本发明涉及金属铸造领域，具体涉及一种微合金化高强度灰铸铁件及其熔炼方法。
背景技术：
灰铸铁作为传统的金属材料在铸造生产中占有重要地位，虽然近年来灰铸铁在世界铸铁总产量中所占的比例有所下降，但是统计数据表明灰铸铁在铸铁件中仍占有重要地位。目前在全球范围的节能降耗、汽车轻量化的形势下，灰铸铁材料仍能得到如此广泛的应用，与其良好的铸造成型性、高强度、减磨性、减震性和成本低廉等特点密不可分。
目前我国在高强度灰铸铁的研究与生产技术上与国外的主要差距有铸件强度低，同样的铁水化学成分生产出来的铸件，强度比国外低1-2牌号；铸造工艺落后，铸件壁厚大、重量大，如机床类铸件比国外重10％以上，发动机缸体比国外的重30％以上；用铸件制造的汽车板材或发动机缸体耐磨性差、寿命低，断面敏感性大，加工性能差。
目前提高灰铸铁件的力学性能的途径主要有以下几种：改变灰铸铁件中的硅碳比例、孕育剂的选择及孕育处理方式、热处理方式和合金化。
技术实现要素：
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种微合金化高强度灰铸铁件及其熔炼方法，使得生产出的灰铸铁件在具有极高强度的同时还具有良好的其他力学性能，而且机械加工性能良好，厚度均匀。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种微合金化高强度灰铸铁件，含有以下重量百分含量的组分：c2.92-3.48％、si1.52-2.36％、mn0.22-0.78％、cr0.15-0.5％、cu0.3-0.78％、nb0.011-0.098％、v0.02-0.1％、ti0.015-0.025％、其余为铁和其他微量不可避免的杂质。
优选地，所述微合金化高强度灰铸铁件含有以下重量百分含量的组分：c3.15％、si1.82％、mn0.5％、cr0.36％、cu0.74％、nb0.035％、v0.08％、ti0.017％、其余为铁和其他不可避免的杂质。
上述微合金化高强度灰铸铁件的熔炼方法，包括以下步骤：
(1)向熔炼炉炉膛内加入炉料和增碳剂，升温进行熔化；
(2)待炉料完全熔化后，转入保温炉中，升温至1450-1480℃加入锰铁合金、铬铁合金、铌钒合金、硅铁合金和金属铜；
(3)待合金和金属铜完全溶化后，继续升温至1500-1520℃，用光谱仪进行化学成分分析，化学成分分析合格后，升温至1550-1580℃，并在此温度保温5-10min；
(4)迅速将铁液表面的渣子处理干净，开始出炉，控制出炉温度在1500-1530℃，将铁水冲入出铁包，将钛粉以随流方式加入，经拔渣处理后即可进行浇注，浇注前将孕育剂置于铸型的浇注系统内，浇注时，流经浇注系统的铁液将孕育剂熔化，并随之进入铸件型腔内，所述孕育剂的加入量为铁液量的0.06-0.1％，控制浇注温度为1450-1480℃，浇注时间为15-30s，冷却后得到铸件；
(5)将铸件室温下装炉，再以100℃/h的速度加热到510-540℃，并在此温度下保温5h，然后随炉缓慢冷却至230℃后出炉空冷，即可得到所述灰铸铁件。
优选地，所述步骤(1)中炉料包括低碳优质废钢、铸造用生铁和回炉料。
优选地，所述步骤(4)中的孕育剂含有以下重量百分含量的组分：si50-60％、cr10-15％、ba1-5％、v2-8％、al1-5％、ca2-5％、zr0.1-1％，其余为铁。
优选地，所述步骤(4)中的孕育剂由以下方法制备得到：按所述孕育剂的组分取相对应的重量百分含量的原料调配混合熔炼，真空阶段降温冷却，再经粉碎机粉碎，即可得到所述孕育剂。
优选地，所述步骤(4)中钛粉的粒径为5-10mm。
(三)有益效果
本发明提供了一种微合金化高强度灰铸铁件及其熔炼方法，具有以下优点：
1、本发明通过微合金化强化铸件基体，提高铸件的强度和刚度，nb、v和ti可以与铁液中的非金属元素c、n、si能发生反应，形成碳化物、氮化物等微小质点，细化基体中的珠光体，mn和cr能促进珠光体形成，且有一定的细化珠光体的作用，因而有助于提高灰铸铁件的强度，加入cu可使厚截面处的铁素体减少，同时又能减轻薄壁处的白口，使铸件各截面处的显微组织比较一致，改善铸件显微组织的均匀性，因而可以改善铸件的加工性能，同时cu可以抵消cr的负面作用，减轻铸铁的白口倾向。
2、控制保温炉的过热温度为1550-1580℃，保温时间为5-10min，能够有效控制铁液中的硫与氧的的含量，而且铁液中的高熔点的化合物能够形成基底，出炉之后的铁液中的自生晶核比较多。控制铁液的出炉温度在1500-1530℃，能够有效避免铸件本体组织石墨粗大和石墨长度偏长的问题。
3、加入高效孕育剂，能够有效改善石墨形态、硬度、组织均匀性以及减小敏感性，提升灰铸铁件的机械性能，提高硬度，减少白口倾向。其中，ba能与氧生成稳定的化合物，铸铁凝固后并不含钡，而其长效抗衰退能力被认为是钡的氧化物在铁水表面形成“气套”，阻止氧与氮的溶入。孕育剂中al小于2％，对含气量影响不大。但作为强脱氧剂，能在铁水中形成氧化保护膜，减少氮的负面影响，延长孕育作用时间。孕育剂中足量的si能与铁水中的氧生成大量石墨晶核，能强化孕育效果，孕育剂中加入较大量的cr，可以减少碳化物并且可以大幅度的改善碳化物的方向性。
4、采用型内孕育，铸型内的孕育铸件基本上不发生孕育衰退现象，孕育剂的有效利用率大大增加。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种微合金化高强度灰铸铁件，含有以下重量百分含量的组分：c3.15％、si1.82％、mn0.5％、cr0.36％、cu0.74％、nb0.035％、v0.08％、ti0.017％、其余为铁和其他不可避免的杂质。
上述微合金化高强度灰铸铁件的熔炼方法，包括以下步骤：
(1)向熔炼炉炉膛内加入炉料和增碳剂，升温进行熔化；
(2)待炉料完全熔化后，转入保温炉中，升温至1450-1480℃加入锰铁合金、铬铁合金、铌钒合金、硅铁合金和金属铜；
(3)待合金和金属铜完全溶化后，继续升温至1500-1520℃，用光谱仪进行化学成分分析，化学成分分析合格后，升温至1550-1580℃，并在此温度保温8min；
(4)迅速将铁液表面的渣子处理干净，开始出炉，控制出炉温度在1500-1530℃，将铁水冲入出铁包，将粒径为5-10mm的钛粉以随流方式加入，经拔渣处理后即可进行浇注，浇注前将孕育剂置于铸型的浇注系统内，浇注时，流经浇注系统的铁液将孕育剂熔化，并随之进入铸件型腔内，所述孕育剂的加入量为铁液量的0.08％，控制浇注温度为1450-1480℃，浇注时间为20s，冷却后得到铸件；
(5)将铸件室温下装炉，再以100℃/h的速度加热到510-540℃，并在此温度下保温5h，然后随炉缓慢冷却至230℃后出炉空冷，即可得到所述灰铸铁件。
其中，步骤(4)中的孕育剂含有以下重量百分含量的组分：si55％、cr15％、ba3％、v5％、al3％、ca2％、zr0.5％，其余为铁；
该孕育剂由以下方法制备得到：按孕育剂的组分取相对应的重量百分含量的原料调配混合熔炼，真空阶段降温冷却，再经粉碎机粉碎，即可得到孕育剂。
实施例2：
一种微合金化高强度灰铸铁件，含有以下重量百分含量的组分：c2.92％、si2.15％、mn0.3％、cr0.5％、cu0.3％、nb0.011％、v0.05％、ti0.025％、其余为铁和其他不可避免的杂质。
上述微合金化高强度灰铸铁件的熔炼方法，包括以下步骤：
(1)向熔炼炉炉膛内加入炉料和增碳剂，升温进行熔化；
(2)待炉料完全熔化后，转入保温炉中，升温至1450-1480℃加入锰铁合金、铬铁合金、铌钒合金、硅铁合金和金属铜；
(3)待合金和金属铜完全溶化后，继续升温至1500-1520℃，用光谱仪进行化学成分分析，化学成分分析合格后，升温至1550-1580℃，并在此温度保温10min；
(4)迅速将铁液表面的渣子处理干净，开始出炉，控制出炉温度在1500-1530℃，将铁水冲入出铁包，将粒径为5-10mm的钛粉以随流方式加入，经拔渣处理后即可进行浇注，浇注前将孕育剂置于铸型的浇注系统内，浇注时，流经浇注系统的铁液将孕育剂熔化，并随之进入铸件型腔内，所述孕育剂的加入量为铁液量的0.06％，控制浇注温度为1450-1480℃，浇注时间为25s，冷却后得到铸件；
(5)将铸件室温下装炉，再以100℃/h的速度加热到510-540℃，并在此温度下保温5h，然后随炉缓慢冷却至230℃后出炉空冷，即可得到所述灰铸铁件。
其中，步骤(4)中的孕育剂含有以下重量百分含量的组分：si55％、cr15％、ba3％、v5％、al3％、ca2％、zr0.5％，其余为铁；
该孕育剂由以下方法制备得到：按孕育剂的组分取相对应的重量百分含量的原料调配混合熔炼，真空阶段降温冷却，再经粉碎机粉碎，即可得到孕育剂。
实施例3：
一种微合金化高强度灰铸铁件，含有以下重量百分含量的组分：c3.48％、si1.52％、mn0.78％、cr0.15％、cu0.78％、nb0.05％、v0.1％、ti0.02％、其余为铁和其他不可避免的杂质。
上述微合金化高强度灰铸铁件的熔炼方法，包括以下步骤：
(1)向熔炼炉炉膛内加入炉料和增碳剂，升温进行熔化；
(2)待炉料完全熔化后，转入保温炉中，升温至1450-1480℃加入锰铁合金、铬铁合金、铌钒合金、硅铁合金和金属铜；
(3)待合金和金属铜完全溶化后，继续升温至1500-1520℃，用光谱仪进行化学成分分析，化学成分分析合格后，升温至1550-1580℃，并在此温度保温5min；
(4)迅速将铁液表面的渣子处理干净，开始出炉，控制出炉温度在1500-1530℃，将铁水冲入出铁包，将粒径为5-10mm的钛粉以随流方式加入，经拔渣处理后即可进行浇注，浇注前将孕育剂置于铸型的浇注系统内，浇注时，流经浇注系统的铁液将孕育剂熔化，并随之进入铸件型腔内，所述孕育剂的加入量为铁液量的0.1％，控制浇注温度为1450-1480℃，浇注时间为15s，冷却后得到铸件；
(5)将铸件室温下装炉，再以100℃/h的速度加热到510-540℃，并在此温度下保温5h，然后随炉缓慢冷却至230℃后出炉空冷，即可得到所述灰铸铁件。
其中，步骤(4)中的孕育剂含有以下重量百分含量的组分：si55％、cr15％、ba3％、v5％、al3％、ca2％、zr0.5％，其余为铁；
该孕育剂由以下方法制备得到：按孕育剂的组分取相对应的重量百分含量的原料调配混合熔炼，真空阶段降温冷却，再经粉碎机粉碎，即可得到孕育剂。
实施例4：
一种微合金化高强度灰铸铁件，含有以下重量百分含量的组分：c3％、si2.36％、mn0.66％、cr0.41％、cu0.59％、nb0.098％、v0.02％、ti0.023％、其余为铁和其他不可避免的杂质。
上述微合金化高强度灰铸铁件的熔炼方法，包括以下步骤：
(1)向保温炉炉膛内加入炉料和增碳剂，升温进行熔化；
(2)待炉料完全熔化后，转入保温炉中，升温至1450-1480℃加入锰铁合金、铬铁合金、铌钒合金、硅铁合金和金属铜；
(3)待合金和金属铜完全溶化后，继续升温至1500-1520℃，用光谱仪进行化学成分分析，化学成分分析合格后，升温至1550-1580℃，并在此温度保温8min；
(4)迅速将铁液表面的渣子处理干净，开始出炉，控制出炉温度在1500-1530℃，将铁水冲入出铁包，将粒径为5-10mm的钛粉以随流方式加入，经拔渣处理后即可进行浇注，浇注前将孕育剂置于铸型的浇注系统内，浇注时，流经浇注系统的铁液将孕育剂熔化，并随之进入铸件型腔内，所述孕育剂的加入量为铁液量的0.06％，控制浇注温度为1450-1480℃，浇注时间为28s，冷却后得到铸件；
(5)将铸件室温下装炉，再以100℃/h的速度加热到510-540℃，并在此温度下保温5h，然后随炉缓慢冷却至230℃后出炉空冷，即可得到所述灰铸铁件。
其中，步骤(4)中的孕育剂含有以下重量百分含量的组分：si55％、cr15％、ba3％、v5％、al3％、ca2％、zr0.5％，其余为铁；
该孕育剂由以下方法制备得到：按孕育剂的组分取相对应的重量百分含量的原料调配混合熔炼，真空阶段降温冷却，再经粉碎机粉碎，即可得到孕育剂。
实施例5：
一种微合金化高强度灰铸铁件，含有以下重量百分含量的组分：c3.2％、si2.11％、mn0.22％、cr0.27％、cu0.64％、nb0.073％、v0.06％、ti0.015％、其余为铁和其他不可避免的杂质。
上述微合金化高强度灰铸铁件的熔炼方法，包括以下步骤：
(1)向熔炼炉炉膛内加入炉料和增碳剂，升温进行熔化；
(2)待炉料完全熔化后，转入保温炉中，升温至1450-1480℃加入锰铁合金、铬铁合金、铌钒合金、硅铁合金和金属铜；
(3)待合金和金属铜完全溶化后，继续升温至1500-1520℃，用光谱仪进行化学成分分析，化学成分分析合格后，升温至1550-1580℃，并在此温度保温10min；
(4)迅速将铁液表面的渣子处理干净，开始出炉，控制出炉温度在1500-1530℃，将铁水冲入出铁包，将粒径为5-10mm的钛粉以随流方式加入，经拔渣处理后即可进行浇注，浇注前将孕育剂置于铸型的浇注系统内，浇注时，流经浇注系统的铁液将孕育剂熔化，并随之进入铸件型腔内，所述孕育剂的加入量为铁液量的0.06％，控制浇注温度为1450-1480℃，浇注时间为30s，冷却后得到铸件；
(5)将铸件室温下装炉，再以100℃/h的速度加热到510-540℃，并在此温度下保温5h，然后随炉缓慢冷却至230℃后出炉空冷，即可得到所述灰铸铁件。
其中，步骤(4)中的孕育剂含有以下重量百分含量的组分：si55％、cr15％、ba3％、v5％、al3％、ca2％、zr0.5％，其余为铁；
该孕育剂由以下方法制备得到：按孕育剂的组分取相对应的重量百分含量的原料调配混合熔炼，真空阶段降温冷却，再经粉碎机粉碎，即可得到孕育剂。
性能检测：
根据本发明制备的灰铸铁件性能检测结果如表1所示：
表1性能检测
综上，本发明实施例具有如下有益效果：制备工艺简单，制成的灰铸铁件拉伸强度高，屈服强度大，硬度高，能满足市场需求。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。