一种汽车转向器壳体QT600-10硅固溶强化铁素体球墨铸铁及其制备方法与流程

：本发明涉及一种汽车转向器壳体qt600-10硅固溶强化铁素体球墨铸铁及其制备方法，是将qt600-10代替qt600-3应用在300马无人拖拉机重型桥壳的球墨铸铁，属于无人拖拉机重型桥壳球墨铸铁。

背景技术

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背景技术：

1、目前桥壳受力零部件普遍采用qt500-7、qt600-3等球墨铸铁材料，材料缩松趋向大，零部件致密性差，而且零部件不同位置的硬度差别大，尤其是材料韧性差，给后续机械加工的工艺设计、成品尺寸精度等诸多方面带来很多问题。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明所要解决的技术问题是：克服现有生产工艺的不足，提供一种汽车转向器壳体qt600-10硅固溶强化铁素体球墨铸铁及其制备方法，通过si对铁素体基体的强化作用，改变了传统生产qt600-3材质必须靠控制珠光体含量及其分布来满足材质的性能要求的历史，硅固溶强化球墨铸铁qt600-10在保证抗拉强度的前提下，大大提高了球墨铸铁的屈服强度和延伸率等机械性能，而且降低了制造成本。

2、本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：

3、一种汽车转向器壳体qt600-10硅固溶强化铁素体球墨铸铁，该球墨铸铁的化学组成成分按重量百分比为：碳c 3.1～3.2％，硅si 4.2～4.25％，锰mn≤0.3％，磷p≤0.03％，硫s 0.008～0.015％，钛ti≤0.025，锡sn≤0.01％，镁mg 0.04～0.05％，锑sb 0.013～0.015％，钡ba 0.005～0.01％，余量为铁fe。

4、所述汽车转向器壳体qt600-10硅固溶强化铁素体球墨铸铁的生产方法，其具体工艺流程如下：

5、a、造型作业：采用高压多触头粘土砂，芯子使用冷芯65l机打出；用醇基涂料对芯子所有与铁液接触的部位进行涂刷；型芯要求排气良好，合箱前需对型腔清理干净，合箱间隙不得超过1mm；

6、b、中频电炉熔化作业：采用5吨中频电炉连续熔化，要求过程平稳，出炉温度1530～1500℃，铁液成分要求为：碳c 3.0～3.3％，硅si 2.9～3.5％，锰mn≤0.3％，磷p≤0.03％，硫s 0.008～0.015％，锑sb 0.013～0.015％，钡ba0.005～0.01％；

7、c、光谱成分分析：5吨中频电炉升温稳定后，将取样勺在铁水中搅动,充分预热后，插入铁水150mm以下深处取样进行光谱分析；如果成分有偏差，则在电炉内进行调整至步骤“b”规定成分；成分合格后将铁液倒入球化包内准备球化孕育处理；

8、d、球化、孕育处理：采用喂丝球化工艺进行处理，当球化包进入球化站，在控制器里选取材质qt600-10以及1420生产线，设置球化剂、孕育剂的加入量，镧系球化剂的加入量为铁水的1.1～1.2％，镧系球化剂的加入是为了获得具有高球数、高球化率、增加石墨球圆整度及最低碳化物、消除显微缩松的球墨铸铁；硅钡孕育剂的加入量为铁水重量的0.45～0.6％，硅钡孕育剂的加入是为了增加石墨化的核心，细化石墨，促进球墨铸铁石墨的圆整度，提高球化级别，使球化率得以提升；

9、e、球化孕育后扒渣：先将浮渣扒掉，然后向球化包中铁水表面撒适量集渣剂，待熔融后进行扒渣，扒渣需进行两次，然后通过光谱分析试样；

10、f、球化包内取样合格后，倒入浇注包内进行倒包孕育，倒包孕育剂为硅锶孕育剂，倒包孕育剂的加入量为铁水重量的0.3～0.4％，倒包孕育剂的作用是为了增加石墨化的核心，细化石墨，促进球墨铸铁石墨的圆整度，提高球化级别，使球化率得以提升；

11、g、浇注过程：每个球化包浇注时间小于10分钟，单箱浇注时间为18～23s，浇注温度为1375～1350℃，浇注过程随流加入硫氧孕育剂，硫氧孕育剂的加入量为铁水重量的0.1-0.2％，使用自动浇注机，硫氧孕育剂的作用是为了增加石墨化的核心，细化石墨，促进球墨铸铁石墨的圆整度，提高球化级别，使球化率得以提升；

12、h、打箱时间：根据铸铁重量，一般为浇注后4小时以上，铸铁出砂后取金相试块进行金相分析；

13、i、金相合格的铸铁转入清理车间进行清理，并进行检验，喷防锈漆，打包入库即可。

14、在步骤d中，镧系球化剂的加入量为铁水的1.1～1.2％，其中：当硫s≤0.015时，镧系球化剂的加入量为铁水的1.1％；当硫s 0.016～0.018时，镧系球化剂的加入量为铁水的1.15％；当硫s 0.019～0.02时镧系球化剂的加入量为铁水的1.2％，镧系球化剂还包括镁mg 5.74％，硅si 45.2％，稀土元素re 0.44％，镧系球化剂的加入是为了获得具有高球数、高球化率、增加石墨球圆整度及最低碳化物、消除显微缩松的球墨铸铁。

15、在步骤d中，硅钡孕育剂的加入量为铁水重量的0.45～0.6％，硅钡孕育剂包括：硅si 72～78％，钡ba 2.0～3.0％，钙ca 1.0～2.0％，al≤1.5％，硅钡孕育剂的加入是为了增加石墨化的核心，细化石墨，促进球墨铸铁石墨的圆整度，提高球化级别，使球化率得以提升。

16、本发明的积极有益效果如下：

17、1、本发明通过将qt600-10代替qt600-3应用在300马无人拖拉机重型桥壳上，通过硅si对铁素体基体的强化作用，改变了传统生产qt600-3材质必须靠控制珠光体含量及其分布来满足材质的性能要求的历史。最重要的是，通过硅si对铁素体基体的固溶强化作用，在保证高强度(抗拉强度≥600mpa)前提下，大大提高了铸件的韧性(屈服强度和延伸率)。

18、2、本发明制备生产的硅固溶强化球墨铸铁用在桥壳零部件，具有硬度均匀性的特点，具有很好的切削加工性能。

19、3、本发明的球墨铸铁里通过添加锑sb元素，强烈促进形成珠光体，有促进石墨细化的作用，尤其对厚大断面球铁件效果尤其明显，可以大幅度大幅度提升铸件的抗拉强度及机械加工性能。

20、4、本发明的生产方法，通过硅si对铁素体基体的强化作用，可有效降低生产成本、进行稳定持续的生产，生产过程中不需要再加入电解铜，即可大批量生产桥壳专用的球墨铸铁，有效降低铸造成本。

21、5、本发明的生产方法，通过采用较低的出炉球化温度，有利于节省能耗，提高连续稳定铸造生产的节拍。

22、6、由于采用本发明的成分组成及生产方法，且用较低的球化处理温度，使本发明所生产泛锐球墨铸铁，性能优良，基体组织致密，可应用于300马无人拖拉机重型桥壳生产上，机械性能优越。

23、7、本发明所生产出来的应用于300马无人拖拉机重型桥壳的球墨铸铁，力学性能优良，性能能够达到qt600-10的技术标准。

24、有关本发明的原理和试验数据如下：

25、ⅰ、硅含量：在本发明qt600-10代替qt600-3应用在300马无人拖拉机重型桥壳的球墨铸铁，通过硅固溶强化，可以提高碳当量。ce＝[c+0.3(si+p)]％，按产品成分管制范围：碳c 3.1～3.2％，硅si 4.2～4.25％，磷p≤0.03％,ce值在4.36～4.48，碳、硅量的多少将直接影响球化效果。硅量越多，石墨球数目越多且石墨圆整度越高；但硅量太高，会使铸件出现石墨漂浮缺陷。碳当量对球铁的铸造性能有一定的影响，碳当量增加，球铁的流动性增加；碳当量直接影响球铁的铸态组织和力学性能，因而可以通过调整ce值来控制球铁的强度和硬度；碳当量与缩孔、缩松的大小、分布有密切关系，随着碳当量的提高，缩孔体积不断增加，碳当量在4.2％左右时，缩孔体积最大，碳当量继续增加，缩孔体积反而减小，但分散性缩松增加，在生产范围内，增加硅量有助于缩孔和表面缩陷的减少，但对缩松影响甚微。为了了解各种球墨铸铁抗拉强度与伸长率的关系，本发明进行了大量的拉伸性能测试。高硅球墨铸铁qt600-10取了10种试样，抗拉强度在600～650mpa，硅含量在4.2％～4.65％，但硅含量超过4.5％时延伸率急剧下降至6％～8％。所以硅含量在4.2～4.25是最合适的。

26、生产球墨铸铁件，球化率、石墨球数量和石墨球大小等是基本的质量要求。通过控制基体组织，可以在很大的范围内调整球墨铸铁的力学性能，以适应多种不同工况条件的要求。现有技术qt600-3等牌号的球墨铸铁件，都由控制基体组织中铁素体与珠光体所占的份额，以确保力学性能符合要求。一般说来，生产这类球墨铸铁件时，应力求通过控制铸铁的化学成分和生产过程中的各项工艺条件，使铸件的铸态组织符合要求，以避免费时耗能的热处理工序。在工艺控制不足以确保铸铁的强度的情况下，加入少量铜、镍之类的合金元素，也是常用的应对措施。但是，这样做既提高了生产成本，还要耗用珍贵的资源。本发明将硅含量提高到4.2～4.25％，基体组织全部是铁素体，不仅可以在保持抗拉强度在600mpa的条件下提高伸长率10％以上，更为重要的是，铸件的硬度均匀，切削性能显著改善。

27、ⅱ、球化剂(现有技术的冲入法和本发明的喂丝球化法相对比)

28、试验记录如下：

29、1、配料：总重5100kg

30、 材料 生铁 回炉料 废钢 硅铁 锑锭 比例 40％ 42％ 17％ 0.014％ 重量(kg) 2000 2100 850 62 0.7kg

31、2、原铁水成分：

32、 成分 c si mn s p sb 成分百分比 3.18 3.166 0.204 0.015 0.03o 0.0138

33、3、工艺处理：

34、第一包现有技术的冲入法

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37、第二包本发明的喂丝法

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39、4、性能：

40、现有技术冲入法本体试棒

41、 1 2 3 4 抗拉强度≧600 625 612 621 615 屈服强度≧450 458 464 453 464 延伸率≧10 10 8 8.5 9

42、本发明喂丝法本体试棒

43、 1 2 3 4 抗拉强度≧600 615 612 611 615 屈服强度≧450 468 464 473 464 延伸率≧10 10 11.5 10.5 11

44、本体硬度

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46、本体金相组织

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48、以上试验可以得出来：本发明的喂丝球化法效果更好，本体试棒的机械性能更好，更优越

49、分析：本发明喂丝球化使用机器均匀进线，球化效果更好。本发明喂线法更精确，更能节省添加物的消耗，反应不剧烈从而减少排放。

50、ⅲ、本发明球化剂孕育剂的协同作用：

51、孕育剂：可增加石墨化的核心，细化石墨，促进球墨铸铁石墨的圆整度，提高球化级别，使球化率得以提升。

52、球化剂：作用于球墨铸铁，可以促进石墨结晶成球状化，有利于得到球状石墨，经过球化的球墨铸铁强度大幅高于灰铸铁，韧性优于可锻铸铁，有效地提高了球磨铸铁的机械性能，特别是提高了球墨铸铁的塑性和韧性，从而使铸铁得到比碳钢还高的强度。

53、协同作用：孕育剂可以为球化反应增加石墨化的核心，细化石墨，和球化剂协同作用，使石墨大小均匀，石墨球个数多，石墨球圆整度更好，即球化反应后得到更好的球化效果。

54、本发明制备生产的汽车转向器壳体qt600-10硅固溶强化铁素体球铁中，试样组织性能的检测方法如下：

55、1、金相组织观察：

56、(1)试验目的：观察本发明生产出来的球墨铸铁的金相组织，研究其成分、组织及性能之间的关系；

57、(2)试验仪器：金相显微镜；

58、(3)试样形状尺寸：便于进行采集金相照片即可，无严格尺寸要求；

59、(4)试验方法：锯切从y型试块下部及本体试块端部获得用于观察金相组织的试样。制备试样方法：砂轮打磨--砂纸打磨--抛光--酒精棉球清洗--观察试样石墨形貌--腐蚀剂浸蚀--水冲洗--酒精棉球清洗--观察试样基体组织。所用的腐蚀剂为3～5％的硝酸酒精，浸蚀时间为30s。

60、2、拉伸性能测试：

61、(1)试验目的：在碳当量基本一致的前提下，测定不同含si量试样的抗拉强度、屈服强度和伸长率，研究通过不同的si含量固溶后对铁素体球墨铸铁抗拉强度、屈服强度和伸长率的影响规律；

62、(2)试验仪器：cmt5305万能试验机(30t)；

63、(3)试样尺寸：d＝10±0.1；

64、(4)试验方法：首先，要预估算材料的最大拉力，选择合适的示力度盘和相应的摆锤，并选用合适的夹具；然后，用细砂纸打磨光亮试样表面，用试样划线器在试样的原始标距长度l0范围内细划等分10个分格线，对原始标距的标记准确至±1％，测定试样原始横截面面积s0＝πd2/4；安装试样，进行加载，记录示力盘上的最大力fm值，当试样被拉断后立即停机，取下试样，测量断裂后的标距lu，抗拉强度rm＝fm/so，

65、伸长率：a＝(lu一l0)/l0×100％

66、3、布氏硬度测试：

67、(1)试验目的：测定不同含si量试样的硬度，研究通过不同的si含量固溶后对铁素体球墨铸铁硬度的影响规律；

68、(2)试验仪器：hb-3000b布氏硬度计；

69、(3)试样形状尺寸：15×25×30mm；

70、(4)试验方法：根据材料组织估算其硬度范围，并根据试件的厚度，p/d2＝30，(当hb<140时，p/d2＝10)，选择合适的载荷p和压头直径d，必须保证试件的厚度大于压痕深度的10倍；用选定的载荷p将直径为d的硬质合金球压入试样表面，在压力作用下保持10s后卸除载荷；测量试样表面残留压痕的直径d，通过查表的方式得到试样硬度值，每组成分的试样测五次，最后求平均硬度。

71、4、加锑元素对铸件性能影响的实验数据：

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75、分析：本发明的汽车转向器壳体qt600-10硅固溶强化铁素体球墨铸铁，也即qt600-10代替qt600-3应用在300马无人拖拉机重型桥壳的球墨铸铁，由于本铸件(300马无人拖拉机重型桥壳)壁厚比较厚(40～68mm)，厚大部位容易球化效果不好，机械性能强度大幅度降低。且厚大部位是主要受力部位，是300马拖拉机中重要的安全性能要求。通过实验数据对比，锑含量在0.013～0.015％范围内，内部金相组织球化效果最好，机械性能最佳，小于此范围，球化效果一般，石墨球大小不均匀，石墨球化率低，机械性能抗拉强度和屈服强度不稳定。大于此范围，促进效果不明显，且成本增加很大。