本发明涉及一种汽车刹车毂材料技术领域，更具体地，涉及一种高强度薄壁灰铸铁件。
背景技术：
灰铸铁是指具有片状石墨的铸铁，主要成分是铁、碳、硅、锰、硫、磷，是应用最广的铸铁，其产量占铸铁总产量80％以上。灰铸铁的力学性能决定于其基体组织和片状石墨的分布状况。灰铸铁中的石墨片，有切割金属基体、破坏其连续性、使其强度降低的作用，尤其是过冷石墨对铸件危害极大，在使用过程中是铸件断裂的断裂源，故从强度考虑，应避免产生过冷型石墨。过冷石墨即d型石墨，它是在石墨的成核条件较差(如碳量较低)，冷却速度较大，造成较大的过冷情况下形成的，这种石墨是在共晶结晶过程中的奥氏体枝晶间形成的无方向性的点状、细片状石墨，常出现在壁薄的灰铁件中，控制灰铁件中石墨片的分布状况，是保证灰铸铁性能的关键。a型石墨是在铸铁的石墨生核能力较强、冷却速率较低、在过冷度很小的条件下发生共晶转变时形成的。在光学显微镜下观察时，石墨呈均匀分布的弯曲片状，无方向性，其长度则因铸铁的生核条件和冷却速率而不同。高品质的结构铸件，都希望其具有中等长度的a型石墨。
本领域技术人员通常将壁厚小于15mm的石墨铸件称为薄壁石墨铸件。薄壁铸件的应用在减轻机械重量、增加机械的灵巧性、节约金属原料方面有着重要的意义。但同时由于厚度较小，这种铸件在铸造中易出现白口及“b”和“d”型石墨，使铸件的性能显著下降，因此铸件的强度、硬度和耐磨性往往难以达到理想要求。
而目前现有的铸造工艺生产的刹车毂总是难以同时满足上述要求。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高强度薄壁灰铸铁件，以解决现有技术薄壁灰铸铁在铸造过程中易出现过冷d型石墨而使铸件强度、硬度及耐磨性达不到理想要求的问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种高强度薄壁灰铸铁件，其应用于汽车刹车毂，所述灰铸铁件中含有的化学成分按质量百分比计为：c3.3～3.6％、si1.6～1.9％、mn0.6～0.9％、p≤0.1％、s≤0.04％、cr0.2～0.4％、cu0.25～0.5％、ti0.05％～0.15％、ni≤0.1％、sn0.04％～0.08％、pb≤0.0015％、as≤0.0013％、al≤0.04％，余量为fe。
碳：是铸铁中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化作用以提高铸铁的强度，为使铸铁的微观组织中有较多的石墨片，以保证其具有较高的热导率，乘用车制动鼓的碳含量应该在3.3％以上，但过高的碳量会造成较高的易脆性，故为保证较高强度和较高的热导率，将碳含量控制在3.3～3.6％之间。
硅：在铸铁中起固溶强化作用，并能提高钢质纯净度和脱氧，但含量太高会降低铸铁的韧性，而且容易使铸铁表面产生红铁皮等表面缺陷，在孕育处理和浇铸处理时，较高的碳量和较低的硅量能保证铁水良好的流动性，因此本发明si含量控制在1.6～1.9％。
锰：可以溶入铁素体，提高铸铁的强度，还能与s形成mns，以消除s的有害作用，同时也是重要的强韧性元素，mn含量太高对铸件中心偏析有不利影响，有损于铸件的韧性。本发明mn的含量控制在0.6～0.9％。
磷：为铸铁中的有害元素，形成磷共晶体，增加脆性，本发明中严格控制p≤0.1％。
硫：为铸铁中的有害元素，在铸铁中形成mns、tis等多种化合物，适量的硫具有改善孕育效果，促进a型石墨，本发明中严格控制s≤0.04％。
铬：可以提高铸铁的强度和硬度，含量过高易增加铸型难度和形成白口化，本发明的cr含量控制在0.2～0.4％。
铜：能增加和稳定珠光体并促进石墨化，可抵消cr元素的增大白口的不利影响，有利于保证铁水的铸造工艺性能，同时cu是一种导热性能较好价格低廉的金属元素，能显著提高铸铁的热疲劳性和热导性能，在cr含量为0.2～0.4％，本发明的cu的较适合的范围为0.25～0.5％。
钛：是强碳化物的形成元素，可形成细微的tic颗粒，细化晶粒；tic能有效钉扎奥氏体晶界，有效控制奥氏体晶粒长大，而且tic在晶粒内的析出能显著增强铸铁的强度；钛是成分过冷元素，若钛过高则促进过冷石墨形成，不利于提高a型石墨比例，降低导热性能，若钛量过低，则提高强度效果不明显，达不到强度要求。本发明的ti含量控制在0.05～0.15％。
镍：共晶期间促进石墨化，降低奥氏体转变温度，扩大奥氏体区，能细化并增加珠光体，同时还能有效阻止cu的热脆引起的网裂，含量过高易造成铸铁氧化铁皮难以脱落且增加成本，因此本发明控制ni≤0.1％。
锡：能促进并稳定珠光体，加入微量的sn就可增加铸铁的激冷白口倾向；增加锡的含量可以提高铸铁的硬度，但是过高的sn会使碳化物增多，造成脆性增大，强度下降；当sn≤0.08％时，随着锡含量的增加，凝固前膨胀率下降，共析前收缩率提高，共析后收缩率下降，总收缩率提高。因此本发明控制sn的含量在0.04％～0.08％之间。
铅、砷、铝是生铁中的主要杂质元素，过去一直认为这些杂质元素是非常有害的，铅在铸铁中恶化石墨形态使石墨产生变异，砷属于强白口化元素，使石墨强烈过冷成点状或消失，影响打压渗漏，铝元素的存在易产生皮下气孔，同时这些元素的一个共同影响是增大铸铁中石墨析出的过冷倾向，在铸铁中形成过冷d型石墨，而对灰铸铁的强度和硬度造成影响，但研究发现，在a型石墨区，铅、砷、铝主要集中分布在基体上，控制铅、砷、铝元素的含量(pb≤0.0015％、as≤0.0013％、al≤0.04％)不仅降低铅、砷、铝对石墨形态的影响，减少d型石墨的产生，而且微量的铅、砷、铝均集中留在基体上，可使基体得到强化，达到变害为利、使杂质元素变成合金元素的目的。
结晶型石墨和75硅铁孕育剂作为本发明第一次孕育处理剂，在铁水包内处理，结晶型石墨和75硅铁可改善铁水的流动性，防止白口倾向及凹陷现象，提高铸件切削性，可促进石墨共晶生长而使过冷度降到最低，减少d型石墨化，增加共晶团数量，细化基体组织，提高铸件的强度和硬度。
硅锶随流孕育剂作为本发明第二次孕育处理剂，具有较强的降低白口能力，应用于薄壁铸件中，可获得最小的白口倾向，同时减少由高共晶团数量引起的缩松倾向。
本发明的有益效果在于：本发明通过确定合理的化学成分、提高熔化温度及强化孕育，使薄壁灰铸铁件具有较高的强度和硬度及较强的耐热和耐磨性，可满足于刹车毂在抗拉强度、硬度、耐热耐磨等性能的要求，其抗拉强度达到290mpa以上，硬度为190～210hb，金相组织为：a型石墨95％以上，石墨长度4～6级，珠光体≥98％。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
本发明的一种高强度薄壁灰铸铁件，其应用于汽车刹车毂，所述灰铸铁件中含有的化学成分按质量百分比计为：c3.3～3.6％、si1.6～1.9％、mn0.6～0.9％、p≤0.1％、s≤0.04％、cr0.2～0.4％、cu0.25～0.5％、ti0.05％～0.15％、ni≤0.1％、sn0.04％～0.08％、pb≤0.0015％、as≤0.0013％、al≤0.04％，余量为fe。
上述技术方案中，所述灰铸铁件的抗拉强度达到290mpa以上，硬度为190～210hb，其金相组织为：a型石墨95％以上，石墨长度4～6级，珠光体≥98％。
一种如上述所述的高强度薄壁灰铸铁件的制备方法，包括以下步骤：熔制铁水、铁水孕育处理、浇铸；
所述熔制铁水步骤中，以生铁为主要原料，在中频感应炉中熔炼铁水，并分别在炉内加入合金元素，使得铁水中各化学成分的质量百分比为：c3.3～3.6％、si1.6～1.9％、mn0.6～0.9％、p≤0.1％、s≤0.04％、cr0.2～0.4％、cu0.25～0.5％、ti0.05％～0.15％、ni≤0.1％、pb≤0.0015％、as≤0.0013％、al≤0.04％、sn0.04％～0.08％，余量为fe；
所述铁水孕育处理步骤中，将熔制的铁水倒入浇包中，向浇包中加入结晶型石墨和75硅铁孕育剂，进行第一次孕育，出铁后扒渣；其中铁水倒入浇包的出铁温度为1520～1540℃；
所述浇铸步骤中，将铁水包运至浇注车中浇注，在浇注过程中，随流加入硅锶随流孕育剂，进行第二次孕育；其中，铁水浇入铸型的浇铸温度为1420～1480℃。
上述技术方案中，所述铁水孕育处理步骤中，以铁水为基准，按质量百分比计结晶型石墨的含量≤0.2％、75硅铁孕育剂的含量≤0.3％；所述结晶型石墨的厚度≤3mm。
上述技术方案中，所述浇铸步骤中，以铁水为基准，按质量百分比计硅锶随流孕育剂的含量≤0.15％；所述硅锶的粒径≤0.6mm。
实施例1：高强度薄壁灰铸铁件
制备方法：(1)熔制铁水：以生铁为主要原料，在中频感应炉中熔炼铁水，并分别在炉内加入合金元素，使得铁水中各化学成分的质量百分比为：c3.6％、si1.6％、mn0.8％、p0.1％、s0.04％、cr0.2％、cu0.5％、ti0.1％、ni0.1％、pb0.0015％、as0.0013％、al0.04％、sn0.04％，余量为fe；(2)铁水孕育处理：将熔制的铁水倒入浇包中，向浇包底部加入厚度为3mm的结晶型石墨和75硅铁孕育剂，进行第一次孕育，其中以铁水为基准，按质量百分比计加入的结晶型石墨的含量为0.2％、75硅铁孕育剂的含量为0.3％，出铁后扒渣；其中铁水倒入浇包的出铁温度为1540℃；(3)浇铸：将铁水包运至浇注车中浇注，在浇注过程中，随流加入粒径为0.6mm硅锶粉作为随流孕育剂，进行第二次孕育，以铁水为基准，按质量百分比计硅锶随流孕育剂的含量为0.15％；其中，铁水浇入铸型的浇铸温度为1420℃。
本实施例制得的薄壁灰铸铁件的抗拉强度为330mpa，硬度为210hb，其金相组织为：a型石墨95％以上，石墨长度6级，珠光体≥98％。
实施例2：高强度薄壁灰铸铁件
制备方法：(1)熔制铁水：以生铁为主要原料，在中频感应炉中熔炼铁水，并分别在炉内加入合金元素，使得铁水中各化学成分的质量百分比为：c3.3％、si1.9％、mn0.9％、p0.08％、s0.03％、cr0.4％、cu0.25％、ti0.15％、ni0.07％、pb0.001％、as0.001％、al0.03％、sn0.06％，余量为fe；(2)铁水孕育处理：将熔制的铁水倒入浇包中，向浇包底部加入厚度为3mm的结晶型石墨和75硅铁孕育剂，进行第一次孕育，其中以铁水为基准，按质量百分比计加入的结晶型石墨的含量为0.15％、75硅铁孕育剂的含量为0.2％，出铁后扒渣；其中铁水倒入浇包的出铁温度为1520℃；(3)浇铸：将铁水包运至浇注车中浇注，在浇注过程中，随流加入粒径为0.6mm硅锶粉作为随流孕育剂，进行第二次孕育，以铁水为基准，按质量百分比计硅锶随流孕育剂的含量为0.1％；其中，铁水浇入铸型的浇铸温度为1480℃。
本实施例制得的薄壁灰铸铁件的抗拉强度为316mpa，硬度为200hb，其金相组织为：a型石墨95％以上，石墨长度5级，珠光体≥98％。
实施例3：高强度薄壁灰铸铁件
本实施例的制备方法同实施例1，不同之处在于，铁水中各化学成分的质量百分比为：c3.5％、si1.7％、mn0.6％、p0.05％、s0.01％、cr0.3％、cu0.4％、ti0.05％、ni0.03％、pb0.0008％、as0.0012％、al0.01％、sn0.08％，余量为fe。本实施例制得的制动鼓的抗拉强度为290mpa，硬度为190hb，其金相组织为：a型石墨95％以上，石墨长度4级，珠光体≥98％。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作出任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案范围内。