng)?shù)闹楣怏w和鐵素體比例。礦山機(jī)械第34卷2006年第4期公開(kāi)鄭州大學(xué)研究者采用沖天爐與電爐雙聯(lián)的熔煉工藝，并進(jìn)行二次脫硫處理成功生產(chǎn)QT600-10高強(qiáng)韌球墨鑄鐵。但這兩處報(bào)道的方法均要采用脫硫處理，工序較為復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0006]綜上所述，為了克服現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題的不足，本發(fā)明提供一種利用中頻電爐、通過(guò)選用低硫生鐵、廢鋼等原材料熔煉鐵液生產(chǎn)高強(qiáng)韌球墨鑄鐵鑄件的方法，主要包括化學(xué)成分設(shè)計(jì)、爐料選擇及中頻爐熔煉、球化劑選擇及球化處理方法、孕育劑選擇及孕育處理方法等。本方法不需熱處理和脫硫處理，工序少，采用濕型砂生產(chǎn)線制造QT600-10鑄件，比覆砂鐵型鑄造效率高、成本低；生產(chǎn)的球墨鑄鐵強(qiáng)度高、塑性和韌性好，可用于汽車(chē)、拖拉機(jī)底盤(pán)用傳動(dòng)軸、后橋殼體、差速器殼、支架等零部件。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:[0008]一種高強(qiáng)韌球墨鑄鐵，其材料化學(xué)成分的質(zhì)量百分比為:
[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%，余量為Fe。
[0010]—種1?強(qiáng)朝球墨鑄鐵的制備方法，包括以下步驟:
[0011]第一步、化學(xué)成分設(shè)計(jì)，材料最終化學(xué)成分按質(zhì)量百分比為:
[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%，余量為
Fe ；
[0013]第二步、爐料選擇及中頻爐熔煉:采用中頻感應(yīng)電爐熔煉鐵液，爐前原鐵液的配料化學(xué)成份為 C:3.60% ~3.80%，S1:1.00% ~1.60%，Mn:≤ 0.20 %, P ≤ 0.05%,S≤0.03%，余量為Fe;選用含硫、磷、錳量低的生鐵、廢鋼和回爐料，沒(méi)有脫硫工序，配比(質(zhì)量百分比)為:生鐵:廢鋼:回爐料=30%~60%: 10%~30%:余量回爐料，將稱(chēng)量好的爐料加入爐內(nèi)熔煉，保證處理前的原鐵液化學(xué)成分要求，鐵液出爐溫度1450~14800C ;采用蓋包球化處理，球化劑加入量按包鐵液重量的1.0%，采用沖入法，球化劑加入量通常為1.2%~1.4%或更高；
[0014]第三步、球化劑選擇及球化處理方法:球化劑是采用FeSiRE3Mg8球化劑，其中含Ca2.5%~3.5%，MgO < 0.7% ;球化處理方法是采用蓋包方法進(jìn)行球化處理；
[0015]第四步、孕育劑選擇及孕育處理:采用二次孕育:首先,鐵水包內(nèi)采用含鋇4%~
6%的WL孕育劑，加入量為0.2 %~0.25 %，粒度為3~10mm，其余為75SiFe孕育劑補(bǔ)充硅量，以保證材料最終硅含量，同時(shí)補(bǔ)加材料最終化學(xué)成分要求的錳鐵和電解銅；二次隨流孕育采用75SiFe孕育劑，加入量為0.1 %，粒度0.5~1.5mm ;澆注溫度為1340~1380°C，生產(chǎn)線澆注鑄件的同時(shí)澆注基爾試塊；
[0016]第五步、熔煉得到的球墨鑄鐵經(jīng)檢測(cè)，石墨球化級(jí)別I~3級(jí)，基體組織為40 %~60%鐵素體+珠光體，抗拉強(qiáng)度≤600MPa，伸長(zhǎng)率≤10.0%，硬度190~250HB。
[0017]進(jìn)一步,所述的生鐵為含硫、磷、猛量低的QlO或Q12生鐵。
[0018]合適的化學(xué)成分是保證生產(chǎn)出優(yōu)良性能鑄件的前提。獲得鑄態(tài)高強(qiáng)度高韌塑性混合基體球鐵的方法與珠光體基體和鐵素體基體球體有明顯區(qū)別，化學(xué)成分選定時(shí)要保證基體中合適的珠光體和鐵素體量，通常最少相的含量不低于30 %，特別是有一定量的鐵素體(在40 %~60 %為宜)，以保證較高的韌塑性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行合金化，如加入一定量的Cu、Mn，及較高的Si對(duì)鐵素體進(jìn)行強(qiáng)化，從而得到較高的強(qiáng)度。
[0019]本發(fā)明中選用的化學(xué)成分作用如下:
[0020]碳和硅:制造球墨鑄鐵時(shí)，由于加入球化劑進(jìn)行球化處理，使相圖中共晶點(diǎn)右移至碳當(dāng)量4.6%~4.8%或更高，為保持好的鑄造工藝性，提高鐵液的流動(dòng)性，減小白口傾向和鑄件的縮松缺陷，碳量通常比灰鑄鐵高得多；但碳量也不可過(guò)高，碳過(guò)高易產(chǎn)生石墨飄浮，降低鑄件力學(xué)性能。因此將碳控制為3.60%~3.80%。硅促進(jìn)石墨化，起孕育作用，降低球化處理過(guò)程中的白口傾向、元素偏析和結(jié)晶過(guò)冷傾向；硅在一定范圍時(shí)，硅量增加，基體中鐵素體含量增加，珠光體減少，球墨鑄鐵的韌性塑性有所提高，但硅增加到一定含量后，顯著提高球鐵韌-脆轉(zhuǎn)變溫度；Si量的控制范圍為2.50%~2.80%。[0021]錳:穩(wěn)定珠光體元素，一部分錳可溶入鐵素體中提高球墨鑄鐵強(qiáng)度和硬度，但降低它的塑性和韌性；同時(shí)形成少量碳化物偏析在晶界上，降低鑄件的力學(xué)性能；因此，將錳量控制為0.30%~0.50%。
[0022]硫:硫與球化元素鎂及稀土元素有很強(qiáng)的化合能力，生成硫化物或硫氧化物，不僅消耗球化劑，使球化效果不穩(wěn)定，且生成的夾雜物顯著降低球鐵的強(qiáng)度、塑性和韌性；控制原鐵液s< 0.030%，球化后SS 0.020%，以保證球化質(zhì)量。
[0023]磷:磷含量過(guò)高時(shí)，易偏析于共晶團(tuán)邊界形成磷共晶，降低球鐵的強(qiáng)度、塑性和韌性；控制PS 0.06%或更低。[0024]鎂和稀土:鎂和稀土都有球化作用，國(guó)外大多采用純鎂生產(chǎn)球墨鑄鐵，我國(guó)通常采用稀土鎂球化劑生產(chǎn)球鐵，其中鎂起主要球化作用，但鎂的活性很強(qiáng)，純鎂處理的鐵液反應(yīng)劇烈，加入一定量的稀土可降低鐵液球化反應(yīng)時(shí)的飛濺現(xiàn)象，稀土也起輔助球化作用，并起到凈化鐵液、抗球化干擾元素的作用。但稀土含量超過(guò)一定數(shù)值后，石墨形狀會(huì)受到破壞，產(chǎn)生石墨畸變；當(dāng)鐵液中殘留稀土量增多時(shí)，球化級(jí)別逐漸變差，抗拉強(qiáng)度和韌性也逐漸降低；鎂和稀土的殘留量控制為Mg0.030%~0.050%, RE0.020%~0.040%。
[0025]銅:促進(jìn)共晶石墨化，可減少或消除游離滲碳體的形成；在共析轉(zhuǎn)變時(shí)，促進(jìn)基體中珠光體的形成，減少鐵素體含量；隨著銅量的增加，球墨鑄鐵抗拉強(qiáng)度增加，但伸長(zhǎng)率有所下降。
[0026]本發(fā)明的有益效果為:
[0027]制備的高強(qiáng)韌球墨鑄鐵抗拉強(qiáng)度大于600MPa，伸長(zhǎng)率大于10%，性能指標(biāo)超過(guò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，用于汽車(chē)、拖拉機(jī)等驅(qū)動(dòng)橋底盤(pán)等零部件，可以防止使用傳統(tǒng)材料因汽車(chē)、拖拉機(jī)等功率增大引起的鑄件斷裂問(wèn)題。本方法不需熱處理和脫硫處理，工序少，采用濕型砂生產(chǎn)線制造QT600-10鑄件，比覆砂鐵型鑄造效率高、成本低；蓋包球化處理方法密封性好，在球化反應(yīng)過(guò)程中，與普通沖入法球化相比球化元素氧化燒損減少，吸收率提高，球化劑消耗量少，且鎂光和煙霧明顯減少，污染排放量少，改善了生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境；隨流孕育處理效果穩(wěn)定可靠，孕育劑加入量少，原材料成本大幅度降低，推廣應(yīng)用將具有更大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】:
[0028]圖1是本發(fā)明實(shí)施例2的金相組織照片；
[0029]圖2是本發(fā)明實(shí)施例2的拉伸斷口掃描電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】:
[0030]以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
[0031]實(shí)施例1 (本實(shí)施例采用3t中頻感應(yīng)電爐熔煉鐵液)
[0032]一種聞強(qiáng)朝球墨鑄鐵的制備方法，包括以下步驟:
[0033]第一步、化學(xué)成分設(shè)計(jì)，材料按質(zhì)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%，余量為 Fe ；
[0034]第二步、爐料選擇及中頻爐熔煉:采用3t中頻感應(yīng)電爐熔煉鐵液，按質(zhì)量百分比生鐵:廢鋼:回爐料=30%: 30%: 40%的爐料加入爐內(nèi)熔煉，保證處理前的原鐵液化學(xué)成分要求，由于采用蓋包球化處理，鐵液溫度降低較少，出爐溫度控制在1450~1480°C ；
[0035]第三步、球化劑選擇及球化處理方法:采用蓋包球化處理，球化劑加入量按包鐵液重量的1.0%，同時(shí)補(bǔ)加爐后成分要求的錳鐵和電解銅；球化劑是采用FeSiRE3Mg8球化劑，其中含2.5%~3.5% Ca7MgO ( 0.7%;球化處理方法是采用蓋包方法進(jìn)行球化處理；國(guó)內(nèi)大多數(shù)工廠選用含稀土量高的球化劑如FeSiRE7Mg8，鑄件白口傾向大，易出現(xiàn)游離碳化物，還易出現(xiàn)夾雜物，降低鑄件力學(xué)性能；球化處理方法對(duì)球鐵組織性能影響很大，國(guó)內(nèi)多采用沖入法進(jìn)行球化處理，不僅煙霧大，球化劑消耗量大，而且制造的球墨鑄鐵性能較低；
[0036]第四步、孕育劑選擇及孕育處理:采用二次孕育方式:即WL孕育劑和75SiFe孕育劑的一次孕育+粒度0.5~1.5mm的75SiFe孕育劑二次隨流孕育；澆注溫度為1340~1380°C，生產(chǎn)線澆注鑄件的同時(shí)澆注基爾試塊；
[0037]第五步、熔煉得到的球墨鑄鐵經(jīng)檢測(cè)，石墨球化級(jí)別2級(jí)，基體組織為40 %鐵素體+60%珠光體，抗拉強(qiáng)度656MPa，伸長(zhǎng)率11.6%，硬度219HB。
[0038]實(shí)施例2 (本實(shí)施例采用3t中頻感應(yīng)電爐熔煉鐵液)
[0039]—種聞強(qiáng)朝球墨鑄鐵的制備方法，包括以下步驟:
[0040]第一步、化學(xué)成分設(shè)計(jì)，材料按質(zhì)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%，余量為 Fe ；
[0041]第二步、爐料選擇及中頻爐熔煉:采用3t中頻感應(yīng)電爐熔煉鐵液，按質(zhì)量百分比生鐵:廢鋼:回爐料=60%: 10%: 30%的爐料加入爐內(nèi)熔煉，保證處理前的原鐵液化學(xué)成分要求，鐵液出爐溫度控制在1450~1480°C ；
[0042]第三步、球化劑選擇及球化處理方法:球化劑是采用FeSiRE3Mg8球化劑，其中含
2.5%~3.5% Ca, MgO ^ 0.7% ;采用蓋包球化處理，球化劑加入量按包鐵液重量的1.0% ;
[0043]第四步、孕育劑選擇及孕育處理，采用二次孕育方式:即WL孕育劑和75SiFe孕育劑的一次孕育+75% SiFe孕育劑二次隨流孕育；澆注溫度為1340~1380°C，生產(chǎn)線澆注鑄件的同時(shí)澆注基爾試塊；
[0044]第五步、熔煉得到的球墨鑄鐵經(jīng)檢測(cè)，石墨球化級(jí)別2級(jí)，基體組織約為45 %鐵素體+55%珠光體，參見(jiàn)圖1的金相組織照片，抗拉強(qiáng)度625.6MPa，伸長(zhǎng)率10.8%，硬度197HB ;參見(jiàn)圖2的拉伸斷口掃描電鏡照片，主要表現(xiàn)為韌性斷裂，右下有少量解理河流花樣，韌窩較多且較深。
[0045]實(shí)施例3 (本實(shí)施例采用3t中頻感應(yīng)電爐熔煉鐵液)
[0046]一種高強(qiáng)韌球墨鑄鐵的制備方法，包括以下步驟:
[0047]第一步、化學(xué)成分設(shè)計(jì)，材料按質(zhì)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%，余量為 Fe ；
[0048]第二步、爐料選擇及中頻爐熔煉:采用3t中頻感應(yīng)電爐熔煉鐵液，按質(zhì)量百分比生鐵:廢鋼:回爐料=40%: 20%: 40%的爐料加入爐內(nèi)熔煉，保證處理前的原鐵液化學(xué)成分要求，鐵液出爐溫度1450~1480°C ；
[0049]第三步、球化劑選擇及球化處理方法:球化劑是采用FeSiRE3Mg8球化劑，其中含
2.5%~3.5% Ca, MgO ^ 0.7% ;采用蓋包球化處理，球化劑加入量按包鐵液重量的1.0% ;
[0050]第四步、孕育劑選擇及孕育處理:采用二次孕育方式:即WL孕育劑和75SiFe孕育劑的一次孕育+75SiFe孕育劑二次隨流孕育；澆注溫度為1340~1380°C，生產(chǎn)線澆注鑄件的同時(shí)澆注基爾試塊；
[0051 ] 第五步、熔煉得到的球墨鑄鐵經(jīng)檢測(cè)，石墨球化級(jí)別2級(jí)，基體組織為60 %鐵素體+40%珠光體，抗拉 強(qiáng)度637.4MPa，伸長(zhǎng)率11.0%，硬度209HB。
【權(quán)利要求】
1.一種高強(qiáng)韌球墨鑄鐵，其特征在于，其材料化學(xué)成分的質(zhì)量百分比為:
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%，余量為Fe。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)韌球墨鑄鐵的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步、化學(xué)成分設(shè)計(jì)，材料最終化學(xué)成分按質(zhì)量百分比為:
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%，余量為Fe ； 第二步、爐料選擇及中頻爐熔煉:采用中頻感應(yīng)電爐熔煉鐵液，爐前原鐵液的配料化學(xué)成份為 C:3.60%~3.80%，S1:1.00%~1.60%，Mn:≤ 0.20%，P ≤ 0.05%，S ≤ 0.02%，，余量為Fe ;選用含硫、磷、錳量低的生鐵、廢鋼和回爐料，沒(méi)有脫硫工序，按質(zhì)量百分比配比為，生鐵:廢鋼:回爐料=30~60: 10~30:余量回爐料，將稱(chēng)量好的爐料加入爐內(nèi)熔煉，保證處理前的原鐵液化學(xué)成分要求，鐵液出爐溫度1450~1480°C ;采用蓋包球化處理，球化劑加入量按包鐵液重量的1.0%，采用沖入法，球化劑加入量通常為1.2%~1.4%或更聞; 第三步、球化劑選擇及球化處理方法:球化劑是采用FeSiRE3Mg8球化劑，其中含Ca2.5%~3.5%，MgO < 0.7% ;球化處理方法是采用蓋包方法進(jìn)行球化處理； 第四步、孕育劑選擇及孕育處理:采用二次孕育:首先，鐵水包內(nèi)采用含鋇4%~6%的WL孕育劑，加入量為0.2%~0.25%，粒度為3~10mm，其余為75SiFe孕育劑補(bǔ)充硅量，同時(shí)補(bǔ)加材料最終化學(xué)成分要求的錳鐵和電解銅；二次隨流孕育采用75SiFe孕育劑，加入量為0.1%，粒度0.5~1.5mm;澆注溫度為1340~1380°C，生產(chǎn)線澆注鑄件的同時(shí)澆注基爾試塊； 第五步、熔煉得到的球墨鑄鐵經(jīng)檢測(cè)，石墨球化級(jí)別I~3級(jí)，基體組織為40%~60%鐵素體+珠光體，抗拉強(qiáng)度≤600MPa，伸長(zhǎng)率≤10.0%，硬度190~250HB。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高強(qiáng)韌球墨鑄鐵的制備方法，其特征在于，所述的生鐵為含硫、磷、錳量低的QlO或Q12生鐵。
【文檔編號(hào)】B22D1/00GK103981434SQ201410230659
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】李平, 李鋒軍, 韓建普, 徐治新, 蘇莉, 彭保中, 歐陽(yáng)維強(qiáng), 甄艷君, 湯明健, 范隨長(zhǎng) 申請(qǐng)人:河南理工大學(xué)