本发明涉及铸铁合金及汽车零件领域，尤其涉及一种灰铸铁材料及铸造方法和用途。
背景技术：
制动系统是汽车零部件中最为关键的系统之一，是汽车安全行驶的重要保障。随着我国道路交通的迅猛发展，对汽车的安全制动性能提出了更高的要求。因此，对汽车制动盘所选用的材质的性能，包括硬度、强度等都有较高的要求。
目前，现有的汽车制动盘材质一般为普通的灰铸铁和低合金铸铁。由于普通灰铸铁的材料强度、硬度较低，易出现磨损严重或热疲劳裂纹情况，已不能满足现状汽车高负荷、高速度的要求。低合金铸铁主要是在普通铸铁中添加了ni、mo等贵金属合金元素，虽然能满足高强度的要求，但生产成本高。另外，如果灰铸铁材质中含碳量较少，材质硬度、抗拉性能较好，但由于石墨析出量较少，石墨长度较短，易造成制动盘在使用过程中散热性差，局部高温产生热膨胀，引起刹车抖动等问题。如果灰铸铁材质中含碳量较多，材质的硬度、强度不够，耐磨性能不好，石墨粗大在精加工后粗糙度也难以保证。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高强度低硬度灰铸铁材料及铸造工艺和应用，克服现有技术中存在的用于制动盘的灰铸铁材质导热性差、硬度及强度不够，使制动过程中出现刹车抖动或石墨粗大、表面粗糙度不合格、刹面表面质量差等问题。
为了实现上述目的或者其他目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
一种高强度低硬度灰铸铁材料，所述灰铸铁材料的化学成分的重量百分比为：c3.45％～3.80％，si1.6％～2.1％，mn0.5％～0.8％，s0.05％～0.15％，cr0.15％～0.4％，cu0.4％～0.6％，mo0.3％～0.6％，nb0.05％～0.2％，ti≤0.04％，ni0.05％～0.15％，re0.01％～0.05％，以及余量的fe。
进一步地，所述灰铸铁材料的硬度为190-235hb，抗拉强度≥275mpa，珠光体含量为90-98％，石墨a型含量≥90％，石墨长3-5级(按照gb7216-1987规定分级)，碳当量ce为3.98-4.50。
本发明第二方面提供了一种制造上述高强度低硬度灰铸铁材料的方法，包括如下步骤：
(1)将与上述所述灰铸铁的化学成分相一致的金属材料进行抛丸清理，然后加热熔炼得到铁水；
(2)将铁水进行孕育处理；
(3)浇铸：将步骤(2)孕育处理的铁水浇铸后即形成所述灰铸铁材料。
优选地，步骤(1)中所述金属材料包括铜和铁合金。
更优选地，所述铁合金包括生铁、废钢、回炉料、硅铁合金、锰铁合金、铬铁合金；所述铜选自紫铜。
进一步地，所述金属材料包括以下原料组分及重量份数：生铁0～10份、废钢45～50份、回炉料45～50份、硅铁合金0.4～0.5份、锰铁合金0.25～0.35份、铬铁合金0.5～0.6份、紫铜0.4～0.5份。
优选地，所述生铁中碳含量为4.1％～4.4％，硅含量为1.3％～1.5％，锰含量为0.12％～0.15％，磷含量为0.04％～0.045％，硫含量为0.006％～0.010％。
所述废钢中碳含量为0.1％～0.3％，硅含量为0.1％～0.3％，锰含量为0.1％～0.3％，磷含量为0.01％～0.03％，硫含量为0.005％～0.010％，铬含量为0.01％～0.05％。
所述回炉料中，碳含量为3.1％～3.2％，硅含量为2.0％～2.2％，锰含量为0.6％～0.8％，磷含量为0.02％～0.06％，硫含量为0.05％～0.15％，铬含量为0.1％～0.3％，铜含量为0.1％～0.5％。
所述硅铁合金中硅含量为72％～78％。
所述锰铁合金中锰的含量为65％～72％。
所述铬铁合金中铬的含量为45％～55％。
所述紫铜中铜的含量为99％～99.95％。
优选地，步骤(1)中，将金属材料加入中频感应炉中，连续加热进行熔炼，熔炼时应保证满炉熔化，从而加快熔化速度。
优选地，步骤(1)中熔炼温度为1520-1560℃，本发明中熔炼温度是指高于金属材料熔化的温度，该熔炼温度是指铁水过热的温度。
优选地，步骤(1)中还包括对熔炼的铁水进行光谱检测和热分析检测。更优选地，步骤(1)中金属材料熔化后，加热升温至1450-1500℃时，取适量铁水浇注于光谱试样杯中，淬水激冷，得到全白口化的试样，通过电火花直读光谱仪进行化学成分分析检测，并根据分析结果进一步加入合金调整铁水化学成分，直至调整至所述灰铸铁材料的化学成分范围内。然后继续升温至铁水的过热温度。
更优选地，步骤(1)中采用nsp-2552热分析仪对铁水的碳当量、含碳量、含硅量进行分析。
优选地，步骤(2)中孕育处理所采用的孕育剂为稀土孕育剂。更优选地，所述稀土孕育剂为购自镇江东丰的硅稀土孕育剂或reseed孕育剂。所述reseed孕育剂的粒度为0.2-5mm。
优选地，步骤(2)中的孕育处理分两次进行，分别在铁水出炉、倒包过程中进行随流孕育。孕育处理时的孕育量为0.5％-0.6％。更优选地，铁水出炉时的孕育处理的孕育量为0.2％-0.3％；在倒包过程中的孕育处理的孕育量为0.2％-0.3％。其中，所述孕育量为孕育剂与铁水的重量比。
优选地，步骤(2)的孕育处理结束2min内开始进行步骤(3)的浇铸步骤，在此时间内孕育效果最佳，否则，随着时间的推移孕育效果会下降。
优选地，步骤(3)中浇铸温度为1350-1450℃。
本发明第三方面还提供一种所述灰铸铁材料在车辆制动盘中的用途。
本发明另一方面还提供了一种车辆制动盘，所述车辆制动盘上述所述的灰铸铁材料浇铸而成。
本发明采用上述灰铸铁材料制备所述车辆制动盘的方法，包括如下步骤：
a)将上述的灰铸铁材料熔炼成铁水；
b)将熔炼的铁水倒入制动盘的模具型腔中进行浇铸，即得车辆制动盘。
优选地，步骤a)熔炼温度为1520-1560℃。
优选地，步骤b)中浇铸温度为1350-1450℃。
本发明中采用稀土孕育剂，可以钝化石墨尖端，促使共晶团细化，石墨呈细片状均匀分布，基体组织为珠光体加少量铁素体；同时结合合金化，可增加珠光体含量并细化其组织。
本发明所提供的灰铸铁材料，通过加入合适配比的不同合金，使灰铸铁材料含有较高的碳含量和合金元素的含量。采用本发明所述灰铸铁材料所制得的车辆制动盘，由于材质具有较多的石墨，因此更利于制动盘的散热性能，同时使生产出的制动盘具有较低的硬度、高的抗拉强度。
说明书附图
图1为实施例1中的灰铸铁材料的金相图；
图2为实施例1中的灰铸铁材料的石墨形态图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
在本发明实施例中，优选地，所述灰铸铁材料包括以下原料组分及重量份数：生铁0～10份、废钢45～50份、回炉料45～50份、硅铁合金0.4～0.5份、锰铁合金0.25～0.35份、铬铁合金0.5～0.6份、紫铜0.4～0.5份。
更优选地，所述生铁中碳含量为4.1％～4.4％，硅含量为1.3％～1.5％，锰含量为0.12％～0.15％，磷含量为0.04％～0.045％，硫含量为0.006％～0.010％。
所述废钢中碳含量为0.1％～0.3％，硅含量为0.1％～0.3％，锰含量为0.1％～0.3％，磷含量为0.01％～0.03％，硫含量为0.005％～0.010％，铬含量为0.01％～0.05％。
所述回炉料中，碳含量为3.1％～3.2％，硅含量为2.0％～2.2％，锰含量为0.6％～0.8％，磷含量为0.02％～0.06％，硫含量为0.05％～0.15％，铬含量为0.1％～0.3％，铜含量为0.1％～0.5％。
所述硅铁合金中硅含量为72％～78％。所述锰铁合金中锰的含量为65％～72％。所述铬铁合金中铬的含量为45％～55％。所述紫铜中铜的含量为99％～99.95％。
实施例1
1、一种稀土高强度低硬度灰铸铁材质，其原料组分及重量份数为：生铁8份、废钢45份、回炉料45.4份、硅铁合金0.4份、锰铁合金0.3份、铬铁合金0.5份、紫铜0.4份。
一种高强度低硬度灰铸铁材料，其制备方法包括如下步骤：
(1)将生铁、废钢、回炉料、硅铁合金、锰铁合金、铬铁合金、紫铜进行抛丸清理，表面无锈蚀；然后加入中频感应炉中连续加热，熔化时尽量保证满炉熔化，加快熔化速度，其中，加热至1450℃时，取适量铁水浇注于光谱试样杯中，淬水激冷，得到全白口化的试样，通过电火花直读光谱仪进行化学成分分析检测，并根据分析结果进一步加入合适的合金调整铁水化学成分；采用nsp-2552热分析仪对铁水的碳当量、含碳量、含硅量进行分析；继续升温至1560℃，达到铁水过热温度；
(2)孕育处理：使用硅稀土孕育剂，分别在铁水出炉和倒包过程中进行随流孕育，孕育量分别为0.2％和0.3％；
(3)浇铸：将步骤(2)孕育完成的铁水在2min内浇铸，浇铸温度为1450℃，即形成所述高强度低硬度灰铸铁材料。
本实施例所制得的灰铸铁材料，其化学成分的重量百分比为：c3.70％，si1.70％，mn0.76％，s0.10％，cr0.25％，cu0.60％，mo0.50％，nb0.10％，ti0.02％，ni0.15％，re0.01％，余量为fe。所得灰铸铁的珠光体含量为95％，石墨a型含量≥90％，石墨长3-5级(按照gb7216-1987规定分级)，碳当量ce为4.50。参考gb/t9439《灰铁铸件》所测的抗拉强度(σb)≥275mpa，布氏硬度(hbw)190-235hb。
采用本领域常规的金相显微镜对本实施例中的灰铸铁材料进行观察，图1为本实施例的灰铸铁材料的金相图，图2为本实施例的灰铸铁材料的石墨形态图，从图中可以看出石墨分布均匀。
2、将上述灰铸铁材料熔炼成铁水，过热温度为1560℃；然后将熔炼的铁水倒入制动盘的模具型腔中进行浇铸，浇铸温度为1350℃，即得高强度低硬度灰铸铁材料制得的车辆制动盘。
将上述车辆制动盘进行抗拉强度和布氏硬度测试，测试参考gb/t9439《灰铁铸件》；结果显示，本实施例制得的车辆制动盘的抗拉强度(σb)332mpa，布氏硬度(hbw)：220hb。
实施例2
1、本实施例中高强度低硬度灰铸铁材料的原料组分及重量份数为：生铁2.25份、废钢46份、回炉料50份、硅铁合金0.45份、锰铁合金0.3份、铬铁合金0.55份、紫铜0.45份。
制备方法包括如下步骤：
(1)将生铁、废钢、回炉料、硅铁合金、锰铁合金、铬铁合金、紫铜进行抛丸清理，表面无锈蚀；然后加入中频感应炉中连续加热，熔化时尽量保证满炉熔化，加快熔化速度，其中，加热至1500℃时，取适量铁水浇注于光谱试样杯中，淬水激冷，得到全白口化的试样，通过电火花直读光谱仪进行化学成分分析检测，并根据分析结果进一步加入合适的合金调整铁水化学成分；采用nsp-2552热分析仪对铁水的碳当量、含碳量、含硅量进行分析；继续升温至1520℃，达到铁水过热温度；
(2)孕育处理：使用硅稀土孕育剂，分别在铁水出炉和倒包过程中进行随流孕育，孕育量分别为0.3％和0.3％；
(3)浇铸：将步骤(2)孕育完成的铁水在2min内浇铸，浇铸温度为1350℃，即形成所述高强度低硬度灰铸铁材料。
最终获得的灰铸铁材料的化学成分重量比为：c3.45％，si2.10％，mn0.50％，s0.08％，cr0.15％，cu0.40％，mo0.40％，nb0.1％，ti0.02％，ni0.08％，re0.05％，余量fe。所得灰铸铁的珠光体含量为98％，石墨a型含量≥90％，石墨长3-5级(按照gb7216-1987规定分级)，碳当量ce为3.98。参考gb/t9439《灰铁铸件》所测的抗拉强度(σb)≥275mpa，布氏硬度(hbw)190-235hb。
2、将上述灰铸铁材料熔炼成铁水，过热温度为1520℃；然后将熔炼的铁水倒入制动盘的模具型腔中进行浇铸，浇铸温度为1450℃，即得高强度低硬度灰铸铁材料制得的车辆制动盘。
将上述车辆制动盘进行抗拉强度和布氏硬度测试，测试参考gb/t9439《灰铁铸件》；结果显示，采用本实施例的灰铸铁材料所制得的车辆制动盘的抗拉强度(σb)为330mpa，布氏硬度(hbw)：235hb。
实施例3
1、本实施例中高强度低硬度灰铸铁材料的原料组分及重量份数为：废钢50份、回炉料48.05份、硅铁合金0.5份、锰铁合金0.35份、铬铁合金0.6份、紫铜0.5份。
制备方法包括如下步骤：
(1)将生铁、废钢、回炉料、硅铁合金、锰铁合金、铬铁合金、紫铜进行抛丸清理，表面无锈蚀；然后加入中频感应炉中连续加热，熔化时尽量保证满炉熔化，加快熔化速度，其中，加热至1450-1500℃时，取适量铁水浇注于光谱试样杯中，淬水激冷，得到全白口化的试样，通过电火花直读光谱仪进行化学成分分析检测，并根据分析结果进一步加入合适的合金调整铁水化学成分；采用nsp-2552热分析仪对铁水的碳当量、含碳量、含硅量进行分析；继续升温至1520-1560℃，达到铁水过热温度；
(2)孕育处理：使用硅稀土孕育剂，分别在铁水出炉和倒包过程中进行随流孕育，孕育量分别为0.3％和0.2％；
(3)浇铸：将步骤(2)孕育完成的铁水在2min内浇铸，浇铸温度为1350-1450℃，即形成所述高强度低硬度灰铸铁材料。
最终获得的灰铸铁材料的化学成分重量比为：c3.60％，si1.80％，mn0.70％，s0.05％，cr0.40％，cu0.55％，mo0.3％，nb0.05％，ti0.04％，ni0.09％，re0.03％，余量为fe。所得灰铸铁的珠光体含量为93％，石墨a型含量≥90％，石墨长3-5级(按照gb7216-1987规定分级)，碳当量ce为4.20。参考gb/t9439《灰铁铸件》所测的抗拉强度(σb)≥275mpa，布氏硬度(hbw)190-235hb。
2、将上述灰铸铁材料熔炼成铁水，过热温度为1520-1560℃；然后将熔炼的铁水倒入制动盘的模具型腔中进行浇铸，浇铸温度为1400℃，即得高强度低硬度灰铸铁材料制得的车辆制动盘。
将上述车辆制动盘进行抗拉强度和布氏硬度测试，测试参考gb/t9439《灰铁铸件》；结果显示，采用本实施例的灰铸铁材料所制得的车辆制动盘的抗拉强度(σb)为328mpa，布氏硬度(hbw)：220hb。
实施例4
制备方法同实施例1，与实施例1不同的是，本实施例中高强度低硬度灰铸铁材料的原料组分及重量份数为：生铁4份、废钢46份、回炉料48.35份、硅铁合金0.4份、锰铁合金0.25份、铬铁合金0.55份、紫铜0.45份。
最终获得的灰铸铁材料的化学成分重量比为：c3.80％，si1.60％，mn0.80％，s0.15％，cr0.30％，cu0.40％，mo0.60％，nb0.2％，ti0.02％，ni0.05％，re0.01％，余量fe。所得灰铸铁的珠光体含量为95％，石墨a型含量≥90％，石墨长3-5级(按照gb7216-1987规定分级)，碳当量ce为4.50。参考gb/t9439《灰铁铸件》所测的抗拉强度(σb)≥275mpa，布氏硬度(hbw)190-235hb。
采用本实施例的灰铸铁材料所制得的车辆制动盘的抗拉强度(σb)≥295mpa，布氏硬度(hbw)：200-235hb。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。