CN105886892B - 曲轴用墨铸铁的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及球墨铸铁领域，具体涉及一种曲轴用墨铸铁的制备方法，所述曲轴用球墨铸铁中各元素成分的质量百分比为：C：3.6‑3.8％，Si：1.9‑2.2％，Mn：0.4‑0.6％，Cu：0.4‑0.7％，Mg：0.03‑0.035％，Sn：0.02‑0.03％，Ni：0.04‑0.06％，Ge：0.005‑0.015％，Sb：0.004‑0.005％，P：≤0.03％，S：≤0.01％，余量为Fe；制备方法主要步骤包括原料熔炼、球化处理及孕育处理、热处理。本发明通过合理配置各元素成分，所制得的曲轴用球墨铸铁具有高强度、高韧性，而且具有较高的刚性及耐磨性，提高了曲轴的承载能力和可靠性，使用寿命延长，同时通过优化制备方法降低了生产成本，提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及球墨铸铁领域，具体涉及一种曲轴用墨铸铁的制备方法。
背景技术
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。球墨铸铁是从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仅次于灰铸铁的、应用十分广泛的铸铁材料。所谓“以铁代钢”，主要指球墨铸铁。
曲轴是发动机的关键部件之一，曲轴在工作时承受大的负荷和不断变化的弯矩及扭矩作用，曲轴的强度和刚度对发动机的可靠性有决定性影响。曲轴常见的失效形式有强度值不足导致的疲劳断裂及硬度值低造成的磨损。因此，要求曲轴材质具有较高的刚性和疲劳强度以及良好的耐磨性能。随着球墨铸铁技术的发展，其性能也在不断提高，优质廉价的球墨铸铁已成为制造曲轴的重要材料之一。现有的球墨铸铁曲轴存在突出的问题在于不能在保证高强度的同时兼有高的韧性，所以现有的球墨铸铁曲轴的制造材料本身的特性成为制约高速化、高功率化，实现节能减排发展目的的首要因素。中国专利CN 103388112 A公开了一种“球墨铸铁曲轴的组份及其生产方法”，所述球墨铸铁具有很好的强度及韧性，而在制备高强度高韧性的球磨铸铁的同时，控制生产成本也成为亟需解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种曲轴用球墨铸铁的制备方法，所述曲轴用球墨铸铁具有高强度、高韧性，同时具有较高的刚性及耐磨性。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种曲轴用球墨铸铁，其各元素成分的质量百分比为：C：3.6-3.8％，Si：1.9-2.2％，Mn：0.4-0.6％，Cu：0.4-0.7％，Mg：0.03-0.035％，Sn：0.02-0.03％，Ni：0.04-0.06％，Ge：0.005-0.015％，Sb：0.004-0.005％，P：≤0.03％，S：≤0.01％，余量为Fe。
优选地，所述曲轴用球墨铸铁中各元素成分的质量百分比为：C：3.7％，Si：2.1％，Mn：0.5％，Cu：0.55％，Mg：0.03％，Sn：0.025％，Ni：0.05％，Ge：0.01％，Sb：0.0045％，P：≤0.03％，S：≤0.01％，余量为Fe。
曲轴用球墨铸铁的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)原料熔炼：将生铁、优质碳素结构废钢依次加入中频感应电炉中进行溶化，熔炼过程中保证铁水温度为1450-1500℃，然后再将备好的铜锭、镍锭加入炉内，检测铁水中各元素的含量，并调整各元素含量至符合配方要求，随后进行脱硫处理；
(2)球化处理及孕育处理：将稀土镁合金球化剂及增碳剂进行粉碎后混合均匀，加入到球化包内，使用盖包法进行球化处理，然后进行随流孕育，完成孕育处理，浇注；
(3)热处理：A、正火：将铸造成型的球墨铸铁在温度800-820℃下出壳后进行自动旋转喷雾冷却；B、淬火：将冷却后的铸件加热至900-940℃，保温2-3h后，以18-22℃/s的速度降温至400-450℃，再于400-450℃下保温1-2h后，放入250-300℃的盐浴中，保温1-1.5h，再空冷至室温，得所述曲轴用球墨铸铁。
优选地，所述步骤(1)中生铁和优质碳素结构废钢的重量比为1-3:10-12。
优选地，所述球化剂的加入量为铁水总重量的1.1-1.2％。
优选地，所述孕育剂中各元素成分的质量百分比为：Si：40-48％，Ca：2-3％，Ba：0.2-0.4％，Mn：4-5％，Sn：0.4-0.6％，余量为铁。
本发明的有益效果为：本发明将增碳剂放在密封球化包内，球化剂遇高温铁水产生大量镁蒸气，包内压力瞬间上升，形成正压无氧状态，可防止氧化过多而出现增碳效果不明显和铸件碳含量不够的情况，大幅度减少了生铁用量。而使用盖包法进行球化处理，防止了镁的氧化烧损，球化质量稳定可控，同时减少球化剂用量。在配方中加入锗与镍，可增加球墨铸铁的刚性、强度及韧性。将锡配制到孕育剂中，不仅充分发挥了锡的合金化作用，又强化了孕育效果，同时改变了铜的组织偏析状态，使元素在材料基体内的分布更加均匀。本发明先采用正火得到主要含珠光体的球墨铸件，再经过特殊淬火后使球墨铸件的强度、韧性及耐磨性较传统工艺都有进一步的提高。本发明通过合理配置各元素成分，所制得的球墨铸铁具有高强度、高韧性，而且具有较高的刚性及耐磨性，提高了曲轴的承载能力和可靠性，使用寿命延长，同时通过优化制备方法降低了生产成本，提高了生产效率。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术解决方案，实施例不能理解为是对技术解决方案的限制。
实施例1：
一种曲轴用球墨铸铁，其各元素成分的质量百分比为：C：3.7％，Si：2.1％，Mn：0.5％，Cu：0.55％，Mg：0.03％，Sn：0.025％，Ni：0.05％，Ge：0.01％，Sb：0.0045％，P：≤0.03％，S：≤0.01％，余量为Fe。
曲轴用球墨铸铁的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)原料熔炼：将生铁、优质碳素结构废钢依次加入中频感应电炉中进行溶化，熔炼过程中保证铁水温度为1500℃，然后再将备好的铜锭、镍锭加入炉内，检测铁水中各元素的含量，并调整各元素含量至符合配方要求，随后进行脱硫处理；
(2)球化处理及孕育处理：将铁水总重量1.1％的稀土镁合金球化剂及增碳剂进行粉碎后混合均匀，加入到球化包内，使用盖包法进行球化处理，然后进行随流孕育，完成孕育处理，浇注；
(3)热处理：A、正火：将铸造成型的球墨铸铁在温度820℃下出壳后进行自动旋转喷雾冷却；B、淬火：将冷却后的铸件加热至900℃，保温3h后，以22℃/s的速度降温至400℃，再于400℃下保温1h后，放入300℃的盐浴中，保温1h，再空冷至室温，得所述曲轴用球墨铸铁。
所述步骤(1)中生铁和优质碳素结构废钢的重量比为1:12。
所述孕育剂中各元素成分的质量百分比为：Si：40％，Ca：3％，Ba：0.4％，Mn：4％，Sn：0.6％，余量为铁。
实施例2：
一种曲轴用球墨铸铁，其各元素成分的质量百分比为：C：3.8％，Si：1.9％，Mn：0.6％，Cu：0.4％，Mg：0.035％，Sn：0.02％，Ni：0.06％，Ge：0.005％，Sb：0.005％，P：≤0.03％，S：≤0.01％，余量为Fe。
曲轴用球墨铸铁的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)原料熔炼：将生铁、优质碳素结构废钢依次加入中频感应电炉中进行溶化，熔炼过程中保证铁水温度为1450℃，然后再将备好的铜锭、镍锭加入炉内，检测铁水中各元素的含量，并调整各元素含量至符合配方要求，随后进行脱硫处理；
(2)球化处理及孕育处理：将铁水总重量1.2％的稀土镁合金球化剂及增碳剂进行粉碎后混合均匀，加入到球化包内，使用盖包法进行球化处理，然后进行随流孕育，完成孕育处理，浇注；
(3)热处理：A、正火：将铸造成型的球墨铸铁在温度800℃下出壳后进行自动旋转喷雾冷却；B、淬火：将冷却后的铸件加热至940℃，保温2h后，以18℃/s的速度降温至450℃，再于450℃下保温2h后，放入250℃的盐浴中，保温1.5h，再空冷至室温，得所述曲轴用球墨铸铁。
所述步骤(1)中生铁和优质碳素结构废钢的重量比为3:10。
所述孕育剂中各元素成分的质量百分比为：Si：48％，Ca：2％，Ba：0.2％％，Mn：5％，Sn：0.4％，余量为铁。
实施例3：
一种曲轴用球墨铸铁，其各元素成分的质量百分比为：C：3.6％，Si：2.2％，Mn：0.4％，Cu：0.7％，Mg：0.03％，Sn：0.03％，Ni：0.04％，Ge：0.015％，Sb：0.004％，P：≤0.03％，S：≤0.01％，余量为Fe。
曲轴用球墨铸铁的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)原料熔炼：将生铁、优质碳素结构废钢依次加入中频感应电炉中进行溶化，熔炼过程中保证铁水温度为1480℃，然后再将备好的铜锭、镍锭加入炉内，检测铁水中各元素的含量，并调整各元素含量至符合配方要求，随后进行脱硫处理；
(2)球化处理及孕育处理：将铁水总重量1.15％的稀土镁合金球化剂及增碳剂进行粉碎后混合均匀，加入到球化包内，使用盖包法进行球化处理，然后进行随流孕育，完成孕育处理，浇注；
(3)A、正火：将铸造成型的球墨铸铁在温度800℃下出壳后进行自动旋转喷雾冷却；B、淬火：将冷却后的铸件加热至920℃，保温3h后，以20℃/s的速度降温至420℃，再于420℃下保温1.5h后，放入280℃的盐浴中，保温1h，再空冷至室温，得所述曲轴用球墨铸铁。
所述步骤(1)中生铁和优质碳素结构废钢的重量比为1:11。
所述孕育剂中各元素成分的质量百分比为：Si：45％，Ca：2.5％，Ba：0.3％，Mn：4％，Sn：0.6％，余量为铁。
实施例4：
一种曲轴用球墨铸铁，其各元素成分的质量百分比为：C：3.6％，Si：1.9％，Mn：0.6％，Cu：0.6％，Mg：0.035％，Sn：0.03％，Ni：0.04％，Ge：0.01％，Sb：0.004％，P：≤0.03％，S：≤0.01％，余量为Fe。
曲轴用球墨铸铁的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)原料熔炼：将生铁、优质碳素结构废钢依次加入中频感应电炉中进行溶化，熔炼过程中保证铁水温度为1450℃，然后再将备好的铜锭、镍锭加入炉内，检测铁水中各元素的含量，并调整各元素含量至符合配方要求，随后进行脱硫处理；
(2)球化处理及孕育处理：将铁水总重量1.15％的稀土镁合金球化剂及增碳剂进行粉碎后混合均匀，加入到球化包内，使用盖包法进行球化处理，然后进行随流孕育，完成孕育处理，浇注；
(3)A、正火：将铸造成型的球墨铸铁在温度820℃下出壳后进行自动旋转喷雾冷却；B、淬火：将冷却后的铸件加热至900℃，保温2.5h后，以18℃/s的速度降温至400℃，再于400℃下保温1-2h后，放入250℃的盐浴中，保温1.5h，再空冷至室温，得所述曲轴用球墨铸铁。
所述步骤(1)中生铁和优质碳素结构废钢的重量比为2:12。
所述孕育剂中各元素成分的质量百分比为：Si：48％，Ca：3％，Ba：0.2％，Mn：4％，Sn：0.6％，余量为铁。
实施例5：
一种曲轴用球墨铸铁，其各元素成分的质量百分比为：C：3.8％，Si：2.2％，Mn：0.5％，Cu：0.6％，Mg：0.035％，Sn：0.02％，Ni：0.06％，Ge：0.015％，Sb：0.0045％，P：≤0.03％，S：≤0.01％，余量为Fe。
曲轴用球墨铸铁的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)原料熔炼：将生铁、优质碳素结构废钢依次加入中频感应电炉中进行溶化，熔炼过程中保证铁水温度为1460℃，然后再将备好的铜锭、镍锭加入炉内，检测铁水中各元素的含量，并调整各元素含量至符合配方要求，随后进行脱硫处理；
(2)球化处理及孕育处理：将铁水总重量1.1％的稀土镁合金球化剂及增碳剂进行粉碎后混合均匀，加入到球化包内，使用盖包法进行球化处理，然后进行随流孕育，完成孕育处理，浇注；
(3)A、正火：将铸造成型的球墨铸铁在温度810℃下出壳后进行自动旋转喷雾冷却；B、淬火：将冷却后的铸件加热至940℃，保温3h后，以22℃/s的速度降温至450℃，再于450℃下保温1h后，放入300℃的盐浴中，保温1.5h，再空冷至室温，得所述曲轴用球墨铸铁。
所述步骤(1)中生铁和优质碳素结构废钢的重量比为1:10。
所述孕育剂中各元素成分的质量百分比为：Si：40％，Ca：2％、Ba：0.34％，Mn：5％，Sn：0.5％，余量为铁。
性能测试：对由实施例1-5所制得的曲轴用球墨铸铁进行性能测试，经检测，本发明曲轴用球墨铸铁的抗拉强度为920-940MPa，屈服强度为615-625MPa，延伸率为5-7％，韧性为39-42J/cm2，球化等级为1-2级。
Claims (5)
1.一种曲轴用球墨铸铁的制备方法，其特征在于，其各元素成分的质量百分比为：C：3.6-3.8％，Si：1.9-2.2％，Mn：0.4-0.6％，Cu：0.4-0.7％，Mg：0.03-0.035％，Sn：0.02-0.03％，Ni：0.04-0.06％，Ge：0.005-0.015％，Sb：0.004-0.005％，P：≤0.03％，S：≤0.01％，余量为Fe；
其制备方法具体包括以下步骤：
(1)原料熔炼：将生铁、优质碳素结构废钢依次加入中频感应电炉中进行熔化，熔炼过程中保证铁水温度为1450-1500℃，然后再将备好的铜锭、镍锭加入炉内，检测铁水中各元素的含量，并调整各元素含量至符合配方要求，随后进行脱硫处理；
(2)球化处理及孕育处理：将稀土镁合金球化剂及增碳剂进行粉碎后混合均匀，加入到球化包内，使用盖包法进行球化处理，然后进行随流孕育，完成孕育处理，浇注；
(3)热处理：A、正火：将铸造成型的球墨铸铁在温度800-820℃下出壳后进行自动旋转喷雾冷却；B、淬火：将冷却后的铸件加热至900-940℃，保温2-3h后，以18-22℃/s的速度降温至400-450℃，再于400-450℃下保温1-2h后，放入250-300℃的盐浴中，保温1-1.5h，再空冷至室温，得所述曲轴用球墨铸铁。
2.根据权利要求1所述的曲轴用球墨铸铁的制备方法，其特征在于，其各元素成分的质量百分比为：C：3.7％，Si：2.1％，Mn：0.5％，Cu：0.55％，Mg：0.03％，Sn：0.025％，Ni：0.05％，Ge：0.01％，Sb：0.0045％，P：≤0.03％，S：≤0.01％，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的曲轴用球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中生铁和优质碳素结构废钢的重量比为1-3:10-12。
4.根据权利要求1所述的曲轴用球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述球化剂的加入量为铁水总重量的1.1-1.2％。
5.根据权利要求1所述的曲轴用球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述孕育剂中各元素成分的质量百分比为：Si：40-48％、Ca：2-3％，Ba：0.2-0.4％，Mn：4-5％，Sn：0.4-0.6％，余量为铁。
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Denomination of invention: Preparation method of nodular cast iron used for crankshafts Effective date of registration: 20191216 Granted publication date: 20170829 Pledgee: Hanshan Tongda Financing Guarantee Co., Ltd Pledgor: Spheroidal graphite cast-iron factory of Hanshan County Xingda Registration number: Y2019980001069 |
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Date of cancellation: 20211227 Granted publication date: 20170829 Pledgee: Hanshan Tongda Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: HANSHAN COUNTY XINGDA DUCTILE IRON FACTORY Registration number: Y2019980001069 |