CN112210709B - 一种轻量级产品球墨铸铁及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种球墨铸铁及制备方法，所述球墨铸铁包括下列质量百分比的元素C：3.7％～3.85％，Si：2.7％～2.9％，Mn：0.2％～0.35％，P≤0.05％，S：≤0.03％，Mg：0.035％～0.055％，Cu：0.5％～0.65％，Sn：0.005％～0.020％，RE：0.01‑0.015％，Al：≤0.001％，Ca：≤0.0025％，Ba：≤0.005％及Cr：≤0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质，共计100％，所述球墨铸铁的基体组织包括珠光体及铁素体，所述珠光体占所述基体组织的质量百分比为55％～75％，余下为铁素体，共计100％。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明球墨铸铁在满足高强度、高韧性的基础上，同时满足现今轻量化的需求。

Description

一种轻量级产品球墨铸铁及制备方法
技术领域
本发明属于铸铁冶炼领域，具体涉及一种轻量级产品球墨铸铁及制备方法。
背景技术
球墨铸铁是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。
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。
随着轻量级产品的开发，许多领域对球墨铸铁从传统的高强度及高韧性的需求，对其轻量化的需求也是目前研究的趋势，因此，开发同时兼具高强度、高韧性且满足目前轻量化的球墨铸铁十分重要。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种轻量级产品球墨铸铁及制备方法。
具体技术方案如下：
一种球墨铸铁，其不同之处在于，所述球墨铸铁包括下列质量百分比的元素：
C：3.7％～3.85％，Si：2.7％～2.9％，Mn：0.2％～0.35％，P≤0.05％，S：≤0.03％，Mg：0.035％～0.055％，Cu：0.5％～0.65％，Sn：0.005％～0.020％，RE：0.01％～0.015％，Al：≤0.001％，Ca：≤0.0025％，Ba：≤0.005％及Cr：≤0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质，共计100％；
所述球墨铸铁的基体组织包括珠光体及铁素体，所述珠光体占所述基体组织的质量百分比为55％～75％，余下为铁素体，共计100％。
进一步，所述球墨铸铁包括下列质量百分比的元素：
进一步，所述球墨铸铁的基体组织的球化率在80％以上，石墨等级达到6级～7级，球化等级为2级～3级。
进一步，所述珠光体占所述基体组织的质量百分比为60％～75％，余下为铁素体，共计100％，球墨铸铁的基体组织的球化率在86％以上。
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，所述球墨铸铁包括下列质量百分比的元素：
C：3.78％，Si：2.78％，Mn：0.258％，P≤0.025％，S≤0.0096％，Mg：0.037％，Cu：0.520％，Sn：0.008％，RE：0.013％，Al：<0.001％，Ca：0.0022％，Ba≤0.005％及Cr：0.023％，余量为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：浇注后进行冷却，出模具。
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，所述第一铁水中，包括下列质量百分比的元素：C：3.6％～3.9％，Si：1.3％～1.6％，Mn：0.2％～0.35％，P≤0.05％及S：≤0.03％。
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℃～1500℃，处理时间为45s。
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，硅的含量增加0.5％～1％；
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％。
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。
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的1.5％～2.0％，加入铜并调节铜的含量，铜的加入量为第三铁水的0.5％～0.8％。
采取进一步的技术方案的有益效果在于：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，并对铁素体进行强化。
进一步，所述步骤S3中，加入碳化硅进行晶粒调节，所述碳化硅的加入量为第三铁水质量的0.2％～0.4％。
进一步，所述步骤S4中，所述随流育剂加入量为第四铁水质量的0.1％～0.2％。
进一步，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。
进一步，所述步骤S4中，浇注温度为1400℃～1450℃，浇注时间为8分钟～10分钟。
附图说明
图1为实施例1制备球墨铸铁的石墨测试图片；
图2为实施例1制备球墨铸铁的金相组织图片；
图3为实施例2制备球墨铸铁的石墨测试图片；
图4为实施例2制备球墨铸铁的金相组织图片；
图5为实施例3制备球墨铸铁的石墨测试图片；
图6为实施例3制备球墨铸铁的金相组织图片；
图7为对比例2球墨铸铁的石墨测试图片；
图8为对比例2球墨铸铁的金相组织图片；
图9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。
本发明实施例及对比例中，涉及的原料如下：
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。
随流育剂：(硅：68％-75％；钡：4％～6％；钙：1％～3％；粒度：0.2mm～0.8mm)
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。
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 BDA0002700394810000051
粉芯重量为235g/m，合金包芯线包括RE：2.85％；Si：45.93％；Mg：29.32％元素，加入后硅的含量增加0.71％，得到第二铁水，该阶段的铁水温度为1470℃～1500℃，处理时间为45s。
步骤S3，第二孕育处理：根据步骤S2测试结果，加入所述第二孕育剂、铜及碳化硅，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％，碳化硅的加入量为第三铁水质量的0.3％；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，浇注温度1421℃，浇毕温度1357℃，浇筑时间为8分钟～10分钟；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，随流孕育剂占第四铁水质量的0.15％；
步骤S5，浇注后进行冷却，35min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。
表1实施例1制备步骤元素质量百分比测试结果
步骤S1 步骤S3 步骤S5
C(％) 3.9 3.80 3.78
Si(％) 1.3 2.01 2.78
Mn(％) 0.248 0.257 0.258
P(％) 0.023 0.024 0.025
S(％) 0.0131 0.0096 0.0096
Mg(％) <0.001 0.045 0.037
Cu(％) 0.072 0.518 0.520
Sn(％) 0.008 0.008 0.008
Cr(％) 0.017 0.023 0.023
RE(％) 无 0.015 0.013
Ba(％) <0.001 0.0043 0.0042
Ca(％) <0.0001 0.0027 0.0020
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涉及物料参数调整及控制按表2所示的元素质量比完成。
表2实施例2制备步骤元素质量百分比测试结果
步骤S1 步骤S3 步骤S5
C(％) 3.9 3.77 3.72
Si(％) 1.3 1.99 2.72
Mn(％) 0.246 0.242 0.242
P(％) 0.022 0.025 0.025
S(％) 0.0141 0.0099 0.0093
Mg(％) <0.001 0.048 0.038
Cu(％) 0.054 0.632 0.630
Sn(％) 0.007 0.01 0.011
Cr(％) 0.017 0.024 0.023
RE(％) 无 0.014 0.012
Ba(％) <0.001 0.0041 0.0040
Ca(％) <0.0001 0.0022 0.002
Al(％) <0.001 <0.001 <0.001
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物料参数调整及控制按表3所示的元素质量比完成。
表3实施例3制备步骤元素质量百分比测试结果
步骤S1 步骤S3 步骤S5
C(％) 3.85 3.83 3.84
Si(％) 1.31 2.29 2.87
Mn(％) 0.235 0.247 0.244
P(％) 0.021 0.023 0.022
S(％) 0.012 0.0102 0.01
Mg(％) <0.001 0.044 0.035
Cu(％) 0.112 0.577 0.578
Sn(％) 0.004 0.014 0.009
Cr(％) 0.021 0.017 0.015
RE(％) 无 0.014 0.012
Ba(％) <0.001 0.0041 0.0040
Ca(％) <0.0001 0.0021 0.0021
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，但配制方法中，在步骤S2中，完成铜的配比；即在步骤S3中，不加入铜，其余各步骤涉及物料参数调整及控制按表4所示的元素质量比完成。
表4实施例4制备步骤元素质量百分比测试结果
步骤S1 步骤S3 步骤S5
C(％) 3.85 3.78 3.75
Si(％) 1.31 2.05 2.77
Mn(％) 0.235 0.245 0.245
P(％) 0.021 0.02 0.019
S(％) 0.012 0.011 0.012
Mg(％) <0.001 0.045 0.037
Cu(％) 0.047 0.572 0.570
Sn(％) 0.003 0.012 0.011
Cr(％) 0.02 0.019 0.02
RE(％) 无 0.014 0.012
Ba(％) <0.001 0.0041 0.0040
Ca(％) <0.0001 0.0019 0.0017
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，不同的是配制方法中，各步骤涉及物料参数调整及控制按表3所示的元素质量比完成且步骤S3中，不加入碳化硅。
表5实施例5制备步骤元素质量百分比测试结果
Figure BDA0002700394810000081
Figure BDA0002700394810000091
表5中，除上述元素外，还包括Fe及不可避免的杂质，共计100％。
各个实施例制备的球墨铸铁比例归总如表6所示：
表6各实施例球磨铸铁的元素质量百分比组成
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
C(％) 3.78 3.72 3.84 3.75 3.76
Si(％) 2.78 2.72 2.87 2.77 2.74
Mn(％) 0.258 0.242 0.244 0.245 0.248
P(％) 0.025 0.025 0.022 0.019 0.019
S(％) 0.0096 0.0093 0.01 0.012 0.012
Mg(％) 0.037 0.038 0.035 0.037 0.038
Cu(％) 0.520 0.630 0.578 0.570 0.572
Sn(％) 0.008 0.011 0.009 0.011 0.011
Cr(％) 0.023 0.023 0.015 0.02 0.020
RE(％) 0.013 0.012 0.012 0.012 0.013
Ba(％) 0.0042 0.0040 0.0040 0.0040 0.0041
Ca(％) 0.0020 0.002 0.0021 0.0017 0.0025
Al(％) <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001
表6中，除上述元素外，还包括Fe及不可避免的杂质，共计100％。
对比例1
采用实施例1方法制备球墨铸铁，球墨铸铁中各含量的配比如表7所示。
表7对比例1球磨铸铁的元素质量百分比组成
Figure BDA0002700394810000092
Figure BDA0002700394810000101
表7中，除上述元素外，还包括Fe及不可避免的杂质，共计100％。
对比例2
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。
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 BDA0002700394810000102
粉芯重量为235g/m，合金包芯线包括RE：2.85％；Si：45.93％；Mg：29.32％元素，加入后硅的含量增加0.71％，得到第二铁水，该阶段的铁水温度为1470℃～1500℃，处理时间为45s。
步骤S3，第二孕育处理：根据步骤S2测试结果，加入所述第二孕育剂、铜及碳化硅，将所有元素调整完毕；
步骤S4，浇注后进行冷却，浇注温度1421℃，浇毕温度1357℃，35min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。
球墨铸铁中各含量的最终配比如表8所示。
表8对比例2球磨铸铁的元素质量百分比组成
对比例2
C(％) 3.78
Si(％) 2.81
Mn(％) 0.260
P(％) 0.0263
S(％) 0.0096
Mg(％) 0.038
Cu(％) 0.518
Sn(％) 0.008
Cr(％) 0.024
RE(％) 0.013
Ba(％) 0.004
Ca(％) 0.002
Al(％) <0.01
实施例6
将实施例、对比例及市面上的QT550-7产品进行检测。
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9所示。
表9 6.1测试结果
球化率％ 石墨个数 球化等级 石墨等级 珠光体％ 铁素体％
实施例1 94.7 287 2 7 68.9 31.1
实施例2 89.3 267 3 7 71.1 28.9
实施例3 92.1 400 2 6 73 27
实施例4 88.1 224 3 6 68 32
实施例5 88.6 245 3 6 62 38
对比例1 86.4 192 3 5 52 48
对比例2 87 185 3 7 35 65
6.2
按GB/T1348-2019进行机械性能检测，检测结果如表10所示。
表10 6.2测试结果
Figure BDA0002700394810000121
Figure BDA0002700394810000131
6.3采用实施例1制备的球墨铸铁及QT550-7为材质制造的平衡悬架支架(汽车用)，如图9所示。
两者尺寸设计相同，但采用实施例1球墨铸铁制造的平衡悬架支架重量为50.5kg，采用QT550-7制造的平衡悬架支架重量为63.57kg。
从实施例与对比例1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；
从实施例与对比例2的测试结果可以看出，采用本发明的方法制备的球墨铸铁才能制备出比例优良的珠光体与铁素体的复合金相组织；
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的加入与否对其球磨铸铁的金相组织有影响，如Cu在第二孕育阶段加入后，其金相组织的珠光体含量更高，且组织更加细化。
其次，在第二孕育阶段中，加入碳化硅，可以进一步细化晶粒组织。
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，测试数据均采用OBLF光电直读光谱仪。
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 (7)

1.一种球墨铸铁，其特征在于，所述球墨铸铁包括下列质量百分比的元素：
C：3.7%~3.85%，Si：2.7%~2.9%，Mn：0.2%~0.35%，P≤0.05%，S：≤0.03%，Mg：0.035%~0.055%，Cu：0.5%~0.65%，Sn：0.005%~0.020%，RE：0.01%~0.015%，Al：≤0.001%，Ca：≤0.0025%，Ba：≤0.005%及Cr：≤0.03%，余量为Fe及不可避免的杂质，共计100%；
所述球墨铸铁的基体组织包括珠光体及铁素体；
所述球墨铸铁的制备方法由以下步骤组成：
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；
其中，在步骤S3中，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的1.5%~2.0%，铜的加入量为第三铁水质量的0.5%~0.8%；在步骤S3中，加入碳化硅进行晶粒调节，所述碳化硅的加入量为第三铁水质量的0.2%~0.4%。
2.根据权利要求1所述的球墨铸铁，其特征在于，所述球墨铸铁包括下列质量百分比的元素：
C：3.78%，Si：2.78%，Mn：0.258%，P≤0.025%，S≤0.0096%，Mg：0.037%，Cu：0.520%，Sn：0.008%，RE：0.013%，Al：<0.001%，Ca：0.0022%，Ba≤0.005%及Cr：0.023%，余量为Fe及不可避免的杂质，共计100%。
3.根据权利要求1或2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80%以上，石墨等级达到6级~7级，球化等级为2级~3级。
4.根据权利要求1所述的球墨铸铁，其特征在于，所述第一铁水中，包括下列质量百分比的元素：C：3.6%~3.9%，Si：1.3%~1.6%，Mn：0.2%~0.35%，P≤0.05%及S：≤0.03%。
5.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，铁水中硅的质量增加0.5%~1%。
6.根据权利要求1所述的球墨铸铁，其特征在于，所述随流孕育剂的粒径为0.3mm~1mm，随流孕育剂的加入流量为8g/s~11g/s。
7.根据权利要求1所述的球墨铸铁，其特征在于，所述步骤S4中，浇注温度为1400℃~1450℃，浇注时间为8分钟~10分钟。
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