一种铸态混合基体QT500-14球墨铸铁的制备方法与流程

本发明涉及高性能金属材料领域，尤其涉及一种铸态混合基体qt500-14球墨铸铁的制备方法。
背景技术：
：近年来，从能源化工、汽车轻量化、高端机床、轨道交通等行业的发展趋势可知，装备技术与装置结构逐步向复杂化、高精度化的方向发展，这无疑对材料的综合力学性能提出了更高要求，尤其是对应用于大型与高端装备的球墨铸铁材料的强度、伸长率等性能指标的要求越来越高，因此需要不断改善球墨铸铁材料的强韧性等综合性能，满足市场需求。传统工艺生产的qt500-7和qt600-3球墨铸铁材质的铸件，其基体组织含有30％-60％的珠光体组织，虽然这类铸件具有较高的抗拉强度，但其延伸率和屈服强度相对较低，另外这类铸件的加工性能相对于全铁素体基体材质的球墨铸铁件来说，由于基体含有一定量的珠光体，对加工刀具的磨损也相对较大。目前，在en1563:2012标准中提出了en-gjs-500-14和en-gjs-600-10两种新材料牌号，此牌号的材质均采用高硅固溶强化工艺来保证其综合性能指标。中国发明专利申请cn107022712a“一种厚大断面qt500-14的轴类产品制造方法”中公开的方法，在实际生产中需将球化处理后的铁水中的碳和硅元素含量分别控制在c：3.1-3.30％，si：3.30-3.60％才能保证厚大断面铸件内部组织均衡，且合金材料力学性能不能稳定达到en1563:2012标准要求。在中国发明专利申请cn108611551a“高硅固溶强化铁素体球墨铸铁件及其制造方法”中，球化处理后的碳和硅元素含量分别控制在c：3.25-3.35％，si：3.70-3.80％，合金成分中加入了微量元素sb，采用冲天炉熔炼，熔体处理流程长，操作繁琐，基体石墨组织不稳定。在中国发明专利申请cn103757517a“一种铸态铁素体基球墨铸铁qt500-14的生产方法”中，在其检测的力学性能中，其附铸试块的延伸率不能稳定≥14％。尽管通过高硅固溶强化工艺从成分设计和熔炼工艺等方面保证获得全铁素体基体组织，但呈现这种基体金相组织的球墨铸铁材料的综合力学性能还有待进一步改善。技术实现要素：针对上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种铸态混合基体qt500-14球墨铸铁的制备方法，从而获得具有较高的综合力学性能和机加工性能的球墨铸铁。本发明提供了一种铸态混合基体qt500-14球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：s1、原材料投入质量百分比如下：生铁：60～80％，废钢：5～20％，回炉料：5～20％，电解铜板：0.1～0.2％，纯镍板：0.3～0.4％；s2、铁液熔炼：先加入废钢、生铁和回炉料，待废钢、生铁和回炉料全部熔化后加入电解铜板，熔化过程温度控制在1350～1390℃，熔体出炉温度控制在1470～1500℃；s3、球化包内熔体处理：在球化包最底部的一侧放入zfcr-7型含稀土球化剂，并在所述zfcr-7型含稀土球化剂的金属颗粒上部放入cbsalloy型硅钡钙孕育剂，将铁水出炉冲入球化包内，进行球化和包内孕育，球化处理温度在1470～1500℃；s4、浇注：将球化包内的铁水转入浇注场地进行浇注，铁水浇注温度为1400～1430℃，浇注时在浇口杯上方随铁水加入锶硅随流孕育剂。优选地，在步骤s1中，所述生铁包括以下质量百分比的成分：c：4.3～4.5％，si：0.8～0.9％，mn＜0.1％，p＜0.04％，s＜0.02％；所述废钢包括以下质量百分比的成分：c：0.1～0.15％，si：0.2～0.4％，mn：1～1.3％，p＜0.03％，s＜0.02％。优选地，在步骤s3中，所述球化包为堤坝式处理包，包内球化方法采用冲入法。优选地，所述zfcr-7型含稀土球化剂的粒度为10～30mm，包括以下质量百分比的成分：re：0.8～1.2％，mg：6.7～7.3％，si：38～42％，al：＜1％，ca：适量。优选地，在步骤s3中，所述cbsalloy型硅钡钙孕育剂的粒度为3～10mm，包括以下质量百分比的成分：ca：0.5～2.5％，si：65～72％，al：＜1.5％，ba:4～6％。优选地，在步骤s3中，球化反应结束后，取样检测，控制球化后的铁水包括以下质量百分比的成分：c:3.5～3.8％，si:2.5～2.8％，mn＜0.3％，cu:0.05～0.2％，ni：0.3～0.4％，p＜0.02％，s＜0.02％，mg：0.04～0.07％，re:0.01～0.02％，余量为fe和杂质。优选地，在步骤s4中，所述锶硅随流孕育剂的粒度为0.2～0.8mm。优选地，还包括以下步骤：s5、过滤：采用泡沫陶瓷过滤器对铁水进行过滤处理；s6、砂型保温：保温12小时后落砂开箱。优选地，在所述步骤s5中，所述泡沫陶瓷过滤器的材质为zro2、sic、al2o3或由zro2、sic和al2o3混合组成混合组成，所述泡沫陶瓷过滤器的孔径为5～10ppi，尺寸为80mm×80mm×30mm。优选地，在所述步骤s5中，所述泡沫陶瓷过滤器放置在横浇道两侧。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1.控制主要合金元素含量：本发明充分运用si元素的固溶强化作用，保证铁素体含量。相对于其他高硅固溶强化方法，本发明中si含量控制范围为2.5～2.8％，同时也保留了珠光体基体进而保证以铁素体基体为主的基体组织具有一定的塑韧性。此外，本发明为保证良好的球化效果，促进镁吸收率提高，改善流动性，本发明将c含量控制在3.5～3.8％。2.微量合金元素选择和成分控制：cu对铁素体有固溶强化作用，可以稳定并且细化珠光体，cu完全固溶于基体，但因其促进珠光体形成的效果过强，影响断后延伸率，因此本发明将cu含量范围控制在0.1～0.2％。ni对基体强度的提高有明显作用，对延伸率影响较弱，本发明中将ni元素含量范围控制在0.3～0.4％。同时本发明中限制mn的含量不超过0.3％，一般控制在≤0.2％以内。本发明通过微量元素的添加使基体组织中珠光体含量范围控制在5～20％，既能保证球墨铸铁材料强度要求而又不损失塑韧性。3.孕育剂和球化剂的选择：zfcr-7型含稀土球化剂属于中镁低稀土球化剂，其突出作用主要表现为使片状石墨变成球状石墨，细化铸态组织，改善非金属夹杂物的形态和分布；稀土元素比镁有更强的脱氧脱硫能力，生成的硫化稀土和氧化稀土等化合物熔点高、稳定性好，同时稀土元素与铁水中的球化干扰元素也能形成稳定的化合物，有利于材质性能的提高。使用高、中稀土的镁合金球化剂，易使铸件中产生过多的碳化物，石墨球形态不圆整，铸件塑韧性有所下降。cbsalloy型硅钡钙孕育剂属于高硅钡钙长效孕育剂，ba和ca元素是重要的孕育元素，其脱氧脱硫和较强的石墨核心形成能力。在高温下ba蒸汽压小，在铁液中的ba不易损失，它还保护ca不易损耗，因此使得孕育剂衰退减缓；ba和ca的复合，不仅是组织中单位面积的石墨球数增多，而且加大了铁液中c和si浓度起伏的强度，从而更有利于组织中铁素体的形成和长大，有利于延伸率的提高。本发明所使用的熔体处理方法中，基体组织中石墨球球化级别稳定达到1级～2级，石墨球大小6级～7级，石墨球球化率≥90％。附图说明图1为本发明实施例1基体组织腐蚀态金相照片(100倍)；图2为本发明实施例2基体组织腐蚀态金相照片(100倍)；图3为本发明对比例1基体组织腐蚀态金相照片(100倍)；图4为本发明对比例2基体组织腐蚀态金相照片(100倍)；图5为本发明对比例3基体组织腐蚀态金相照片(100倍)；图6为本发明对比例4基体组织腐蚀态金相照片(100倍)；图7为本发明对比例5基体组织腐蚀态金相照片(100倍)；图8为本发明对比例6基体组织腐蚀态金相照片(100倍)；图9为本发明对比例7基体组织腐蚀态金相照片(100倍)；具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员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与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置。此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。实施例1本发明提供了一种铸态混合基体qt500-14球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：s1、原材料投入质量百分比如下：生铁：60～80％，废钢：5～20％，回炉料：5～20％，电解铜板：0.1～0.2％，纯镍板：0.3～0.4％。具体地，所用生铁为q10球铁用生铁，包括以下质量百分比的成分：c：4.3～4.5％，si：0.8～0.9％，mn＜0.1％，p＜0.04％，s＜0.02％；所述废钢为优质碳素废钢，包括以下质量百分比的成分：c：0.1～0.15％，si：0.2～0.4％，mn：1～1.3％，p＜0.03％，s＜0.02％。生铁和废钢在使用前均需经过抛丸处理表面铁锈和其它杂质。s2、铁液熔炼：先在熔化包内加入废钢、生铁和回炉料，待废钢、生铁和回炉料全部熔化后加入电解铜板，熔化过程温度控制在1350～1390℃，熔体出炉温度控制在1470～1500℃。s3、球化包内熔体处理：将铁水表面的熔渣处理干净，然后将出炉的铁水全部冲入球化包内，进行球化和包内孕育。在球化包最底部的一侧放入质量百分比为0.8～1.5％的zfcr-7型含稀土球化剂，稀土球化剂包括以下质量百分比的成分：re：0.8～1.2％，mg：6.7～7.3％，si：38～42％，al：＜1％，ca：适量，粒度为10～30mm。在zfcr-7型含稀土球化剂的金属颗粒上部均匀覆盖质量百分比为0.4～0.7％的cbsalloy型硅钡钙孕育剂，cbsalloy型硅钡钙孕育剂的粒度为3～10mm，包括以下质量百分比的成分：ca：0.5～2.5％，si：65～72％，al：＜1.5％，ba:4～6％。将球化包内颗粒舂实，然后用球铁薄板盖住。其中，zfcr-7型含稀土球化剂、cbsalloy型硅钡钙孕育剂的质量百分比均为相对于球化包内铁水总质量的百分比。球化包具体地采用堤坝式处理包，球化反应时间控制在20～30秒，球化处理温度为1470～1500℃。球化反应结束后，取样检测，控制球化后的铁水包括以下质量百分比的成分：c:3.5～3.8％，si:2.5～2.8％，mn＜0.3％，cu:0.1～0.2％，ni：0.3～0.4％，p＜0.02％，s＜0.02％，mg：0.04～0.07％，re:0.01～0.02％，余量为fe和不可避免的杂质。反应完毕后，向球化包内铁水撒上除渣剂迅速除渣，将铁水表面的熔渣拔干净。s4、浇注：将球化包内的铁水转入浇注场地进行浇注，铁水浇注温度为1400～1430℃，浇注时在浇口杯上方随铁水加入质量百分比为0.05～0.15％的锶硅随流孕育剂，其粒度为0.2～0.8mm。从球化结束到浇注完毕，时间在控制在8min以内。s5、过滤：采用泡沫陶瓷过滤器对铁水进行过滤处理，泡沫陶瓷过滤器的材质为zro2、sic、al2o3或由zro2、sic和al2o3混合组成，混合组成中zro2、sic和al2o3的质量百分比含量依次为80～65％、10～25％、10～25％。泡沫陶瓷过滤器的孔径为5～10ppi，具体尺寸为80mm×80mm×30mm。该泡沫陶瓷过滤器放置在横浇道两侧。s6、砂型保温：保温12小时后落砂开箱。在步骤s5和s6之间，还包括单铸y型试块的步骤，y型试块的尺寸按照gb/t1348-2009球墨铸铁件有关规定执行。将单铸y型试块进行解剖，取其芯部位置加工成拉伸试棒、金相试样、成分分析试样，进行化学成分、金相组织和力学性能检验。上述制备的单铸试块化学分析结果如表1所示，铸态金相组织检验结果如表2所示，结合图1可知，本实施例制备的球墨铸铁的球化级别为2级，石墨球大小6级(在100×下观察，石墨长度＞3～6mm)，球化率≥90％，基体组织为珠光体5～20％，铁素体75～85％。本实施例制备的铸态混合基体qt500-14球墨铸铁性能测试如表3所示，测试结果表明，本实施例的单铸试块力学性能达到rm≥500mpa、rp0.2≥380mpa、a≥14％，各项性能满足设计要求。实施例2实施例2涉及一种铸态混合基体qt500-14球墨铸铁的制备方法，该实施例与实施例1的区别在于：实施例2中将cu元素质量百分比控制范围为0.05～0.1％。本实施例在球化反应结束后，取样检测，控制球化后铁液成分：c：3.5～3.8％，si:2.5～2.8％，mn＜0.3％，cu:0.05～0.1％，ni：0.3～0.4％，p＜0.02％，s＜0.02％，mg：0.04～0.07％，re:0.01～0.02％，余量为fe和不可避免的杂质。上述制备的单铸试块化学分析结果如表1所示，铸态金相组织检验如表2所示，结合图2可知，其球化级别为2级，石墨球大小7级(在100×下观察，石墨长度＞1.5～3mm)，球化率≥90％，基体组织为珠光体5～15％，铁素体75～90％。本实施例制备的一种铸态混合基体qt500-14球墨铸铁性能测试如表3所示，测试结果表明，将cu和ni元素质量百分比控制范围分别控制在0.05～0.1％时，本实施例的单铸试块力学性能也能稳定达到rm≥500mpa、rp0.2≥380mpa、a≥14％，各项性能满足设计要求。对比例1对比例1涉及一种铸态混合基体qt500-14球墨铸铁的制备方法，该对比例与实施例1的区别在于：对比例1中不加入ni合金元素。本对比例在球化反应结束后，取样检测，控制球化后铁液成分：c：3.5～3.8％，si:2.5～2.8％，mn＜0.3％，cu:0.1～0.2％，p＜0.02％，s＜0.02％，mg：0.04～0.07％，re:0.01～0.02％，余量为fe和不可避免的杂质。上述制备的单铸试块化学分析结果如表1所示，铸态金相组织检验如表2所示，结合图3可知，其球化级别为2级，石墨球大小6级(在100×下观察，石墨长度＞3～6mm)，球化率≥90％，基体组织为珠光体10～25％，铁素体70～85％。本对比例制备的铸态混合基体qt500-14球墨铸铁性能测试如表3所示，测试结果表明，与实施例相比，本对比例制备的球墨铸铁材料的抗拉强度和屈服强度显著降低，仅抗拉强度和延伸率满足设计要求，屈服强度低于设计要求。对比例2对比例2涉及一种铸态混合基体qt500-14球墨铸铁的制备方法，该对比例与实施例1的区别在于：对比例2将ni元素的质量百分比控制在0.1～0.2％。本对比例在球化反应结束后，取样检测，控制球化后铁液成分：c：3.5～3.8％，si:2.5～2.8％，mn＜0.3％，cu:0.1～0.2％，ni：0.1～0.2％，p＜0.02％，s＜0.02％，mg：0.04～0.07％，re:0.01～0.02％，余量为fe和不可避免的杂质。上述对比例制备的单铸试块化学分析结果如表1所示，铸态金相组织检验如表2所示，结合图4可知，其球化级别为2级，石墨球大小7级(在100×下观察，石墨长度＞1.5～3mm)，球化率≥90％，基体组织为珠光体20～35％，铁素体60～75％。本对比例制备的铸态混合基体qt500-14球墨铸铁性能测试如表3所示，测试结果表明，与实施例1相比，本对比例制备的球墨铸铁材料的屈服强度低于实施例1和对比例1，仅抗拉强度和延伸率满足设计要求，综合力学性能远低于设计要求。对比例3对比例3涉及一种铸态混合基体qt500-14球墨铸铁的制备方法，该对比例与实施例2的区别在于：对比例3中将ni元素的质量百分比控制在0.05～0.1％。本对比例在球化反应结束后，取样检测，控制球化后铁液成分：c：3.5～3.8％，si:2.5～2.8％，mn＜0.3％，cu:0.05～0.1％，ni：0.05～0.1％，p＜0.02％，s＜0.02％，mg：0.04～0.07％，re:0.01～0.02％，余量为fe和不可避免的杂质。上述对比例制备的单铸试块化学分析结果如表1所示，铸态金相组织检验如表2所示，结合图5可知，其球化级别为2级，石墨球大小6级(在100×下观察，石墨长度＞3～6mm)，球化率≥90％，基体组织为珠光体25～35％，铁素体60～70％。本对比例制备的铸态混合基体qt500-14球墨铸铁性能测试如表3所示，测试结果表明，与实施例2相比，本对比例制备的球墨铸铁材料的抗拉强度和屈服强度低于实施例2，仅抗拉强度和延伸率满足设计要求，但其综合力学性能远低于设计要求。对比例4对比例4涉及一种铸态混合基体qt500-14球墨铸铁的制备方法，该对比例与实施例1、实施例2的区别在于：对比例4中，为降低生产成本，选择不加入ni元素，仅通过提高mn元素和cu元素含量来调整基体组织，改善力学性能。mn元素的质量百分比范围为0.5～0.6％，cu元素质量百分比范围为0.2～0.3％。本对比例在球化反应结束后，取样检测，控制球化后铁液成分：c：3.5～3.8％，si:2.5～2.8％，mn:0.5～0.6％，cu:0.2～0.3％，p＜0.02％，s＜0.02％，mg：0.04～0.07％，re:0.01～0.02％，余量为fe和不可避免的杂质。上述对比例制备的单铸试块化学分析结果如表1所示，铸态金相组织检验如表2所示，结合图6可知，其球化级别为2级，石墨球大小6级(在100×下观察，石墨长度＞3～6mm)，球化率≥90％，基体组织为珠光体35～45％，铁素体50～60％。本对比例制备的铸态混合基体qt500-14球墨铸铁性能测试如表3所示，测试结果表明，与实施例1和实施例2相比，本对比例制备的球墨铸铁材料的抗拉强度和屈服强度远高于实施例2，分别为rm≥700mpa、rp0.2≥450mpa，但其延伸率急剧降低，其综合力学性能远低于设计要求。对比例5对比例5涉及一种铸态混合基体qt500-14球墨铸铁的制备方法，该对比例与实施例1、实施例2的区别在于，对比例5中不加入cu合金元素。本对比例在球化反应结束后，取样检测，控制球化后铁液成分：c：3.5～3.8％，si:2.5～2.8％，mn＜0.3％，ni：0.3～0.4％，p＜0.02％，s＜0.02％，mg：0.04～0.07％，re:0.01～0.02％，余量为fe和不可避免的杂质。上述对比例制备的单铸试块化学分析结果如表1所示，铸态金相组织检验如表2所示，结合图7可知，其球化级别为2级，石墨球大小6级(在100×下观察，石墨长度＞3～6mm)，球化率≥90％，基体组织为珠光体25～35％，铁素体60～70％。本对比例制备的铸态混合基体qt500-14球墨铸铁性能测试如表3所示，测试结果表明，与实施例1和实施例2相比，本对比例制备的球墨铸铁材料的抗拉强度和屈服强度低于实施例1和实施例2，仅抗拉强度和延伸率满足设计要求，但其综合力学性能低于设计要求。对比例6对比例6涉及一种铸态混合基体qt500-14球墨铸铁的制备方法，该对比例与实施例1的区别在于：对比例6中使用常规含稀土球化剂(高、中稀土的镁合金球化剂)。本对比例在球化反应结束后，取样检测，控制球化后铁液成分：c：3.5～3.8％，si:2.5～2.8％，mn＜0.3％，cu:0.1～0.2％，ni：0.3～0.4％，p＜0.02％，s＜0.02％，mg：0.04～0.07％，re:0.01～0.02％，余量为fe和不可避免的杂质。上述制备的单铸试块化学分析结果如表1所示，铸态金相组织检验如表2所示，结合图8可知，其球化级别为3级，石墨球大小5～6级(在100×下观察，石墨长度＞3～4mm)，球化率≥85％，基体组织为珠光体5～15％，铁素体75～90％。本对比例制备的一种铸态混合基体qt500-14球墨铸铁性能测试如表3所示，测试结果表明，使用高、中镁高稀土球化剂后，金相组织中石墨球大小等级、球化级别和形貌发生显著改变，组织形貌变差，金相组织不能满足设计要求。对比例7对比例7涉及一种铸态混合基体qt500-14球墨铸铁的制备方法，该对比例与实施例1的区别在于：对比例7中使用普通常规硅钡钙孕育剂，普通常规硅钡钙孕育剂含ca:0.7～2.0％。本对比例在球化反应结束后，取样检测，控制球化后铁液成分：c：3.5～3.8％，si:2.5～2.8％，mn＜0.3％，cu:0.1～0.2％，ni：0.3～0.4％，p＜0.02％，s＜0.02％，mg：0.04～0.07％，re:0.01～0.02％，余量为fe和不可避免的杂质。上述制备的单铸试块化学分析结果如表1所示，铸态金相组织检验如表2所示，结合图8可知，其球化级别为3级，石墨球大小5～6级(在100×下观察，石墨长度＞3～4mm)，球化率≥85％，基体组织为珠光体5～15％，铁素体75～90％。本对比例制备的一种铸态混合基体qt500-14球墨铸铁性能测试如表3所示，测试结果表明，使用普通常规硅钡钙孕育剂后，金相组织中单位面积上石墨球数量和形貌发生显著改变，组织形貌变差，金相组织不能满足设计要求。表1表2表3项目编号抗拉强度mpa屈服强度mpa延伸率％硬度hbw实施例1545/525390/37517/17180实施例2545/575380/40518.5/14.5181对比例1515/520360/36516.5/16.5185对比例2530/540355/36017.5/18188对比例3540/530365/36516/15.5190对比例4755/735470/4607/7195对比例5520/525360/35514.5/14185对比例6525/515370/37516/15182对比例7535/520370/37415.5/15.5183以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。当前第1页12