一种等温淬火球墨铸铁及其铸造方法

摘要

本发明提供了一种等温淬火球墨铸铁及其铸造方法，涉及金属铸造领域，含有以下重量百分含量的组分：C 3.14‑3.86％、Si 2.32‑2.76％、Mn 0.32‑0.98％、Mg 0.01‑0.04％、Cu 0.45‑0.67％、Ni 0.51‑0.78％、Mo 0.2‑0.4％、Cr 0.15‑0.35％、Sb 0.005‑0.027％、Re 0.025‑0.057％、Ce 0.005‑0.02％、P＜0.05％、S＜0.01％、其余为铁和其他不可避免的杂质，其铸造方法是按重量百分比称取所需原料，熔炼、孕育和球化处理后浇注，铸件经等温淬火得到，本发明制备的等温淬火球墨铸铁的拉伸和屈服强度高，球墨小，球化率和硬度高，耐磨性能强，适用于各类机械铸件。

说明书

技术领域

本发明涉及金属铸造领域，具体涉及一种等温淬火球墨铸铁及其铸造方法。

背景技术

上世纪30年代初，E·S·Davenpon和E·C·Bain在研究钢的冷却速度与性能的关系时，发现钢在奥氏体处理后并经一定温度保持，得到针状铁素体和一定介面上沉淀的碳化物共析组织，具有良好的综合性能。这种组织后来被称为贝氏体。在较低温度保持，形成针状铁素体和铁索体内部一定晶面上沉淀的碳化物的混合物成为下贝氏体。在较高温度保持，形成板条状铁素体和板条周围沉淀的碳化物的混合物组织称为上贝氏体，按现在对贝氏体的分类还有其他各类贝氏体，这种热处理工艺叫做等温淬火，一定成分的球磨铸铁经等温淬火后得到的铸铁材料就是等温淬火球墨铸铁(ADI)。

ADI是近年来国内外一直关注和不断深入研究的一种应用面很广的新型材料。其具有优异的力学性能，如高的韧性、拉伸强度、硬度、断裂韧性、疲劳强度等，优于钢的耐磨性和减震降噪性能。随着现代工业竞争的不断激烈，高性能低成本的材料正是所追求的目标，ADI可以很好地满足要求，并且在许多领域中得到应用，比如，以ADI代替锻钢及铸钢生产汽车零部件，可减重10-30％，降低相对成本15-30％，从源头上大幅度降低汽车噪音，并可以降低能耗、减轻废气排放、提高驱动比。

然而，ADI的生产对铸造和热处理两方面都提出较为严格的要求。在铸造方面，要求有较高的球化率和较合理的金相组织，在热处理方面，要严格控制奥氏体化、等温淬火的温度和保温时间。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种等温淬火球墨铸铁及其铸造方法，使得生产出的球墨铸铁具有高强度和高韧性的同时还具有很高的耐磨性。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种等温淬火球墨铸铁，含有以下重量百分含量的组分：C 3.14-3.86％、Si 2.32-2.76％、Mn 0.32-0.98％、Mg 0.01-0.04％、Cu 0.45-0.67％、Ni 0.51-0.78％、Mo 0.2-0.4％、Cr 0.15-0.35％、Sb 0.005-0.027％、Re 0.025-0.057％、Ce 0.005-0.02％、P＜0.05％、S＜0.01％、其余为铁和其他不可避免的杂质。

优选地，所述等温淬火球墨铸铁含有以下重量百分含量的组分：C 3.72％、Si 2.51％、Mn 0.48％、Mg 0.025％、Cu 0.5％、Ni 0.63％、Mo 0.34％、Cr 0.27％、Sb 0.015％、Re 0.037％、Ce 0.014％、P＜0.05％、S＜0.01％、其余为铁和其他不可避免的杂质。

上述等温淬火球墨铸铁的铸造方法，包括以下步骤：

(1)先将废钢、硅铁、生铁和增碳剂混合加热熔化成铁水，控制铁水的化学成分及各化学成分的重量百分含量；

(2)将铁水温度升高至1450-1480℃时，扒渣，然后依次加入所需量的各组分合金，调整铁液中各元素的含量，升温至1530-1550℃并保温5-10min后出铁；

(3)控制铁水温度在1480-1500℃，将转炉横向放置，将铁水冲入转炉中，当铁水出到一半时将孕育剂随后一半铁水连续地进行添加，搅拌孕育，所述孕育剂的加入量为铁液量的0.04-0.08％；

(4)将转炉直立，采用冲入法球化处理，球化剂的加入量为铁液量的1.5-2.5％，将铁液降温至1360-1400℃，开始浇注，浇注时对砂型模施加震动处理，浇注结束后得到球墨铸铁试样；

(5)将球墨铸铁试样升温至860-890℃进行奥氏体化，保温2-4h后降温至550-580℃，再保温1h后，空冷至室温；再将球墨铸铁试样升温至870-890℃保温2h，然后迅速放入水槽中进行短时间淬火，淬火时间为5s，再将球墨铸铁试样放入盐浴炉中进行等温淬火，等温淬火温度为330-370℃并保温1.5-3h，将等温淬火结束后的球墨铸铁试样以140-160℃/h的速度降温2h，再迅速加热至220℃并保温1h，将保温后的球墨铸铁试样空冷至室温，即可得到所述球墨铸铁。

优选地，所述步骤(3)中的孕育剂为硅锶孕育剂，且所述硅锶孕育剂中Al的重量百分含量应≤0.1％。

优选地，所述步骤(4)中球化剂为钇基重稀土复合球化剂。

优选地，所述步骤(5)中的盐浴炉中的等温淬火介质由55％的亚硝酸钠和45％的硝酸钾组成。

(三)有益效果

本发明提供了一种等温淬火球墨铸铁及其铸造方法，具有以下优点：

(1)控制本发明中C元素的重量百分含量在3.14-3.86％这个范围内可以有效的控制石墨个数及石墨大小，而且可以使铁液更易于流动，增加铁液的充型能力，减少缩松缩孔，提高铸件的致密性；2.32-2.76％的Si可以促进石墨化，又能起到孕育的效果，对铸件的浇注及自补缩都有很大的好处；0.32-0.98％的Mn可以扩大奥氏体区，增强了奥氏体的稳定性；固溶在基体和碳化物中，可以强化基体，提高硬度，提高基体的淬透性；0.2-0.4％的Mo可以强烈提高材料的淬透性，加钼后奥氏体向珠光体转变受阻，并且降低了珠光体的临界温度，在较低温度下进行等温淬火，能够比较容易的得到铁素体组织；0.15-0.35％的Cr可以提高淬透性，同时是碳化物形成元素，在球墨铸铁中，它与碳生成M3C型碳化物可以作为有效的硬质点弥散分布在基体上，提高材料的硬度及耐磨度；0.005-0.02％的Ce能够增加石墨球的个数，降低平均球径，且有效抑制非球状石墨的形成；Re和Sb的协同作用可以细化石墨球且也可以抑制非球状石墨的形成。

(2)使用转炉替代普通的烧包，可以提高球化效果，减少球化剂的使用量，降低生产成本。

(4)浇注时，对砂型模施加震动处理，可以提高材料的致密性，提高ADI的硬度。

(5)控制奥氏体化温度在860-890℃，能有效提高ADI的力学性能，既可以得到单一的奥氏体组织，也可以有效降低碳在奥氏体中的溶解度，防止等温转变得到的贝氏体粗大。

(6)试样水淬时在水中停留时间短，内部温度还很高，此时进行等温淬火，试样内部的奥氏体转变为贝氏体，同时表层马氏体析出碳化物转变为回火马氏体，使得制备得到的ADI在具有高硬度的同时，内部还具有优秀的综合性能。

(7)控制等温淬火时间为1.5-3h，能有效提高ADI的硬度，等温时间过短，则组织中存在大量淬火马氏体，只留下少量下贝氏体和残余奥氏体，等温时间过长，则得到有碳化物析出的上贝氏体，晶粒粗大。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种等温淬火球墨铸铁，含有以下重量百分含量的组分：C 3.72％、Si 2.51％、Mn 0.48％、Mg 0.025％、Cu 0.5％、Ni 0.63％、Mo 0.34％、Cr 0.27％、Sb 0.015％、Re 0.037％、Ce 0.014％、P＜0.05％、S＜0.01％、其余为铁和其他不可避免的杂质。

上述等温淬火球墨铸铁的铸造方法，包括以下步骤：

(1)先将废钢、硅铁、生铁和增碳剂混合加热熔化成铁水，控制铁水的化学成分及各化学成分的重量百分含量；

(2)将铁水温度升高至1470℃时，扒渣，然后依次加入所需量的各组分合金，调整铁液中各元素的含量，升温至1530℃并保温8min后出铁；

(3)控制铁水温度在1500℃，将转炉横向放置，将铁水冲入转炉中，当铁水出到一半时，将Al含量≤0.1％的硅锶孕育剂随后一半铁水连续地进行添加，搅拌孕育，孕育剂的加入量为铁液量的0.08％；

(4)将转炉直立，采用冲入法球化处理，球化剂的加入量为铁液量的1.5％，将铁液降温至1380℃，开始浇注，浇注时对砂型模施加震动处理，浇注结束后得到球墨铸铁试样；

(5)将球墨铸铁试样升温至890℃进行奥氏体化，保温2h后降温至560℃，再保温1h后，放在空气中空冷，再把球墨铸铁试样升温至870℃保温2h，然后迅速将球墨铸铁试样放入水槽中进行短时间淬火，淬火时间为5s，再将球墨铸铁试样放入盐浴炉中进行等温淬火，盐浴炉中的等温淬火介质由55％的亚硝酸钠和45％的硝酸钾组成，等温淬火温度为360℃并保温1.5-3h，将等温淬火结束后的球墨铸铁试样降温，降温速度为140-160℃/h，降温2h，将降温后的球墨铸铁试样再迅速加热至220℃并保温1h，将保温后的球墨铸铁试样空气中自然冷却即可得到所述球墨铸铁。

实施例2：

一种等温淬火球墨铸铁，含有以下重量百分含量的组分：C 3.53％、Si 2.76％、Mn 0.67％、Mg 0.015％、Cu 0.45％、Ni 0.51％、Mo 0.27％、Cr 0.31％、Sb 0.027％、Re 0.057％、Ce 0.017％、P＜0.05％、S＜0.01％、其余为铁和其他不可避免的杂质。

上述等温淬火球墨铸铁的铸造方法，包括以下步骤：

(1)先将废钢、硅铁、生铁和增碳剂混合加热熔化成铁水，控制铁水的化学成分及各化学成分的重量百分含量；

(2)将铁水温度升高至1450℃时，扒渣，然后依次加入所需量的各组分合金，调整铁液中各元素的含量，升温至1540℃并保温10min后出铁；

(3)控制铁水温度在1480℃，将转炉横向放置，将铁水冲入转炉中，当铁水出到一半时，将Al的重量百分含量≤0.1％的硅锶孕育剂随后一半铁水连续地进行添加，搅拌孕育，孕育剂的加入量为铁液量的0.06％；

(4)将转炉直立，采用冲入法球化处理，球化剂的加入量为铁液量的2％，将铁液降温至1360℃，开始浇注，浇注时对砂型模施加震动处理，浇注结束后得到球墨铸铁试样；

(5)将球墨铸铁试样升温至880℃进行奥氏体化，保温3h后降温至550℃，再保温1h后，放在空气中空冷，再把球墨铸铁试样升温至880℃保温2h，然后迅速将球墨铸铁试样放入水槽中进行短时间淬火，淬火时间为5s，再将球墨铸铁试样放入盐浴炉中进行等温淬火，盐浴炉中的等温淬火介质由55％的亚硝酸钠和45％的硝酸钾组成，等温淬火温度为350℃并保温2h，将等温淬火结束后的球墨铸铁试样降温，降温速度为140-160℃/h，降温2h，将降温后的球墨铸铁试样再迅速加热至220℃并保温1h，将保温后的球墨铸铁试样空气中自然冷却即可得到所述球墨铸铁。

实施例3：

一种等温淬火球墨铸铁，含有以下重量百分含量的组分：C 3.14％、Si 2.32％、Mn 0.32％、Mg 0.03％、Cu 0.67％、Ni 0.78％、Mo 0.2％、Cr 0.35％、Sb 0.005％、Re 0.046％、Ce 0.005％、P＜0.05％、S＜0.01％、其余为铁和其他不可避免的杂质。

上述等温淬火球墨铸铁的铸造方法，包括以下步骤：

(1)先将废钢、硅铁、生铁和增碳剂混合加热熔化成铁水，控制铁水的化学成分及各化学成分的重量百分含量；

(2)将铁水温度升高至1480℃时，扒渣，然后依次加入所需量的各组分合金，调整铁液中各元素的含量，升温至1550℃并保温6min后出铁；

(3)控制铁水温度在1490℃，将转炉横向放置，将铁水冲入转炉中，当铁水出到一半时，将Al含量≤0.1％的硅锶孕育剂随后一半铁水连续地进行添加，搅拌孕育，孕育剂的加入量为铁液量的0.04％；

(4)将转炉直立，采用冲入法球化处理，球化剂的加入量为铁液量的2.5％，将铁液降温至1400℃，开始浇注，浇注时对砂型模施加震动处理，浇注结束后得到球墨铸铁试样；

(5)将球墨铸铁试样升温至860℃进行奥氏体化，保温4h后降温至580℃，再保温1h后，放在空气中空冷，再把球墨铸铁试样升温至890℃保温2h，然后迅速将球墨铸铁试样放入水槽中进行短时间淬火，淬火时间为5s，再将球墨铸铁试样放入盐浴炉中进行等温淬火，盐浴炉中的等温淬火介质由55％的亚硝酸钠和45％的硝酸钾组成，等温淬火温度为330℃并保温1.5-3h，将等温淬火结束后的球墨铸铁试样降温，降温速度为140-160℃/h，降温2h，将降温后的球墨铸铁试样再迅速加热至220℃并保温1h，将保温后的球墨铸铁试样空气中自然冷却即可得到所述球墨铸铁。

实施例4：

一种等温淬火球墨铸铁，含有以下重量百分含量的组分：C 3.86％、Si 2.43％、Mn 0.98％、Mg 0.01％、Cu 0.61％、Ni 0.7％、Mo 0.4％、Cr 0.15％、Sb 0.023％、Re 0.025％、Ce 0.02％、P＜0.05％、S＜0.01％、其余为铁和其他不可避免的杂质。

上述等温淬火球墨铸铁的铸造方法，包括以下步骤：

(1)先将废钢、硅铁、生铁和增碳剂混合加热熔化成铁水，控制铁水的化学成分及各化学成分的重量百分含量；

(2)将铁水温度升高至1460℃时，扒渣，然后依次加入所需量的各组分合金，调整铁液中各元素的含量，升温至1530℃并保温5min后出铁；

(3)控制铁水温度在1500℃，将转炉横向放置，将铁水冲入转炉中，当铁水出到一半时，将Al含量≤0.1％的硅锶孕育剂随后一半铁水连续地进行添加，搅拌孕育，孕育剂的加入量为铁液量的0.05％；

(4)将转炉直立，采用冲入法球化处理，球化剂的加入量为铁液量的2.5％，将铁液降温至1390℃，开始浇注，浇注时对砂型模施加震动处理，浇注结束后得到球墨铸铁试样；

(5)将球墨铸铁试样升温至870℃进行奥氏体化，保温2.5h后降温至570℃，再保温1h后，放在空气中空冷，再把球墨铸铁试样升温至870℃保温2h，然后迅速将球墨铸铁试样放入水槽中进行短时间淬火，淬火时间为5s，再将球墨铸铁试样放入盐浴炉中进行等温淬火，盐浴炉中的等温淬火介质由55％的亚硝酸钠和45％的硝酸钾组成，等温淬火温度为370℃并保温3h，将等温淬火结束后的球墨铸铁试样降温，降温速度为140-160℃/h，降温2h，将降温后的球墨铸铁试样再迅速加热至220℃并保温1h，将保温后的球墨铸铁试样空气中自然冷却即可得到所述球墨铸铁。

实施例5：

一种等温淬火球墨铸铁，含有以下重量百分含量的组分：C 3.35％、Si 2.6％、Mn 0.53％、Mg 0.04％、Cu 0.54％、Ni 0.57％、Mo 0.25％、Cr 0.17％、Sb 0.02％、Re 0.04％、Ce 0.018％、P＜0.05％、S＜0.01％、其余为铁和其他不可避免的杂质。

上述等温淬火球墨铸铁的铸造方法，包括以下步骤：

(1)先将废钢、硅铁、生铁和增碳剂混合加热熔化成铁水，控制铁水的化学成分及各化学成分的重量百分含量；

(2)将铁水温度升高至1460℃时，扒渣，然后依次加入所需量的各组分合金，调整铁液中各元素的含量，升温至1550℃并保温7min后出铁；

(3)控制铁水温度在1480℃，将转炉横向放置，将铁水冲入转炉中，当铁水出到一半时，将Al含量≤0.1％的硅锶孕育剂随后一半铁水连续地进行添加，搅拌孕育，孕育剂的加入量为铁液量的0.08％；

(4)将转炉直立，采用冲入法球化处理，球化剂的加入量为铁液量的1.5％，将铁液降温至1380℃，开始浇注，浇注时对砂型模施加震动处理，浇注结束后得到球墨铸铁试样；

(5)将球墨铸铁试样升温至890℃进行奥氏体化，保温3.5h后降温至560℃，再保温1h后，放在空气中空冷，再把球墨铸铁试样升温至870℃保温2h，然后迅速将球墨铸铁试样放入水槽中进行短时间淬火，淬火时间为5s，再将球墨铸铁试样放入盐浴炉中进行等温淬火，盐浴炉中的等温淬火介质由55％的亚硝酸钠和45％的硝酸钾组成，等温淬火温度为370℃并保温2h，将等温淬火结束后的球墨铸铁试样降温，降温速度为140-160℃/h，降温2h，将降温后的球墨铸铁试样再迅速加热至220℃并保温1h，将保温后的球墨铸铁试样空气中自然冷却即可得到所述球墨铸铁。

性能检测：

实施例1-5制备而成的等温淬火球墨铸铁的性能检测结果如表1所示：

表1性能测试

综上，本发明实施例具有如下有益效果：本发明等温淬火球墨铸铁的拉伸和屈服强度高，球墨小，球化率和硬度高，适用于各类机械铸件。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。