一种高强韧耐磨球墨铸铁及其制备工艺和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种高强韧耐磨球墨铸铁及其制备工艺和应用，在制备过程中合理控制了C、Si、Mn、P、S等各成分的含量，并在合适的时机加入适量的接种剂和球化剂，将终Si含量控制为2.7~2.9%，使石墨形态为A型，尺寸为7~8级，并均匀分布且球化率达到90%以上，基地组织更加致密，优化了铸件的抗拉强度达到700MPa以上，使其更好地适用于高性能曲轴。

【技术实现步骤摘要】
一种高强韧耐磨球墨铸铁及其制备工艺和应用
本专利技术涉及一种石墨铸铁，具体涉及一种高强韧耐磨球墨铸铁及其制备工艺和应用；属于石墨铸铁

技术介绍
随着人们对汽车使用性能的要求不断提高，汽车动力也不断增强，曲轴的旋转是发动机的动力源。曲轴作为承接连杆的上下(往复)运动变成循环(旋转)运动的重要部件，现有技术中的曲轴材料是由碳素结构钢或球墨铸铁制成的，有两个重要部位:主轴颈和连杆颈，主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，是一个典型的曲柄滑块机构。随着汽车动力的增强，曲轴也需要承受更大的交变载荷，因而对曲轴材料的强韧性和可靠性也提出了更高的要求。根据铸铁中石墨的形态，可将灰铸铁分为：普通灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁以及蠕墨铸铁。球墨铸铁是20世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢，正是基于其优异的性能，已成功地用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。球墨铸铁已迅速发展为应用十分广泛的铸铁材料，所谓"以铁代钢"，主要指球墨铸铁。球墨铸铁是通过球化和孕育处理得到球状石墨，有效地提高了铸铁的机械性能，特别是提高了塑性和韧性，从而得到比碳钢还高的强度。其中的石墨形态和石墨球的尺寸等级对于材料的力学性能有至关重要的影响，因此，有必要对球墨铸铁的基地组织进行优化以期获得性能更佳的材料。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的目的之一在于提供一种高强韧耐磨球墨铸铁，另一目的在于提供该高强韧耐磨球墨铸铁的制备工艺，再一目的在于提供该高强韧耐磨球墨铸铁的应用。为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：一种高强韧耐磨球墨铸铁的制备工艺，包括如下步骤：S1、熔料：将球铁返材、废钢加入变频炉内，升温熔炼使变频炉内的物料熔化成铁水，用碳硅仪检测其中的成分含量，再用分光光谱仪检测其他成分的含量，分析结束后断电进行第一次除渣作业，并根据目标值加入SiC和其他合金配料调整成分含量，直至碳硅仪和分光光谱仪检测出铁水成分含量达到目标值；S2、出汤：将铁水包转移至炉前进行出汤作业，控制出汤温度，包内加入接种剂，及加入球化剂进行球化处理，造型后浇注前砂型型内放入孕育块，最终Si含量为2.7～2.9％，浇铸得到高强韧耐磨球墨铸铁铸件，石墨等级为7～8级。优选地，前述的合金配料可根据实际需求灵活选择，包括：Mn、P、S、Cu、Cr、Sn、Sb及Mg中的一种或多种。更优选地，在前述步骤S1中，铁水成分含量的目标值为：，以质量百分比计，C3.3～3.5％，Si1.6～1.8％，Mn0.3～0.5％，P<0.1％，S<0.05％，Cu0.4～0.7％，Cr<0.1％，Sn：0.03-0.06％、Sb：0.003-0.006％，Mg0.03～0.05％，余量为Fe和伴随杂质。C(碳)是成为石墨组织的元素，其含量对于材料的基地组织及石墨形态有重要影响，C含量过高，石墨形态粗大，会降低材料的强度。因此，本专利技术中，C的含量为3.3～3.5％。Si是促进石墨结晶的元素，如果Si含量不够，则不利于高强韧耐磨球墨铸铁的形态稳定，如果Si含量太多，则石墨形状变大，基地组织中的铁素体含量会增加，不利于高强韧耐磨球墨铸铁机械性能的提升，因此，原汤Si含量为1.6％～1.8％。Mn的作用在于稳定珠光体的结构，较佳范围为0.3％～0.5％，避免发生激冷趋势，有效提升硬度和耐磨性。P的含量不应超过0.1％，否则会使基地组织中析出磷化铁，磷化铁是一种硬的物质，导致与铸铁产品配合使用的产品过早磨损。S的含量需要严格控制，S防止石墨球化，S的含量过高则石墨容易成片状，无法获得稳定的高强韧耐磨球墨铸铁，因此，其较佳范围不超过0.05％。Cu是珠光体组织的稳定化元素，对于抗拉强度等机械性能也有影响，其含量为0.4％～0.7％，成本较高，使用量需要控制。Cr的含量为不超过0.1％，在铸铁基材中与碳结合使碳化物析出，通过基材的析出强化使铸铁的机械性能得到优化。Sn的含量为0.03％～0.06％，能够缓和石墨的偏析，且能够防止由内部氧化所致的石墨的氧化脱落。Sb的含量为0.003-0.006％，Sb是球墨铸铁中必然存在的有害元素，因此，应控制在安全比例内(小于0.006％)有益于细化石墨。Mg的含量为0.03～0.05％，这是影响铸件内部缺陷的一个重要因素，控制残镁量对于铸件形状、肉厚有直接影响。优选地，前述步骤S2中，接种剂占铁水质量的0.5％。更优选地，前述步骤S2中，孕育块占铁水质量的0.3％。再优选地，前述接种剂和孕育块的化学成分是一样的，以质量百分比计(接种剂/孕育块的总质量记为100％)，其中含有：Si70～75％，Ba0.5～1.5％，Ca1～3％，Al≤2.5％，余量为Fe和伴随杂质。更优选地，前述球化剂一般来说，占铁水质量的百分比为0.1％左右，在实际生产中可根据Mg0.03～0.05％的要求，检测铁水中实际残镁量进行修正，其中，以质量百分比计(球化剂的总质量记为100％)，含有：Si42～47％，Mg13～17％，Ca4～5％，RE2.7～3.1％，余量为Fe，其中，RE代表镧系稀土元素的总和。本专利技术还公布了一种高强韧耐磨球墨铸铁，采用如前所述的制备工艺制得，该铸铁的抗拉强度达到700MPa，石墨形态A型，石墨尺寸为7～8级，球化率为90％以上。如前所述的一种高强韧耐磨球墨铸铁在曲轴上的应用，具体为：将前述球墨铸铁作为原料，经浇注、洗砂、研磨、清理获得铸件。本专利技术的技术方案具有如下优势：本专利技术中合理控制了C、Si、Mn、P、S等各成分的含量，并在合适的时机加入适量的接种剂和球化剂，将终Si含量控制为2.7～2.9％，使石墨形态为A型，尺寸为7～8级，并均匀分布且球化率达到90％以上，基地组织更加致密，优化了铸件的抗拉强度达到700MPa以上，使其更好地适用于高性能曲轴。本专利技术的材料通过对材质进行改善后，达成了客户对机械性能的高要求，而且可采用成本较低的潮模砂生产线，降低了生产成本和客户的采购成本，提高了市场竞争力。而在传统的曲轴加工中，为达到类似本专利技术产品的高强韧高耐磨性能，一般需要采用铁模覆砂铸造工艺及热处理来使铸件达成性能需求。在模具成本方面至少要投入几十万，远高于本工艺的10万模具成本，铸造过程方面成本高出潮模砂铸造工艺2000元/吨以上。附图说明图1是现有技术中普通球墨铸铁的金相图；图2是本专利技术的一种高强韧耐磨球墨铸铁的金相图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作具体的介绍。对比例1～2和实施例1为各供试材制备过程中，步骤S1中各成分的目标值：表1对比例1～2和实施例1化学组成成分表2对比例1～2和实施例1中接种剂/孕育块的化学组成成分表3对比例1～2和实施例1中球化剂的化学组成成分按表1至表3的化学组成制备本专利技术的球墨铸铁，并铸造成块状供试材，以便进行性能检测，对比例1～2和实施例1的制备工艺相同，区别在于制备过程中对于成分的控制不同，均包括如下步骤：S1、熔料：将球铁返材、废钢加入变频炉内，升温熔炼使变频炉内的物料熔化成铁水，用碳硅仪检测其中的成分含量，再用分光光谱仪检测其他成分的含量，分析结束后断电进行第一次除渣作业，并根据各实施例的目标值(见表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强韧耐磨球墨铸铁的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：S1、熔料：将球铁返材、废钢加入变频炉内，升温熔炼使变频炉内的物料熔化成铁水，用碳硅仪检测其中的成分含量，再用分光光谱仪检测其他成分的含量，分析结束后断电进行第一次除渣作业，并根据目标值加入SiC和其他合金配料调整成分含量，直至碳硅仪和分光光谱仪检测出铁水成分含量达到目标值；S2、出汤：将铁水包转移至炉前进行出汤作业，控制出汤温度，在转包时加入接种剂，同时在型腔内加入孕育块，并加入球化剂进行球化处理，最终Si含量为2.7～2.9％，石墨等级为7～8级。

【技术特征摘要】
1.一种高强韧耐磨球墨铸铁的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：S1、熔料：将球铁返材、废钢加入变频炉内，升温熔炼使变频炉内的物料熔化成铁水，用碳硅仪检测其中的成分含量，再用分光光谱仪检测其他成分的含量，分析结束后断电进行第一次除渣作业，并根据目标值加入SiC和其他合金配料调整成分含量，直至碳硅仪和分光光谱仪检测出铁水成分含量达到目标值；S2、出汤：将铁水包转移至炉前进行出汤作业，控制出汤温度，在转包时加入接种剂，同时在型腔内加入孕育块，并加入球化剂进行球化处理，最终Si含量为2.7～2.9％，石墨等级为7～8级。2.根据权利要求1所述的一种高强韧耐磨球墨铸铁的制备工艺，其特征在于，所述合金配料包括：Mn、P、S、Cu、Cr、Sn、Sb及Mg中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的一种高强韧耐磨球墨铸铁的制备工艺，其特征在于，所述步骤S1中，铁水成分含量的目标值为：，以质量百分比计，C3.3～3.5％，Si1.6～1.8％，Mn0.3～0.5％，P<0.1％，S<0.05％，Cu0.4～0.7％，Cr<0.1％，Sn：0.03-0.06％、Sb：0...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚剑，
申请(专利权)人：苏州勤美达精密机械有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32