用于生产球墨铸铁的方法和使用所述球墨铸铁的车辆部件的制作方法

用于生产球墨铸铁的方法和使用所述球墨铸铁的车辆部件的制作方法
【专利摘要】本发明的目的是使用不含稀土元素的球化剂提供具有高性能的球墨铸铁。本发明涉及通过使用不含稀土元素的Fe-Si-Mg-Ca系合金的球化剂对铁水进行球化处理，并使用第一Fe-Si系孕育剂进行孕育处理，然后使用预定量的含有45至75%的Si、1至3%的Ca和15ppm以下的Ba的第二Fe-Si系孕育剂进行浇注孕育处理，来生产具有特定最终组成的球墨铸铁的方法。
【专利说明】用于生产球墨铸铁的方法和使用所述球墨铸铁的车辆部件
【技术领域】
[0001]本发明涉及在具有薄壁部的制品中使用的球墨铸铁的生产方法，并且还涉及使用所述球墨铸铁并具有薄壁部的车辆部件。
【背景技术】
[0002]由于球墨铸铁具有优异的抗张强度和延展性，近年来球墨铸铁被广泛用作车辆包括机动车辆的部件、机器部件等。尤其是，球墨铸铁被用于作为安全部件对于车辆例如机动车辆来说重要的制动钳中，以便确保其质量。
[0003]由于在这些制品中存在减轻重量的需求，因此也要求球墨铸铁减小厚度。在球墨铸铁作为具有薄壁部的铸造金属应用的情况下，在其薄壁部中冷却速率提高，这导致激冷相(chill phase)(异常结构)的形成。由于这种激冷相具有格外坚硬的结构，所以，特别是当其具有形成激冷相的增加趋势的表面层已经硬化时，机械加工性降低并且机械加工难以进行。
[0004]因此，在使用球墨铸铁生产具有薄壁部的制品的情况下，通常对铸铁铁水进行球化处理并进一步进行多次孕育处理，以便抑制激冷相形成。具体来说，由于通常要求在机动车辆用部件中使用的球墨铸铁中抑制激冷结构的出现并保持强度与延展性之间的高水平平衡，因此在生产薄壁球墨铸铁中采取了各种措施。
[0005]例如，为了更可靠地进行球化和石墨化，使用含有稀土元素(稀土)的球化剂。专利文献I至3公开了含有给定量(在约0.5至9质量％的范围内)稀土的球化剂以及使用所述球化剂生产的球墨铸铁。稀土不仅具有在脱氧和脱硫功能以及降低球化抑制性元素的作用的功能两者的基础上 加速石墨球化的效果，而且在广生石墨核等的基础上起到例如加速石墨化、阻止激冷相形成、抑制块状石墨形成和抑制衰退的作用。因此，稀土是对球墨铸铁非常有益的元素。尤其是在机动车辆用部件中使用的薄壁球墨铸铁的生产中，使用含有这样的稀土的球化剂，被视为对于在薄壁部中防止激冷相形成来说是必不可少的。
[0006]然而，稀土是局部化于地球上有限地区中的资源，特定国家具有格外高的国际稀土生产份额。在日本，九成的稀土需求也依赖于从特定国家的进口。近年来，不仅在铸造金属领域，而且在电子器具、磁部件、玻璃器具、催化剂等领域中，稀土已变成不可或缺的资源，其价格飞涨。据认为，取决于生产国的情况，未来稀土的价格和生产量将相当大地波动，并且很有可能价格和供应量两者会变得格外不稳定。
[0007]因此，为了确保使用球墨铸铁的车辆部件的生产量和质量，迫切的课题是建立使用具有较低稀土含量或不含稀土的球化剂生产球墨铸铁的方法。
[0008]目前已存在不含稀土的球化剂。例如，专利文献4从在生产大的、厚度厚的球墨铸铁时防止块状石墨结晶出来的观点出发，公开了使用完全不含稀土的Mg系球化剂的球化处理。
[0009]现有技术文献
[0010]专利文献[0011]专利文献I JP-A-10-237528
[0012]专利文献2 JP-A-2000-303113
[0013]专利文献3 JP-A-2007-182620
[0014]专利文献4 JP-A-9-125125

【发明内容】

[0015]本发明待解决的问题
[0016]然而，专利文献4中涉及不含稀土的球化剂的技术仅被用于厚度为80mm以上的大度厚的制品，而在例如车辆用制动钳的小厚度制品的生产中有问题的薄壁部中激冷相的形成则完全未被考虑。在当前情况下，含有稀土的球化剂的使用被认为对于在上述的这样的薄壁部中抑制激冷相的形成来说是必不可少的。
[0017]有鉴于这样的当前情况，实现了本发明。其目的是提供一种球墨铸铁，在该球墨铸铁中，即使在使用不含稀土的球化剂时薄壁部中激冷相的形成也被抑制，并且该球墨铸铁具有高水平的性质，包括抗张强度与延展性之间的平衡、刚度、球化程度、机械加工性等，并且适用于需要具有高质量的车辆部件例如车辆用制动钳。
[0018]解决问题的手段
[0019]本发明涉及基本上不含稀土元素的球墨铸铁的生产方法。本发明人发现，在将所述铁水制造到铸模中之前，通过在浇包中对铁水进行如下处理:使用不含稀土元素的Fe-S1-Mg系合金或不含稀土元素的Fe-S1-Mg-Ca系合金的球化剂进行球化处理，并且使用第一 Fe-Si系孕育 剂进行孕育处理，然后使用第二 Fe-Si系孕育剂进行浇注孕育处理，获得了表现出优异性质的球墨铸铁。由此完成了本发明。
[0020]也就是说，本发明涉及下列(I)至(3)。
[0021](I) 一种用于生产基本上不含稀土元素的球墨铸铁的方法，包括:
[0022](a)在浇包中，使用不含稀土元素的Fe-S1-Mg系合金或不含稀土元素的Fe-S1-Mg-Ca系合金的球化剂对铁水进行球化处理的步骤；
[0023](b)与步骤(a)同时或在步骤(a)之后，使用第一 Fe-Si系孕育剂进行孕育处理的步骤；以及
[0024](C)在步骤(b)之后，向所述铁水添加以质量％计量为0.20至0.40%的第二 Fe-Si系孕育剂以进行浇注孕育处理的步骤，所述第二 Fe-Si系孕育剂含有以质量％计45至75%的S1、I至3%的Ca和15ppm以下的Ba，
[0025]其中所获得的球墨铸铁的组成含有以质量％计3.0至4.5%的C、3.0至4.5%的Si,0.2 至 0.4% 的 Μη、0.006 至 0.020% 的 S、0.08 至 0.30% 的 Cu、0.020 至 0.040% 的 Sn 以及0.015至0.050%的Mg，其余为Fe和不可避免的杂质。
[0026](2)上述(I)的用于生产球墨铸铁的方法，其中，所述铁水的组成含有以质量％计3.0 至 4.5% 的 C、2.0 至 3.0% 的 S1、0.2 至 0.4% 的 Μη、0.006 至 0.020% 的 S、0.08 至 0.30%的Cu以及0.020至0.040%的Sn，其余为Fe和不可避免的杂质。
[0027](3) 一种车辆部件，其包含通过上述(I)或(2)的生产方法获得的球墨铸铁，
[0028]所述车辆部件具有80%以上的石墨球化度、450MPa以上的抗张强度和12%以上的伸长率，其中，在包含所述球墨铸铁的所述车辆部件的具有6mm以下厚度的薄壁部中，激冷面积率为1%以下。
[0029]本发明的效果
[0030]本发明的球墨铸铁不仅由于所述球墨铸铁使用不含稀土的球化剂生产因而廉价且能够稳定地供应，而且与常规球墨铸铁相比，在收益性、强度/延展性平衡、刚度、可切割性和铸造性能方面相等或更优。因此，本发明的球墨铸铁适用于生产车辆用小部件，例如具有薄壁并且是重要的安全部件的制动钳。
[0031]此外，本发明还可广泛应用于使用总是需要稳定地供应的薄壁球墨铸铁的制品，例如其他车辆用部件和用于通用工业应用的机器部件。本发明在工业上极为重要。
[0032]附图简述
[0033]图1是示意流程图，其示出了始于原材料熔化并止于车辆用部件的完成的步骤。
[0034]图2 (a)和图2 (b)是示出了在本发明的初步测试中使用的楔状激冷测试样品的图。图2 (a)是示出了用于楔状激冷测试样品的模具的示意图；图2 (b)是楔状激冷测试样品的断裂面的示意透视图。
[0035]图3 (a)和图3 (b)是示出了与向铁水中添加的Mn的量有关的性质变化的图。图
3(a)示出了向铁水添加的Mn的量与抗张强度之间的关系；图3 (b)示出了向铁水添加的Mn的量与激冷深度之间的关系。
[0036]图4 Ca)和图4 (b)是示出了铁水的组成与抗张强度之间的关系的图。图4 (a)示出了向铁水添加的Cu的量与抗张强度之间的关系；图4 (b)示出了向铁水添加的Sn的量与抗张强度之间的关系。
[0037]图5 (a)和图5 (b)是示出了铁`水的组成与伸长率之间的关系的图。图5 (a)示出了向铁水添加的Cu的量与伸长率之间的关系；图5 (b)不出了向铁水添加的Sn的量与伸长率之间的关系。
[0038]图6 (a)和图6 (b)是示出了铁水的组成与石墨球化度之间的关系的图。图6 (a)示出了向铁水添加的Cu的量与石墨球化度之间的关系；图6 (b)示出了向铁水添加的Sn的量与石墨球化度之间的关系。
[0039]图7 Ca)和图7 (b)是示出了与向铁水添加的S的量相关的性质变化的图。图7(a)示出了向铁水添加的S的量与激冷深度之间的关系；图7 (b)示出了向铁水添加的S的量与石墨球化度之间的关系。
[0040]图8 (a)和图8 (b)是示出了与球化剂中Mg的含量相关的性质变化的图。图8(a)示出了球化剂中Mg的含量与激冷深度之间的关系；图8 (b)示出了球化剂中Mg的含量与石墨球化度之间的关系。
[0041]图9示出了浇注孕育剂中Ca的含量与激冷深度之间的关系。
[0042]图10 (a)、图10 (b)和图10 (C)是示出了在使用9分钟和15分钟的衰退时间的情况下，与浇注孕育剂中Ba的含量有关的性质变化的图。图10 (a)示出了浇注孕育剂中Ba的含量与抗张强度之间的关系；图10 (b)示出了浇注孕育剂中Ba的含量与激冷深度之间的关系；图10 (c)示出了浇注孕育剂中Ba的含量与石墨球化度之间的关系。
[0043]图11 (a)、图11 (b)和图11 (C)是示出了在使用O分钟和9分钟的衰退时间的情况下，与浇注孕育剂的添加量有关的性质变化的图。图11 (a)示出了浇注孕育剂的添加量与激冷深度之间的关系；图11 (b)示出了浇注孕育剂的添加量与伸长率之间的关系；图11(C)示出了浇注孕育剂的添加量与石墨球化度之间的关系。
[0044]图12 (a)和图12 (b)是示出了在针对球化剂中是否存在稀土和是否进行孕育处理而改变条件的情况下，衰退时间与性质之间的关系的图。图12 (a)示出了衰退时间与石墨球化度之间的关系；图12 (b)示出了衰退时间与石墨粒数目之间的关系。
[0045]图13 (a)和图13 (b)是示出了石墨球化度与性质之间的关系的图。图13 (a)示出了石墨球化度与杨氏模量之间的关系；图13 (b)示出了石墨球化度与抗张强度之间的关系。
【具体实施方式】
[0046]下面详细解释本发明。在这里，“重量％”与“质量％”具有相同意义，并且简单表述
“％”意味着“重量％”。
[0047]在用于获得具有薄壁部的球墨铸铁的球化剂中稀土的含量被降低或从球化剂中去除稀土的情况下，关于制品性质的问题的实例包括:
[0048]( I)激冷相(异常结构)的形成，以及由激冷相形成的趋势增加而造成的机械加工性的降低；
[0049](2)石墨球化度(在后文中称为球化度)的降低和所引起的强度、延展性和刚度的降低；
[0050](3)由衰退造成的激冷相形成的趋势的增加；以及
[0051](4)缩 孔和内部缺陷的形成的增加。
[0052]在这里，激冷相是例如在球墨铸铁生产中铁水的固化期间由于快速冷却而形成的结构。在这种结构中碳以不是石墨而是渗碳体(Fe3C)的形式结晶出来，并且这种结构的断裂面是白色的。衰退是随着时间流逝，出于球化处理或孕育处理的目的而添加的元素通过氧化或通过与其他元素的反应被消耗并因此减少，并且随着时间流逝球化或孕育不再继续进行的现象。在出现这些问题的情况下，使用具有薄壁部的球墨铸铁的部件的性质受到相当大的影响。尤其是，引起抗张强度、延展性和刚度的降低以及内部缺陷的量增加等。
[0053]在本说明书中，术语“薄壁部”是指厚度为6_以下的部分。具有薄壁部的球墨铸铁，可以根据用于生产球墨铸铁的铸模的形状来生产。
[0054]对于包含本发明的球墨铸铁的车辆部件来说，包含球墨铸铁的车辆部件的厚度为6mm以下的部分被称为所述部件的薄壁部。
[0055]同时，作为用于克服问题(I)至(4)的手段，在铁水的组分、添加剂(球化或孕育)的化学组分及其添加量和添加方法、铸模的设计、铸造后用于热处理的方法等方面，到目前为止已做出许多提议。然而，这些措施大多数导致成本提高，并且不能充分带来由稀土含量的降低造成的收益性方面的优点。
[0056]本发明人坚持不懈地进行调查，结果认为，为了克服问题(I)至(4)，必需准确地控制铁水的组分、球化剂和孕育剂的组分及其添加量。本发明人使用紧凑型铸造设备，系统详细地调查了这些因素的影响。所述调查在下面详细示出。
[0057]首先，本发明人使用紧凑型高频感应炉将与批量生产线中相同的铁屑熔化，以制备对应于标准rcD450(JIS G5502)的铁水。改变作为主要元素的Mn的含量、作为添加元素的Cu和Sn的添加量和作为杂质的S的含量，以调查对每种性质的影响。此外，在浇包中，在实际生产线的条件下通过夹层法(sandwich method)进行石墨球化处理,并且不仅改变球化剂的添加量，而且改变球化剂中Mg、Ca和Ba的含量。在这一操作中，在浇包中同时使用商品化的Fe-Si系孕育剂进行初次孕育(primary inoculation)处理。以与真实装置中相同的方式，将Fe-Si系覆盖材料置于配置在浇包底部处的口袋中的球化剂和孕育剂上，以完全覆盖球化剂和孕育剂。此外，本发明人手动进行浇注孕育(铁水浇注孕育)，其中在铁水即将浇注在铸模(壳模)中之前向铁水加入孕育剂，并调查孕育剂添加量和孕育剂中S1、Ca、Ba等的含量的影响。
[0058]基本步骤按照图1中示出的流程图进行。作为铸模，使用楔形激冷测试样品和附铸(knock-off) (Kb)型测试样品(直径25mm)。此外,本发明人在将从球化处理至烧注的时间段改变到最多15分钟的同时生产测试样品并测定其性质，以便评估大规模生产期间衰退的影响。
[0059]对于激冷测试样品来说，将每个楔形测试样品在正常温度下断裂，并使用数字放大镜测量范围从断裂面尖端至存在激冷相的部分的区域的深度(激冷深度)(参见图2 (a)和2 (b))。激冷深度越小，激冷相形成的趋势被抑制得越大。同时，通过切开附铸(Kb)型圆杆样品的末端(直径25_)并用光学显微镜检查其中央部分，确定球化度、石墨粒的数目等。通过检查从直径为25mm的圆杆切出的两个JIS4号测试样品，来确定抗张性能。
[0060]作为该初步测试的结果，发现通过准确地控制向铁水添加的Cu、Sn和S的量、球化剂中Mg的含量、浇注孕育剂中Ca和Ba的含量以及它们的添加量，即使在使用不含稀土的球化剂的情况下，包括激冷相形成、球化度降低、由薄壁球墨铸铁的铸造原料中的衰退造成的激冷相形成趋势的增强在内的所有问题都可以被克服。
[0061]初步测试的结果在下面参考附图进行详细描述。
[0062][Mn、Cu、Sn和S对铁水的影响]`
[0063]图3 Ca)和图3 (b)示出了在添加不含稀土的球化剂的情况下，向铁水添加的Mn的量与球墨铸铁的抗张强度(图3 (a))或激冷深度(图3 (b))之间的关系。尽管据称Mn是加速珠光体形成的元素并对强度发挥重要影响，但在该初步测试中几乎没有发现其对激冷相形成和抗张强度的影响。
[0064]图4 (a)至图5 (b)示出了在使用不含稀土的球化剂的情况下，向铁水添加的Cu和Sn的量与球墨铸铁的机械性质(抗张强度和伸长率)之间的关系。
[0065]总的来说，Cu和Sn两者被认为具有随着其添加量增加抗张强度提高的效果。在这一初步测试中，还观察到两种元素都具有提高强度的效果(参见图4 (a)和图4 (b))。尤其是，随着Sn的添加量增加，抗张强度显著提高。
[0066]另一方面，对于伸长率来说，在Cu和Sn两种情况下，都证实了存在着伸长率随着其添加量的增加而降低的趋势，并且在Cu的情况下伸长率的降低较小(参见图5 Ca)和图5 (b))。
[0067]此外，Cu和Sn各自是抑制石墨球化的元素，并且如图6 (a)和图6 (b)中所示，证实了球化度随着Cu或Sn的添加量的增加而降低。
[0068]通过上述初步测试发现，对于Cu和Sn的添加量来说，必需在不仅详尽考虑抗张强度的增加，而且考虑对性质例如伸长率、球化度和激冷相形成的趋势的影响的同时，来设定添加量。[0069]图7 (a)和图7 (b)示出了向铁水添加的S的量与激冷深度或球化度之间的关系。由于S通常与Mg和Ca形成硫化物以消耗这些元素，因此据认为S是降低球化度和孕育效果的杂质。因此，目前正采用通过使用电熔炉或选择铁屑来降低S的添加量的措施。然而，有实验结果表明，如果S的添加量太低，孕育和球化的效果降低。也就是说，必需将S的添加量控制在最适范围内，以便抑制激冷相形成而不抑制石墨的球化。
[0070]从这一观点出发，在使用不含稀土的球化剂的情况下，对最适的S的添加量进行初步测试。结果，从最小化激冷深度的观点，发现优选地将S的添加量调节到以质量％计约0.012% (参见图 7 (a))。
[0071][球化剂中Mg含量的影响]
[0072]图8 (a)和图8 (b)示出了球化剂中Mg的含量与激冷深度或球化度之间的关系。从图8 (b)证实，作为球化元素的Mg在提高球化度方面显著有效。然而，从图8 (a)同时证实，Mg也是提高激冷相形成趋势的元素。因此必需在详尽地评估其对各种性质的影响的同时，确定Mg含量的适合范围。
[0073][浇注孕育剂中Ca和Ba含量的影响]
[0074]参考图9，证实了当浇注孕育剂中Ca的含量在最高3%的范围内增加时，抑制激冷相形成的效果逐渐增加。然而，在其更高含量下没有观察到显著效果。只要其含量在该范围内，基本上未观察到对伸长率或球化度的影响。
[0075]同时，在Ca含量超过5%的情况下，出现诸如由与铁水的吸热反应造成的溶解不充分和由熔渣增加造成的缺陷百分率增加的问题。因此，当确定其适合范围时必需进行充分调查。
[0076]图10 Ca)至图10 (c)示出了在使用9分钟和15分钟的衰退时间的情况下，浇注孕育剂中的Ba含量分别与抗张强度(图10 (a))、激冷深度(图10 (b))和球化度(图10(C))之间的关系。
[0077]由于铁水中Ba的氧化物或硫化物构成石墨核，因此一般认为Ba有效地减小石墨尺寸。因此，Ba通常作为辅助成分添加到孕育剂中。然而，如图10 (a)至图10 (C)中所示，在初步测试中，证实了随着Ba的添加量增加，抗张强度、激冷相形成趋势、球化度和衰退时间减少中的每一种都变差。不能确定添加Ba的有效性。
[0078][浇注孕育剂的添加量]
[0079]图11 (a)至11 (c)示出了在本发明的范围之内的浇注孕育剂的添加量分别与激冷深度(图11 (a))、伸长率(图11 (b))和球化度(图11 (C))之间的关系。
[0080]参考这些图，证实了随着浇注孕育剂添加量的增加，不仅激冷相形成趋势降低，激冷深度减小，而且伸长率和球化度也增加。
[0081][衰退时间]
[0082]图12 (a)和12 (b)示出了在针对球化剂中稀土的存在或不存在以及是否进行浇注孕育处理而改变条件的情况下，衰退时间与球化度(图12 (a))或石墨粒数目(图12 (b))之间的关系。
[0083]从这些图证实，即使在不含稀土的情况下，通过进行浇注孕育处理，也可以抑制衰退。
[0084]除了上面描述的初步测试之外，还对从熔炉汲取(tapping)之后在浇包中进行的初次孕育处理的影响进行了调查。结果，证实了在使用并以正常量添加常用的Fe-Si系孕育剂来进行处理的情况下，只要其他步骤条件例如铁水条件和球化条件不变，则对激冷相形成的趋势、球化度、衰退时间等的影响格外轻微。
[0085]总的来说，在球墨铸铁中，抗张强度和刚度(杨氏模量)与球化度相关。在该初步测试中，还生产了具有不同球化度的样品并证实了其影响。
[0086]结果，如图13 (a)和图13 (b)中所示，示出了当球化度降低时，杨氏模量(图13(a))和抗张强度(图13 (b))倾向于同样地降低。因此可以理解，确保刚度和抗张强度对其来说是重要的部件例如车辆部件需要保持高水平的球化度。
[0087]接下来，本发明人使用与在大规模生产线中相同的装置生产汽车制动钳，并进行了验证测试，在所述验证测试中在考虑到初步测试的结果而设定的条件下生产真实制品。
[0088]结果，本发明人发现，即使在使用不含稀土的球化剂的情况下，通过同时并准确地控制熔体组分、球化剂和孕育剂的组分的量及其添加量，也可以生产在刚铸造后的状态或已进行一定程度机械加工的状态下，在强度/延展性平衡、刚度、机械加工性和铸造性能方面优异的车辆部件。由此完成本发明。
[0089]本发明的球墨铸铁和使用该球墨铸铁的车辆部件的生产的【具体实施方式】。
[0090]作为在本发明中使用的原材料，可以使用热轧或冷轧钢的铁屑、生铁、回炉铸铁等的。然而，优选地使用杂质例如O、S和P的含量低的材料。然而，应该指出，即使在这些杂质的含量高的情况下，通过进行脱硫处理或熔剂(flux)处理以降低杂质含量，这种原材料也可以令人满意地使用。
[0091]对熔炉没有特别限制。然而，优选地使用电炉，尤其是高频感应炉。在原材料已被熔化后，向其适当地添加C、S1、Mn、·S、Cu和Sn以调节铁水的组分。从移除熔渣例如漂浮在铁水表面上的包裹物的观点来看，在汲取之前从熔炉以及在球化处理后从浇包除去熔渣是重要的。成功地进行熔渣去除是合乎需要的。
[0092]从容易将铁水的组成调节至将在后面描述的最终组成的观点来看，优选地应该将铁水的组成调节成以质量％计，含有3.0至4.5%的C、2.0至3.0%的S1、0.2至0.4%的Mn、0.006至0.020%的S、0.08至0.30%的Cu以及0.020至0.040%的Sn，其余为Fe和不可避免的杂质。优选地，在熔化期间和组分调节期间的铁水温度应该被调节到1480至1580°C。
[0093]随后，将熔炉倾斜并利用浇包倾倒铁水。在这一操作中，加入球化剂、第一孕育剂和覆盖材料以进行球化处理和初次孕育处理。
[0094]作为用于球化处理的方法，可以使用夹层法或另一种已知手段。然而，从球化剂中的Mg浓度和Mg得率的观点来看，通常使用夹层法，因为这种方法不要求任何特殊设备并且能够进行稳定的石墨球化。
[0095]作为球化剂，可以使用不含稀土的Mg系球化剂，例如Fe-S1-Mg系球化剂或Fe-S1-Mg-Ca系球化剂。从不完全溶解和均匀地与铁水混合的观点来看，优选地将球化剂的粒径调节到约0.05至5_。在考虑到与最终组成相关的铁水组成的同时，适合地确定球化剂的组成和使用量。
[0096]在夹层法中，从直至浇包内的铁水液位达到给定位置前抑制反应发生的观点来看，将覆盖材料置于球化剂和孕育剂上，以防止球化剂和孕育剂与铁水发生直接接触。作为覆盖材料，使用Fe-Si系覆盖材料。[0097]作为在浇包中的初次孕育处理中使用的第一孕育剂,可以使用Fe-Si系孕育剂或Ca-Si系孕育剂。然而，通常使用Si含量为45至75%的Fe-Si系孕育剂。从不完全溶解和均匀地与铁水混合的观点来看，优选地将孕育剂的粒径调整到约0.05至5_。
[0098]将在初次孕育处理中使用的第一孕育剂与球化剂一起配置在浇包底部处的口袋中。球化处理和初次孕育处理不必同时进行。可以在球化处理后将孕育剂单独地导入浇包中。然而，从能够在即将浇注到铸模中之前进行浇注孕育以充分产生孕育效果的观点来看，优选地应该在球化处理后不延迟地立即进行初次孕育处理。
[0099]在本发明中，随后在将已经历球化处理和初次孕育处理的铁水铸造到铸模中之前进行浇注孕育。作为浇注孕育剂，使用第二 Fe-Si系孕育剂。具体来说，需要使用以质量％计含有下列组分的孕育剂:45至75%的Si，I至3%的Ca和15ppm以下的Ba。
[0100]Si是孕育剂中的主要元素，其含量被调节到约45至75%，这是在使用硅铁系原材料的情况下的常用量。在其含量低于45%的情况下，熔渣大量形成。在其含量超过75%的情况下，溶解性变差。
[0101]Ca具有在加速基质石墨化和加速石墨球化的基础上抑制激冷相形成和提高球化度的效果。Ca的含量必需被调整到I至3%，优选地被调整到1.2至2.2%。
[0102]在其含量低于1%的情况下，无法产生孕育效果并且石墨尺寸减小和石墨球化无法进行。在其含量超过3%的情况下，坚硬的CaO的含量增加，引起熔渣形成和机械加工性不良。
[0103]对于Ba来说，正如从上面描述的初步实验的结果显然看出的，随着其添加量的增加，每种性质都变得更差。因此，必需将其添加量降至最低。其量被调整到15ppm以下。
[0104]第二 Fe-Si系孕育剂的其余部分，即除S1、Ca和Ba之外的部分，由Fe和不可避免的杂质构成。
[0105]从减少激冷 相形成的趋势和改善球化度和伸长率的观点来看，待添加的浇注孕育剂的量基于铁水以质量％计，必需为0.20至0.40%,优选地为0.25至0.30%。
[0106]在其添加量超过0.40%的情况下，更大比例的孕育剂保持不溶，并且熔渣形成增加。在其添加量低于0.20%的情况下，孕育无法产生足够的效果。结果，不仅不能期望所需的性质改进，而且导入的材料的产率降低。
[0107]尽管浇注孕育在即将铸造到铸模中之前进行，但优选地应该使用自动供应装置等将孕育剂以恒定速率导入并确实地与铁水均匀混合。还可以通过模具内孕育法进行孕育，在所述方法中将孕育剂配置在铸模中。然而，在这种情况下，必需充分地筹划模具设计等，以使第二孕育剂不保持不溶并且与铁水均匀地混合。
[0108]此外，由于作为最终处理的浇注孕育处理产生相当大的影响，因此导入的第二孕育剂必需应该确实地与铁水均匀混合以产生其效果，用于满足所有所需材料性质。从这些观点来看，优选地将孕育剂的粒径调整到0.05至5mm。
[0109]由此获得的球墨铸铁必须具有基本上不含稀土并以质量％计含有下列组分的最终组成:3.0 至 4.5% 的 C, 3.0 至 4.5% 的 Si，0.2 至 0.4% 的 Mn, 0.006 至 0.020% 的 S，0.08至0.30%的Cu，0.020至0.040%的Sn以及0.015至0.050%的Mg，其余为Fe和不可避免的杂质。
[0110]在这里，短语“基本上不含稀土元素”是指尽管没有进行有意添加，但可以容许其作为不可避免的杂质以0.001%以下的量被包含。
[0111]在球墨铸铁的最终组成中，C的含量必需被调整到3.0至4.5%，优选地被调整到
3.2 至 4.2%ο
[0112]在其含量低于3.0%的情况下，不仅球墨铸铁石墨含量不足并且激冷相形成的趋势增加，而且铁水的可流动性变差。同时，在其含量超过4.5%的情况下，C过量并且易于形成凝析石墨。因此，铸铁材料本身易碎，并且不能获得给定强度。
[0113]Si的含量必需被调整到3.0至4.5%，并且优选地被调整到3.2至4.2%。
[0114]在其含量低于3.0%的情况下，不仅用于球墨铸铁的铁水的可流动性变差，而且激冷结构以增加的量形成，并且渗碳体易于沉淀在基本结构中，使得不可能获得所需伸长率。同时，在其含量超过4.5%的情况下，材料的均质性变差，并且硅铁素体含量增加。这种材料变得易碎且伸长率相当大地降低。
[0115]Mn是加速珠光体形成的元素，其对强度的影响是重要的。Mn的含量必需被调整到0.2至0.4%，并且优选地被调整到0.25至0.35%。
[0116]在其含量低于0.2%的情况下，微结构中珠光体的量减少，并且铁素体量增加。因此，不能获得给定强度。同时，在其含量超过0.4%的情况下，基质中诸如渗碳体和珠光体的结构的量增加，这增加了激冷相形成，对机械加工性具有不利影响。
[0117]S的含量必需被调整到0.006至0.020%,并且优选地被调整到0.008至0.014%。
[0118]在其含量低于0.006%的情况下，孕育和球化的效果降低。同时，在其含量超过0.020%的情况下，S与Mg和Ca形成硫化物，消耗这些元素，从而降低球化度和孕育效果。
[0119]如上所述，一方面，Cu和Sn是`出于强化基质以提高抗张强度的目的而添加的珠光体形成元素，但是在另一方面，是抑制石墨球化的元素。此外，Cu的提高强度的效果据说约为Sn的1/10，并且Cu的价格约为Sn的1/10。
[0120]因此，从添加对强度提高、伸长率降低、球化度降低和激冷相形成的增进的影响的观点以及从收益性的观点来看，Cu的含量必需被调整到0.08至0.30%，优选地被调整到0.10 至 0.20%O
[0121]同样地，Sn的含量必需被调整到0.02至0.040%，优选地被调整到0.025至
0.035%。
[0122]Mg是为了将石墨球化而添加到球化剂中的元素，并且在球化处理后保留。Mg的含量必需被调整到0.015至0.050%，优选地被调整到0.035至0.045%。
[0123]在其含量低于0.015%的情况下，石墨的球化不能充分进行，因此无法获得所需强度和刚度。同时，由于Mg是对氧化高度敏感的元素，因此在其含量超过0.050%的情况下，存在着引起基质中缩孔量和Mg氧化物含量增加，从而降低强度的趋势。此外，如上所述，易于形成激冷相，引起机械加工性受损。
[0124]接下来，对将通过本发明的生产方法获得的球墨铸铁应用于车辆用部件、例如汽车制动构件的情况做出说明。
[0125]不论制品的厚度或尺寸如何，都可以应用通过本发明的生产方法获得的球墨铸铁。然而，在下面的说明中，以将球墨铸铁应用于推测使用在普通乘用车或商用车中的厚度约为3至40mm的汽车制动钳的情况为例进行说明。
[0126]汽车制动钳部件所需的强度水平随着其用途而变。然而，本发明尤其适合于在JISF⑶400-F⑶500中提供的制动钳。
[0127]首先，在上述的浇注孕育处理后，必需将获得的铁水铸造到铸模(砂模)中。在这一操作中，铸造温度优选地应该为1300至1450°C。从避免衰退效果的影响的观点来看，从球化处理到铸造的时间长度优选地应该为15分钟以下。更优选地，不延迟地在12分钟以下的时间内进行铸造。
[0128]在铸造后，充分地进行冷却直至其温度降低至共析转变点以下。然后，将模具拆开。通过本发明获得的汽车制动钳打算以将门和登车板从其移除并且得到的铸铁以其铸造后的原样，不经历热处理等而使用的方式使用。然而，在这种情况下，从保持维度准确性、结构、硬度等恒定的观点来看，从浇注到模具拆开的时间长度必需保持恒定。
[0129]尽管必需随后进行简单的机械加工例如钻孔和表面切削，但微观结构中的异常结构尤其是激冷相的存在，相当大地影响机械加工期间的可切割性。
[0130]最终获得的本发明的球墨铸铁的基质是由珠光体和铁素体构成的混合结构。基质(不包括石墨部分)中珠光体的比例，以面积比例计一般为30至60%。该球墨铸铁具有450MPa以上的抗张强度、12%以上的伸长率和80%以上的球化度。即使在包含该球墨铸铁的制品被生产成具有厚度为6_以下的薄壁部时，其激冷面积率也可以被调整到1%以下。因此这种制品是优选的。
[0131]实施例
[0132]下面将参考实施例对本发明进行更详细地解释，在所述实施例中使用本发明的铸造后原样状态的薄壁球墨铸铁来生产汽车制动钳。然而，本发明不应被解释为限于下面的实施例。
[0133]对于实例(实 施例1至13和比较例I至8)的球墨铸铁来说，使用回炉铸铁材料和铁屑材料作为原材料。原材料中回炉材料与铁屑材料的比例约为1:1。使用高频熔炉将原材料熔化。然而，向其适合地添加作为添加元素的C、S1、Mn、S、Cu和Sn来调整铁水，使得铁水含有对应于F⑶450 (JIS G5502)的组分，即铁水具有含有下列组分的组成:以质量％计，
3.0 至 4.5% 的 C, 2.0 至 3.0% 的 Si，0.2 至 0.4% 的 Mn, 0.006 至 0.020% 的 S，0.08 至 0.30%的Cu，和0.020至0.040%的Sn，其余为Fe和不可避免的杂质。然后，汲取铁水并将其导入浇包，同时将汲取温度调整到1500°C。
[0134]在汲取之前，将用于待浇注铁水的Fe-S1-Mg-Ca系球化剂置于浇包底部处的口袋中，并将Fe-Si系覆盖材料以待浇注铁水计0.45%的量置于其上。因此，通过夹层法进行球化处理。然后进行排渣。将经历过处理的铁水导入小浇包中，在此期间通过浇包内孕育方法进行初次孕育处理。然后进行排渣。作为初次孕育剂，使用常用的Fe-Si系合金孕育剂。此外，在经历过初次孕育处理的铁水即将被铸造到砂模中之前，利用自动化注射装置使用第二 Fe-Si系孕育剂进行浇注孕育处理。由此获得球墨铸铁(实施例1至13和比较例I至8)。
[0135]表1示出了实施例1至13和比较例I至8每个的球墨铸铁的组成(质量％)和使用的孕育剂的编号。在表1中，忽略了构成剩余部分的Fe和不可避免的杂质的比例。在表I中，RE表示稀土。
[0136]表2示出了在表1中示出的每种所使用的浇注孕育剂中S1、Ca和Ba的组成(质量％)及其添加量。浇注孕育剂的剩余部分是Fe和不可避免的杂质。I至5号浇注孕育剂是组成和添加量在本发明的范围之内的孕育剂；6号孕育剂是添加量在本发明的范围之外的孕育剂；7和8号孕育剂是组成在本发明的范围之外的孕育剂。
[0137][表1]
[0138]
【权利要求】
1.一种用于生产球墨铸铁的方法，所述球墨铸铁基本上不含稀土元素，该方法包括: Ca)在烧包中，使用不含稀土元素的Fe-S1-Mg系合金或不含稀土元素的Fe-S1-Mg-Ca系合金的球化剂对铁水进行球化处理的步骤； (b)与所述步骤(a)同时或在所述步骤(a)之后，使用第一 Fe-Si系孕育剂进行孕育处理的步骤；以及 (c )在所述步骤(b)之后，向所述铁水添加以质量％计量为0.20至0.40%的第二 Fe-Si系孕育剂以进行浇注孕育处理的步骤，所述第二 Fe-Si系孕育剂含有以质量％计为45至75%的S1、I至3%的Ca和15ppm以下的Ba， 其中，所获得的球墨铸铁的组成含有以质量％计为3.0至4.5%的C、3.0至4.5%的S1、0.2 至 0.4% 的 Μη、0.006 至 0.020% 的 S、0.08 至 0.30% 的 Cu、0.020 至 0.040% 的 Sn 以及0.015至0.050%的Mg，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的用于生产球墨铸铁的方法，其中所述铁水的组成含有以质量 ％ 计为 3.0 至 4.5% 的 C、2.0 至 3.0% 的 S1、0.2 至 0.4% 的 Μη、0.006 至 0.020% 的 S、0.08至0.30%的Cu以及0.020至0.040%的Sn，其余为Fe和不可避免的杂质。
3.—种车辆部件，该车辆部件包含通过权利要求1或2所述的生产方法获得的球墨铸铁， 所述车辆部件具有80%以上的石墨球化度、450MPa以上的抗张强度和12%以上的伸长率，其中，在包含所述球墨铸铁的所述车辆部件的具有6mm以下厚度的薄壁部中，激冷面积率为1%以 下。
【文档编号】B22D27/20GK103857807SQ201280049531
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年10月5日 优先权日:2011年10月7日
【发明者】堀谷贵雄, 马场司, 时山拓也, 佐藤隆, 出井浩 申请人:曙制动器工业株式会社