本發(fā)明涉及等溫淬火鑄鐵材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高強度高韌性高耐磨性等溫淬火球鐵及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

上世紀七十年代開始發(fā)展起來的等溫淬火球鐵（austemperedductileiron簡稱adi）新材料，具有高強度高耐磨性且兼有一定的韌性，在汽車、農(nóng)機、建材、鐵路、通用機械等眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。2009年我國首次發(fā)布了gb/t24733-2009《等溫淬火球墨鑄鐵件》標準，力學性能指標（抗拉強度mpa/伸長率%/硬度hbw）為800/10/270-340,900/8/270-340,1050/6/310-380,1200/3/340-420,1400/1/380-480,由此可以看出，隨著強度和硬度的增加，adi的韌性逐漸降低，如何使adi在保持高強度、高硬度下提高韌性是個難題。

隨著機械行業(yè)的發(fā)展，對球鐵件的力學性能要求越來越高，特別是使用環(huán)境惡劣的礦用車，其板簧支座、導向板要求具有較高強度、較好的韌性和較強的耐磨性，以實現(xiàn)高可靠性和輕量化的目的。但在目前條件下，能達到上述性能要求的球鐵材料較少，難以在滿足高強度、高硬度的同時滿足高韌性的要求。

中國專利cn101876026a公開了一種高韌性兼高強度的adi件及其制造方法，該adi件中各元素的質(zhì)量百分量為：c：3.6～3.9%、si：2.5～2.7%、mn：0.2～0.3%、p≤0.03%、s≤0.012%、mo：0.2～0.3%、cu：0.6～0.8%、ni：0.5～0.8%，余量為fe和不可避免的雜質(zhì)，其伸長率為12.5~14.5%，沖擊韌度為125-140j/cm³,抗拉強度為990-1080mpa。中國專利cn103205625a公開了一種高強韌等溫淬火球鐵，由球墨鑄鐵經(jīng)等溫淬火處理獲得，所述高強韌等溫淬火球鐵的化學成分及其質(zhì)量百分比含量為：c：3.0～4.0%、si：2.5～3.5%、mn：0.1（1+l）%、p≤0.05%、s≤0.02%、mg＜0.06%，re＜0.009%、mo：0.1l%、ni：0.3l%、cu：0.4～0.6%，余量為fe，l=壁厚/30-1。其伸長率大于10%，沖擊韌度超過100j/cm³,抗拉強度大于950mpa，布氏硬度為250~285hbs。中國專利cn201510415039.4公開了一種等溫淬火球鐵及其生產(chǎn)推力桿端頭的方法，所述等溫淬火球鐵的化學成分及其質(zhì)量百分比含量為：c：3.4～3.8%、si：2.3～2.7%、mn：≤0.35%、p：≤0.04%、s：≤0.02%、mg：0.03～0.05%、cu：0.3～0.5%、ni：0.5～0.8%，余量為fe及不可避免的夾雜。其力學性能為：伸長率為8～10%，布氏硬度為270~340hbs，抗拉強度900～1028mpa。以上幾個專利硬度偏低，不能滿足重型礦用卡車板簧支座、導向板的使用要求。

中國專利cn103320681a公開了一種等溫淬火球鐵及其工藝，所述等溫淬火球鐵中各化學成分及其質(zhì)量百分比含量為：c：3.3～3.8%、si：2.3～3.2%、mn：1.0～2.5%、p：0.01～0.05%、s：0.005～0.02%、mg：0.025～0.045%，re：0.0:15～0.03%、nb：0～0.2%、cu：0.3～1.0%、b：0.01～0.08%、cr：0.1～0.3%，其余為fe。其沖擊韌度15~30j/cm³,抗拉強度大于1400mpa，硬度為hrc42~46。該專利雖然抗拉強度、硬度高，但是沖擊韌度較低，也不能滿足重型礦用卡車板簧支座、導向板等的使用要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種高強度高韌性高耐磨性等溫淬火球鐵，該等溫淬火球鐵能夠同時滿足高強度、高韌性和高耐磨性，可以滿足礦用卡車的要求。

本發(fā)明還提供了上述高強度高韌性高耐磨性等溫淬火球鐵的制備方法，該方法操作簡便、易于實施，所得產(chǎn)品性能好，便于工業(yè)化推廣應(yīng)用。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

一種高強度高韌性高耐磨性等溫淬火球鐵，其由以下質(zhì)量百分含量的成分組成：c3.3～3.8%、si2.5～2.8%、mn0.2～0.3%、cr≤0.02%、ni0.50～0.80%、mo0.25～0.40%、cu0.7～1.0%、p≤0.025%、s≤0.016%、殘留mg0.03～0.05%、re0.006～0.01%，余量為鐵。

進一步的，該等溫淬火球鐵由以下質(zhì)量百分含量的成分組成：c3.65～3.76%、si2.5～2.67%、mn0.21～0.25%、cr≤0.017%、ni0.5～0.59%、mo0.28～0.35%、cu0.7～0.91%、p≤0.023%、s≤0.014%，殘留mg0.032～0.034%、re0.007～0.009%，余量為鐵。

進一步的，該等溫淬火球鐵由以下質(zhì)量百分含量的成分組成：c3.71%、si2.67%、mn0.23%、cr0.016%、ni0.59%、mo0.32%、cu0.88%、p0.021%、s0.013%、殘留mg0.034%、re0.009%，余量為鐵。

進一步的，該等溫淬火球鐵由以下質(zhì)量百分含量的成分組成：c3.75%、si2.5%、mn0.21%、cr0.016%、ni0.50%、mo0.32%、cu0.8%、p0.021%、s0.013%、殘留mg0.032%、re0.007%，余量為鐵。

進一步的，該等溫淬火球鐵由以下質(zhì)量百分含量的成分組成：c3.8%、si2.6%、mn0.2%、cr0.015%、ni0.80%、mo0.25%、cu0.2%、p0.01%、s0.015%、殘留mg0.04%、re0.009%，余量為鐵。

進一步的，該等溫淬火球鐵由以下質(zhì)量百分含量的成分組成：c3.3%、si2.52%、mn0.25%、cr0.013%、ni0.8%、mo0.4%、cu0.9%、p0.015%、s0.016%、殘留mg0.04%、re0.006%，余量為鐵。

進一步的，該等溫淬火球鐵由以下質(zhì)量百分含量的成分組成：c3.65%、si2.67%、mn0.30%、cr0.014%、ni0.59%、mo0.28%、cu1.0%、p0.02%、s0.014%、殘留mg0.05%、re0.01%，余量為鐵。

本發(fā)明高強度高韌性高耐磨性等溫淬火球鐵，其球化級別：大于2級，石墨球大小：6級以上，石墨球數(shù)不少于150個/平方毫米。該高強度高韌性高耐磨性等溫淬火球鐵的基體組織為：細針狀鐵素體：80~93體積%、富碳奧氏體：7~20體積%。

本發(fā)明提供了上述高強度高韌性高耐磨性等溫淬火球鐵的制備方法，該方法包括以下步驟：

（1）根據(jù)等溫淬火球鐵的成分組成配備原材料，將各原材料裝入中頻電爐熔煉，得原鐵液，將原鐵液升溫至1500～1520℃，再進行球化、孕育處理，得終鐵液，然后將終鐵液澆入鑄型，得到球鐵鑄件毛坯，球鐵鑄件毛坯的各組分組成與上述高強度高韌性高耐磨性等溫淬火球鐵的組成相同；

（3）將球鐵鑄件毛坯升溫至905-940℃,保溫80-100分鐘，進行奧氏體化處理，然后在保護性氣氛下用鹽浴等溫淬火，鹽浴溫度為260-275℃，時間為90-120min；

（4）鹽浴等溫淬火后，將球鐵鑄件毛坯在空氣中自然冷卻，即得高強度高韌性高耐磨性等溫淬火球鐵。

上述制備方法中，以生鐵、硅鐵、廢鋼、回爐料作為c、si、mn的主要來源，以鎳鐵、鉬鐵、電解銅為ni、mo、cu的主要來源，其他組分通過這些原料或者孕育劑、球化劑帶入。

本發(fā)明等溫淬火球鐵具有高強度、高韌性、高耐磨性的特點，可以用于礦用車中，作為礦用車板簧座或?qū)虬宓牟馁|(zhì)。在礦用車上，板簧座、導向板等與板簧接觸，尤其板簧座起支撐板簧的作用。礦車行駛的路況條件差，礦車行駛中板簧在板簧座和導向板表面不斷滑動，對板簧座和導向板的接觸面進行摩擦。現(xiàn)有板簧座基本都采用鑄鋼材質(zhì)（鑄鋼表面進行感應(yīng)淬火），板簧座和導向板失效比較快，采用本發(fā)明等溫淬火球鐵作為板簧座和導向板的材質(zhì)后，因為優(yōu)異的性能，大大提高了礦車板簧座和導向板的使用壽命。

本發(fā)明通過配料--中頻爐熔煉--球化--孕育--澆注成型--奧氏體化處理--等溫淬火處理，得到高強度高韌性高耐磨性等溫淬火球鐵材料。將澆注成型的工件進行奧氏體化處理，使奧氏體碳飽和，奧氏體化處理后的工件使用鹽浴快速冷卻到了馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度以上進行等溫淬火，使珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)榧氠槧铊F素體和富碳奧氏體，有效提高了產(chǎn)品的硬度及耐磨性。通過對球鐵成分的選擇和控制，以及搭配制備工藝，能夠穩(wěn)定生產(chǎn)出抗拉強度rm≥1300mpa、屈服強度rp0.2≥900mpa、斷后伸長率≥3.5％、表面硬度400-450hbw（43-47hrc）的高強度高韌性高耐磨性等溫淬火球鐵材料，和現(xiàn)有等溫淬火球鐵相比，克服了提高強度和硬度的同時韌性降低的不足。本發(fā)明球鐵材料性能優(yōu)異，能夠適合使用環(huán)境惡劣的礦用車，可以將其用于礦用車板簧支座、導向板等，具有很好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是實施例1所得等溫淬火球鐵的金相顯微鏡圖片；

圖2是實施例2所得等溫淬火球鐵的金相顯微鏡圖片；

圖3是實施例3所得等溫淬火球鐵的金相顯微鏡圖片；

圖4是實施例4所得等溫淬火球鐵的金相顯微鏡圖片；

圖5是實施例5所得等溫淬火球鐵的金相顯微鏡圖片。

具體實施方式

為了更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體實施實例來進一步說明。下述實施例僅是示例性的，并不對其內(nèi)容進行限定。下述實施例中，如無特別說明，所述百分含量均為質(zhì)量百分含量。

實施例1

制備高強度高韌性高耐磨性等溫淬火球鐵，步驟如下：

1、制備鐵液：以生鐵、硅鐵、廢鋼、回爐料為碳、硅、mn的主要來源，以鎳鐵、鉬鐵、電解銅等合金調(diào)整ni、mo、cu的含量，按最終鐵液的要求計算各原材料配比，將各原材料按要求裝入中頻電路熔煉，待鐵液化清，溫度在1320-1360℃時測鐵液成分，調(diào)整鐵液后得原鐵液，將原鐵液繼續(xù)升溫至1500～1520℃出爐；通過沖入法球化處理，在1噸球化包內(nèi)放入1wt%的球化劑與1.1wt%的孕育劑，用鐵屑覆蓋，沖入原鐵液后靜止1分鐘，倒入澆注包，在澆注時進行隨流孕育，孕育劑量為0.8-1.1wt%，所得最終鐵液的組成為：c3.75%、si2.5%、mn0.21%、cr0.016%、ni0.50%、mo0.32%、cu0.8%、p0.021%、s0.013%、殘留mg0.032%、re0.007%，余量為鐵。

所用球化劑和孕育劑成分如下：

2、將終鐵液澆入鑄型，得到球鐵鑄件毛坯。通過金相顯微鏡觀測，所得鑄件毛坯的鑄態(tài)組織為珠光體球鐵，珠光體的含量大于70%，球化率在80%以上，即球化級別達到2級以上，石墨球大小在6級以上，石墨球數(shù)大于150個/mm²。

3、將球鐵鑄件毛坯進行奧氏體化處理，使奧氏體碳飽和，奧氏體化溫度為905℃,保溫時間為90分鐘，溫度偏差±5℃，然后在封閉保護性氣氛下將球鐵鑄件毛坯快速轉(zhuǎn)移到工業(yè)鹽的熔鹽槽內(nèi)，冷卻至馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度以上，進行鹽浴等溫淬火處理，鹽浴溫度為270℃，時間為120min，溫度偏差±5℃；

4、鹽浴等溫淬火后，將球鐵鑄件毛坯在空氣中自然冷卻，即得等溫淬火球鐵。

通過金相顯微鏡觀測，等溫淬火球鐵的基體組織（見圖1）由以下體積百分比的組分組成：細針狀鐵素體：92%，富碳奧氏體：8%。

對所得等溫淬火球鐵的性能進行檢測，結(jié)果如表3所示，性能均高于國標gb/t24733-2009《等溫淬火球墨鑄鐵件》標準要求。其中，抗拉強度采用液壓強度試驗機測試，表面硬度采用布氏硬度計測試。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，本發(fā)明等溫淬火球鐵綜合機械性能好，同時具有高強度、高韌性和高耐磨性。

實施例2

按照實施例1的方法制備球鐵鑄件毛坯，不同的是：經(jīng)過球化孕育處理，澆注時終鐵液成分為：c3.8%、si2.6%、mn0.2%、cr0.015%、ni0.80%、mo0.25%、cu0.2%、p0.01%、s0.015%、殘留mg0.04%、re0.009%，余量為鐵。

將球鐵鑄件毛坯進行等溫淬火處理：奧氏體化溫度為920℃,保溫時間為80分鐘，溫度偏差±5℃，然后在封閉保護性氣氛下將球鐵鑄件毛坯快速轉(zhuǎn)移到工業(yè)鹽的熔鹽槽內(nèi)，冷卻至馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度以上，進行鹽浴等溫淬火處理，鹽浴溫度為260℃，時間為90min，溫度偏差±5℃；鹽浴等溫淬火后，將球鐵鑄件毛坯在空氣中自然冷卻，即得等溫淬火球鐵。

通過金相顯微鏡觀測，所得等溫淬火球鐵的基體組織（見圖2）由以下體積百分比的組分組成：細針狀鐵素體：93%，富碳奧氏體：7%。

對所得等溫淬火球鐵的性能進行檢測，性能均高于國標gb/t24733-2009《等溫淬火球墨鑄鐵件》標準的要求性能。結(jié)果如下：

實施例3

按照實施例1的方法制備球鐵鑄件毛坯，不同的是：經(jīng)過球化孕育處理，澆注時終鐵液成分為：c3.3%、si2.52%、mn0.25%、cr0.013%、ni0.8%、mo0.4%、cu0.9%、p0.015%、s0.016%、殘留mg0.04%、re0.006%，余量為鐵。

將球鐵鑄件毛坯進行等溫淬火處理：奧氏體化溫度為940℃,保溫時間為100分鐘，溫度偏差±5℃，然后在封閉保護性氣氛下將球鐵鑄件毛坯快速轉(zhuǎn)移到工業(yè)鹽的熔鹽槽內(nèi)，冷卻至馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度以上，進行鹽浴等溫淬火處理，鹽浴溫度為275℃，時間為100min，溫度偏差±5℃；鹽浴等溫淬火后，將球鐵鑄件毛坯在空氣中自然冷卻，即得等溫淬火球鐵。

通過金相顯微鏡觀測，所得等溫淬火球鐵的基體組織（見圖3）由以下體積百分比的組分組成：細針狀鐵素體：90%，富碳奧氏體：10%。

對所得等溫淬火球鐵的性能進行檢測，性能均高于國標gb/t24733-2009《等溫淬火球墨鑄鐵件》標準的要求性能。結(jié)果如下：

實施例4

按照實施例1的方法制備高強度高韌性高耐磨性等溫淬火球鐵，不同的是：步驟1中制得的鐵液原鐵水組分如下：c3.65%、si2.67%、mn0.30%、cr0.014%、ni0.59%、mo0.28%、cu1.0%、p0.02%、s0.014%、殘留mg0.05%、re0.01%，余量為鐵。

將球鐵毛坯進行等溫淬火處理：奧氏體化溫度為910℃,保溫時間為90分鐘，溫度偏差±5℃，然后在封閉保護性氣氛下將球鐵鑄件毛坯快速轉(zhuǎn)移到工業(yè)鹽的熔鹽槽內(nèi)，冷卻至馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度以上，進行鹽浴等溫淬火處理，鹽浴溫度為275℃，時間為100min，溫度偏差±5℃；

通過金相顯微鏡觀測，所得等溫淬火球鐵的基體組織（見圖4）由以下體積百分比的組分組成：細針狀鐵素體：89%，富碳奧氏體：11%。

對所得等溫淬火球鐵的性能進行檢測，性能均高于國標gb/t24733-2009《等溫淬火球墨鑄鐵件》標準的要求性能。結(jié)果如下：

實施例5

按照實施例1的方法制備高強度高韌性高耐磨性等溫淬火球鐵，不同的是：步驟1中制得的鐵液原鐵水組分如下：c3.71%、si2.67%、mn0.23%、cr0.016%、ni0.59%、mo0.32%、cu0.88%、p0.021%、s0.013%、殘留mg0.034%、re0.009%，余量為鐵。

將球鐵鑄件毛坯進行等溫淬火處理：奧氏體化溫度為910℃,保溫時間為90分鐘，溫度偏差±5℃，然后在封閉保護性氣氛下將球鐵鑄件毛坯快速轉(zhuǎn)移到工業(yè)鹽的熔鹽槽內(nèi)，冷卻至馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度以上，進行鹽浴等溫淬火處理，鹽浴溫度為270℃，時間為120min，溫度偏差±5℃；鹽浴等溫淬火后，將球鐵鑄件毛坯在空氣中自然冷卻，即得等溫淬火球鐵。

通過金相顯微鏡觀測，所得等溫淬火球鐵的基體組織（見圖5）由以下體積百分比的組分組成：細針狀鐵素體：83%，富碳奧氏體：17%。

對所得等溫淬火球鐵的性能進行檢測，性能均高于國標gb/t24733-2009《等溫淬火球墨鑄鐵件》標準的要求性能。結(jié)果如下：

對比例1

按照實施例1的方法制備高強度高韌性高耐磨性等溫淬火球鐵，不同的是：步驟1中制得的鐵液組分如下：c3.75%、si2.65%、mn0.5%、cr0.2%、ni0.30%、mo0.1%、cu0.45%、p0.02%、s0.015%、殘留mg0.04%、re0.006%，余量為鐵。

對所得等溫淬火球鐵的性能進行檢測，其抗拉強度rm為1035mpa、屈服強度rp0.2為780mpa、斷后伸長率為3.0%、表面硬度為361hbw。

本發(fā)明采用奧氏體化處理和鹽浴等溫淬火處理，制得基體組織理想的等溫淬火球鐵，具有硬度高、強度高、韌性適當、抗磨性強等優(yōu)點。該等溫淬火球鐵綜合力學性能好，抗拉強度rm≥1300mpa、屈服強度rp0.2≥900mpa、斷后伸長率≥3.5％、表面硬度400-450hbw（43-47hrc），性能均高于國標要求。