專利名稱：一種高強(qiáng)韌twip球墨鑄鐵合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于奧氏體基球墨鑄鐵材料領(lǐng)域，更具體涉及一種高強(qiáng)韌TWIP球墨鑄鐵合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
鑄鐵作為重要的工程結(jié)構(gòu)材料，在機(jī)器制造業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。自上個(gè)世紀(jì) 40年代末球墨鑄鐵的問(wèn)世，鑄鐵的強(qiáng)度和韌性獲得了一定提高，但相對(duì)大多數(shù)金屬材料而 言，鑄鐵及其合金仍呈現(xiàn)較高的脆性。迄今為止可以塑性加工的鑄鐵沒(méi)有，國(guó)內(nèi)外也缺乏 相關(guān)可塑性加工鑄鐵的研究報(bào)道。目前我國(guó)球墨鑄鐵材料GB1348國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有QT400-18、 QT450-10、QT600-3、QT700-2、QT800-2、QT-H185、QT-H200 等。目前世界上的鑄鐵一般都是 不可變形的，由于真正意義上能夠進(jìn)行塑性變形的鑄鐵沒(méi)有，國(guó)內(nèi)外尚缺乏可以加工成板 材、帶材或擠壓、沖壓成型的合金鑄鐵，有關(guān)含石墨的可塑性加工的材料研究也鮮有報(bào)道。 所謂“可鍛鑄鐵”也是不能鍛壓成型的，相對(duì)大多數(shù)金屬材料而言，鑄鐵及其合金仍呈現(xiàn)較 高的脆性。這種脆性嚴(yán)重制約了鑄鐵在許多重要結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用。然而鑄鐵組織中因含有 大量石墨，其良好的鑄造工藝性能，減振、減摩、貯油潤(rùn)滑性能以及低的熱膨脹系數(shù)在機(jī)械 制造業(yè)中有著其它材料所不可替代的作用，如大功率發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸用球墨鑄鐵生產(chǎn)，表現(xiàn)出 高的減振消音性和轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性。因此，從工業(yè)應(yīng)用的要求出發(fā)，進(jìn)一步改善鑄鐵材料的韌性十分重要，然而同時(shí)提 高合金的強(qiáng)度與韌性始終是材料科學(xué)領(lǐng)域的難題也是結(jié)構(gòu)材料的核心課題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)韌TWIP球墨鑄鐵合金及其制備方法， 制得的合金材料能夠進(jìn)行塑性變形，同時(shí)具有良好的強(qiáng)度和韌性。一種高強(qiáng)韌TWIP球墨鑄鐵合金，采用工業(yè)生鐵為基礎(chǔ)原料，該工業(yè)生鐵中含1. 0 wt %Si，4.0 wt %C，余為Fe，又添加純度為99. 8%的電解鎳、純度為99. 8%的石墨粉，純度 為99. 8%的電解錳及含Si為75%的硅鐵配制而成；組成合金的化學(xué)組分質(zhì)量配比為C為 3. 5 4. 0%, Mn 為 8 15%，Ni 為 8 15%，Si 為 2. 0 2· 8%, S 彡 0. 03%, P 彡 0. 05%，余量為 Fe。一種高強(qiáng)韌TWIP球墨鑄鐵合金的制備方法為，采用高頻感應(yīng)加熱熔煉爐在空氣 環(huán)境中進(jìn)行熔煉、球化處理、孕育過(guò)程，并由石墨鑄型澆注而制；其制備步驟如下
1)裝料在熔煉坩堝中按順序加入生鐵、硅鐵、石墨、錳片、鎳原料，用普通中頻感應(yīng)熔 煉爐在大氣環(huán)境中加熱熔煉；
2)熔煉熔煉溫度控制在160(Tl700°C，保溫時(shí)間為8-15min，待液態(tài)金屬熔化均勻后 加入5-8牌號(hào)的稀土鎂球化劑1. 5^2. 5%進(jìn)行球化處理，然后進(jìn)行濾渣；
3)澆鑄將已經(jīng)熔煉好的液體通過(guò)石墨澆帽口倒入事先烘干好的石墨鑄型中；
4)冷卻待樣品冷卻成型后，取出鑄錠；
5)熱處理工藝將鑄錠經(jīng)高溫850-1100°C、保溫5-7h，使鑄態(tài)組織中的碳化物基本溶入基體奧氏體中，然后迅速淬水快冷，以獲得均勻的單相奧氏體基體組織；
6)軋制工藝固溶處理后，切取一定厚度的板帶，采用二輥軋機(jī)對(duì)其進(jìn)行分道次可控 軋制，軋成不同厚度的變形帶，每道次軋制變形量控制在8%-12%，最大軋制變形量控制在 50%-30%。
7)再結(jié)晶工藝?yán)滠埡蟮脑嚇舆M(jìn)行高溫回復(fù)再結(jié)晶，再結(jié)晶溫度控制在 90(ri000°C，保溫時(shí)間為 l(T60min。所述的軋制工藝可根據(jù)實(shí)際采取冷軋或熱軋的方式，熱軋的溫度范圍在 800 0C -1000°C。所述的熱處理工藝，軋制工藝和再結(jié)晶工藝能夠有效的提高該合金的強(qiáng)度和韌 性。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)①所述的高強(qiáng)高韌性?shī)W氏體基球墨鑄鐵材料能夠進(jìn)行塑性變 形——連續(xù)冷軋變形量可達(dá)50%以上；在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中可壓成近V字型而不發(fā)生斷裂； ②所述可塑性變形的高強(qiáng)高韌性?shī)W氏體基球墨鑄鐵材料的固溶態(tài)下機(jī)械性能達(dá)到抗拉強(qiáng) 度彡635. 50MPa，相應(yīng)的延伸率δ彡18. 5%，沖擊韌性彡164. 70J cm_2，基體硬度彡191 HB，冷變形后經(jīng)高溫回復(fù)再結(jié)晶，其抗拉強(qiáng)度提升至730. 81MPa，相應(yīng)的延伸率δ高達(dá)20% 以上，強(qiáng)塑性水平明顯高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)內(nèi)外同類的奧氏體基球墨鑄鐵材料，延伸率已達(dá) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)QT700-3的6. 7倍以上。


圖 1. Fe-15Ni-12Mn-3. 5C-2. 5Si 合金鑄鐵經(jīng)900°C，950°C，1000°C高溫固溶 6h水
淬處理后，在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中試樣的變形形貌——都能夠壓彎成近V字型而不發(fā)生脆性斷 m農(nóng)。圖2. IOOO0C X6h高溫固溶水淬處理后的Fe-15Ni-12Mn-3. 5C-2. 5Si合金鑄鐵經(jīng) 深度軋制變形后的變形前后外觀形貌，該試樣熱軋+冷軋的總變形量為65%，其中連續(xù)冷軋 變形量高達(dá)50%，表明該材料具有良好的塑性變形能力，其中a為變形前外觀形貌，b、c均為 變形后的外觀形貌。圖3. 1000°C X6h高溫固溶水淬處理后Fe-15Ni-12Mn-3. 5C-2. 5Si合金鑄鐵不同 冷軋變形量下的基體組織的顯微硬度值變化。說(shuō)明該鑄鐵材料隨著變形量的加大產(chǎn)生了加 工硬化效應(yīng)，硬度提高約2. 16倍。圖4. IOOO0C X6h高溫固溶水淬處理后的Fe-15Ni-12Mn-3. 5C-2. 5Si合金鑄鐵經(jīng) 拉伸變形前后的組織形貌圖，說(shuō)明該鑄鐵材料的高塑性是通過(guò)奧氏體基體密集的孿生切變 組織實(shí)現(xiàn)的具有TWIP效應(yīng)，因而試樣具有良好的塑性。圖 5. 900 "C X15min、1000 V X15min、900 °C X Ih 再結(jié)晶后的 Fe-15Ni-12Mn-3. 5C-
2. 5Si合金鑄鐵的工程應(yīng)力一應(yīng)變之間的關(guān)系，說(shuō)明了冷變形后經(jīng)高溫回復(fù)再結(jié)晶處 理可使材料的強(qiáng)度和塑性同時(shí)提高。圖6. 9000C父111再結(jié)晶后的？6-15慰-121111-3.5(-2.55丨合金鑄鐵的板型拉伸試 樣斷裂后的外觀形貌，斷后延伸率高達(dá)25. 2%，抗拉強(qiáng)度706. 07MPa。
具體實(shí)施方式

一種高強(qiáng)度、高韌性?shī)W氏體基TWIP鑄鐵合金，采用工業(yè)生鐵為基礎(chǔ)原料，該工業(yè) 生鐵中含1.0 Wt %Si，4. 0 Wt %C，余為Fe，又添加純度為99. 8%的電解鎳、純度為99. 8%的 石墨粉，純度為99. 8%的電解錳及含Si為75%的硅鐵配制而成；組成合金的化學(xué)組分質(zhì)量 配比為C 為 3. 5 4· 0%，Μη 為 8 15%，Ni 為 8 15%，Si 為 2. 0 2· 8%, S 彡 0. 03%, P ( 0. 05%,
余量為Fe。一種高強(qiáng)度、高韌性?shī)W氏體基TWIP鑄鐵合金的制備方法為，采用高頻感應(yīng)加熱熔 煉爐在空氣環(huán)境中進(jìn)行熔煉、球化處理、孕育過(guò)程，并由石墨鑄型澆注而制；其制備步驟如 下
1)裝料在熔煉坩堝中按順序加入生鐵、硅鐵、石墨、錳片、鎳原料，用普通中頻感應(yīng)熔 煉爐在大氣環(huán)境中加熱熔煉；
2)熔煉熔煉溫度控制在160(Tl700°C，保溫時(shí)間為8-15min，待液態(tài)金屬熔化均勻后 加入5-8牌號(hào)的稀土鎂球化劑1. 5^2. 5%進(jìn)行球化處理，然后進(jìn)行濾渣；
3)澆鑄將已經(jīng)熔煉好的液體通過(guò)石墨澆帽口倒入事先烘干好的石墨鑄型中；
4)冷卻待樣品冷卻成型后，取出鑄錠；
5)熱處理工藝將鑄錠經(jīng)高溫850-1100°C、保溫5-7h，使鑄態(tài)組織中的碳化物基本溶 入基體奧氏體中，然后迅速淬水快冷，以獲得均勻的單相奧氏體基體組織；
6)軋制工藝固溶處理后，切取一定厚度的板帶，采用二輥軋機(jī)對(duì)其進(jìn)行分道次可控 軋制，軋成不同厚度的變形帶，每道次軋制變形量控制在8%-12%，最大軋制變形量控制在 50%-30%。7)再結(jié)晶工藝?yán)滠埡蟮脑嚇舆M(jìn)行高溫回復(fù)再結(jié)晶，再結(jié)晶溫度控制在 90(ri000°C，保溫時(shí)間為 l(T60min。下面通過(guò)附圖并結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1
采用工業(yè)生鐵(1. 0%Si，4. 0%C，余為Fe，wt%)為基礎(chǔ)原料，以純度為99. 8%的電解鎳、 純度為99. 8%的石墨粉，純度為99. 8%的電解錳及含Si為75%的硅鐵作為孕育處理添加 的合金元素，通過(guò)按質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wt%)配制化學(xué)組分為C3. 5%，Mn 12%, Ni 15%, Si2. 5%，稀土 Mg2. 0%，S 0. 03%, P 0. 05%，余量為Fe的鑄鐵合金，采用高頻感應(yīng)加熱熔煉爐在空氣環(huán)境中 進(jìn)行熔煉、熔煉溫度為1700°C，保溫時(shí)間Smin球化孕育處理、澆鑄。然后將合金鑄錠經(jīng)高溫 950°C長(zhǎng)時(shí)間保溫6h，使鑄態(tài)組織中的碳化物全部溶入基體奧氏體中，然后迅速淬水快冷， 以獲得均勻的單相奧氏體組織。從固溶處理后的試樣上切取一定厚度的板帶，采用二輥軋 機(jī)對(duì)其進(jìn)行分道次可控軋制，軋成不同厚度的變形帶。其余步驟同具體實(shí)施例。測(cè)得上述鑄鐵材料的固溶態(tài)的機(jī)械性能為高的抗拉強(qiáng)度
=635. 50MPa，高的延伸率δ =18. 5% (見(jiàn)表1)，高的沖擊韌性 =164. 70J cm_2，基體
硬度HB 191，基體組織為單相奧氏體。合金經(jīng)高溫長(zhǎng)時(shí)間固溶水韌處理后，表現(xiàn)出較高的韌 性和極強(qiáng)的塑性變形能力在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中可壓成近V字型而不發(fā)生脆性斷裂，見(jiàn)圖1 ； 連續(xù)冷軋變形量可達(dá)50%以上，見(jiàn)圖2，并呈一定的形變硬化效應(yīng)，硬度提高約2. 16倍，表現(xiàn) 出較高的加工硬化能力，見(jiàn)圖3。圖4中熱軋冷軋交替可控軋制的總變形量達(dá)80%時(shí)石墨仍未破碎，說(shuō)明該鑄鐵材料的石墨對(duì)試樣割裂作用不大，因而試樣具有良好的塑性； 實(shí)施例2
在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，將冷軋后的試樣進(jìn)行高溫回復(fù)再結(jié)晶，再結(jié)晶溫度控制在 900°C，保溫時(shí)間60min。測(cè)得上述鑄鐵材料的再結(jié)晶態(tài)的機(jī)械性能為本發(fā)明材料冷變形后經(jīng)高溫回復(fù) 再結(jié)晶，在拉伸條件下表現(xiàn)出更優(yōu)良的強(qiáng)度和更高的延伸率(見(jiàn)表1、圖5)，抗拉強(qiáng)度可 提升至730.81MPa，相應(yīng)的延伸率δ高達(dá)20%以上，其強(qiáng)塑性水平明顯高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及國(guó) 內(nèi)外同類的奧氏體基球墨鑄鐵材料，延伸率已達(dá)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)QT700-3的6. 7倍以上，表現(xiàn)出 高的塑性，達(dá)到了工業(yè)用結(jié)構(gòu)材料對(duì)塑性的要求，具備了可塑性加工成型的能力。圖6是 9000C X Ih再結(jié)晶后的Fe-15Ni-12Mn-3. 5C-2. 5Si合金鑄鐵的板型拉伸試樣斷裂后的外觀 形貌，抗拉強(qiáng)度=706.07MPa，斷后延伸率δ高達(dá)25. 2%，強(qiáng)塑性很好。表1不同再結(jié)晶狀態(tài)下Fe-15Ni-12Mr^3. 5C~2. 5Si合金鑄鐵的拉伸性能
權(quán)利要求
一種高強(qiáng)韌TWIP球墨鑄鐵合金，其特征在于該球墨鑄鐵合金采用工業(yè)生鐵為基礎(chǔ)原料，該工業(yè)生鐵中含1.0 wt %Si，4.0 wt %C，余為Fe；又添加純度為99.8%的電解鎳、純度為99.8%的石墨粉，純度為99.8%的電解錳及含Si為75%的硅鐵配制而成。
2.一種如權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)韌TWIP球墨鑄鐵合金，其特征在于組成合金的化學(xué) 組分質(zhì)量配比為:C為3. 5 4. 0%, Mn為10 15%，Ni為8 15%，Si為2. 0 2· 8%, S彡0. 03%, P彡0. 05%，余量為Fe。
3.一種高強(qiáng)韌TWIP球墨鑄鐵合金的制備方法，其特征在于該合金采用高頻感應(yīng)加熱 熔煉爐在空氣環(huán)境中進(jìn)行熔煉、球化處理、孕育過(guò)程，并由石墨鑄型澆注而制；其制備步驟 如下1)裝料在熔煉坩堝中按順序加入生鐵、硅鐵、石墨、錳片、鎳原料，用普通中頻感應(yīng)熔 煉爐在大氣環(huán)境中加熱熔煉；2)熔煉熔煉溫度控制在160(Tl700°C，保溫時(shí)間為8-15min，待液態(tài)金屬熔化均勻后 加入5-8牌號(hào)的稀土鎂球化劑1. 5-2. 5襯％進(jìn)行球化處理，然后進(jìn)行濾渣；3)澆鑄將已經(jīng)熔煉好的液體通過(guò)石墨澆帽口倒入事先烘干好的石墨鑄型中；4)冷卻待樣品冷卻成型后，取出鑄錠；5)熱處理工藝將鑄錠經(jīng)高溫850-1100°C、保溫5-7h，使鑄態(tài)組織中的碳化物溶入基 體奧氏體中，然后迅速淬水快冷，以獲得均勻的單相奧氏體基體組織；6)軋制工藝固溶處理后，切取一定厚度的板帶，采用二輥軋機(jī)對(duì)其進(jìn)行分道次可控 軋制，軋成不同厚度的變形帶，每道次軋制變形量控制在8%-12%，總體軋制變形量控制在 50%-30% ；7)再結(jié)晶工藝軋制后的試樣進(jìn)行高溫回復(fù)再結(jié)晶，再結(jié)晶溫度控制在90(Ti00(rc， 保溫時(shí)間為l(T60min。
4.一種如權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)韌TWIP球墨鑄鐵的制備方法，其特征在于所述的軋 制工藝可根據(jù)實(shí)際采取冷軋或熱軋的方式，熱軋的溫度范圍在800°C -1000°C。
5.一種如權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)韌TWIP球墨鑄鐵的制備方法，其特征在于所述的熱 處理工藝，軋制工藝和再結(jié)晶工藝能夠有效的提高該合金的強(qiáng)度和韌性。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種新型可冷、熱軋制、鍛造成型的高強(qiáng)高韌奧氏體基球墨鑄鐵材料及其制備方法，其化學(xué)組分以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)C3.5~4.0%，Mn8~15%，Ni8~15%，Si2.0~2.8%，S≤0.03%，P≤0.05%，稀土Mg1.5~2.5%，余量為Fe。該合金采用高頻感應(yīng)加熱熔煉爐在空氣環(huán)境中進(jìn)行熔煉、球化處理、孕育過(guò)程，并由石墨鑄型澆注，熱處理工藝，軋制工藝和再結(jié)晶工藝而成。所制成品能夠進(jìn)行塑性變形，且具有較高的強(qiáng)度和韌性。
文檔編號(hào)C21D8/00GK101962730SQ20101052693
公開日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2010年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月1日
發(fā)明者張文杰, 易韋發(fā), 朱定一, 楊澤斌, 林淑梅 申請(qǐng)人:福州大學(xué)