CN112210708B - 一种球墨铸铁及利用消失模制备该球墨铸铁的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种球墨铸铁，所述球墨铸铁各元素的质量百分比为：C:3.6％～3.85％，Si:2.5％～2.9％，Mn：0.4％～0.6％，P≤0.05％，S≤0.035％，Mg：0.035％～0.05％，Cu：0.50％～0.65％，Sn：0.012％～0.015％，RE：0.01％～0.015％，Al：≤0.001％，Ca：≤0.0025％，Ba：≤0.005％及Cr：≤0.03％，余下为Fe及不可避免的杂质，共计100％；所述球墨铸铁的基体组织为珠光体及铁素体，所述珠光体的质量占比为60％～70％，余下为铁素体，共计100％。本发明的有益效果在于：本发明球墨铸铁配比合适，再配合合理的工艺形成优良的金相组织及球化组织，在满足高强度、高韧性的基础上，同时满足现今轻量化的需求。

Description

一种球墨铸铁及利用消失模制备该球墨铸铁的方法
技术领域
本发明属于铸铁冶炼领域，具体涉及一种球墨铸铁及利用消失模制备该球墨铸铁方法。
背景技术
球墨铸铁是一种高强度铸铁材料，具有优良的强度、韧性，是应用十分广泛的铸铁材料。
随着材料轻量化成为趋势，兼具强度、韧性的前提下降低材料的重量成为重要的研发趋势。在汽车领域中，其部件轻量化更是现今研究的热点，如平衡悬架。在申请号为2019102517918的中国专利中，为实现轻量化目的，公开了一种球墨铸铁方法，但是其强度却未保证。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种球墨铸铁及利用消失模制备方法。
具体技术方案如下：
一种球墨铸铁，其不同之处在于，所述球墨铸铁各元素的质量百分比为：C:3.6％～3.85％，Si:2.5％～2.9％，Mn：0.4％～0.6％，P≤0.05％，S≤0.035％，Mg：0.035％～0.05％，Cu：0.50％～0.65％，Sn：0.012％～0.015％，RE：0.01％～0.015％，Al：≤0.001％，Ca：≤0.0025％，Ba：≤0.005％及Cr：≤0.03％，余下为Fe及不可避免的杂质，共计100％；所述球墨铸铁的基体组织为珠光体及铁素体，所述珠光体的质量占比为60％～70％，余下为铁素体，共计100％。
进一步，所述球墨铸铁的基体组织的球化率在85％以上，石墨等级达到6级～7级，球化等级为2级～3级。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明球墨铸铁配比合适，再配合合理的工艺形成优良的金相组织及球化组织，在满足高强度、高韧性的基础上，同时满足现今轻量化的需求。
进一步，所述球墨铸铁各元素的质量百分比为：所述球墨铸铁各元素的质量百分比为：C:3.76％，Si:2.75％，Mn：0.546％，P≤0.03％，S≤0.035％，Mg：0.04％，Cu：0.523％，Sn：0.013％，RE：0.0013％，Al：≤0.001％，Ca：0.0018％，Ba：0.0041％及Cr：0.026％，余下为Fe及不可避免的杂质，共计100％。
上述球墨铸铁的制备方法，其不同之处在于，所述球墨铸铁的制备方法包括以下步骤：
步骤S1：原料熔炼，选用生铁及废钢，加入增碳剂、预处理剂、硅铁及锰铁融化成第一铁水；
步骤S2:球化处理及第一次孕育处理，采用喂丝球化将含硅的稀土镁合金制成合金包芯线加入所述步骤S1制备的铁水，得到第二铁水；
步骤S3：第二孕育处理，向所述第二铁水中第二孕育剂，进行孕育，得到第三铁水；
步骤S4：浇注及第三次孕育，将所述第三铁液浇注至模具，并同时加入随流育剂，所有元素比例调整完毕，得到第四铁水；
步骤S5：将第四铁水进行浇注，浇注后进行冷却，出模具，得到热处理前体；
步骤S6:热处理，将所述热处理前体依次经过正火，第一次冷却，回火及再次冷却后得到所述球墨铸铁。
与现有技术相比，本发明制备方法通过三次孕育工艺、配比工艺及热处理工艺制备的球墨铸铁可提高球化效果，具体体现在提高球化率、增加石墨个数、球化等级和石墨等级，制备出铁素体及珠光体的金相组织。
进一步，所述步骤S2中，球化处理及第一孕育时铁水温度为1470℃～1520℃，处理时间为45s，球化完毕后，所述第二球水的温度为1450℃～1500℃，且球化完毕后的温度低于球化之前的温度。
采取上述进一步技术方案的有益效果在于，将球化温度控制在此范围可以步骤的保证球化效果且为后续孕育及浇注的效果做准备。
进一步，所述步骤S2中，采用单线喂丝球化，所述合金包芯线粉芯重量为230g/m～250g/m，合金包芯线加入后，铁水中硅的质量含量增加1.2％～1.5％。
采用上述进一步技术方案的有益效果在于，采用单线喂丝球化包芯线以一定速度***，可使整个过程可以实现自动化，喂送速度和加入量可以控制，配比操作方便，与此同时，可以通过精密控制，方便防止因加料使体系温度超过或降低在控制范围。
进一步，所述步骤S2中，所述合金包芯线包括以下质量比的元素RE：2.85％；Si：45.93％；Mg：29.32％。
进一步，所述步骤S3中，所述第三铁水中，第二孕育剂的加入量为第三铁水质量的1.0％～1.7％，加入铜并调节铜的含量，铜的加入量为第三铁水质量的0.3％～0.65％。
铜在此步骤加入可扩大的珠光体形成区间，促进了珠光体形成和细化组织，并对铁素体组织进行强化，同时通过控制铜的加入量，使其在达到优化基体组织的同时能控制温度，避免降温过度无法满足后续的浇注条件。
进一步，所述步骤S4中，所述随流育剂为长效孕育剂，加入量为第四铁水质量的0.1％～0.2％，浇注时，浇注温度为1480℃～1500℃，浇注时间为8min～10min，浇注完毕后，第四铁水的温度为1425℃～1435℃。
所述步骤S4中，所述随流育剂的粒径为0.3mm～1mm，随流孕育剂的加入流量约为8g/s～11g/s。
采取上述进一步方案的有益效果在于：通过控制反应条件保证有效的浇注时间及浇注温度，避免铸件出现铸造缺陷，以免影响检测结果。
进一步，所述步骤S6中，正火温度为860℃～880℃，正火保温时间50min～70min；
所述步骤S6中，回火温度550℃～600℃，回火保温时间50min～70min。
所述步骤S6中，第一次冷却采用喷雾冷却，再次冷却采用出炉空冷。
采取上述进一步技术方案的有益效果在于：球墨铸铁的正火是把球铁加热到奥氏体化温度区间，仅有部分基体转化为奥氏体，其余部分的铁素体则分散分布，转变成的奥氏体在随后的冷却过程中转变为珠光体，铁素体不发生变化，正火后的基体组织中铁素体被分割成分散状或破碎状，即破碎状铁素体球墨铸铁，这种材质具有良好的强度、硬度、较高的伸长率和韧性。
回火则有助于提高铸件内部组织稳定性，使铸件在使用过程中不再发生组织转变，消除内应力，调整零件的力学性能，使铸件塑性性能得到进一步提高，增加铸件的耐磨性能。
进一步，所述模具为消失模模型。
进一步，所述第一铁水的温度为1550℃～1700℃。
采取上述进一步技术方案的有益效果在于，通过控制前两步铁水的温度，确保孕育效果及后续浇注所需的温度。
附图说明
图1为本发明正火工艺图；
图2为本发明回火图。
图3为实施例1制备球墨铸铁的石墨测试图片；
图4为实施例1制备球墨铸铁的金相组织图片；
图5为实施例2制备球墨铸铁的石墨测试图片；
图6为实施例2制备球墨铸铁的金相组织图片；
图7为实施例3制备球墨铸铁的石墨测试图片；
图8为实施例3制备球墨铸铁的金相组织图片；
图9为对比例1球墨铸铁的石墨测试图片；
图10为对比例1球墨铸铁的金相组织图片；
图11为对比例2球墨铸铁的石墨测试图片；
图12为对比例2球墨铸铁的金相组织图片；
图13为对比例3球墨铸铁的石墨测试图片；
图14为对比例3球墨铸铁的金相组织图片；
图15为平衡悬架支架示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
废钢：低碳低合金(碳：0.03％～0.06％，硅：0.16％，锰：0.38，硫：≤0.02，磷≤0.03)；
生铁:龙凤山优质铸造生铁或采用低磷(P≤0.03)和低硫(S≤0.02)、无锈的生铁；
增碳剂：(碳≧98.5％；硫≦0.1％；氮≦300ppm；水分≦0.5％；挥发份≦0.5％；灰份≦0.5％；粒度：0-5mm)
预处理剂：(SiC≧98％；F.C≦0.5％；Fe2O3≦0.5％；水分≦0.5％；粒度1mm～5mm)
铁水净化剂：(活性物含量>97％；CaO：45％～75％；Al2O3:10％～30％；水份≦0.25％)
硅铁：75硅铁
锰铁：65锰铁
电解铜：含铜量≥99.9％
第二孕育剂：硅：65％-70％；铝≦1.5％；钡：3％～6％；钙：1％～3％；粒度：3mm～8mm
碳化硅：A级碳化硅。
使用的模具：准备带可调温控覆膜砂箱作为模具；
回炉料：指以本发明制造的残余料进行重复使用的原料。
实施例1
采取下列方法制造球墨铸铁
所述球墨铸铁的制备方法包括以下步骤：
步骤S1，原料熔炼：选用生铁、废钢及回炉料，加入增碳剂、预处理剂、硅铁及锰铁融化成第一铁水，加料顺序为增碳剂→废钢、锰铁→回炉料→生铁，预处理剂在物料熔化到2/3时加入，硅铁在其余物料溶解完全后加入，在此步骤中，利用OBLF光电直读光谱仪测定材料的化学成分，控制配料，结果如表1所示，所述第一铁水的温度为1595℃。
步骤S2，球化处理及第一次孕育处理：根据S1测试结果，采用单线喂丝球化将含硅的稀土镁合金制成合金包芯线加入所述步骤S1制备的铁水，合金包芯线的直径
Figure BDA0002699788710000061
粉芯重量为235g/m，合金包芯线包括下列质量百分比的元素：RE：2.85％；Si：45.93％；Mg：29.32％，加入后硅的含量增加0.71％，得到第二铁水；球化过程中，铁水温度为1500℃，球化完毕后第二铁水温度为1495℃，处理时间为45s。
步骤S3，第二孕育处理：加入所述第二孕育剂及铜，所述第三铁水中，第二孕育剂的加入量为第三铁水质量的1.65％，铜的加入量为第三铁水的0.62％；利用OBLF光电直读光谱仪测定材料的化学成分，控制配料，结果如表1所示。
步骤S4，浇注及第三次孕育：将所述第三铁液浇注至消失模模型，并同时加入随流育剂，浇注时在铁水表面粒度为0.3mm～1mm的随流育剂；随流孕育剂的流量约为9g/s，所有元素比例调整完毕，得到第四铁水，随流育剂占第四铁水质量的0.15％，浇注温度1490℃，浇毕温度1432℃，浇注时间8min～10min。
步骤S5，浇注后进行冷却，90min后出模具，利用OBLF光电直读光谱仪测定材料的化学成分，结果如表1所示。
步骤S6:热处理，将所述热处理前体依次经过正火，雾冷，回火及出炉空冷后得到所述球墨铸铁，正火温度为860℃～880℃，正火保温时间60min，回火温度550℃～600℃，回火保温时间60min。
表1实施例1制备步骤元素测试结果
步骤S1 步骤S3 步骤S5
C(％) 3.86 3.82 3.76
Si(％) 1.37 2.70 2.75
Mn(％) 0.535 0.527 0.546
P(％) 0.021 0.025 0.022
S(％) 0.014 0.01 0.008
Mg(％) <0.001 0.042 0.04
Cu(％) 0.072 0.52 0.523
Sn(％) 0.008 0.013 0.013
Cr(％) 0.017 0.028 0.026
RE(％) 无 0.014 0.013
Ba(％) <0.001 0.0041 0.0041
Ca(％) <0.0001 0.0020 0.0018
Al(％) <0.001 <0.001 <0.001
表1中，除上述元素外，还包括Fe及不可避免的杂质，共计100％。
实施例2
采用实施例1方法制备球墨铸铁，但配制过程中，各步骤的元素含量如表2所示，步骤S4中，浇注温度为1495℃，浇毕为1430℃。
表2实施例2制备步骤元素测试结果
Figure BDA0002699788710000071
Figure BDA0002699788710000081
表2中，除上述元素外，还包括Fe及不可避免的杂质，共计100％。
实施例3
采用实施例1方法制备球墨铸铁，但配制过程中，各步骤涉及的元素原料调整按如表3所示的元素含量所示，步骤S4中，浇注温度为1445℃，浇毕为1385℃。
表3实施例3制备步骤元素测试结果
步骤S1 步骤S3 步骤S5
C(％) 3.80 3.75 3.70
Si(％) 1.31 2.65 2.71
Mn(％) 0.50 0.508 0.511
P(％) 0.022 0.022 0.022
S(％) 0.0131 0.0129 0.0128
Mg(％) <0.001 0.53 0.039
Cu(％) 0.051 0.54 0.53
Sn(％) 0.003 0.014 0.014
Cr(％) 0.014 0.015 0.015
RE(％) 无 0.013 0.012
Ba(％) <0.001 0.003 0.003
Ca(％) <0.0001 0.0019 0.0018
Al(％) <0.001 <0.001 <0.001
表3中，除上述元素外，还包括Fe及不可避免的杂质，共计100％。
实施例4
采用实施例1方法制备球墨铸铁，配制方法中，不同的是，在步骤S2中，完成铜的配比，其余各步骤涉及的元素原料调整按如表4所示的元素含量所示，球化完毕后，第二铁水的温度为1441℃；步骤S4中，浇注温度为1421℃，浇毕为1357℃。
各步骤的元素含量如表4所示。
表4实施例4制备步骤元素测试结果
步骤S1 步骤S3 步骤S5
C(％) 3.81 3.67 3.7
Si(％) 1.33 2.56 2.63
Mn(％) 0.51 0.519 0.520
P(％) 0.023 0.023 0.023
S(％) 0.008 0.007 0.007
Mg(％) <0.001 0.055 0.046
Cu(％) 0.052 0.56 0.57
Sn(％) 0.006 0.012 0.012
Cr(％) 0.012 0.012 0.011
RE(％) 无 0.012 0.012
Ba(％) <0.001 0.003 0.003
Ca(％) <0.0001 0.0017 0.0015
Al(％) <0.001 <0.001 <0.001
表4中，除上述元素外，还包括Fe及不可避免的杂质，共计100％。
实施例5
采用实施例1方法制备球墨铸铁，但配制过程中，各步骤涉及的元素原料调整按如表5所示的元素含量所示，步骤S4中，将所述第三铁液浇注至模型，并同时加入随流育剂，浇注时在铁水表面粒度为5mm的随流育剂；
随流孕育剂的流量约为15g/s，所有元素比例调整完毕，得到第四铁水，随流育剂占第四铁水质量的0.15％，浇注温度1490℃，浇毕温度1412℃。
表5实施例5制备步骤元素测试结果
Figure BDA0002699788710000091
Figure BDA0002699788710000101
表5中，除上述元素外，还包括Fe及不可避免的杂质，共计100％。
实施例1～实施例5各元素总结如表6所示。
表6实施例1～5各元素总结表
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
C(％) 3.76 3.60 3.70 3.7 3.63
Si(％) 2.75 2.77 2.71 2.63 2.73
Mn(％) 0.546 0.488 0.511 0.520 0.508
P(％) 0.022 0.027 0.022 0.023 0.024
S(％) 0.008 0.011 0.0128 0.007 0.008
Mg(％) 0.04 0.036 0.039 0.046 0.037
Cu(％) 0.523 0.523 0.53 0.57 0.56
Sn(％) 0.013 0.013 0.014 0.012 0.015
Cr(％) 0.026 0.012 0.015 0.011 0.013
RE(％) 0.013 0.011 0.012 0.012 0.013
Ba(％) 0.0041 0.0040 0.003 0.003 0.0028
Ca(％) 0.0018 0.0021 0.0018 0.0015 0.0015
Al(％) <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001
对比例1
与实施例1相比，本对比例未进行热处理步骤。
对比例2
与实施例2相比，本对比例未进行热处理步骤。
对比例3
与实施例3相比，本对比例未进行热处理步骤。
对比例4
采用实施例1方法制备球墨铸铁，但配制过程中，各步骤的元素含量如表7所示，工艺中温度变化控制与实施例1相同。
表7对比例4球磨铸铁的元素组成
对比例4
C(％) 3.87
Si(％) 2.45
Mn(％) 0.64
P(％) 0.053
S(％) 0.04
Mg(％) 0.055
Cu(％) 0.51
Sn(％) 0.012
Cr(％) 0.011
RE(％) 0.012
Ba(％) 0.003
Ca(％) 0.0015
Al(％) <0.001
实施例6
将实施例、对比例及市面上的QT550-7品进行检测。
6.1
按GB/T1348-2019进行金相、球化率、球化等级、石墨等级进行检测，检测结果如表8所示。
表86.1测试结果
Figure BDA0002699788710000111
Figure BDA0002699788710000121
6.2
按GB/T1348-2019进行机械性能检测，检测结果如表9所示。
表96.2测试结果
Figure BDA0002699788710000122
6.3
采用实施例1制备的球墨铸铁及市面产品QT550-7制造相同尺寸的平衡轴支架。
实施例1制造的产品其重量为：51.5kg；
市面产品QT550-7制造的产品其重量为：63.4kg；
从实施例与对比例1～3的测试结果可以看出，实施例采用热处理工艺相较于对比例1～3未采用热处理工艺，其综合性能更加优良。
从实施例与对比例4的测试结果可以看出，采用本发明的元素比例范围制备的球墨铸铁各性能均更优良；
从实施例及市面产品QT550-7的测试结果可以看出，本发明制备的球墨铸铁其机械性能优于市面产品，且可实现轻量化。
不仅如此，发明人研究团队还发现，在第二孕育阶段中，Cu的加入与否对其球墨铸铁的金相组织有影响，且对整个体系孕育过程以及温度影响较大，由于采用消失模模型浇注时对温度要求较高，需避免在浇注过程中降温过快，导致泡沫模型在汽化过程中燃烧不彻底，在铸件内部形成铸造缺陷，在表面成成冷隔缺陷，在本发明中，将Cu在第二孕育加入，且加入量控制在0.3％～0.65％可以达到较好效果。
其次，在研究浇注工艺中的影响发现，将浇注条件控制在浇注温度为1450℃～1550℃，浇注时间为8min～10min，所述随流育剂的粒径为0.3mm～1mm，随流孕育剂的加入流量约为8g/s～11g/s时，得到细化晶粒组织，保证提高铸件的机械性能。
需要说明的是，本发明中比例调整都是依据理论及测试进行调整，但是在铸造阶段，会出现元素浮动，最终配制出的产品元素配比为配制完成后的元素测试配比为准。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种球墨铸铁，其特征在于，所述球墨铸铁各元素的质量百分比为：C：3.76%，Si：2.75%，Mn：0.546%，P：≤0.03%，S：≤0.035%，Mg：0.04%，Cu：0.523%，Sn：0.013%，RE：0.0013%，Al：≤0.001%，Ca：0.0018%，Ba：0.0041%及Cr：0.026%，余下为Fe及不可避免的杂质，共计100%；
所述球墨铸铁的基体组织为珠光体及铁素体；
所述球墨铸铁的制备方法包括以下步骤：
步骤S1：原料熔炼，选用生铁及废钢，加入增碳剂、预处理剂、硅铁及锰铁融化成第一铁水；
步骤S2：球化处理及第一次孕育处理，采用喂丝球化将含硅的稀土镁合金制成合金包芯线加入所述步骤S1制备的铁水，得到第二铁水；
步骤S3：第二孕育处理，向所述第二铁水中加入第二孕育剂，进行孕育，得到第三铁水；
步骤S4：浇注及第三次孕育，将所述第三铁水浇注至模具，并同时加入随流孕育剂，所有元素比例调整完毕，得到第四铁水；
步骤S5：浇注后进行冷却，出模具，得到热处理前体；
步骤S6：热处理，将所述热处理前体依次经过正火，第一次冷却，回火及再次冷却后得到所述球墨铸铁；其中，所述第三铁水中，第二孕育剂的加入量为第三铁水质量的1.0%~1.7%，加入铜并调节铜的含量，铜的加入量为第三铁水质量的0.3%~0.65%；
步骤S4中，所述随流育剂为长效孕育剂，加入量为第四铁水质量的0.1%~0.2%，浇注时，浇注温度为1480℃~1500℃，浇注时间为8min~10min，浇注完毕后，第四铁水的温度为1425℃~1435℃；
所述步骤S6中，正火温度为860℃~880℃，正火保温时间50min~70min，回火温度550℃~600℃，回火保温时间50min~60min。
2.根据权利要求1所述的球墨铸铁，其特征在于，所述球墨铸铁的基体组织的球化率在85%以上，石墨等级达到6级~7级，球化等级为2级~3级。
3.根据权利要求1所述的球墨铸铁，其特征在于，所述步骤S2中，球化处理及第一孕育时铁水温度为1470℃~1520℃，处理时间为45s，球化完毕后，所述第二铁水的温度为1450℃~1500℃且球化完毕后的温度低于球化之前的温度。
4.根据权利要求1所述的球墨铸铁，其特征在于，所述步骤S2中，采用单线喂丝球化，所述合金包芯线粉芯重量为230g/m~250g/m，合金包芯线加入后，铁水中硅的质量含量增加1.2%~1.5%。
5.根据权利要求1所述的球墨铸铁，其特征在于，所述模具为消失模模型。
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