本技术属于球墨铸铁，具体涉及一种球墨铸铁及热处理方法和应用。
背景技术：
1、随着全球清洁能源战略的加速推进，风电装备的大型化与高功率密度化对核心零部件的力学性能提出了更高要求。行星架作为风电齿轮箱的关键承载部件，通常采用球墨铸铁材料，虽具有较好的铸造性能与成本优势，但其性能提升较为困难。
2、目前行星架性能提升主要有以下方式：（1）增加合金元素的使用量，如铜、钼、镍等，仍然采用正火处理，该方式导致材料的成本较高，并且性能提升有限，并且大量使用还对性能存在一定的负面影响；（2）使用等温淬火方法获得等温淬火球墨铸铁（adi材料），但adi材料同样需要加入钼、镍等较昂贵金属，且adi材料还需要等温淬火处理，热处理成本高，且该处理方式较难淬透行星架这一类的厚大铸件，容易导致组织不均匀，性能不合格。
3、因此，开发一种具备优良性能球墨铸铁及相应的热处理方法，协调铸造性能与成本，成为亟需解决的技术问题。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，提供了一种球墨铸铁，该球墨铸铁中珠光体含量高且片层间距更小，能够显著提高疲劳强度、抗拉强度和屈服强度，同时具有成本低廉的优点，使用该球墨铸铁材料制备得到的行星架，可显著提高风电齿轮箱的服役可靠性及降低全生命周期维护成本。
2、根据本技术的一个方面，提供了一种球墨铸铁，所述球墨铸铁以质量份数计，包括c：3.4%-3.8%，si：2.0%-3.0%，mn：≤0.6%，mg：0.03%-0.06%，mo≤0.15%，0.2%≤cu+ni≤1%，稀土re≤0.02%，余量为fe和不可避免的杂质。
3、采用上述组分制备得到的球墨铸铁形成的珠光体含量高且珠光体更细，能够提高球墨铸铁内部的组织均匀性，进而提高其抗拉强度、屈服强度和疲劳强度，同时还能够保持一定的延伸率，便于缓解应力集中，降低铸件突然断裂风险。
4、本技术的球墨铸铁中，除添加的上述元素之外，还可以增加其他金属元素，余量为fe和不可避免的杂质，例如sb、sn，其仍属于本方案的保护范围，并达到相同的技术效果，但是增加新的元素会导致成本增加，可以根据生产需求增加。
5、本技术的球墨铸铁中si：2.0-3.0%，在本技术的热处理方法下，本材料中的si具有抑制珠光体形成的作用；mn和cu和ni具有协同作用，可促进珠光体的形成和珠光体片间距的细化，因此在上述元素的限定下能够促进珠光体的形成，并细化珠光体的平均片间距，从而提升材料的各项性能。由于ni与cu作用机理相似，因此只要保证ni和cu的总含量在上述范围内即可。
6、本技术的球墨铸铁若是mn大于0.6%，铸件容易出现渗碳体，降低产品质量；对于0.5-30吨的行星架而言，若是球墨铸铁中mg低于0.03%，铸件易出现蠕虫状石墨，降低产品性能，若是mg高于0.06%，则铸件容易产生缩松；若是球墨铸铁中mo高于0.15%，由于本方案方法水基正火介质冷速较快，则更容易形成马氏体，难以得到本技术的珠光体含量≥95%的球墨铸铁材料。
7、本技术的球墨铸铁中稀土re元素较低，适用于制备500kg以上的大件，例如大型行星架，若是稀土元素大于0.02%，则在厚大件的制备中，其会促进碎块状石墨的形成，导致球墨铸铁的各项性能下降。
8、上述球墨铸铁的组分配比与加合金方案相比：合金元素直接导致铸件的塑性降低，同时合金元素使得铸件的热传导性能下降，在第二段冷却阶段芯部容易形成粗大珠光体，降低铸件的塑性；且合金元素促进了渗碳体形成，对冷速更加敏感，容易出现应力集中、开裂等问题，无法满足本球墨铸铁的性能要求。本技术的球墨铸铁的组分配比可解决合金元素带来的上述问题，以得到各项性能提升铸件。
9、可选地，所述球墨铸铁以质量份数计，c：3.4%-3.8%，si：2.0%-3.0%，mn：≤0.6%，mg：0.03%-0.06%，mo≤0.15%，cu：0.2-0.8%，ni≤0.2%，稀土re≤0.02%，余量为fe和不可避免的杂质。
10、此处进一步限定了球墨铸铁中cu和ni两种元素的含量，通常而言在厚大件上的产品中，ni含量高则产品性能越好，本技术在后续的热处理方法的限定下，能够在制备相同组织及性能的球墨铸铁材料的基础上，降低ni的含量，从而实现生产成本的下降，利于工业化推广使用。cu的含量若是大于该最高值，会导致石墨形态变差，还会增加成本。
11、可选地，所述球墨铸铁以质量份数计，包括c：3.4-3.8%，si：2.5-3.0%，mn：≤0.6%，mg：0.03%-0.06%，mo≤0.15%，cu：0.2-0.8%，ni≤0.2%，稀土re≤0.02%，余量为fe和不可避免的杂质。
12、上述球墨铸铁中，当si含量为2.5-3.0%范围时，球墨铸铁的疲劳强度进一步提高，可提高至300mpa以上，在该疲劳强度提升下，球墨铸铁的抗变形能力进一步提升，从而进一步延长行星架的使用寿命。
13、可选地，所述球墨铸铁以质量份数计，包括c：3.5-3.7%，si：2.5-3.0%，mn：0.3-0.5%，mg：0.04-0.06%，cu：0.4-0.8%，mo≤0.1%，ni≤0.1%，稀土re≤0.01%，余量为fe和不可避免的杂质。
14、进一步限定下，上述球墨铸铁中使用的硅起到固溶强化作用，形成si-fe相，可起到置换固溶体、强化基体的作用，并与正火介质冷却细化珠光体起到了协同作用，可以进一步提升疲劳性能。si含量大于2.5%的方案相比于si含量低于2.5%的方案，能够进一步提升材料的疲劳强度性能。si低于2.5%时固溶强化作用不明显，疲劳性能提升幅度小，高于3.0%时，可明显抑制珠光体的形成，基体中铁素体含量升高。
15、可选地，所述球墨铸铁至少满足以下条件之一：
16、（c+si/3）=4.23-4.8%；
17、mn+cu≥si/10。
18、上述球墨铸铁中，c和si保持在这一比例时，接近共晶成分，使得球墨铸铁铸件的凝固温度范围变窄，从液相到固相的转变更集中，结晶过程中液相流动性保持时间较长，能更及时地对最后凝固区域进行补缩，并促进球状石墨的析出。球墨铸铁凝固后期，球状石墨析出时会产生较大的体积膨胀，这种膨胀能有效补偿铸件的凝固收缩和固态收缩，减少因收缩产生的孔缩松。故在上述限定下行星架的缩松缺陷小，性能更稳定，若是c和si的含量超出上述范围，则易出现缩松，难以满足正常使用。
19、在该球墨铸铁材料基体形成中，si和mn、cu针对珠光体形成具有相反的作用，为保证珠光体量≥95%，需满足该关系mn+cu≥si/10。随着si含量的提高，对珠光体的抑制能力增强，需要增加促进珠光体的元素mn和cu来抵消si对珠光体的抑制，在该关系式的限定更有利于使得球墨铸铁的珠光体含量、强度和硬度满足要求。
20、可选地，所述球墨铸铁以质量份数计，包括c：3.4%-3.8%，si：2.0%-2.49%，mn：≤0.6%，mg：0.03%-0.06%，mo≤0.15%，0.2%≤cu+ni≤1%，稀土re≤0.02%，余量为fe和不可避免的杂质。
21、上述球墨铸铁中，si含量降低，使得材料的抗拉强度、屈服强度、硬度性能变化不大，但是疲劳性能会降低，对于一些疲劳性能需求不大的产品，可以使用si含量低的方案，以在满足使用需求的情况下降低生产成本。
22、可选地，所述球墨铸铁满足下列条件：
23、硬度为270-320hb；
24、基体中珠光体含量≥95％。
25、可选地，所述球墨铸铁满足下列条件：
26、抗拉强度900mpa以上；
27、应力比r=-1的拉伸-压缩疲劳，平均疲劳强度290mpa以上；
28、屈服强度600mpa以上；
29、任意直径2mm的圆形区域内的珠光体片层间距为30-450nm。
30、本技术的球墨铸铁以珠光体为基体，其含量不低于95%，且珠光体的片层间距较小，证明珠光体更细，能够保证球墨铸铁材料中组织更均匀，以使得该球墨铸铁中抗拉强度、屈服强度和疲劳强度相比于qt700-2明显提升。本技术的球墨铸铁的硬度高、强度高，可承受更高的静态载荷和交变应力，且材料表面具备较强的抗磨损能力，可减少因磨损导致的尺寸失效，故上述性能能够保证该球墨铸铁满足行星架的使用要求。
31、本技术的球墨铸铁限定条件“基体中珠光体的含量”是指珠光体占整体基体的含量，该含量是参考gb/t 9441-2021《球墨铸铁金相检验》标准检测得到的。
32、本技术的球墨铸铁限定条件“任意直径2mm的圆形区域内的珠光体片层间距”中片层间距是指在片状珠光体结构中，相邻两片铁素体或渗碳体中心之间的距离，任意直径2mm的圆形区域的片层间距的测定方法：使用光学显微镜或者扫描电子显微镜，在1000倍以上的放大倍数下，在直径10mm的圆形区域内随机选取n个（n≥10）视场，在视场内寻找疑似为最宽的珠光体片层，每个视场测量10-20个片层，每个视场所测得片层间距的平均值作为该视场珠光体片层间距，将最终得到这n个视场珠光体片层间距再加和求平均，作为该圆形区域的珠光体片层间距。
33、另外，所述球墨铸铁的珠光体中索氏体、屈氏体的占比相比于qt700-2材料也明显上升，索氏体、屈氏体相比于珠光体间距更小，其占比越多则球墨铸铁的强度及硬度越高。
34、参考上面针对片层间距的测试方法，利用该方式能够测试得到本技术的球墨铸铁中，任意两个不同的直径2mm的圆形区域，|a-b|小于等于400nm，a为其中一个直径2mm的圆形区域的珠光体片层间距，b为另一个直径2mm的圆形区域的珠光体片层间距，|a-b|小于等于400nm代表该材料既能够实现珠光体片层间距的降低，又能够提高片层间距的均匀性，从而在宏观上性能更均匀。
35、优选的，|a-b|小于等于300nm，更优选的|a-b|小于等于200nm。
36、可选地，所述球墨铸铁的球化率≥90％。
37、在上述球墨铸铁的生成中，仍能够满足90%以上的球化率，以保证球墨铸铁各项性能的提升，球化率越高则不规则的球墨占比越少，球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、延伸率和疲劳强度等性能越好。
38、可选地，所述球墨铸铁中石墨尺寸为5-8级。
39、在满足上述珠光体形成及球化率的限定下，本技术球墨铸铁中石墨的尺寸为5-8级既能保证一定的强度，避免石墨过大导致基体割裂；又能提供较好的韧性，避免石墨过小而导致膨胀不足，并提高球墨铸铁材料的抗疲劳强度。
40、本技术球墨铸铁基体中除珠光体之外，余量为铁素体或渗碳体。
41、可选地，所述球墨铸铁的铁素体≤4%，所述铁素体分布在石墨球周围或弥散的分布在基体中；
42、所述球墨铸铁的渗碳体≤1%，所述渗碳体弥散的分布在珠光体晶界上。
43、本技术中球墨铸铁除珠光体之外含有铁素体或渗碳体，铁素体的含量越少，则球墨铸铁的强度、硬度越高，且铁素体分布在石墨球周围或弥散的分布在基体中，能够提高铁素体的分散均匀性，避免铁素体团聚集中。渗碳体是高硬度，高脆性的组织，本技术球墨铸铁中控制渗碳体的含量相比于铁素体含量更低，可提高球墨铸铁的延伸率；且渗碳体弥散的分布在珠光体晶界上，能够相比块状的渗碳体，可进一步减少渗碳体对性能的影响，以实现球墨铸铁强度、硬度和延伸率的协同提升。
44、可选地，所述球墨铸铁满足下列条件：
45、延伸率为2%以上。
46、本技术的球墨铸铁的延伸率在2%以上，使材料在过载时能产生一定塑性变形，缓解应力集中，在承受冲击或振动载荷时，可通过微量变形吸收能量，避免因完全脆性破坏导致的行星架失效，降低行星架突然断裂的风险。上述性能使得本技术的球墨铸铁为“高强度+中高硬度+适度韧性”的组合，实现了承载能力、耐磨性能与抗失效能力的协同优化，既适用于重载耐磨工况，又能在复杂应力环境中保持可靠性。同时该球墨铸铁的组分及热处理方法具备方法可控、成本低廉的优势。
47、可选地，所述球墨铸铁满足：延伸率≥（抗拉强度/350）%。
48、上述限定下，抗拉强度的单位为mpa，此处仅采用的是抗拉强度的数值，其mpa的单位并不引入延伸率中。通常而言，球墨铸铁材料的抗拉强度越高，延伸率越低，基于行星架的使用需求，通常会将球墨铸铁材料的抗拉强度提高到越高越好，然而当抗拉强度太高时，延伸率太低，会出现铸件因塑性差在受力过程中脆性断裂的问题。本技术的球墨铸铁珠光体片间距均匀性更好，可以减少球墨铸铁内部缺陷和不均匀性，这些缺陷和不均匀性往往是裂纹萌发的起点，同时本技术球墨铸铁均匀的微观结构能够更有效的分散和承受外部载荷。因此该球墨铸铁可以在强度提升的同时保证延伸率不过分下降，实现抗拉强度和延伸率的双重效果保持。
49、所述球墨铸铁满足：0.6≤屈服强度/抗拉强度≤0.75。
50、本技术的球墨铸铁中屈服强度和抗拉强度的比例会影响到材料的延伸率，若是二者的比值过大，则延伸率会下降，材料脆性高，会因脆性破坏导致的行星架失效，若是二者的比值过小，则材料的延伸率升高。本技术是在提高球墨铸铁屈服强度和抗拉强度的基础上，使得屈服强度和抗拉强度满足上述关系式，以协调球墨铸铁的延伸率，从而显著提高球墨铸铁的抗变形能力。
51、根据本技术的另一个方面，提供了一种得到上述任一项球墨铸铁的热处理方法，包括下述步骤：
52、（1）对采用上述任一项球墨铸铁的成分铸造的铸件进行正火热处理，之后采用水基正火介质冷却；
53、（2）对步骤（1）得到的铸件进行去应力退火处理，降温，即得。
54、在球墨铸铁的组分中，mo的含量低于0.15%的情况下，采用本技术的水基正火介质对铸件进行正火热处理，能够提高基体中珠光体的占比，细化珠光体片间距，协同提高球墨铸铁的各项性能。
55、可选地，正火热处理的温度为870-940℃，时间为2-10h。
56、该正火热处理温度及时间下促进铸件中各个组分的扩散，为珠光体的形成奠定了基础。若是正火热处理温度偏高，则成本会升高，且铸件强度下降，使铸件更易变形；若是正火热处理温度偏低，则基体中形成的珠光体含量下降，难以提升强度、硬度和延伸率；若是正火热处理时间偏短，则铸件各位置温度不均匀，珠光体量不均匀；若是正火热处理时间偏长，则成本高，且铸件更易变形。
57、水基正火介质使用时通常只需要将铸件浸入水基正火介质中对铸件进行冷却即可。而雾冷需要专门的喷雾设备，设备相对复杂，且还需要精准控制喷雾的压力、流量等参数，控制难度相对较大；同时，对于结构复杂或大型铸件，雾冷难以对铸件实现全部覆盖，冷却均匀性差，容易导致铸件变形，该雾冷的方式用在对壁厚差异较大的铸件进行冷却时，会进一步加重铸件的冷却不均匀性，使得铸件更易变形，难以得到理想尺寸的铸件。
58、可选地，正火阶段的升温速度为30-100℃/h。
59、该正火阶段的升温速度为30-100℃，是一个相对缓慢的升温速度，可以确保在升温过程中，铸件不会增加新的残余应力。
60、可选地，水基正火介质的温度为0-80℃。
61、本技术在冷却阶段的水基正火介质的温度低于80℃，该设置能够有效促进水基正火介质与铸件的接触，提高铸件的冷却效率，降低应力产生，同时节约生产成本。
62、可选地，所述水基正火介质冷却中，在第一阶段500-850℃的最大冷速为10-30℃/s，第二阶段500℃以下的最大冷速≤100℃/s。
63、优选的，500℃以下最大冷速不低于10℃/s。
64、上述水基正火介质的冷速为使用冷却特性测试仪测得，具体测试方法为：把测温探头（材质为inconel 600）加热至850℃以上,将其迅速投入600ml以上的水基正火介质（保证测温探头完全没入）中，把测温探头的冷却过程曲线记录下来，或者通过计算机同时以数据处理的方式作出冷却特性曲线。在上述测试方法下，是指在同一介质、连续的冷却过程测试得到的。
65、申请人发现：球墨铸铁铸件芯部的冷却速率并不是由冷却介质直接控制，而是受芯部与铸件表面的热传导控制；常规思路下，控制奥氏体转变珠光体的温度区间的冷速以形成珠光体组织。但大型行星架铸件的壁厚较大，当铸件表面温度低于珠光体转变温度时，实际铸件芯部仍可能高于珠光体转变温度，此时由于表面与周围介质的温差下降，铸件的热量散热困难，该情况下会使得芯部热量向外传导不及时；且常规情况下为避免铸件的开裂，通常会减慢第二阶段冷却速率，该设置会导致铸件芯部珠光体的片层间距粗大，使其整体性能变差。
66、本技术采用上述水基正火介质冷却的冷却速率下，第一阶段下水基正火介质与铸件接触界面形成蒸汽膜，水基正火介质基本不与铸件直接接触，纯对流传热降温，维持最大冷速在10-30℃范围内，可促进珠光体的形成，并降低珠光体的片层间距；该冷速范围促进壁厚较薄部分及表面向珠光体转变，同时避免贝氏体、马氏体的形成，获得细小的珠光体组织，提升强度性能，避免塑性（延伸率）下降。第二阶段的500℃以下，冷却速率能够同样维持在较高水平，优选使400-500℃的冷却速度控制在10-50℃/s，使铸件表面温度与铸件芯部温度保持较大的温度差异，促进芯部向珠光体转变，避免芯部冷却慢，以使得芯部向表面传热量与表面向周围介质散热量一致形成的平台期，促进芯部向珠光体转变，获得细小组织，提升性能；若是第二阶段冷却速率降低，则芯部组织粗大、不均匀，导致球墨铸铁的各项性能下降，尤其是塑性下降。另外，第二阶段中铸件的薄壁部分及表面因已经转变为珠光体，不会向贝氏体或马氏体转变。
67、由此，对于行星架产品厚度差异大（壁厚最小可能到10mm，最大在200mm以上，甚至可能达到300mm），上述水基正火介质冷却条件，可保证在铸件的内外部均可以获得致密的珠光体组织，提升性能的同时避免了塑性的过分降低。
68、第一阶段冷速相比于风冷、空冷方式具有冷却速度快的特点，其能够降低珠光体片间距的原因在于：在珠光体转变过程中，碳原子需要扩散来形成渗碳体和铁素体，因此第一阶段的冷速快，碳原子扩散时间短，为了在有限时间内完成转变，珠光体片层只能以较小的间距形成，以满足碳原子的扩散距离和转变的动力学要求。然而第二阶段的冷速不易过快，否则在产品铸造时会存在较大的残余应力，导致铸件开裂，难以继续使用。
69、可选地，按质量份数计，所述水基正火介质包括70~99份的水、0.5~30份增稠剂。
70、上述水基正火介质中增稠剂的加入能够提高水基正火介质的粘度，进而影响水基正火介质冷却过程，上述增稠剂的份数可保证水基正火介质的冷却效果。在水份数不变的情况下，若是增稠剂的使用量变小，则对铸件的冷却速率不符合限定的要求，铸件的各项性能下降；增稠剂的加入份数越多，则水基正火介质的浓度越高，第一阶段和第二阶段的降温速率越慢，若是增稠剂加入量过高，会导致成本升高且降温的冷速过慢，导致球墨铸铁的各项性能均下降。
71、可选地，所述增稠剂选自聚丙烯酰胺、海藻酸钠、聚乙烯醇、聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠中的至少一种。
72、可选地，所述水基正火介质还包括0.1~1份的防腐剂和0.1~1份的防锈剂。防腐剂的加入能够减轻水基正火介质的腐败变质，其加入量过高则导致成本升高，加入量过低则防腐效果不好，水基正火介质的使用寿命降低；防锈剂的加入能够防止热处理后铸件表面生锈，其加入量过高则导致成本升高，加入量过低则导致铸件的防锈效果变差。
73、可选地，所述水基正火介质包括75-85份水、5-8份聚丙烯酰胺、3-7份海藻酸钠、7-9份聚乙烯醇、0.5-0.9份防腐剂、0.6-0.9份防锈剂。
74、可选地，所述聚丙烯酰胺的分子量为1000万-5000万，所述海藻酸钠的分子量为5万-25万，所述聚乙烯醇的分子量为10万-30万。
75、本技术水基正火介质中防腐剂和防锈剂的缺少并不影响介质冷却速率，从而不会影响产品的性能，若是不添加防腐剂和防锈剂，仅可能会导致铸件后期易生锈及降低水基正火介质的使用寿命。
76、可选地，所述防腐剂包括苯甲酸钠、山梨酸钾、尼泊金酯中的至少一种。
77、可选地，所述防锈剂包括亚硝酸钠、硼酸三乙醇胺中的至少一种。
78、可选地，去应力退火处理的温度为530-590℃，保温时间为2-20h。
79、本技术的水基正火介质冷却的第二阶段冷却速率较快，该冷却方式相比于普通的风冷，引入的残余应力要高，因此本技术的去应力退火处理的温度及时间设置在上述范围内，可消除掉水基正火介质冷却的第二阶段引入的应力，并维持珠光体组织的结构。若是去应力退火处理的温度低于530℃，会导致球墨铸铁残余应力消除不完全，若是去应力退火处理的温度高于590℃会导致珠光体分解，因此去应力退火处理的温度过高或过低均会降低球墨铸铁的各项性能。
80、可选地，去应力退火后在降温速度≤60℃/h下将炉内温度降至≤300℃，出炉进行空冷。
81、将去应力退火处理之后的降温速度设置的较慢，可确保降温过程中不产生残余应力，并进一步消除水基正火冷却阶段产生的应力，以提高球墨铸铁的各项性能。
82、根据本技术的再一个方面，提供了上述任一项所述的球墨铸铁或上述任一项所述的热处理方法制备得到的球墨铸铁在行星架中的应用。
83、本技术的有益效果包括但不限于：
84、1．根据本技术的球墨铸铁，通过组分优化及热处理方法优化，可使得抗拉强度、屈服强度相比于原有qt700-2球墨铸铁提升，满足行星架的更高使用标准。
85、2．根据本技术的球墨铸铁，基体中珠光体的含量高，且其形成的珠光体更细，该球墨铸铁的组织均匀性更好，可实现力学性能及力学性能均匀性的双重提升。
86、3．根据本技术的球墨铸铁，该材料可用于制备吨位为0.5-30吨的行星架，该行星架壁厚≥10mm时仍能满足基体中珠光体含量≥95％，降低球墨铸铁试块与行星架的性能差异性，提高该球墨铸铁制备得到的行星架的使用寿命。
87、4．根据本技术的球墨铸铁的热处理方法，通过采用水基正火介质冷却并控制冷却速率，能够促进球墨铸铁中珠光体的形成及片层间距的缩小，以细化球墨铸铁组织，实现球墨铸铁各项性能的提升。