本發(fā)明涉及鑄鐵研發(fā)及生產(chǎn)領(lǐng)域，具體涉及一種球墨鑄鐵及其制備方法。

背景技術(shù)：

球墨鑄鐵是我國國民經(jīng)濟乃至世界制造業(yè)最主要的材料之一，廣泛應(yīng)用在機械制造、礦山冶金、石油化工和國防工業(yè)等行業(yè)。但隨著在石油鉆井、汽車制造業(yè)和發(fā)動機等領(lǐng)域現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，對球墨鑄鐵強度和塑性的要求也越來越高，例如，石油鉆井的十字頭要求力學(xué)性能為抗拉強度≥689MPa,屈服強度≥483MPa，延伸率≥3.0；車床的主軸、球磨機齒軸、小型水輪機主軸等，其所要求的抗拉強度達到700MPa以上，屈服強度達到420MPa以上，延伸率達到2％以上；汽車齒輪系列(正時齒輪、行星齒輪、后橋齒輪等)則要求有更高的強度與韌性。

從本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的球墨鑄鐵牌號表中可以看出，鑄態(tài)下抗拉強度及屈服強越高時，相應(yīng)的延伸率變低，這兩者之間是成反比關(guān)系?，F(xiàn)有技術(shù)中，通常采用增加Mn，Sn，Cr的用量的方法來提升珠光體含量，從而得到較高的抗拉強度及屈服強度，然而所得到的球墨鑄鐵的延伸率會相應(yīng)降低，因此不能得到高強度高塑性的球墨鑄鐵。反之，現(xiàn)有技術(shù)中，當采用減少Mn,Sn,Cr的用量的方法來降低珠光體含量時，可得到較高的延伸率，卻會導(dǎo)致球墨鑄鐵的抗拉強度及屈服強度變低，同樣不能得到高強度塑性的球墨鑄鐵。

中國發(fā)明專利CN103614612A公開了一種高強度高彈性模量低應(yīng)力鑄態(tài)球墨鑄鐵，它是由以下質(zhì)量分數(shù)的成分組成：C：3.7-3.9％；Si：2.0-2.2％；Ce：4.50-4.65％；Mn：0.5-0.6％；P≤0.03％；S≤0.02％；Mg：0.03-0.06％；Re：0.0l-0.02％；Cu：0.5-0.7％；Sn：0.05-0.06％。該發(fā)明制造方法的特色是“高溫純凈的基鐵鐵液+復(fù)合合金化+精確加入”，得到球墨鑄鐵的顯微組織為：珠光體含量≥95％，球化率≥90％，單位面積球墨數(shù)目為200-380個/mm²，屈服強度400MPa以上，抗拉強度700MPa以上，彈性模量170GPa以上，硬度HB190-250，延伸率3％以上，鑄造內(nèi)應(yīng)力≤50MPa。

中國發(fā)明專利CN 104388810 A，公布了一種鑄態(tài)球墨鑄鐵的制備方法，所述制備方法包括熔煉、調(diào)節(jié)鐵水成分含量、加入合金元素、球化和微量合金化、孕育處理、澆注的步驟，該方法既能夠穩(wěn)定地將球墨鑄鐵的抗拉強度控制在700MPa以上，又能將斷后延伸率達到4.5％左右。

中國發(fā)明專利CN 105177214 A，公布了一種高強度高延展性的球墨鑄鐵的制造方法及其產(chǎn)品和應(yīng)用。使用上述方法制備所得到的球墨鑄鐵，其抗拉強度≥700MPa，屈服強度≥450MPa，延伸率≥6％；以及該球墨鑄鐵在車輪支架制造上的應(yīng)用。

因此，研發(fā)出一種有效可行、經(jīng)濟實用的高強度高塑性的球墨鑄鐵及其制備工藝，對促進我國球墨鑄鐵的發(fā)展與應(yīng)用具有重大的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種具備高強度、高塑性水平的球墨鑄鐵及其制備方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種球墨鑄鐵，其中包含的元素的質(zhì)量百分比為：C：3.35％-3.7％，Si：2.3％-2.7％，Mn：0.35％-0.55％，P≤0.035％，S≤0.015％，Re：0.016％-0.018％，Mg：0.02％-0.04％，Nb：0.55％-0.85％。

進一步的，上述球墨鑄鐵中包含的痕量元素Cu、Zn、Sn、Mo、Al、Zr，上述痕量元素的總量≤0.22％，所述量基于球墨鑄鐵的總重量。

進一步的，上述球墨鑄鐵的抗拉強度＞750MPa，屈服強度約560MPa，斷后延伸率達到7.5％以上。

本發(fā)明還包括上述高強、高塑性球墨鑄鐵的制備方法，包括以下步驟：

1)熔煉：鐵液采用中頻感應(yīng)電爐熔煉工藝，電爐中加入重量百分比為55-65％的生鐵，25-35％的球鐵回爐料，5-10％的廢鋼，電爐升溫至1450-1550℃，將所述生鐵、球鐵回爐料、廢鋼的混合物熔煉成鐵水；

2)調(diào)節(jié)鐵水成分含量：通過爐前分析，將步驟1)所得鐵水中化學(xué)成分的重量百分比調(diào)節(jié)至以下范圍：C：0.35％-3.7％，Si:2.3％-2.7％，Mn：0.35％-0.55％，P≤0.035％，S≤0.015％，RE：0.018％-0.016％，Mg：0.02％-0.04％，Nb：0.55％-0.85％；

3)球化處理：在含痕量合金元素Cu、Zn、Sn的球化劑澆包中加入步驟2)中所得的鐵水，進行球化處理；

4)孕育處理：在步驟3)中所得鐵水中加入含痕量合金Mo、Zr的孕育劑進行孕育處理；

5)澆注：將步驟4)所得鐵水轉(zhuǎn)至鑄件型腔中進行澆注，澆注后自然冷卻，即得鑄態(tài)球墨鑄鐵。

本申請與現(xiàn)有技術(shù)相比，先進點如下：

1)調(diào)節(jié)熔煉后鐵水中各成分的含量，可以使球化劑加入量達到精確控制，達到了穩(wěn)定球化率的效果，提高球墨鑄鐵的機械性能；

2)加入了0.55％-0.85％的鈮元素，少量Nb對球墨鑄鐵的石墨化、球化率、圓度、石墨球大小等影響不大，但能顯著增加珠光體數(shù)量。Nb是一種強碳化物形成元素,在球墨鑄鐵中可有效細化晶粒，并且形成的富鈮相可起到顯著的彌散強化作用,從而提高強度、塑韌性等力學(xué)性能。

3)通過一定量合金加入，痕量元素共同作用，提高力學(xué)性能，得到超固溶強化鐵素體，穩(wěn)定、細化的珠光體，及超細晶?；w組織的匹配，從而同時達到高強高塑性。

4)該制備方法在強度提高的同時得到高塑性，經(jīng)實驗測試表明，該方法既能夠穩(wěn)定地將球墨鑄鐵的抗拉強度控制在750MPa以上，屈服強度560MPa左右，又能將斷后延伸率達到7.5％以上；相比于常規(guī)鑄態(tài)的生產(chǎn)方法，本申請所得球墨鑄鐵能同時達到高強度、高塑性水平。

本申請的鑄態(tài)球墨鑄鐵，能夠同時達到高強度和高塑性，且其力學(xué)性能穩(wěn)定，而相比于常規(guī)需要正火和調(diào)質(zhì)的鑄造方法，本申請省去了正火和調(diào)質(zhì)熱處理的過程，大大減少了工作量，也縮短了鑄造周期，降低了鑄造成本。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明實施例制備所得的鑄態(tài)球墨鑄鐵的單鑄試塊的示意圖；

附圖2為本發(fā)明實施例制備所得的鑄態(tài)球墨鑄鐵的單鑄試塊的右視圖；

附圖3為本發(fā)明實施例制備所得的鑄態(tài)球墨的形狀與分布100X組織圖片；

附圖4為本發(fā)明實施例制備所得的鑄態(tài)球墨經(jīng)4％硝酸酒精腐蝕后的金相照片；

圖5、6為本發(fā)明實施例制備所得的球墨鑄鐵拉伸斷口掃描照片。

具體實施方式

為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合具體附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

實施例1

一種鑄態(tài)球墨鑄鐵的制備方法，包括以下步驟：

1)熔煉：鐵液采用中頻感應(yīng)電爐熔煉工藝，電爐中加入重量百分比為55-65％的生鐵，25-35％的球鐵回爐料，5-10％的廢鋼，電爐升溫至1450-1550℃，將所述生鐵、球鐵回爐料、廢鋼的混合物熔煉成鐵水；

2)調(diào)節(jié)鐵水成分含量：通過爐前分析，將步驟1)所得鐵水中化學(xué)成分的重量百分比調(diào)節(jié)至以下范圍：C：3.35％-3.7％，Si：2.3％-2.7％，Mn：0.35％-0.55％，P≤0.035％，S≤0.015％，Re：0.016％-0.018％，Mg：0.02％-0.04％，Nb：0.55％-0.85％；

3)球化處理：在含痕量合金元素Cu、Zn、Sn的球化劑澆包中加入步驟2)中所得的鐵水，進行球化處理；

4)孕育處理：在步驟3)中所得鐵水中加入含痕量合金Mo、Zr的孕育劑進行孕育處理；

5)澆注：將步驟4)所得鐵水轉(zhuǎn)至鑄件型腔中進行澆注，澆注后自然冷卻，即得鑄態(tài)球墨鑄鐵。

上述步驟5)所得鑄態(tài)球墨鑄鐵中的各成分如表1所示。

表1化學(xué)成分

通過以上步驟，分別鑄造單鑄試塊4個，見附圖1，分別編號為1，2，3，4。試塊型號為Y25，單位：mm，將以上4個單鑄試塊每塊取樣加工成拉伸試樣3個。拉伸試樣尺寸及形狀符合國家標準。力學(xué)性能測試和金相組織分析，結(jié)果如下：

A、力學(xué)性能檢測

將4個單鑄試塊取樣加工成的拉伸試樣，分別進行力學(xué)性能測試，測試溫度為室溫，測試結(jié)果為同一單鑄試塊中三個試樣結(jié)果的平均值。其力學(xué)性能如表2所示：

表2力學(xué)性能測試結(jié)果

從以上力學(xué)性能測試結(jié)果可知，本申請中的鑄態(tài)球墨鑄鐵能維持較高的屈服強度，更重要的是能夠兼顧高強度和高塑性。

B、金相組織分析：

將四個單鑄試塊分別進行金相組織分析，分析結(jié)果如表3所示：

表3金相組織分析結(jié)果

從以上金相組織分析結(jié)果可知，本申請中鑄態(tài)球墨鑄鐵試件上的石墨大小為7-6級，且石墨個數(shù)較多，珠光體比例較大，其中珠光體可使鑄件在保持高強度的情況下，有很好的塑性，本申請中的鑄態(tài)球墨鑄鐵通過制備工藝上的改進，能夠在球化率、石墨大小、石墨個數(shù)、鐵素體和珠光體的比例上達到平衡，形成穩(wěn)定的內(nèi)部金相組織結(jié)構(gòu)，因此在宏觀的高強度和高塑性上達到兼顧。

鑄態(tài)球狀石墨形狀與分布100X組織圖片如附圖3所示。根據(jù)國標GB/T9441-2009可知，石墨為球狀石墨的個數(shù)所占石墨總數(shù)的百分比作為球化率，樣品球化率大于90％，石墨大小4-7mm，等級為6-7級。

附圖4是經(jīng)4％硝酸酒精腐蝕后的金相照片，從圖中可以觀察到基體組織由珠光體、鐵素體和大量的石墨組成。

圖5、6為球墨鑄鐵拉伸斷口掃描照片，可以看到，基體上大量的撕裂脊，石墨脫落，形成韌窩狀的坑，裂紋沿著石墨擴展導(dǎo)致石墨脫落，并且能看到少量的解理臺階，從20000倍下可以看到大量細小的韌窩，可以判斷基體進行較大的塑形變形，因此表明材料斷裂過程中主要還是韌性斷裂。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出的是，上述優(yōu)選實施方式不應(yīng)視為對本發(fā)明的限制，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當以權(quán)利要求所限定的范圍為準。對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，還可以做出若干改進，這些改進也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。