本發明屬于鑄造技術和新材料領域，尤其涉及一種高強度高韌性的鑄態QT700-10及其生產方法。

背景技術：

球墨鑄鐵特別是高強度高韌性球墨鑄鐵在工程機械、汽車零件領域中的應用越來越廣泛，很多鑄鋼件產品逐漸由高強韌球墨鑄鐵所替代。對于一些汽車安全件如橋殼、轉向節、行星輪殼、差殼、輪轂、法蘭軸等，是主要的承載受力件，要求零件具有較高的強度，同時具有較好的延伸性。目前國家標準GB/T1348-2009對球墨鑄鐵材質規定了15種牌號，其中常用的有QT450-10、QT600-3、QT700-2等牌號，前者伸長率較高但抗拉強度較低，后者抗拉強度較高但伸長率較低，因此非常需求一種既具有較高的抗拉強度又具有較高的伸長率的新材料。

目前一些高強度高韌性的球墨鑄鐵材料，其力學性能大多是通過熱處理以后獲得的。如《高強度高韌性QT900-5新材料及在大功率高速增壓柴油機曲軸上的應用開發》一文介紹了QT900-5的力學性能最后是通過等溫正火而獲得的。這樣不僅工藝復雜，而且成本較高。

技術實現要素：

本發明針對上述的問題，提出了一種高強度高韌性鑄態QT700-10及其生產方法。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案為，本發明提供一種高強度高韌性鑄態QT700-10，其特征在于，所述球墨鑄鐵不含Ni、Mo貴金屬，所述球墨鑄鐵的化學成分的質量百分比為：C 3.6％～3.8％，Si 2.1％～2.7％，P≤0.04％，且碳當量CE＝C+1/3(Si+P)＝4.3％～4.6％，Mn 0.2％～0.4％，Cu 0.3％～0.5％，Cr≤0.05％，Sn 0.013％～0.02％，且AF＝Mn+2.4Cu+3.2Cr+20Sn＝1.56％～2.0％，S 0.006％～0.015％，Mg 0.025％～0.05％，RE≤0.02％，余量為Fe。

作為優選，所述球墨鑄鐵原材料為熔煉用生鐵、廢鋼和回爐鐵；所述生鐵采用高純生鐵，化學成分的質量百分比C≥3.3％，Si0.4％～0.7％，Mn 0.05％～0.15％，P≤0.03％，S≤0.02％，Ti≤0.02％；所述廢鋼采用無銹中、低碳鋼，化學成分的質量百分比C≤0.5％，Si≤0.4％，Mn≤0.5％，P≤0.03％，S≤0.02％，Cr≤0.1％，Cu≤0.3％，Ni≤0.1％；所述回爐鐵采用與本材質相同的材料。

發明人還提出一種高強度高韌性鑄態QT700-10的生產方法，其特征在于包括以下步驟：

(1)電爐熔煉，將電爐內熔煉溫度調至1530℃～1550℃之間，加入增碳劑，將爐內原鐵液化學成分質量百分比調整為：C 3.8％～4.0％，Si 1.1％～1.7％，P≤0.04％，且CE＝C+1/3(Si+P)＝4.17％～4.47％；Mn 0.2％～0.4％，Cu 0.3％～0.5％，Cr≤0.05％，Sn≤0.013％；且AF＝Mn+2.4Cu+3.2Cr+20Sn＝1.56％～2.0％，S≤0.02％，高溫靜置8～10分鐘，扒清渣得到純凈鐵液；

(2)球化孕育，對上述成分的鐵液進行蓋包法的球化處理，將球化處理溫度調至1510℃±10℃，依次加入球化劑、孕育劑和小鋼片，逐層加料、扒平、搗實，球化劑加入量為鐵液重量的1.2％～1.5％，孕育劑加入量為鐵液重量的0.3％～0.5％，小鋼片加入量為鐵液重量的1.2％～1.3％，最終加入錫片，加入量為滿足最終目標值w(Sn)％±0.0005％，球化完成后扒渣干凈；

(3)二次孕育，采用Si-Ba孕育劑進行倒包孕育，加入量為鐵液重量的0.1％～0.3％；

(4)澆注，經過球化孕育和二次孕育的鐵液，在1360℃～1420℃溫度條件下澆注帶黏土濕型砂鑄型中，在澆注過程中進行第三次孕育即隨流瞬時孕育，加入量為澆注鐵液量的0.1％～0.15％，澆注后的鐵液在鑄型中凝固成形，隨鑄型冷卻至600℃以下落砂。

作為優選，所述蓋包法的球化處理所使用的堤壩式球化包，其堤壩高度高于加料高度30-50mm，包蓋與包體頂部由密封耐火材料密實，深度為內徑的1.5～2倍，使用前預熱至800℃以上；球化劑、孕育劑、小鋼片使用前烘干。

作為優選，所述增碳劑為經高溫石墨化處理的優質晶體增碳劑，化學成分為：C 99.5％～99.8％，S 0.015％～0.05％，N 0.001％～0.003％；吸收率≥95％；粒度0.5～5mm。

作為優選，所述球化劑采用Mg6RE0.5，化學成分為：Mg 5.5％～6.5％，RE 0.5％～＜1.0％(Ce/RE≥46％),Ca 1.5％～3.0％，Si 35％～45％，Mn≤1.0％，Ti≤0.5％，MgO≤0.65％，Al≤0.5％,余量為Fe；粒度5～30mm。

作為優選，所述球化孕育的孕育劑采用Si-Ba合金孕育劑，化學成分為：Si 65％～70％，Ba 4％～6％，粒度1.5～3mm，所述二次孕育的孕育劑成分與所述球化孕育的孕育劑成分相同，粒度為1～2mm。

作為優選，所述第三次孕育的孕育劑采用Si-Bi合金孕育劑；化學成分為：Si 68％～75％，Bi 0.8％～1.2％,Ca＜2.0％，RE＜1.2％,Al＜1.5％；粒度0.2～0.7mm。

作為優選，所述小鋼片為無銹低碳鋼。

作為優選，所述生產方法為節拍生產，落砂溫度一致，保證從球化完成到澆注結束時間不超過8分鐘，球化反應時間2分鐘左右，從出鐵球化到整包鐵液澆注結束節拍時間不超過10分鐘。

與現有技術相比，本發明的優點和積極效果在于，

1、提升了球化率及球狀石墨的數量。第一，改進球化劑的覆蓋。按球化劑+孕育劑+小鋼片順序加料，每層使用平頭錘扒平、搗實，且覆蓋層由鐵屑改用小鋼片，提高了熔點。這些措施延遲了球化反應時間，使球化反應保證在有一定鐵液壓頭的情況下進行，減少了Mg的氧化燒損，Mg的吸收率達65％以上，且最終Mg_殘保持在0.03％～0.04％左右，充分發揮了Mg的球化作用。第二，降低了RE含量。稀土(RE)有抵消反球化元素對石墨球化不利影響的作用，同時稀土元素(主要是Ce)易促進石墨形成團狀和團片狀，RE含量過多影響石墨球的圓整度，所以要進一步提高球狀石墨的數量，RE含量應盡量低些。為使團狀石墨低于20％，球化劑中的RE含量選擇在0.5％～1％之間。使用高純生鐵降低了硫含量及其它反球化微量元素含量，從而減少了球化劑加入量而且可以降低球化劑中RE含量。第三，為提高鎂的吸收率，在電爐生產條件下確定球化劑的鎂含量為6％左右。第四，為提高球化劑中有效鎂的含量改善球化效果，根據相關試驗資料規定球化劑中MgO的含量不超過其鎂含量的1/10。綜合以上因素，最終確定了球化劑成分。與球化劑廠家合作研制了新型球化劑Mg6RE0.5，其成分為w(Mg)5.5％～6.5％，w(RE)0.5％～＜1.0％,w(Ca)1.5％～3.0％，w(Si)35％～45％，w(Mn)≤1.0％，w(Ti)≤0.5％，w(MgO)≤0.65％，w(Al)≤0.5％。通過精細配料與嚴格操作，球化率提高到2級以上，且團狀石墨低于20％。第五，球化處理后加集渣劑覆蓋并多次扒渣，減少了“回硫”現象。第五，從球化處理完成到澆注完畢不超過8分鐘。

2、提高了鐵液的純凈度。第一，使用干凈的原料從源頭上減少了夾雜，對爐料的化學成分、物理狀態制定嚴格的控制標準。第二，高溫靜置處理使鐵液在此時進行“自脫氧”反應，使鐵液氧化及氧化夾渣傾向大幅減少，成為高溫低氧化的優質鐵液。第三，由于Mg的吸收率的提高、球化劑中有效Mg含量的提高、高純生鐵中反球化元素含量的減少，從而降低了球化劑的加入量，減少了造渣量。第四，加強蓋包密實，使球化處理在相對封閉的包內進行，與外界空氣減少了接觸，減少了氧化夾渣。第五，球化前原鐵液扒清渣，球化完成后充分扒渣。

3、孕育效果加強。通過球化包底Si-Ba孕育+倒包Si-Ba孕育+隨流Si-Bi三次孕育，有效防止了孕育衰退。Si-Ba合金孕育劑延長了衰退時間，特別是隨流孕育采用Si-Bi孕育劑使石墨球數大幅提高，提高了凝固品質，使球鐵的綜合性能相應提高并將少了縮孔、縮松及白口傾向。

4、成份優化，包括合理的化學成分及基體組織。根據各化學元素對鑄件組織及性能的影響，經過多次研制，確定了鑄件合理的化學成分及生產方案，提出了合金元素含量AF值控制方法及根據壁厚及澆注溫度確定的窄碳當量CE值范圍控制方法。保證了基體組織，從而保證了力學性能。

5、原材料優化。對原材料進行優選和創新，選擇合金型Si-Bi復合孕育劑，與材料廠合作研制新型球化劑Mg6RE0.5等。對原材料成分優化調整，爐料純凈化處理，使用高溫石墨化處理的晶體型增碳劑等。

6、節拍生產。以上所述的生產方法，還必須貫以嚴謹的管理，節拍生產，落砂溫度一致，保證從球化完成到澆注結束時間不超過8分鐘，球化反應時間2分鐘左右，為便于生產實際控制，從出鐵球化到整包鐵液澆注結束節拍時間不超過10分鐘。

以上措施，使鑄件綜合指標得到了較大提高：球化率≥90％，且團狀石墨不大于20％。鑄態下即可滿足Rm≥700MPa、A≥10％，超過了我國現行標準，代表了當代國際先進水平。依據Y形Ⅱ型單鑄試塊上切取的φ14mm的標準拉伸試樣測得的力學性能，并根據GB/T1348關于單鑄試樣測得的力學性能定義牌號等級的方法將其定義為QT700-10。本發明的力學性能是由鑄態獲得的，生產中不加入Ni、Mo等貴金屬，鑄件不用進行熱處理，所以成本較低。由于其具有高強度、高韌性因而適用于對力學性能要求較高的環境。本方法生產的鑄件無碳化鈦等硬質點并縮小了硬度范圍，提高了鑄件的切削性能。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為實施例1提供的拉伸試驗應力應變曲線圖；

圖2為實施例2提供的拉伸試驗應力應變曲線圖；

圖3為實施例3提供的拉伸試驗應力應變曲線圖；

具體實施方式

為了能夠更清楚地理解本發明的上述目的、特征和優點，下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。

在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明，但是，本發明還可以采用不同于在此描述的其它方式來實施，因此，本發明并不限于下面公開說明書的具體實施例的限制。

發明人為了證明所研究的球墨鑄鐵性能得到大大提高，下面將通過在具體的生產過程中，遵循以上所述的生產技術和方法對一款主要壁厚為11mm、質量為4.5kg的差速器殼體實施三種制造方案，以檢驗本發明的技術效果。采用的原材料如下：生鐵的化學成分為C

4.19％，Si 0.5％，Mn 0.046％，P 0.018％，S0.017％，Ti 0.019％，其它微量元素小于0.07％；廢鋼應干凈無銹，否則進行物理除銹；化學成分為C0.16％，Si 0.18％，Mn 0.45％，P 0.02％，S 0.01％，Cr 0.1％，Cu 0.027％，Ni 0.058％；選用的回爐鐵化學成分為C 3.7％，Si 2.3％，Mn 0.35％，P 0.032％，S 0.011％，Cr 0.03％，Cu 0.4％，Cr 0.03％，Sn 0.013％，Mg 0.035％，RE 0.012％，回爐鐵拋丸清理15min；晶體增碳劑吸收率大于95％，粒度在0.5～5mm之間，化學成分為C 99.6％，S 0.03％，N 0.002％。

實施例1

電爐調溫至1530℃～1550℃，在電爐熔煉的過程中加入增碳劑、廢鋼來調整鐵液內化學成分質量百分比，將爐內鐵液化學成分質量百分比調整為：C3.82％，Si 1.10％，P≤0.04％，CE 4.2％，Cr≤0.05％，Mn 0.40％，Sn≤0.013％，Cu 0.45％，S≤0.02％，其它微量元素≤0.1％，高溫靜置8～10分鐘，扒清渣得到純凈鐵液；得到的鐵液進行球化孕育，并調整Sn含量，對上述成分的鐵液球化處理、包底一次孕育，包內調整Sn含量，一次處理鐵液重量為750Kg，所述球化處理采用蓋包法即堤壩式球化包，使用前按技術要求修包合格，球化包使用前預熱至800℃以上；球化劑、孕育劑、小鋼片使用前烘干，按球化劑、孕育劑、小鋼片順序逐層加料并用平頭錘扒平、搗實；高度應低于堤壩30～50mm；球化劑采用Mg6RE0.5，化學成分Mg 6％，RE 0.8％，Si 42％，粒度5～30mm。加入量的計算如下：根據我們的研究試驗和生產實踐，使用Mg6RE0.5球化劑和前述生鐵生產本球墨鑄鐵時可控制w(Mg_殘)在0.025％～0.05％之間，因球墨鑄鐵中的Mg_殘＞0.04％時，凝固范圍急劇加寬，收縮傾向加大，所以在保證球化良好的前提下Mg_殘應盡量低些。球化劑的加入量計算公式:其中：λ為球化劑加入量，S_原鐵液為球化前原鐵液中S含量，S_球化后為球化后鐵液中S含量，Mg_殘為鑄件中Mg含量，Mg_衰減為球化后至澆注結束Mg的衰減量，η為鎂的吸收率，Mg_含量為球化劑中Mg的含量。試驗得出：脫硫量(S_原鐵液-S_球化后)＜0.01％，則脫硫鎂量為0.76(S_原鐵液-S_球化后)＜0.0076％；鎂每分鐘衰減率在0.001％～0.003％之間，取平均值0.002％，球化反應完成至澆注結束時間小于8分鐘,則Mg_衰減＝0.002％×8＝0.016％；鎂的吸收率η≥70％，按70％計算；由上知：Mg_含量＝6％；Mg_殘按0.03％計算；則＝(0.0076％+0.030％+0.016％)/(70％×6％)＝1.28％，即可滿足石墨球化的要求。為安全起見，球化劑加入量設為1.30％，則球化增硅量為：Si_球化＝1.30％×42％×95％＝0.519％，一次孕育劑的選用及加入量：Si-Ba孕育劑，粒度1.5～3mm，化學成分Si 68％，Ba 5.5％，加入量0.4％，則一次孕育增硅量為：Si_孕育Ⅰ＝0.4％×68％×95％＝0.258％。小鋼片覆蓋：小鋼片應干凈無銹，否則進行除銹處理。化學成分C 0.21％，Si 17％，Mn 0.3％，P 0.012％，S 0.01％，Cr 0.055％，Cu 0.013％，Ni 0.028％，加入量1.2％～1.3％；加入錫片以調整最終Sn含量，加入量滿足最終目標值w(Sn)％±0.0005％。調節球化處理溫度在1510℃±10℃；出鐵重量在750±10Kg，球化完成后多次扒渣，每次拔完渣在鐵液表面撒一層聚渣劑再扒，連續迅速進行，扒渣至少三次以上，時間不超過2分鐘。接著，在球化包倒入澆注包時進行二次孕育，采用Si-Ba孕育劑，粒度1～2mm；化學成分Si 68.2％，Ba 5％，加入量按0.2％，則二次孕育增硅量為：Si_孕育Ⅱ＝0.2％×67.2％×95％＝0.127％。根據鑄件壁厚與結構特征確定澆注溫度為1380℃～1420℃，使用自動澆注機以規定的澆注速度澆注到粘土濕型砂鑄型中。在澆注過程中進行隨流瞬時孕育(三次孕育)；采用Si-Bi合金孕育劑，化學成分Si69.6％，Bi0.85％，Ca 1.3％，RE 0.83％，Al 1.21％，粒度0.2～0.7mm；加入量為澆注鐵液量的0.14％，則三次孕育增硅量為：Si_孕育Ⅲ＝0.14％×69.6％×95％＝0.092％。在每球化包澆注后期澆注光譜試塊。在每球化包澆注后期澆注Y型25mm厚度標準試塊。整包鐵液澆注時間：從出鐵球化計時，到整包鐵液澆注結束不超過10分鐘。澆注后冷卻至600℃以下落砂。最終經測量得到鑄件化學成分為：C 3.62％，Si 2.10％，P 0.029％，CE 4.33％，Cr 0.032％，Mn 0.40％，Sn 0.015％，Cu 0.45％，AF 1.88％，S 0.008％，Mg 0.033％，RE 0.01％，其它微量元素不足0.1％。

實施例2

所采用的生產方法與實施例1相同，熔煉時鐵液化學成分質量百分比調整為：C 3.90％，Si 1.16％，P≤0.04％，CE 4.30％，Cr≤0.05％，Mn 0.35％，Sn≤0.013％，Cu 0.41％，S≤0.02％，其它微量元素≤0.1％，經生產加工之后，最終經測量得到鑄件化學成分為：C 3.70％，Si 2.16％，P 0.03％，CE 4.43％，Cr 0.03％，Mn 0.35％，Sn 0.014％，Cu 0.41％，AF 1.71％，S 0.009％，Mg 0.035％，RE 0.011％，其它微量元素不足0.1％。

實施例3

所采用的生產方法與實施例1相同，熔煉時鐵液化學成分質量百分比調整為：C 3.95％，Si 1.40％，P≤0.04％，CE 4.43％，Cr≤0.05％，Mn 0.30％，Sn≤0.013％，Cu 0.38％，S≤0.02％，其它微量元素≤0.1％，經生產加工之后，最終經測量得到鑄件化學成分為：C 3.75％，Si 2.40％，P 0.03％，CE 4.56％，Cr 0.029％，Mn 0.30％，Sn 0.013％，Cu 0.38％，AF 1.58％，S 0.012％，Mg 0.036％，RE 0.012％，其它微量元素不足0.1％。

根據上述實施例1、實施例2和實施例3得出的結論進行列表分析，如下表1、表2、表3所示。

表1光譜試塊分析結果

表2 Y型試塊的金相檢測結果

表3 Y型試塊的力學性能、硬度檢測結果

從上述表1、表2、表3和圖1、圖2、圖3可知，由實施例方法生產的球磨鑄鐵其性能指標均達到QT700-10要求。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非是對本發明作其它形式的限制，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等效實施例應用于其它領域，但是凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發明技術方案的保護范圍。