一种铸态砂型铸造含铌高强高韧球墨铸铁材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铸态砂型铸造含铌高强高韧球墨铸铁材料及其制备方法，该球墨铸铁材料按重量百分比计由如下成分组成：C：3.7％‑3.9％、Si：2.0％～2.5％、Mn：0.2％～0.4％、Nb：0.06％～0.2％、Cu：0.3％～0.6％、Ni：0.3％～0.5％、P≤0.05％、S≤0.02％，余量为Fe。本发明专利技术通过铌微合金化并调整合金的配比，使球化等级达到2～3级，石墨大小5～6级，珠光体含量控制在70～80％之间，球墨铸铁的常温抗拉强度达到700MPa以上，同时其延伸率达到10％以上，具备高强度和高韧性。

A As-cast Sand Mould Casting Nodular Cast Iron with Niobium and High Strength and Toughness and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种铸态砂型铸造含铌高强高韧球墨铸铁材料及其制备方法
本专利技术涉及球墨铸铁及其制备工艺，具体地指一种铸态砂型铸造含铌高强高韧球墨铸铁材料及其制备方法。
技术介绍
球墨铸铁铸件因其强度高、成本相对低廉、铸造工艺性好，既能承受较大的应力，也能适应各种产品结构、形状的要求，因此在汽车上得到普遍应用，尤其是汽车悬架铸件。近年来，商用车朝着重载、低能耗、低排放的方向发展，用户对车辆的经济要求日趋严格，轻量化的需求不断增加，汽车悬架铸件被设计得更轻，承受的结构应力更大，这不仅要求零件具有较高的强度，同时也要具有较好的延伸率。传统的球墨铸铁如QT450-10、QT600-3、QT700-2等牌号，延伸率高则强度偏低，强度高则延伸率下降，因此传统球墨铸铁材料的抗拉强度和延伸率无法同时满足零件设计要求；铸钢件性能优越，但和铸铁件相比，铸钢件重量重且生产成本高，这类材料越来越无法满足产品轻量化和降成本的迫切需求。在这种背景下，开发一种兼具高强度和高韧性的球墨铸铁材料是大势所趋。目前一些高强高韧球墨铸铁材料，其力学性能大多是经过热处理获得的，例如QTD1050-10等奥贝球铁材料是通过等温淬火热处理得到的，这种手段不仅工艺复杂而且增加生产成本。中国专利文献CN104775065A公布了一种高强韧耐磨球铁摇臂及其制备方法，所提供的铁水化学组成及其质量分数为：C：3.45-3.70％，Si：1.30％-1.45％，Mn≤0.20％，Cu：0.15％-0.25％，Nb：0.03％-0.06％，S＜0.04％，P＜0.04％。通过球化、孕育和微合金化处理工艺得到铸件，其中球化剂加入量为1.0-1.2％，球化剂粒度为32mm-45mm，由稀土镁硅铁合金和铜镁合金组成，复合孕育剂的加入量为1.6-1.8％，孕育剂的粒度为20mm-30mm，由硅铁合金和硅钙钡锶铁合金组成，浇注包底部预先加入1.8-2.0％的多元合金变质剂，粒度为12mm-18mm。浇注开箱后，对摇臂进行清砂和打磨后，随炉加热至900-920℃，保温2-3小时后，炉冷至温度为800℃，出炉空冷至温度低于300℃后重新加热至550-620℃回火，保温2-6小时后空冷至室温，得到高强韧耐磨球铁摇臂。然而，该方法采用铸造后进行热处理的方案，增加了工序，提高生产成本。中国专利文献CN108004460A公布了一种高强度高韧性铸态QT800-5球墨铸铁及其生产方法，其化学成分质量百分比为：C：3.4％-3.9％，Si：2.30-3.0％，Mn＜0.30％，P＜0.04％，S≤0.02％，Cu：0.50-1.20％，Ni：0.50-1.50％，Mo＜0.30％，Sn＜0.03％，Sb＜0.02％，Bi＜0.01％。通过熔炼，球化，包内孕育，随流孕育，浇注。然而，该球墨铸铁中Cu、Ni、Mo等贵重合金添加量较高，导致成本高，此外QT800-5延伸率低，拉压疲劳性能散差大，用在悬架铸件上，失效风险较高。中国专利文献CN106811676A(申请号201710003893.9)公布了一种高强度高韧性铸态QT700-10及其生产方法，所述球墨铸铁不含Ni、Mo贵金属，所述的球墨铸铁的化学成分的质量百分比为：C：3.6％-3.8％，Si：2.1-2.7％，P≤0.04％，Mn：0.2％-0.4％，Cu：0.50-1.20％，Cr≤0.05％，Sn：0.013％-0.02％，S：0.006％-0.015％，Mg：0.025％-0.05％，RE≤0.02％，余量为Fe。通过电炉熔炼，球化及三次孕育，浇注后得到球墨铸铁铸件，其中球化剂采用Mg6RE0.5，粒度为5-30mm，包内孕育剂采用Si-Ba合金孕育剂，粒度为1.5-3mm，二次孕育剂成分同包内孕育剂，粒度为1-2mm，三次孕育的随流孕育剂采用Si-Bi孕育剂，粒度为0.2-0.7mm。虽然该球墨铸铁中仅添加了0.50-1.20％的Cu合金，能够制备QT700-10球墨铸铁材料，但难以稳定的控制其强度在700MPa以上，延伸率在10％以上。
技术实现思路
本专利技术的目的就是要提供一种同时具备高强度和高韧性的铸态砂型铸造含铌高强高韧球墨铸铁材料及其制备方法。为实现上述目的，本专利技术所提供的一种铸态砂型铸造含铌高强高韧球墨铸铁材料，按重量百分比计由如下成分组成：C：3.7％-3.9％、Si：2.0％～2.5％、Mn：0.2％～0.4％、Nb：0.06％～0.2％、Cu：0.3％～0.6％、Ni：0.3％～0.5％、P≤0.05％、S≤0.02％，余量为Fe。作为优选实施方式地，所述的铸态砂型铸造含铌高强高韧球墨铸铁材料，按重量百分比计由如下成分组成：C：3.7％-3.8％、Si：2.15％～2.4％、Mn：0.27％～0.34％、Nb：0.06％～0.12％、Cu：0.43％～0.54％、Ni：0.31％～0.41％、P≤0.041％、S≤0.0091％，余量为Fe。作为最佳实施方式地，所述的铸态砂型铸造含铌高强高韧球墨铸铁材料，按重量百分比计由如下成分组成：C：3.7％、Si：2.3％、Mn：0.28％、Nb：0.08％、Cu：0.43％、Ni：0.35％、P：0.036％、S：0.0091％，余量为Fe。本专利技术还提供一种上述的铸态砂型铸造含铌高强高韧球墨铸铁材料的制备方法，包括如下步骤：1)熔炼：将生铁、废钢、回炉料、增碳剂、硅铁、锰铁、铜、镍、铌铁加入熔炼炉进行熔炼，熔炼过程中取样进行化学成分检测，并调整各元素含量直至符合成分要求，铁水出炉温度控制为1490℃～1515℃；2)孕育处理：采用包底冲入法，将孕育剂放置于包底凹坑中，在上面盖一层铁豆，将铁水倒入浇包内进行孕育处理，随后进行喂丝球化处理；3)浇注处理：对浇包内的铁水扒渣后进行浇注，铁水浇注温度控制为1400℃～1420℃，浇注时进行随流孕育。作为优选实施方式地，所述步骤1)中，熔炼温度为1540℃～1560℃。作为优选实施方式地，所述步骤1)中，取样进行化学成分检测前，在铁水表面洒一层集渣剂，再进行扒渣处理。作为优选实施方式地，所述步骤2)中，将铁水倒入浇包内进行孕育处理采用的包内孕育剂为硅钡孕育剂，粒度为4mm～8mm；所述包内孕育剂的加入量为铁水质量的0.3％～0.6％。作为优选实施方式地，所述步骤2)中，喂丝球化处理采用的球化剂为FeSiMg29Re4，球化剂的加入量为铁水质量的0.6％～0.9％。作为优选实施方式地，所述步骤3)中，随流孕育采用的孕育剂为75SiFe，粒度为0.2mm～0.6mm；作为优选实施方式地，所述步骤3)中，所述孕育剂的加入量为铁水质量0.1％～0.4％。本专利技术中各元素的作用：C：对于球墨铸铁，在不引起石墨漂浮的条件下适当提高碳当量，有利于改善流动性和石墨化膨胀补缩。选定碳当量以后，一般采取高碳低硅强化孕育的原则。因此以保证充分石墨化和防止石墨漂浮及改善铸造性能为原则，本专利技术C的范围控制在3.7％-3.9％。Si：强烈促进石墨化元素，Si降低了C在铁中的溶解度，促进C元素生成石墨组织。但随着Si量的增加，基体中铁素体含量逐渐增多，珠光体含量减少，材料力学性能降低。本专利技术中Si的范围控制在2.0％～2.5％。Mn：锰虽然能稳定珠光体，但是对于珠光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铸态砂型铸造含铌高强高韧球墨铸铁材料，其特征在于，按重量百分比计由如下成分组成：C：3.7％‑3.9％、Si：2.0％～2.5％、Mn：0.2％～0.4％、Nb：0.06％～0.2％、Cu：0.3％～0.6％、Ni：0.3％～0.5％、P≤0.05％、S≤0.02％，余量为Fe。

【技术特征摘要】
1.一种铸态砂型铸造含铌高强高韧球墨铸铁材料，其特征在于，按重量百分比计由如下成分组成：C：3.7％-3.9％、Si：2.0％～2.5％、Mn：0.2％～0.4％、Nb：0.06％～0.2％、Cu：0.3％～0.6％、Ni：0.3％～0.5％、P≤0.05％、S≤0.02％，余量为Fe。2.根据权利要求1所述的铸态砂型铸造含铌高强高韧球墨铸铁材料，其特征在于，按重量百分比计由如下成分组成：C：3.7％-3.8％、Si：2.15％～2.4％、Mn：0.27％～0.34％、Nb：0.06％～0.12％、Cu：0.43％～0.54％、Ni：0.31％～0.41％、P≤0.041％、S≤0.0091％，余量为Fe。3.根据权利要求1所述的铸态砂型铸造含铌高强高韧球墨铸铁材料，其特征在于，按重量百分比计由如下成分组成：C：3.7％、Si：2.3％、Mn：0.28％、Nb：0.08％、Cu：0.43％、Ni：0.35％、P：0.036％、S：0.0091％，余量为Fe。4.一种权利要求1或2或3所述的铸态砂型铸造含铌高强高韧球墨铸铁材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)熔炼：将生铁、废钢、回炉料、增碳剂、硅铁、锰铁、铜、镍、铌铁加入熔炼炉进行熔炼，熔炼过程中取样进行化学成分检测，并调整各元素含量直至符合成分要求，铁水出炉温度控制为1490℃～1515℃；2)孕育处理：采用包底冲入法，将孕育剂放置于包底凹坑中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王林，袁福安，康明，涂欣达，晏克春，霍卯田，金通，
申请(专利权)人：东风商用车有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42