一种球墨铸铁及其制备方法与流程

本发明涉及金属铸造，具体公开一种球墨铸铁及其制备方法。

背景技术：

1、球墨铸铁因其制造和经济方面的优势，同时具有强度较高、韧性好、耐磨性能好等优良的综合性能，用它代替碳钢、合金钢等作为一种优良的工程材料，广泛用于内燃机曲轴、齿轮、连杆、壳体，以及铸管等重要零部件上。但是，随着发动机功率的不断提高，对相关设备和零件的性能要求也有一定的提升，一些在高速、高压、高温等特殊环境条件下工作的零件，往往会因为特殊的环境造成加速损坏，严重的甚至使设备报废，造成巨大的损失。目前，传统的汽车底盘、拖拉机地盘用传动轴、差速器壳和支架等主要采用的qt500-7，但是其容易出现开裂现象，从而造成后续使用过程中强度降低、韧性下降，极大地缩短使用寿命。因此，提供一种兼具高强度、高韧性以及高球化率的球墨铸铁的制备方法具有重要意义。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种球墨铸铁及其制备方法，本发明提供的球墨铸铁采用低碳-低硅的设计思路，并通过添加锰、铜、钒、铌、铝、锆和镁元素，并调整微量元素的用量，达到了复合强化的作用，进一步提高球墨铸铁的强度、韧性以及球化效果，极大地改善了现有球墨铸铁综合性能差的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

3、本发明第一个方面提供一种球墨铸铁，以质量百分含量计，由以下化学成分组成：c：2.7%-3.1%，si：1.8%-2.2%，mn：0.36%-0.4%，cu：0.32%-0.38%，v：0.13%-0.16%，nb：0.16%-0.22%，al：3.1%-3.5%，zr：0.15%-0.18%，mg：0.04%-0.06%，p≤0.03%，s≤0.02%，余量为fe和不可避免的杂质。

4、相对于现有技术，本发明提供的球墨铸铁的成分，在一定程度上降低了碳和硅元素的含量，同时解决了碳含量过高会导致石墨漂浮且会降低球墨铸铁的力学性能的问题，以及硅含量过高容易造成韧性和强度下降的问题；但是，降低碳含量和硅含量可能会造成球墨铸铁出现缩孔、疏松等缺陷，从而影响石墨的分布和球化以及球墨铸铁的力学性能；对此，发明人通过大量的研究，通过添加合金元素锰、铜、钒、铌、铝、锆和镁元素来提高球墨铸铁的韧性和强度，且还能进一步提高铸件的球化率和球化级别；具体的，适量的锰元素能提高球墨铸铁中珠光体的稳定性，促进（fe，mn）3c形成，进而有利于球墨铸铁兼具优异的韧性和高强度；铜元素的引入能降低奥氏体共析转变过程中碳原子的扩散速度，促进珠光体的生成并细化珠光体，还能从固溶体中沉淀出来，强化金属基体，从而提高抗拉强度，还能通过细化石墨球，使球墨圆整，提高球化率和球化级别，还能通过降低碳化物在晶界上的偏析程度，使球墨铸铁的韧性有进一步的提高；本发明通过控制铜和锰的添加量，二种元素在球墨铸铁中共同发挥作用，极大地提高球墨铸铁的韧性和强度；特定含量的钒元素在球磨铸铁中一部分以碳氮化钒形式存在，其分布于晶界处，在一定程度上提高球墨铸铁的强度和硬度；铌元素的加入能细化铁素体晶粒，提高金属基体的韧性，还能促进石墨球的形成，增加石墨球的圆整度，进而提高球化率，铌元素在球墨铸铁中还能通过降低奥氏体像珠光体转变的温度，提高珠光体的形成，提高球墨铸铁的强度和硬度，铌还可以降低碳在奥氏体中扩散速度，提高球墨铸铁的韧性；铝元素可以与铁元素形成较强的化学键，以提高球墨铸铁的强度和硬度，铝元素还能细化铁素体晶粒，降低碳化物含量，提高球墨铸铁的韧性，铝元素进一步还能促进石墨球的形成，增加石墨球的圆整度，进一步提高球化率；锆元素能与铁元素形成更多的液态金属表面张力，有利于石墨的异向性生长，提高球化率，锆元素还能通过提高液态金属粘度，有利于球墨铸铁形成密实的铸态组织，进而提高球墨铸铁的强度和韧性；镁元素的添加有利于奥氏体向铁素体转变，降低残留奥氏体，进而提高球墨铸铁的韧性，镁元素还能通过使碳化物在晶界上析出，提高球墨铸铁的韧性，研究发现，通过添加一定含量的镁元素，还可以在一定程度上提高球化效果；本发明进一步选择铝、锆和镁元素，并限定三种元素的添加量，通过三种元素相互配合，协同作用，提高了球墨铸铁的硬度、强度、韧性以及球化率，使制备的球墨铸铁具有优异的力学性能。

5、本发明提供的球墨铸铁，采用低碳-低硅的设计思路，并通过添加锰、铜、钒、铌、铝、锆和镁元素，并调整微量元素的用量，达到了复合强化的作用，进一步提高球墨铸铁的强度、韧性以及球化效果，极大地改善了现有球墨铸铁综合性能差的问题。

6、本发明第二个方面提供上述球墨铸铁的制备方法，包括如下步骤：

7、s1、将原料于1520℃-1630℃下进行熔炼，得铁液；

8、s2、于1510℃-1540℃下对所述铁液进行球化处理，得球化铁液；

9、s3、于1480℃-1500℃下将第一孕育剂加入所述球化铁液中，然后随流加入第二孕育剂，于1520℃-1580℃下孕育40s-50s，得孕育铁液；

10、s4、于1420℃-1480℃下将所述孕育铁液浇注到模具中，以30℃/h-35℃/h的降温速率冷却至室温，得球墨铸铁铸件；

11、s5、在惰性氛围下，将所述球墨铸铁铸件于900℃-950℃下进行第一次退火，然后于800℃-830℃下进行第二次退火，得所述球墨铸铁。

12、本发明提供的球墨铸铁的制备方法，于特定的温度下进行球化处理，有利于使铁液凝固过程中析出的石墨由片状变为球状，提高石墨的圆整度和数量，进而有利于提高球墨铸铁的强度和塑性；进一步，本发明还限定了两次孕育，在特定的温度下进行第一次孕育，可以促进石墨化，提高石墨球的圆整度、球数、球径以及石墨球间距离，通过改善石墨的形态和分布，增加共晶团数目，提高球墨铸铁的强度，在特定的温度下进行第二次孕育，有助于石墨球更加均匀、细小和致密，进而提高铸件的强度和韧性，并提高铸件的球化率和球化级别；本发明分别于特定的温度下进行两次孕育，有效的优化了石墨的形态和分布，提高了铸件的强度和韧性；s4中，特定的冷却速率有利于获得更细小的晶粒结构，提高铸件强度；本发明进一步对球墨铸铁铸件进行两次退火处理，其中，第一次退火的温度比较高，能够消除铸造应力并促进石墨球化，第二次退火相对于第一次退火温度低，有利于调整组织，细化晶粒，通过限定两次退火温度，能进一步提高球墨铸铁的球化率，从而极大提高球墨铸铁的强度和韧性。

13、示例的，s1中，所述原料为含硫、磷、锰量低的生铁、废钢、回炉料、锰铁、钒铁、硅铝合金、铌单质、碳化锆以及纯铜，配置比例根据原料中元素成分满足球墨铸铁中成分配比即可。

14、优选的，s1中，所述熔炼的时间为60min-70min。

15、优选的，s2中，所述球化处理的时间为40s-50s。

16、优选的，s2中，所述球化处理时，球化剂采用冲入法加入。

17、优选的，s2中，所述球化处理时，球化剂的加入量为铁液质量的0.5%-0.8%。

18、进一步优选的，所述球化剂包括如下重量百分比的成分：mg：5%-7%，si：30%-35%，re：1%-2%，ca：1%-1.2%，余量为铁和不可避免的杂质。

19、优选的球化剂有利于提高球化效果，进而提高球墨铸铁的强度和韧性。

20、优选的，s3中，所述第一孕育剂的加入量为铁液质量的0.2%-0.3%。

21、优选的，s3中，所述第二孕育剂的加入量为铁液质量的0.1%-0.15%。

22、进一步优选的，所述第一孕育剂为75硅铁孕育剂。

23、进一步优选的，所述第二孕育剂为硅锆孕育剂。

24、优选的孕育剂有利于进一步提高球墨铸铁的强度和韧性。

25、进一步优选的，所述硅锆孕育剂的生产厂家为安阳县昌鑫特种合金有限公司。

26、优选的，s4中所述室温得范围为10℃-30℃。

27、优选的，s5中，所述第一次退火的时间为50min-70min。

28、优选的，s5中，所述第二次退火的时间为90min-110min。

29、优选的退火时间能确保温度均匀分布，实现材料的组织调整，进一步提高球墨铸铁的强度和韧性。

30、优选的，s5中，所述第一次退火和第二次退火时的降温速率均为18℃/h-20℃/h。

31、优选的降温速率能避免快速冷却导致的内部应力产生，进一步提高球墨铸铁的韧性和强度。