专利名称：一种高强韧twip球墨铸铁合金及其制备方法
技术领域：
本发明属于奥氏体基球墨铸铁材料领域，更具体涉及一种高强韧TWIP球墨铸铁合金及其制备方法。
背景技术：
铸铁作为重要的工程结构材料，在机器制造业中获得了广泛应用。自上个世纪 40年代末球墨铸铁的问世，铸铁的强度和韧性获得了一定提高，但相对大多数金属材料而 言，铸铁及其合金仍呈现较高的脆性。迄今为止可以塑性加工的铸铁没有，国内外也缺乏 相关可塑性加工铸铁的研究报道。目前我国球墨铸铁材料GB1348国家标准有QT400-18、 QT450-10、QT600-3、QT700-2、QT800-2、QT-H185、QT-H200 等。目前世界上的铸铁一般都是 不可变形的，由于真正意义上能够进行塑性变形的铸铁没有，国内外尚缺乏可以加工成板 材、带材或挤压、冲压成型的合金铸铁，有关含石墨的可塑性加工的材料研究也鲜有报道。 所谓“可锻铸铁”也是不能锻压成型的，相对大多数金属材料而言，铸铁及其合金仍呈现较 高的脆性。这种脆性严重制约了铸铁在许多重要结构件上的应用。然而铸铁组织中因含有 大量石墨，其良好的铸造工艺性能，减振、减摩、贮油润滑性能以及低的热膨胀系数在机械 制造业中有着其它材料所不可替代的作用，如大功率发动机曲轴用球墨铸铁生产，表现出 高的减振消音性和转动稳定性。因此，从工业应用的要求出发，进一步改善铸铁材料的韧性十分重要，然而同时提 高合金的强度与韧性始终是材料科学领域的难题也是结构材料的核心课题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种高强韧TWIP球墨铸铁合金及其制备方法， 制得的合金材料能够进行塑性变形，同时具有良好的强度和韧性。一种高强韧TWIP球墨铸铁合金，采用工业生铁为基础原料，该工业生铁中含1. 0 wt %Si，4.0 wt %C，余为Fe，又添加纯度为99. 8%的电解镍、纯度为99. 8%的石墨粉，纯度 为99. 8%的电解锰及含Si为75%的硅铁配制而成；组成合金的化学组分质量配比为C为 3. 5 4. 0%, Mn 为 8 15%，Ni 为 8 15%，Si 为 2. 0 2· 8%, S 彡 0. 03%, P 彡 0. 05%，余量为 Fe。一种高强韧TWIP球墨铸铁合金的制备方法为，采用高频感应加热熔炼炉在空气 环境中进行熔炼、球化处理、孕育过程，并由石墨铸型浇注而制；其制备步骤如下
1)装料在熔炼坩埚中按顺序加入生铁、硅铁、石墨、锰片、镍原料，用普通中频感应熔 炼炉在大气环境中加热熔炼；
2)熔炼熔炼温度控制在160(Tl700°C，保温时间为8-15min，待液态金属熔化均勻后 加入5-8牌号的稀土镁球化剂1. 5^2. 5%进行球化处理，然后进行滤渣；
3)浇铸将已经熔炼好的液体通过石墨浇帽口倒入事先烘干好的石墨铸型中；
4)冷却待样品冷却成型后，取出铸锭；
5)热处理工艺将铸锭经高温850-1100°C、保温5-7h，使铸态组织中的碳化物基本溶入基体奥氏体中，然后迅速淬水快冷，以获得均勻的单相奥氏体基体组织；
6)轧制工艺固溶处理后，切取一定厚度的板带，采用二辊轧机对其进行分道次可控 轧制，轧成不同厚度的变形带，每道次轧制变形量控制在8%-12%，最大轧制变形量控制在 50%-30%。
7)再结晶工艺冷轧后的试样进行高温回复再结晶，再结晶温度控制在 90(ri000°C，保温时间为 l(T60min。所述的轧制工艺可根据实际采取冷轧或热轧的方式，热轧的温度范围在 800 0C -1000°C。所述的热处理工艺，轧制工艺和再结晶工艺能够有效的提高该合金的强度和韧 性。本发明的优点①所述的高强高韧性奥氏体基球墨铸铁材料能够进行塑性变 形——连续冷轧变形量可达50%以上；在三点弯曲试验中可压成近V字型而不发生断裂； ②所述可塑性变形的高强高韧性奥氏体基球墨铸铁材料的固溶态下机械性能达到抗拉强 度彡635. 50MPa，相应的延伸率δ彡18. 5%，冲击韧性彡164. 70J cm_2，基体硬度彡191 HB，冷变形后经高温回复再结晶，其抗拉强度提升至730. 81MPa，相应的延伸率δ高达20% 以上，强塑性水平明显高于国家标准及国内外同类的奥氏体基球墨铸铁材料，延伸率已达 国家标准QT700-3的6. 7倍以上。
图 1. Fe-15Ni-12Mn-3. 5C-2. 5Si 合金铸铁经900°C，950°C，1000°C高温固溶 6h水
淬处理后，在三点弯曲试验中试样的变形形貌——都能够压弯成近V字型而不发生脆性断 m农。图2. IOOO0C X6h高温固溶水淬处理后的Fe-15Ni-12Mn-3. 5C-2. 5Si合金铸铁经 深度轧制变形后的变形前后外观形貌，该试样热轧+冷轧的总变形量为65%，其中连续冷轧 变形量高达50%，表明该材料具有良好的塑性变形能力，其中a为变形前外观形貌，b、c均为 变形后的外观形貌。图3. 1000°C X6h高温固溶水淬处理后Fe-15Ni-12Mn-3. 5C-2. 5Si合金铸铁不同 冷轧变形量下的基体组织的显微硬度值变化。说明该铸铁材料随着变形量的加大产生了加 工硬化效应，硬度提高约2. 16倍。图4. IOOO0C X6h高温固溶水淬处理后的Fe-15Ni-12Mn-3. 5C-2. 5Si合金铸铁经 拉伸变形前后的组织形貌图，说明该铸铁材料的高塑性是通过奥氏体基体密集的孪生切变 组织实现的具有TWIP效应，因而试样具有良好的塑性。图 5. 900 "C X15min、1000 V X15min、900 °C X Ih 再结晶后的 Fe-15Ni-12Mn-3. 5C-
2. 5Si合金铸铁的工程应力一应变之间的关系，说明了冷变形后经高温回复再结晶处 理可使材料的强度和塑性同时提高。图6. 9000C父111再结晶后的？6-15慰-121111-3.5(-2.55丨合金铸铁的板型拉伸试 样断裂后的外观形貌，断后延伸率高达25. 2%，抗拉强度706. 07MPa。
具体实施方式
一种高强度、高韧性奥氏体基TWIP铸铁合金，采用工业生铁为基础原料，该工业 生铁中含1.0 Wt %Si，4. 0 Wt %C，余为Fe，又添加纯度为99. 8%的电解镍、纯度为99. 8%的 石墨粉，纯度为99. 8%的电解锰及含Si为75%的硅铁配制而成；组成合金的化学组分质量 配比为C 为 3. 5 4· 0%，Μη 为 8 15%，Ni 为 8 15%，Si 为 2. 0 2· 8%, S 彡 0. 03%, P ( 0. 05%,
余量为Fe。一种高强度、高韧性奥氏体基TWIP铸铁合金的制备方法为，采用高频感应加热熔 炼炉在空气环境中进行熔炼、球化处理、孕育过程，并由石墨铸型浇注而制；其制备步骤如 下
1)装料在熔炼坩埚中按顺序加入生铁、硅铁、石墨、锰片、镍原料，用普通中频感应熔 炼炉在大气环境中加热熔炼；
2)熔炼熔炼温度控制在160(Tl700°C，保温时间为8-15min，待液态金属熔化均勻后 加入5-8牌号的稀土镁球化剂1. 5^2. 5%进行球化处理，然后进行滤渣；
3)浇铸将已经熔炼好的液体通过石墨浇帽口倒入事先烘干好的石墨铸型中；
4)冷却待样品冷却成型后，取出铸锭；
5)热处理工艺将铸锭经高温850-1100°C、保温5-7h，使铸态组织中的碳化物基本溶 入基体奥氏体中，然后迅速淬水快冷，以获得均勻的单相奥氏体基体组织；
6)轧制工艺固溶处理后，切取一定厚度的板带，采用二辊轧机对其进行分道次可控 轧制，轧成不同厚度的变形带，每道次轧制变形量控制在8%-12%，最大轧制变形量控制在 50%-30%。7)再结晶工艺冷轧后的试样进行高温回复再结晶，再结晶温度控制在 90(ri000°C，保温时间为 l(T60min。下面通过附图并结合实施例对本发明做进一步说明。实施例1
采用工业生铁(1. 0%Si，4. 0%C，余为Fe，wt%)为基础原料，以纯度为99. 8%的电解镍、 纯度为99. 8%的石墨粉，纯度为99. 8%的电解锰及含Si为75%的硅铁作为孕育处理添加 的合金元素，通过按质量分数(wt%)配制化学组分为C3. 5%，Mn 12%, Ni 15%, Si2. 5%，稀土 Mg2. 0%，S 0. 03%, P 0. 05%，余量为Fe的铸铁合金，采用高频感应加热熔炼炉在空气环境中 进行熔炼、熔炼温度为1700°C，保温时间Smin球化孕育处理、浇铸。然后将合金铸锭经高温 950°C长时间保温6h，使铸态组织中的碳化物全部溶入基体奥氏体中，然后迅速淬水快冷， 以获得均勻的单相奥氏体组织。从固溶处理后的试样上切取一定厚度的板带，采用二辊轧 机对其进行分道次可控轧制，轧成不同厚度的变形带。其余步骤同具体实施例。测得上述铸铁材料的固溶态的机械性能为高的抗拉强度
=635. 50MPa，高的延伸率δ =18. 5% (见表1)，高的冲击韧性 =164. 70J cm_2，基体
硬度HB 191，基体组织为单相奥氏体。合金经高温长时间固溶水韧处理后，表现出较高的韧 性和极强的塑性变形能力在三点弯曲试验中可压成近V字型而不发生脆性断裂，见图1 ； 连续冷轧变形量可达50%以上，见图2，并呈一定的形变硬化效应，硬度提高约2. 16倍，表现 出较高的加工硬化能力，见图3。图4中热轧冷轧交替可控轧制的总变形量达80%时石墨仍未破碎，说明该铸铁材料的石墨对试样割裂作用不大，因而试样具有良好的塑性； 实施例2
在实施例1的基础上，将冷轧后的试样进行高温回复再结晶，再结晶温度控制在 900°C，保温时间60min。测得上述铸铁材料的再结晶态的机械性能为本发明材料冷变形后经高温回复 再结晶，在拉伸条件下表现出更优良的强度和更高的延伸率(见表1、图5)，抗拉强度可 提升至730.81MPa，相应的延伸率δ高达20%以上，其强塑性水平明显高于国家标准及国 内外同类的奥氏体基球墨铸铁材料，延伸率已达国家标准QT700-3的6. 7倍以上，表现出 高的塑性，达到了工业用结构材料对塑性的要求，具备了可塑性加工成型的能力。图6是 9000C X Ih再结晶后的Fe-15Ni-12Mn-3. 5C-2. 5Si合金铸铁的板型拉伸试样断裂后的外观 形貌，抗拉强度=706.07MPa，断后延伸率δ高达25. 2%，强塑性很好。表1不同再结晶状态下Fe-15Ni-12Mr^3. 5C~2. 5Si合金铸铁的拉伸性能
权利要求
一种高强韧TWIP球墨铸铁合金，其特征在于该球墨铸铁合金采用工业生铁为基础原料，该工业生铁中含1.0 wt %Si，4.0 wt %C，余为Fe；又添加纯度为99.8%的电解镍、纯度为99.8%的石墨粉，纯度为99.8%的电解锰及含Si为75%的硅铁配制而成。
2.一种如权利要求1所述的高强韧TWIP球墨铸铁合金，其特征在于组成合金的化学 组分质量配比为:C为3. 5 4. 0%, Mn为10 15%，Ni为8 15%，Si为2. 0 2· 8%, S彡0. 03%, P彡0. 05%，余量为Fe。
3.一种高强韧TWIP球墨铸铁合金的制备方法，其特征在于该合金采用高频感应加热 熔炼炉在空气环境中进行熔炼、球化处理、孕育过程，并由石墨铸型浇注而制；其制备步骤 如下1)装料在熔炼坩埚中按顺序加入生铁、硅铁、石墨、锰片、镍原料，用普通中频感应熔 炼炉在大气环境中加热熔炼；2)熔炼熔炼温度控制在160(Tl700°C，保温时间为8-15min，待液态金属熔化均勻后 加入5-8牌号的稀土镁球化剂1. 5-2. 5衬％进行球化处理，然后进行滤渣；3)浇铸将已经熔炼好的液体通过石墨浇帽口倒入事先烘干好的石墨铸型中；4)冷却待样品冷却成型后，取出铸锭；5)热处理工艺将铸锭经高温850-1100°C、保温5-7h，使铸态组织中的碳化物溶入基 体奥氏体中，然后迅速淬水快冷，以获得均勻的单相奥氏体基体组织；6)轧制工艺固溶处理后，切取一定厚度的板带，采用二辊轧机对其进行分道次可控 轧制，轧成不同厚度的变形带，每道次轧制变形量控制在8%-12%，总体轧制变形量控制在 50%-30% ；7)再结晶工艺轧制后的试样进行高温回复再结晶，再结晶温度控制在90(Ti00(rc， 保温时间为l(T60min。
4.一种如权利要求3所述的高强韧TWIP球墨铸铁的制备方法，其特征在于所述的轧 制工艺可根据实际采取冷轧或热轧的方式，热轧的温度范围在800°C -1000°C。
5.一种如权利要求3所述的高强韧TWIP球墨铸铁的制备方法，其特征在于所述的热 处理工艺，轧制工艺和再结晶工艺能够有效的提高该合金的强度和韧性。
全文摘要
本发明提供了一种新型可冷、热轧制、锻造成型的高强高韧奥氏体基球墨铸铁材料及其制备方法，其化学组分以质量分数计C3.5~4.0%，Mn8~15%，Ni8~15%，Si2.0~2.8%，S≤0.03%，P≤0.05%，稀土Mg1.5~2.5%，余量为Fe。该合金采用高频感应加热熔炼炉在空气环境中进行熔炼、球化处理、孕育过程，并由石墨铸型浇注，热处理工艺，轧制工艺和再结晶工艺而成。所制成品能够进行塑性变形，且具有较高的强度和韧性。
文档编号C21D8/00GK101962730SQ20101052693
公开日2011年2月2日 申请日期2010年11月1日 优先权日2010年11月1日
发明者张文杰, 易韦发, 朱定一, 杨泽斌, 林淑梅 申请人:福州大学