高塑韧性、耐疲劳球墨铸铁及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种高塑韧性、耐疲劳球墨铸铁及其制造方法，该球墨铸铁疲劳特性优良且强度、塑性、韧性较高，该高塑韧性、耐疲劳球墨铸铁适用范围广、长周期工作可靠性高并且具有低成本优势，特别适用于长时间承受交变载荷的工况，另外，本发明还提供了该高塑韧性、耐疲劳球墨铸铁的制造方法。


背景技术：

2.球墨铸铁由于其本质是铁，但是性能似钢并且成本优势明显，因此，在各类机械的零部件中应用广泛，特别是经常被用于高载荷、交变载荷承载的部件。因此，要求球墨铸铁具有优异的疲劳强度和力学性能，且塑性和韧性也要满足一定的要求。
3.现有技术的普通球墨铸铁通常无法兼顾疲劳性能、强度、塑性和韧性，因此常采用多种元素复合添加到球墨铸铁中改善相应的性能，这样的球墨铸铁不仅生产成本高，并且由于成分复杂，各个元素之间相互影响，容易对球墨铸铁性能带来“此长彼消”式的影响，即强度的提高往往会带来塑性和韧性的下降，而韧性和塑性提高时，强度又难以保证，兼顾各项力学性能球墨铸铁的开发存在较大的技术难度。
4.基于上述认识，本发明提供一种元素设计简单、成本优势明显、强度、塑性、韧性和疲劳特性优异的球墨铸铁。


技术实现要素：

5.本发明提供一种兼顾了强度、塑性、韧性和疲劳特性的球墨铸铁，其成分设计简单，可以在低成本下确保优异的强度、塑性、韧性和疲劳特性，可以适用于桥壳、曲轴、连杆等部件。
6.本发明的技术目的是通过以下手段实现的。
7.本发明提供的一种高塑韧性、耐疲劳球墨铸铁，其化学成分为：c： 3.5-4.2％、si：1.8-2.5％、mn：0.2-0.4％、cu：0.4-0.8％、b：10-50ppm、 mg：0.01-0.08％、re：0.01-0.05％，sn：0.01-0.06％、余量为fe和不可避免的杂质，并且c/10b＝80-360，si/10b＝44-200。
8.下面介绍本发明的成分、含量及比例关系的设计原理。
9.c：碳是构成石墨组织的元素，其有利于改善球墨铸铁的铁水流动性。碳有利于提高强度，碳过高则由于石墨偏析导致强度、韧性、延伸率等性能同时下降，碳过低不仅球墨铸铁的强度得不到保证，且铁水的流动性差，铸造缺陷增多，各项力学性能下降。本发明合适的c含量为3.5-4.2％，优选3.6-4.0％，更优选3.7-3.9％。
10.si：硅是石墨化促进元素，同时也是固溶强化元素，si含量对于铁水的流动性影响也较大，si也可以提高高温抗氧化性能。si含量过低，则球墨铸铁的石墨化效果和强化效果不足，si含量过高则球墨铸铁的塑性、延伸率会显著下降，并且韧性恶化明显，本发明中si的含量限定为 1.8-2.5％，优选为1.9-2.4％，更优选2.0-2.3％。
11.mn：锰可以与硫结合生成mns从而降低杂质硫对球墨铸铁性能的恶化，并且适量的mn对于保证球墨铸铁的强度是有益的，mn过高会导致球墨铸铁的塑性和韧性下降，mn过低则脱硫效果和强化效果不足。本发明中mn的含量设定为0.2-0.4％，优选0.25-0.35％。
12.cu：铜是球墨铸铁桥壳的强化元素，但是会使延伸性能下降。cu过低则强化效果不明显，cu过高则延伸性能恶化严重。本发明中cu的含量限定为0.4-0.8％，优选0.45-0.75％，更优选0.55-0.65％。
13.mg：镁是促进球化的元素，o和s是阻碍石墨球化的杂质，mg能够与o和s反应促进球墨晶化。mg含量过高，容易形成夹杂或者在结晶时析出，导致球墨铸铁变脆，塑性和韧性下降。本发明中mg的含量设置为 0.01-0.08％，优选0.012-0.06％，更优选0.015-0.04％。
14.re：稀土是促进球化的元素，其可以和o、s反应，确保石墨的球化效果，且有助于球形石墨的细化。过高成本上升并增加了制造工艺成本。本发明中稀土含量设置为0.01-0.05％下，优选0.015-0.04％，更优选 0.02-0.035％。
15.sn：sn是增加石墨粒数的元素，可以提高球墨铸铁的球化率，合适的sn含量对于确保球墨铸铁的强度、韧性、延伸率是重要的。添加量过低则促进球化效果不明显，而过高则会导致偏析，严重影响球墨铸铁的各项力学性能。本发明的sn添加量为0.01-0.06％，优选0.012-0.04％。
16.b、c/10b和si/10b：微量的硼能够促进游离碳的存在而降低碳化物的生成量，从而促进石墨化并细化石墨。虽然微量的硼对于提高球墨铸铁的韧性、强度、疲劳强度等均是有利的，且微量的硼能够形成硼碳化物可以有效阻碍疲劳裂纹的扩展从而极大的提高材料的疲劳性能，但是硼碳化物通常呈现连续的网状结构，这种网状结构会导致球墨铸铁的强度、韧性、塑性、疲劳强度等机械性能恶化。本发明的发明人研究发现，通过将c 和b比例范围控制在一定范围内，既能够确保足量游离碳的存在进行石墨化并细化石墨，又能够形成一定量的硼碳化物，而通过控制合理的si 和b的比例范围，可以使硼碳化物以非连续网状的形式存在，避免了其对强度、韧性、疲劳强度、塑性的负面影响。这样在添加微量硼并控制碳、硅与硼比例的基础上，兼顾了球墨铸铁的强度、韧性、塑性和疲劳性能，并且其石墨大小级别达到6-7级，球化级别达到1-2级。为了获得上述效果，本发明的b含量设定为10-50ppm，优选25-45ppm，更优选30-40ppm； c/10b限定为80-360，优选85-150，si/10b限定为44-200，优选50-90。
17.本发明中，作为不可避免的杂质元素，非穷举的可以列举为p、s，二者的含量分别限定为p：0.05％以下、s：0.03％以下，杂质的含量越低越好，但是对原料和冶炼的要求更高，导致成本会上升，综合考虑优选p： 0.03％以下，s：0.02％以下。
18.本发明的球墨铸铁在含有上述元素的基础上，还可以进一步包括v 和/或mo：v和mo均是能够通过形成碳化物而增强球墨铸铁抗拉强度、屈服强度和疲劳特性的元素，但是v或者mo含量过高会导致生成过多的碳化物从而影响石墨的球化效果，并且碳化物的增加会急剧的恶化球墨铸铁的韧性和塑性。由此，控制v和/或mo的添加量为0.01-1％，优选 0.05-0.95％，更优选0.1-0.9％，进一步优选0.2-0.8％，最优选0.3-0.7％。
19.本发明的高塑韧性、耐疲劳球墨铸铁其微观组织基体为珠光体和铁素体，高塑韧性、耐疲劳球墨铸铁的球化等级为1-2级，石墨大小级别为6-7 级。
20.通过成分以及含量和比例关系的优化，所述高塑韧性、耐疲劳球墨铸铁的抗拉强
度为700mpa以上，延伸率11％以上，屈服强度480mpa以上，室温冲击韧性50j/cm2以上，在疲劳寿命周期nf＝107条件下的疲劳极限强度为450mpa以上。
21.另外，作为本发明的另一个方面，本发明还提供前述的高塑韧性、耐疲劳球墨铸铁的制造方法，其包括熔炼、球化、孕育、浇注步骤。
22.本发明的有益效果如下。
23.本发明的高塑韧性、耐疲劳球墨铸铁成分设计简单，通过廉价常用元素si、mn、cu进行强化，并且添加了极微量的b进一步提高球墨铸铁的力学性能。通过控制c与b元素的含量比例关系，确保了b促进石墨化和细化石墨作用充分发挥的同时生成了一定量的硼碳化物，而通过限定 si和b的关系，避免了硼碳化物以连续网状的形式生成，非连续网状形式的硼碳化物并没有对球墨铸铁的各项力学性能产生负面影响，从而确保了微量硼对于球墨铸铁强度、韧性的改善作用，并且非连续网状的硼碳化物对疲劳裂纹的扩展起到阻碍作用，有效发挥了硼碳化物对于提高球墨铸铁疲劳性能的作用，另外，通过添加微量的sn，适合含量的sn可以确保球墨铸铁的塑性、韧性、强度优异。本发明的高塑韧性、耐疲劳球墨铸铁在有效控制成本的同时获得了优异的强度、韧性、塑性、疲劳特性。
具体实施方式
24.为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体的试验例做进行进一步说明。
25.按照设计成分进行球墨铸铁的制造，其中所有的p元素控制在0.025％
±
0.002％即为合格，所有的s元素控制在0.02％
±
0.002％即为合格。具体的制造方法如下。
26.第一步、化学成分设计：按照目标化学成分选择选用含硫、磷、锰量低的生铁、废钢和回炉料等作为原料，并计算各个原料的用量。
27.第二步、中频炉熔炼：采用中频感应电炉将各个组分熔炼成铁液。
28.第三步、球化处理：球化剂采用稀土镁硅球化剂，球化处理方法是采用冲入法进行球化处理。
29.第四步、孕育处理和浇注：在铁水包内采用硅铁孕育剂进行孕育处理；采用砂型铸造，浇注得到高塑韧性、耐疲劳球墨铸铁试验样品。
30.对浇注得到的高塑韧性、耐疲劳球墨铸铁进行化学成分分析，强度、延伸率(塑性)、韧性、疲劳特性的检测同时进行微观组织的观察与分析。化学成分的分析、强度、延伸率(塑性)、韧性性能的测试以及微观组织的观察与分析均参照国家标准gb/t1348-2009及其援引的标准要求进行，疲劳特性参照国家标准gb/t37306-2019及其援引的标准要求进行，疲劳寿命周期为107次。试验编号1-28的球墨铸铁的化学成分的分析结果记录在表1 中，各项力学性能测试及组织观察的结果展示在表2中。
31.表1(各组分均为质量百分比，余量为fe)
[0032][0033][0034]
上述试验例中，编号1-14的成分以及元素比例元素均符合本发明的要求，均是本发明的发明例。15-28的球墨铸铁其成分或者元素比例至少一个不符合本发明的要求，因此，试验例编号15-28是本发明的对比例。
[0035]
表2展示了试验编号15-28的力学性能和微观组织情况。
[0036]
表2
[0037][0038]
下面结合表1的化学成分和表2的力学性能及微观组织作进一步分析说明。
[0039]
表1中编号1-14均是本发明的发明例，其满足本发明对于各元素含量以及比例的要求。各发明例在表2中的力学性能均可以满足抗拉强度 700mpa以上，延伸率11％以上，屈服强度480mpa以上，室温冲击韧性 50j/cm2以上，疲劳强度450mpa以上，微观组织方面，表2中各发明例的球化等级在1-2级，石墨大小级别在6-7级。特别是，对于同时满足 c/10b＝85-150且si/10b＝50-90的发明例2-3、6-7、9、11、14，其疲劳强度可以达到500mpa以上，说明控制合理的c/10b、si/10b在优选范围，对于获得优异的疲劳性能的意义尤为突出。
[0040]
下面结合表1和表2逐一分析本发明的对比例。
[0041]
对比例15是发明例13的对比例，其降低了发明例13中的b含量，导致c/10b高于本发明的要求，然而，由于c/10b过高，其硼碳化物生成量过少，改善力学性能的效果不足，且硼对促进石墨化和细化石墨的作用减弱，最终导致球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、韧性、延伸率、疲劳强度不能符合本发明的要求，并且球化等级和石墨大小级别均无法满足本发明的要求。说明合适的c/10b对于确保球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、延伸率、韧性、疲劳特性、球化率、石墨大小级别是重要的。
[0042]
对比例16是发明例13的对比例，其提高了发明例13中的b含量，导致si/10b低于本发明的要求，然而，虽然b含量的升高对于细化石墨提高石墨大小级别是有利的，但是b含量的升高意味着更多的网状结构的硼碳化物的存在，si对于阻碍连续网状结构的硼碳化物能力有限，连续的网状硼碳化物的存在抵消了b带来的强化作用且进一步恶化了力学性能，导致球墨铸铁的屈服强度、韧性、延伸率、疲劳强度均无法满足本发明的要求，且抗拉强度急剧下降。说明合适的si/10b对于确保球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、延伸率、韧性、疲劳特性是重要的。
[0043]
对比例17是发明例1的对比例，其降低了发明例1中的b含量，导致 si/10b高于本发明的要求，然而，由于si/10b过高，导致si对连续网状硼碳化物的生成能力阻碍效果受限，导致球墨铸铁的屈服强度、韧性、延伸率、疲劳强度均无法满足本发明的要求，抗拉强度也大幅下降。说明合适的si/10b对于确保球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、延伸率、韧性、疲劳特性是重要的。
[0044]
对比例18是发明例1的对比例，其提高了发明例1中的b含量，导致 c/10b低于本发明的要求，然而，虽然b含量的升高对于细化石墨提高石墨大小级别是有利的，但是b含量的升高意味着更多的网状结构的硼碳化物的存在，si对于阻碍连续网状结构的硼碳化物能力有限，连续的网状硼碳化物的存在抵消了b带来的强化作用且进一步恶化了力学性能，导致球墨铸铁的屈服强度、韧性、延伸率、疲劳强度均无法满足本发明的要求，抗拉强度也大幅下降。说明合适的c/10b对于确保球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、延伸率、韧性、疲劳特性是重要的。
[0045]
对比例19是发明例4的对比例，其降低了发明例4中的c含量，虽然其c/10b仍在本发明范围内，但是由于c含量低于本发明的要求，c又是重要的强化元素，c含量过低导致球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度和疲劳强度无法满足本发明的要求，说明控制合适的c含量对于确保球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、疲劳特性是重要的。
[0046]
对比例20是发明例4的对比例，其提高了发明例4中c的含量，虽然其c/10b仍在本发明范围内，但是由于c含量高于本发明的要求，c在强化的同时会降低球墨铸铁的韧性和延伸率，c含量过高导致球墨铸铁的延伸率、韧性无法满足发明要求，且由于c含量升高，导致球化级别和石墨大小级别虽然在本发明要求范围内，但是也相对于发明例4降低，说明控制合适的c含量对于确保球墨铸铁的延伸率、韧性、球化级别、石墨大小级别是重要的。
[0047]
对比例21是发明例9的对比例，其降低了发明例9中的si含量，虽然其si/10b仍在本发明范围内，但是由于si含量低于本发明的要求，si强化元素，si含量过低导致球墨铸铁的屈服强度、疲劳强度、无法满足发明要求，抗拉强度也大幅下降，说明控制合适的si含量对于确保球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、疲劳强度是重要的。
[0048]
对比例22是发明例9的对比例，其提高了发明例9中的si含量，虽然其si/10b仍在本发明范围内，但是由于si含量高于本发明的要求，si在强化的同时会降低球墨铸铁的韧性和延伸率，si含量过高导致球墨铸铁的延伸率、韧性无法满足发明要求，说明控制合适的si含量对于确保球墨铸铁的延伸率、韧性是重要的。
[0049]
对比例23是发明例10的对比例，其降低了发明例10的si含量，虽然 si仍在本发明范围内，但是si/10b低于本发明的要求，然而，过低的si/10b (即b相对含量较高)对于阻碍连续网状结构的硼碳化物能力有限，连续的网状硼碳化物的存在恶化了力学性能，导致球
墨铸铁的屈服强度、韧性、延伸率、疲劳强度均无法满足本发明的要求，且抗拉强度急剧下降。说明合适的si/10b对于确保球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、延伸率、韧性、疲劳特性是重要的。
[0050]
对比例24是发明例10的对比例，其降低了发明例10的c含量，虽然 c仍在本发明范围内，但是c/10b低于本发明的要求，然而，虽然c/10b 较低(即b相对含量较高)对于细化石墨提高石墨大小级别是有利的，但是b相对含量的升高意味着更多的网状结构的硼碳化物的存在，si对于阻碍连续网状结构的硼碳化物能力有限，连续的网状硼碳化物的存在恶化了力学性能，导致球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、韧性、延伸率、疲劳强度均无法满足本发明的要求。说明合适的c/10b对于确保球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、延伸率、韧性、疲劳特性是重要的。
[0051]
对比例25是发明例3的对比例，其降低了发明例3中的b含量，导致 b低于本发明的要求而c/10b、si/10b均高于本发明的要求，b过低导致 c/10b过高，b生成硼碳化物减少使强化效果下降且促进石墨化和细化石墨效果降低，b过低导致si/10b过高，导致si对连续网状硼碳化物的生成能力阻碍效果受限，导致球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、韧性、延伸率、疲劳强度不能符合本发明的要求，并且球化等级和石墨大小级别均无法满足本发明的要求。说明合适的b、si/10b、c/10b对于确保球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、延伸率、韧性、疲劳特性、球化率、石墨大小级别是重要的。
[0052]
对比例26是发明例3的对比例，其提高了发明例3中的b含量，导致 b高于本发明的要求而c/10b、si/10b均低于本发明的要求；b含量过高导致c/10b和si/10b过低，b含量的升高意味着更多的网状结构的硼碳化物的存在，si对于阻碍连续网状结构的硼碳化物能力有限，连续的网状硼碳化物的存在抵消了b带来的强化作用且进一步恶化了力学性能，导致球墨铸铁的屈服强度、韧性、延伸率、疲劳强度均无法满足本发明的要求，抗拉强度也大幅下降。说明合适的b、c/10b、si/10b对于确保球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、延伸率、韧性、疲劳特性是重要的。
[0053]
对比例27是发明例2的对比例，其降低了发明例2中的sn含量，由于sn含量过低，其促进石墨球化的效果下降，导致球墨铸铁的韧性和延伸率无法满足本发明的要求，抗拉强度、屈服强度、疲劳强度、球化级别虽然能够符合发明要求，但是也有所下降。说明合适的sn含量对于确保球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、延伸率、韧性、疲劳特性、球化级别是重要的。
[0054]
对比例28是发明例8的对比例，其提高了发明例8中的sn含量，由于sn含量过高，其在球墨铸铁凝固过程中出现偏析，严重影响球墨铸铁的各项力学性能，导致球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、韧性、延伸率、疲劳强度均无法满足本发明的要求。说明合适的sn含量对于确保球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、延伸率、韧性、疲劳特性是重要的。
[0055]
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
[0056]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对于这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将
不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。