用于柴油机机件的QT700-8特种球墨铸铁及制备方法与流程

本发明涉及球墨铸铁领域，具体涉及一种用于柴油机机件的qt700-8特种球墨铸铁及制备方法。

背景技术：

球墨铸铁具有良好的综合力学性能，同时也具有优良的加工切削性能，发展迅猛，应用行业广泛。而且高强度高韧性的球墨铸铁已经代替铸钢，用于制造高性能要求的特殊件。在我国球墨铸铁的国家标准中，现有产品材料牌号qt700-2适用于强度较高的零部件，如柴油机和柴油机的曲轴、凸轮轴、部分磨床、铣床、车床的主轴、小型水轮机主轴等，其所要求的抗拉强度达到700mpa，屈服强度达到420mpa以上，延伸率达到2%以上。在现实生产需求中，亟需一种有效的高强度高延伸率的球墨铸铁材质满足薄壁柴油机机件的制造工艺与使用性能，使得球墨铸铁具有强度的同时还要有高延伸率。申请人在专利号为cn106011602b的发明中提出了一种柴油机用的球墨铸铁及其制备方法，该发明提供的球墨铸铁的球化等级为2级，石墨大小为6级，珠光体≥65％，抗拉强度超过500，屈服强度超过320，延伸率超过7，硬度在160-240之间；该球墨铸铁的微观金相组织结构还有进一步提升的空间，且针对性能要求更高的柴油机机件，该球墨铸铁的硬度和强度有待进一步提高。所以，进一步开发特种球墨铸铁薄壁柴油机显得尤为重要，如何平衡硬度、强度和延伸率之间的关系是一大重点。

技术实现要素：

因此，针对上述问题，本发明提供一种用于柴油机机件的qt700-8特种球墨铸铁、该球磨铸铁的制备方法、以及柴油机机件及制备方法，采用该球墨铸铁材料制作的柴油机机件具有良好的机械性能。本发明通过以下技术方案实现：

一种qt700-8特种球墨铸铁，按质量百分比包括以下化学元素：碳3.60-3.77%、硅2.10-2.30%、锰不大于0.25%、镁0.035-0.055%、磷不大于0.025%、硫不大于0.015%、铜0.70-1.0%、镍0.6-0.9%、锡0.03-0.07%、钛不大于0.02%、稀土元素re不大于0.009%、锑0.03-0.07%，余量为铁。

进一步地，本发明涉及一种qt700-8特种球墨铸铁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

s10：制备原铁水；

s20：对所述原铁水进行脱硫处理并加入熔炼金属进行混合熔炼，得到第一过程铁水，所述熔炼金属包括铜、镍、锡、锑；

s30：对所述第一过程铁水进行球化处理和一次孕育处理，得到第二过程铁水；

s40：对所述第二过程铁水采用倒包孕育法进行二次孕育处理，得到qt700-8特种球墨铸铁。

进一步地，所述获取原铁水为将生铁、废钢、回炉料和硅铁按照生铁60-80%、废钢5-40%、回炉料0-15%、硅铁0-1.5%的质量比混合熔炼。

进一步地，所述熔炼金属包含的铜、镍、锡、锑四种元素的质量相对所述原铁水的质量占比依次为：铜0.70-1.0%、镍0.6-0.9%、锡0.03-0.07%、锑0.03-0.07%。

进一步地，经过所述脱硫处理后，原铁水的含硫量的质量百分比下降到0.015%以下。

进一步地，所述球化处理为在包内加入球化剂，所述球化剂的各化学元素质量占比如下：镁5.9%、稀土元素re0.34%、硅44%、铁49.76%；所述球化剂的粒度为5-32mm，所述球化剂的质量为所述第一过程铁水质量的0.9-1.3%。

进一步地，所述一次孕育处理为在包内加入一次孕育剂，所述一次孕育剂的各化学元素质量占比为：硅72%、钙0.7-1.3%、钡1.6-2.4%、铝0-1.2%，余量为铁；所述一次孕育剂的粒度为3-8mm，所述一次孕育剂的质量为所述第一过程铁水质量的0.2-0.5%。经过一次孕育处理之后，铁水中si、mg的质量百分含量增加量为：si0.50-0.70％、mg0.045-0.055％。

进一步地，所述二次孕育处理为在浇注前倒包加入二次孕育剂，所述二次孕育剂的各化学元素质量占比为：稀土元素re2-3%、硅67-71%、锰5-6%、钙0.5-1%、铝3-4%，余量为铁；所述二次孕育剂的质量为所述第二过程铁水质量的0.2-0.3%。经过二次孕育处理之后，铁水中si的质量百分含量增加量为0.13-0.16％。

进一步地，本发明还涉及一种基于qt700-8特种球墨铸铁的柴油机机件的制备方法，其特征在于，包括：

s10：制备原铁水；

s20：对所述原铁水进行脱硫处理并加入熔炼金属进行混合熔炼，得到第一过程铁水，所述熔炼金属包括铜、镍、锡、锑；

s30：对所述第一过程铁水进行球化处理和一次孕育处理，得到第二过程铁水；

s40：对所述第二过程铁水采用倒包孕育法进行二次孕育处理，得到浇筑铁水；

s50：将所述浇筑铁水在相应的模具中进行浇筑，得到所述柴油机机件。

更进一步地，所述柴油机机件，各化学元素质量百分比如下：碳3.60-3.77%、硅2.10-2.30%、锰不大于0.25%、镁0.035-0.055%、磷不大于0.025%、硫不大于0.015%、铜0.70-1.0%、镍0.6-0.9%、锡0.03-0.07%、钛不大于0.02%、稀土元素re不大于0.009%、锑0.03-0.07%，余量为铁；所述柴油机机件是由所述浇筑铁水在1380-1390℃的条件下浇筑而成。所述柴油机机件的铸件在型内保温时间可达到190h以上，型内温度低于200℃以下开箱。

qt700-8特种球墨铸铁柴油机机件件的铸态组织一般为珠光体和铁素体的混合组织，但若存在大量铁素体，塑性较好，但会造成强度偏低。所以在特种球墨铸铁中要尽量消除铁素体组织，控制其含量在5-10%，且在铸件清理结束后进行去应力退火处理，保证其化学成分的均匀性。所述去应力退火处理具体步骤如下：铸件以小于150℃的温度入炉；以小于100℃/h的加热速率升温到540℃；在525-555℃下保温3-5h；保温结束后控温炉冷，降温速率小于50℃/h，降温到200℃以下时出炉，得到柴油机机件。

化学成分及其含量是影响特种球墨铸铁的性能的决定性因素，决定了特种球墨铸铁的金相组织和力学性能。本发明通过球化处理和两次孕育处理，严格控制硅、镁、钛和磷的含量，在此基础上加入了铜、镍、锡、锑以及稀土元素re以保证球墨铸铁的铸件在高强度的基础上有着较高的塑性，可以更好地应用于柴油机机件，满足其使用性能。

硅和镍是促进石墨化重要元素，增加硅含量会提高强度和延伸率；作为孕育剂对自由石墨形态有重要影响：增加了石墨球数，降低了碳化物的生成倾向。高的镍含量、硅含量会促进碎块状石墨的形成，降低延伸率，在强化铁素体基体的同时，还会使球墨铸铁的低温冲击韧度降低。镁在球墨铸铁中可以保证球化，减少铸件夹杂。因此，本发明提供的qt700-8特种球墨铸铁将硅的质量分数严格控制在2.10-2.30%，镍的质量分数控制在0.6-0.9%；镁的质量分数控制在0.035-0.055%。

磷是有害元素，易在共晶团边界上偏析，生成磷共晶，显著降低球墨铸铁的力学性能；同样的，钛也存在增加铸件脆性、降低强度的不良影响，控制磷和钛的含量，有利于提高铸件性能。综合考虑，本发明提供的qt700-8特种球墨铸铁将磷的质量分数控制在0.025%以下，钛的质量分数控制在0.02%以下。

铜是强烈促进珠光体的元素，降低共晶温度，降低稳态与亚稳态共晶温度之间的距离，对切削性能没有影响，不会增加收缩的倾向；锡也是珠光体强烈促进剂，当质量百分比大于0.15%的时候在胞间结构形成片状石墨，降低延伸率，没有增加收缩的趋势；锑是有效的珠光体化元素，在铸态下能有效提高抗拉强度，有稀土元素re存在时，可以促进球化并细化石墨，稀土元素re可以很好地中和锑的干扰作用，并能缓和锑的剧烈珠光体化能力。

综上所述，本发明相较于现有技术可以具有如下一个或多个优点或有益效果：

1、本发明的qt700-8特种球墨铸铁薄壁柴油机机件的球化率高达95%，球墨铸铁中的球数高达200个/mm²，珠光体含量95%，抗拉强度可达700mpa，屈服强度可达500mpa，延伸率可达8.5%，具有高强度高塑性的力学性能；

2、本发明采用二次孕育处理，并严格控制每一次孕育处理时铁液中硅、镁、钛和磷四种化学成分的含量，并且额外加入了铜、镍、锡、锑以及稀土元素re，以此来提高qt700-8特种球墨铸铁材料中的球化率，同时提高特种球墨铸铁的延伸率，改善特种球墨铸铁中的组织，最终获得具有高强度高塑性优异力学性能的qt700-8特种球墨铸铁；

3、本发明的qt700-8特种球墨铸铁薄壁柴油机机件浇注完成后的铸件需要进行去应力退火热处理，消除铸造应力及成分偏析，使组织更加均匀，提高延伸率；

4、设定合理的化学成分，生产工艺过程参数设定合理，使得生产过程易于控制，成品率高；

6、本发明的qt700-8特种球墨铸铁薄壁柴油机机件高强度及高塑性，能更好的满足使用性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a为对比机件1的金相图；

图1b为腐蚀情况下对比机件1的金相图；

图2a为机件1的金相图；

图2b为腐蚀情况下机件1的金相图；

图3a为机件2的金相图；

图3b为腐蚀情况下机件2的金相图；

图4a为机件3的金相图；

图4b为腐蚀情况下机件3的金相图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明提供的qt700-8特种球墨铸铁针对高强度高塑性的机件要求，通过对于硅、镁、钛和磷含量的严格控制，并且在此基础上加入了铜、镍、锡、锑以及稀土元素re，可以达到对于机件使用性能的要求，下面将结合实施例进行进一步的说明。

【实施例1】

1.原料熔炼：采用冲天炉-电炉双联熔炼方式，按质量份取60份生铁和40份废钢投入冲天炉熔炼，经冲天炉炉前脱硫后获得原铁水，转运至电炉进行成分调整：加入0.7份cu、0.6份ni、0.03份sn和0.03份sb单质混合熔炼，得到第一过程铁水。

2.球化处理和孕育处理：

包内加入球化剂，加入比例为原铁水总重量1.17%，球化剂的粒度为10mm；捣实后包内再加入原铁水总重量0.20%的一次孕育剂，一次孕育剂的粒度为3mm；加入小废钢片覆盖，加入比例为第一过程铁水总重量的0.7%，倒入第一过程铁水，反应时间70s，得到第二过程铁水；

对第二过程铁水进行倒包二次孕育，二次孕育剂的加入量为第二过程铁水总重量的0.3%，得到浇筑铁水。

4.浇筑成型：将浇筑铁水浇筑成柴油机铸件；浇注浇口杯为定量包，浇注工艺温度为1380-1390℃，实际浇注温度为1390℃，铁液充型时间63s。

5.去应力退火热处理：柴油机铸件在砂型内保温处理完毕后，进行退火处理；铸件以150℃的温度入炉；以100℃/h的加热速率升温到540℃；保温4.0h；保温结束后控温炉冷，降温速率50℃/h，降温到150℃以下时，出炉，得到机件1。

【实施例2】

1.原料熔炼：采用冲天炉-电炉双联熔炼方式，按质量份取80份生铁、5份废钢、14份回炉料和1份硅铁投入冲天炉熔炼，经冲天炉炉前脱硫后获得原铁水，转运至电炉进行成分调整：加入1份cu、0.9份ni、0.07份sn和0.07份sb单质混合熔炼，得到第一过程铁水。

2.球化处理和孕育处理：

包内加入球化剂，加入比例为原铁水总重量0.9%，球化剂的粒度为5mm；捣实后包内再加入原铁水总重量0.30%的一次孕育剂，一次孕育剂的粒度为5mm；加入小废钢片覆盖，加入比例为第一过程铁水总重量的0.7%，倒入第一过程铁水，反应时间72s，得到第二过程铁水；

对第二过程铁水进行倒包二次孕育，二次孕育剂的加入量为第二过程铁水总重量的0.2%，得到浇筑铁水。

4.浇筑成型：将浇筑铁水浇筑成柴油机铸件；浇注浇口杯为定量包，浇注工艺温度为1380-1390℃，实际浇注温度为1380℃，铁液充型时间68s。

5.去应力退火热处理：柴油机铸件在砂型内保温处理完毕后，进行退火处理；铸件以120℃的温度入炉；以90℃/h的加热速率升温到540℃；保温3h；保温结束后控温炉冷，降温速率50℃/h，降温到150℃以下时，出炉，得到机件2。

【实施例3】

1.原料熔炼：采用冲天炉-电炉双联熔炼方式，按质量份取70份生铁和20份废钢和10份回炉料投入冲天炉熔炼，经冲天炉炉前脱硫后获得原铁水，转运至电炉进行成分调整：加入0.8份cu、0.7份ni、0.05份sn和0.06份sb单质混合熔炼，得到第一过程铁水。

2.球化处理和孕育处理：

包内加入球化剂，加入比例为原铁水总重量1.3%，球化剂的粒度为32mm；捣实后包内再加入原铁水总重量0.50%的一次孕育剂，一次孕育剂的粒度为8mm；加入小废钢片覆盖，加入比例为第一过程铁水总重量的0.7%，倒入第一过程铁水，反应时间75s，得到第二过程铁水；

对第二过程铁水进行倒包二次孕育，二次孕育剂的加入量为第二过程铁水总重量的0.3%，得到浇筑铁水。

4.浇筑成型：将浇筑铁水浇筑成柴油机铸件；浇注浇口杯为定量包，浇注工艺温度为1380-1390℃，实际浇注温度为1380℃，铁液充型时间60s。

5.去应力退火热处理：柴油机铸件在砂型内保温处理完毕后，进行退火处理；

铸件150℃的温度入炉；以100℃/h的加热速率升温到540℃；保温5h；保温结束后控温炉冷，降温速率50℃/h，降温到150℃以下时，出炉，得到机件3。

对比例为采用现有的qt700-8材料制备的对比机件，其中，对比机件1由市场上销售的qt700-8特种球墨铸铁材料制备得到，对比机件2为采用专利号为cn106011602b的qt700-8特种球墨铸铁制备得到。

检测上述各个机件的机械性能，结果如表1所示：

表1各机件的机械性能测试结果

从表中可以看出，本发明提供的qt700-8特种球墨铸铁材料制备的机件在抗拉强度、屈服强度、硬度上相比于现有材料具备显著的进步，就延伸率而言，对比机件2牺牲了一定的强度达到了高塑性，但是本发明实施例提供的对比机件3作为最优选，在延伸率达到8.8%的情况下，抗拉强度达到了710mpa，屈服强度达到了540mpa，硬度达到了260mpa，是一种具有高强度高塑性的球墨铸铁，且具有非常优异的力学性能。

对机件1-3以及对比机件的金相结构进行观察；用硝酸浓度为4%的硝酸酒精溶液对机件进行10-15s的腐蚀，再用无水乙醇进行清洗，观察腐蚀状态下的金相结构。

图1a为对比机件1放大100倍下的金相图，球化率达到了95%以上，石墨等级为6级；图1b为腐蚀情况下对比机件放大100倍下的金相图，珠光体数量大于85%，铁素体数量约为15%，碳化物数量小于0.5%。

图2a为机件1放大100倍下的金相图，球化率达到了95%以上，石墨等级为6级；图2b为腐蚀情况下机件1放大100倍下的金相图，珠光体数量大于95%，铁素体数量小于5%，碳化物数量小于0.5%。

图3a为机件2放大100倍下的金相图，球化率达到了95%以上，石墨等级为7级；图3b为腐蚀情况下机件2放大100倍下的金相图，珠光体数量大于95%，铁素体数量小于5%，碳化物数量小于0.5%。

图4a为机件3放大100倍下的金相图，球化率达到了95%以上，石墨等级为7级；图4b为腐蚀情况下机件3放大100倍下的金相图，珠光体数量大于95%，铁素体数量小于5%，碳化物数量小于0.5%。

对比机件2的球化等级为2级，石墨大小为6级，珠光体≥65％，上述各机件的金相结构对比结果如表2所示：

表2各机件的金相结构对比结果

本发明实施例提供的qt700-8特种球墨铸铁的珠光体大于95%，达到了一级，石墨大小6-7级，铁素体小于5%，相较于对比机件具有更好的微观结构。综合来看，具有优异的力学性能，能满足柴油机机件的使用性能，并且能够更好地应用在柴油发动机上。

最后应说明的是：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。

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