具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所述实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的保护范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。

本发明制备高强度高韧性等温淬火球铁材料时对铸造和热处理两方面有较为严格的要求。在铸造方面，要求有较高的球化率、合理的化学成分和金相组织，在热处理方面，要严格控制奥氏体化、等温淬火的温度和保温时间。

本发明用于等温淬火球铁材料的球墨铸铁试件可以通过已知方法制备，例如通过混合和熔化废钢、废料和多种辅助材料等原料来制备具有所需组成的铁水，并且向铁水中加入预定量的球化剂(例如Fe-Si-Mg合金、钇基重稀土复合球化剂)，浇注成所需形状的球墨铸铁试件。球墨铸铁试件需控制化学成分，各组分的重量百分数如下：C 3.75～3.9、Si2.3～2.4、Mn 0.2～0.3、Ni 0.6～0.8、Mo 0.3～0.4、Cu 0.6～0.8、P≤0.03％、S≤0.02、Mg0.025～0.05、稀土元素Re 0.025～0.05，余量为铁。

熔化：

可以将废钢、硅铁、生铁和多种辅助材料混合后在中频感应炉中加热至1350℃左右熔化成铁水，扒渣后加入所需合金。

孕育：

孕育优选的采用包内冲入法孕育。可以使用通常的Fe-Si合金作为孕育剂。孕育方式为包内孕育、随流孕育或型内孕育。

球墨铸铁试件的铸造方法：

可以通过重力铸造等来制备本发明的球墨铸铁试件，铸模可以是湿砂模、壳模、自硬模或其他广泛使用的由砂粒构成的透气性铸模。浇注温度为1400～1480℃。

球墨铸铁试件的热处理方法：

将浇注成型的球墨铸铁试件进行奥氏体化处理，奥氏体化处理后的球墨铸铁试件使用盐浴快速冷却到了马氏体开始转变温度以上进行等温淬火，使珠光体转变为细针状铁素体和富碳奥氏体；等温淬火后，将球铁铸件试件在空气中自然冷却，即得高强度高韧性等温淬火球铁材料。优选的，在奥氏体化之前，缓慢升温至760～780℃，避免升温过快导致球墨铸铁试件内部应力过大；奥氏体化处理过程中，控制炉气碳势高于奥氏体，保持足够的时间，避免奥氏体出现脱碳现象，导致内部应力过大。

具体地，本发明对球墨铸铁试件的热处理方法包括以下步骤：将球墨铸铁试件置于气体渗碳炉中，升温至760～780℃，并保温6～10分钟，整个升温保温过程控制炉气碳势为0.6～0.7；将炉气碳势升至0.8～0.9，然后将炉温升温至奥氏体化温度并保温；对球墨铸铁试件进行等温淬火处理，得到高强度高韧性等温淬火球铁材料。奥氏体化温度较低时，合金元素和碳原子的扩散能力较差，碳化物不能完全溶解，奥氏体中碳的固溶度较低，基体的淬透性较差，同时由于从高温炉到盐浴炉时的过冷度较小，造成在等温淬火阶段转变较慢，最终组织为大块的板条或块状基体组织，强度较低；奥氏体化温度较高，晶粒长大对抗拉强度产生的一定的副作用，导致抗拉强度的降低，同时增加热处理成本，降低热处理效率。

优选的，由室温预热至760～780℃的时间为40～60min，奥氏体化温度为880～900℃，炉温升温至奥氏体化温度的时间为35～40min，球墨铸铁试件在奥氏体化温度的保温时间为85～90min，等温淬火温度为340～360℃，时间为85～90min。

作为上述技术方案的优选，球墨铸铁试件包括如下重量百分数的组分：C 3.75、Si2.38、Mn 0.2、Ni 0.6、Mo 0.4、Cu 0.68、P 0.03、S 0.02、Mg 0.025、稀土元素Re 0.05，余量为铁。

作为上述技术方案的优选，球墨铸铁试件包括如下重量百分数的组分：C 3.88、Si2.4、Mn 0.28、Ni 0.7、Mo 0.3、Cu 0.8、P 0.02、S 0.01、Mg 0.05、稀土元素Re 0.025，余量为铁。

作为上述技术方案的优选，球墨铸铁试件包括如下重量百分数的组分：C 3.9、Si2.3、Mn 0.3、Ni 0.66、Mo 0.36、Cu 0.6、P 0.02、S 0.01、Mg 0.04、稀土元素Re 0.03，余量为铁。

作为上述技术方案的优选，盐浴采用的淬火剂为50％～55％KNO₃+45％～50％NaNO₂。

实施例1

本实施例制备高强度高韧性等温淬火球铁材料化学成分以重量百分比计为：C3.75、Si 2.38、Mn 0.2、Ni 0.6、Mo 0.4、Cu 0.68、P 0.03、S 0.02、Mg 0.025、稀土元素Re0.05，余量为铁。

本实施例制备高强度高韧性等温淬火球铁材料的方法包括以下步骤：

1、铸造包括如下重量百分数组分的球墨铸铁试件：C 3.75、Si 2.38、Mn 0.2、Ni0.6、Mo 0.4、Cu 0.68、P 0.03、S 0.02、Mg 0.025、稀土元素Re 0.05，余量为铁；制备过程先进行熔炼、孕育、球化处理、浇注，冷却后得到壁厚为40mm的球墨铸铁试件；其中，熔炼步骤采用常规的方法，将原料在中频感应炉中冶炼；孕育步骤采用包内冲入法孕育；浇注步骤中控制浇注温度为1420℃。

2、在碳势为0.6的条件下：将球墨铸铁试件由室温预热至780℃并保温6min，由室温预热至780℃的时间为50min；

3、将球墨铸铁试件由780℃升温至900℃并保温90min，由780℃升温至900℃的时间为30min，整个升温保温过程维持碳势为0.9；

4、将球墨铸铁试件快速转移至工业盐的熔盐槽内，进行等温淬火，等温淬火温度为350℃，等温淬火时间为85min；

5、盐浴等温淬火后，将球墨铸铁试件在空气中自然冷却，得到高强度高韧性等温淬火球铁材料。

本实施例所得高强度高韧性等温淬火球铁材料的抗拉强度为1320MPa，断裂延伸率为9％，属于QTD1200-8材料。

实施例2

本实施例制备高强度高韧性等温淬火球铁材料化学成分按重量百分比计为：C3.88、Si 2.4、Mn 0.28、Ni 0.7、Mo 0.3、Cu 0.8、P 0.02、S 0.01、Mg 0.05、稀土元素Re0.025，余量为铁。

本实施例制备高强度高韧性等温淬火球铁材料的方法包括以下步骤：

1、铸造包括如下重量百分数组分的球墨铸铁试件：C 3.88、Si 2.4、Mn 0.28、Ni0.7、Mo 0.3、Cu 0.8、P 0.02、S 0.01、Mg 0.05、稀土元素Re 0.025，余量为铁；制备过程先进行熔炼、孕育、球化处理、浇注，冷却后得到壁厚为40mm的球墨铸铁试件；其中，熔炼步骤采用常规的方法，将原料在中频感应炉中冶炼；孕育步骤采用包内冲入法孕育；浇注步骤中控制浇注温度为1450℃。

2、在碳势为0.7的条件下：将球墨铸铁试件由室温预热至760℃并保温10min，由室温预热至760℃的时间为50min；

3、将球墨铸铁试件由760℃升温至880℃并保温85min，由760℃升温至880℃的时间为40min，整个升温保温过程维持碳势为0.8；

4、将球墨铸铁试件快速转移至工业盐的熔盐槽内，进行等温淬火，等温淬火温度为340℃，等温淬火时间为88min；

5、盐浴等温淬火后，将球墨铸铁试件在空气中自然冷却，得到高强度高韧性等温淬火球铁材料。

本实施例所得高强度高韧性等温淬火球铁材料的抗拉强度R_m为1388MPa，延伸率为8％，属于QTD1200-8材料。

实施例3

本实施例制备高强度高韧性等温淬火球铁材料的化学成分按重量百分比计为：C3.9、Si 2.3、Mn 0.3、Ni 0.66、Mo 0.36、Cu 0.6、P 0.02、S 0.01、Mg 0.04、稀土元素Re0.03，余量为铁。

本实施例制备高强度高韧性等温淬火球铁材料的方法包括以下步骤：

1、铸造包括如下重量百分数组分的球墨铸铁试件：C 3.9、Si 2.3、Mn 0.3、Ni0.66、Mo 0.36、Cu 0.6、P 0.02、S 0.01、Mg 0.04、稀土元素Re 0.03，余量为铁；制备过程先进行熔炼、孕育、球化处理、浇注，冷却后得到壁厚为40mm的球墨铸铁试件；其中，熔炼步骤采用常规的方法，将原料在中频感应炉中冶炼；孕育步骤采用包内冲入法孕育；浇注步骤中控制浇注温度为1430℃。

2、在碳势为0.6的条件下：将球墨铸铁试件由室温预热至780℃并保温8min，由室温预热至780℃的时间为50min；

3、将球墨铸铁试件由780℃升温至890℃并保温87min，由780℃升温至890℃的时间为38min，整个升温保温过程维持碳势为0.9；

4、将球墨铸铁试件快速转移至工业盐的熔盐槽内，进行等温淬火，等温淬火温度为360℃，等温淬火时间为90min；

5、盐浴等温淬火后，将球墨铸铁试件在空气中自然冷却，得到高强度高韧性等温淬火球铁材料。

本实施例所得高强度高韧性等温淬火球铁材料的抗拉强度R_m为1232MPa，延伸率为10％，为QTD1200-8材料。

对比例1

与实施例1不同的是，本对比例没有加Mo，合金元素不足。

本对比例制备等温淬火球铁材料的化学成分按重量百分比计为：C 3.76、Si2.32、Mn 0.22、Ni 0.68、Cu 0.74、P 0.02、S 0.01、Mg 0.037、稀土元素Re 0.033，余量为铁。

本对比例制备等温淬火球铁材料的方法包括以下步骤：

1、铸造包括如下重量百分数组分的球墨铸铁试件：C 3.76、Si 2.32、Mn 0.22、Ni0.68、Cu 0.74、P 0.02、S 0.01、Mg 0.037、稀土元素Re 0.033，余量为铁；制备过程先进行熔炼、孕育、球化处理、浇注，冷却后得到壁厚为40mm的球墨铸铁试件；其中，熔炼步骤采用常规的方法，将原料在中频感应炉中冶炼；球化处理孕育步骤采用包内冲入法孕育；浇注步骤中控制浇注温度为1430℃；

2、在碳势为0.6的条件下：将球墨铸铁试件由室温预热至780℃并保温6min，由室温预热至780℃的时间为50min；

3、将球墨铸铁试件由780℃升温至900℃并保温90min，由780℃升温至900℃的时间为35min，整个升温保温过程维持碳势为0.9；

4、将球墨铸铁试件快速转移至工业盐的熔盐槽内，进行等温淬火，等温淬火温度为360℃，等温淬火时间为85min；

5、盐浴等温淬火后，将球墨铸铁试件在空气中自然冷却，得到等温淬火球铁材料。

本对比例所得等温淬火球铁材料的抗拉强度R_m为990MPa，延伸率为5％。

对比例2

本对比例制备等温淬火球铁材料的化学成分按重量百分比计为：C 3.86、Si2.37、Mn 0.21、Ni 0.71、Mo 0.35、Cu 0.98、P 0.03、S 0.02、Mg 0.032、稀土元素Re 0.041，余量为铁。

本对比例制备等温淬火球铁材料的方法包括以下步骤：

1、铸造包括如下重量百分数组分的球墨铸铁试件：C 3.86、Si 2.37、Mn 0.21、Ni0.71、Mo 0.35、Cu 0.98、P 0.03、S 0.02、Mg 0.032、稀土元素Re 0.041，余量为铁；制备过程先进行熔炼、孕育、球化处理、浇注，冷却后得到壁厚为40mm的球墨铸铁试件；其中，熔炼步骤采用常规的方法，将原料在中频感应炉中冶炼；孕育步骤采用包内冲入法孕育；浇注步骤中控制浇注温度为1430℃；

2、在碳势为0.6的条件下：将球墨铸铁试件由室温预热至780℃并保温6min，由室温预热至780℃的时间为50min；

3、将球墨铸铁试件由780℃升温至900℃并保温90min，由780℃升温至900℃的时间为35min，整个升温保温过程维持碳势为0.9；

4、将球墨铸铁试件快速转移至工业盐的熔盐槽内，进行等温淬火，等温淬火温度为360℃，等温淬火时间为85min；

5、盐浴等温淬火后，将球墨铸铁试件在空气中自然冷却，得到等温淬火球铁材料。

所得高强度高韧性等温淬火球铁材料的抗拉强度R_m为1282MPa，延伸率为9％。

对比例3

本对比例制备等温淬火球铁材料的化学成分按重量百分比计为：C 3.72、Si2.35、Mn 0.24、Ni 0.65、Mo 0.37、Cu 0.77、P 0.03、S 0.02、Mg 0.028、稀土元素Re 0.039，余量为铁。

本对比例制备等温淬火球铁材料的方法包括以下步骤：

1.铸造包括如下重量百分数组分的球墨铸铁试件：C 3.72、Si 2.35、Mn 0.24、Ni0.65、Mo 0.37、Cu 0.77、P 0.03、S 0.02、Mg 0.028、稀土元素Re 0.039，余量为铁；制备过程先进行熔炼、孕育、球化处理、浇注，冷却后得到壁厚为40mm的球墨铸铁试件；其中，熔炼步骤采用常规的方法，将原料在中频感应炉中冶炼；孕育步骤采用包内冲入法孕育；浇注步骤中控制浇注温度为1430℃；

2、在碳势为0.6的条件下：将球墨铸铁试件由室温预热至780℃并保温6min，由室温预热至780℃的时间为50min；

3、将球墨铸铁试件由780℃升温至800℃并保温90min，由780℃升温至800℃的时间为35min，整个升温保温过程维持碳势为0.9；

4、将球墨铸铁试件快速转移至工业盐的熔盐槽内，进行等温淬火，等温淬火温度为360℃，等温淬火时间为85min；

5、盐浴等温淬火后，将球墨铸铁试件在空气中自然冷却，得到等温淬火球铁材料。

本对比例所得等温淬火球铁材料的抗拉强度R_m为1048MPa，延伸率为6％。

对比例4

本对比例制备等温淬火球铁材料的化学成分按重量百分比计为：C 3.84、Si2.38、Mn 0.28、Ni 0.66、Mo 0.33、Cu 0.72、P 0.02、S 0.01、Mg 0.047、稀土元素Re 0.043，余量为铁。

本对比例制备等温淬火球铁材料的方法包括以下步骤：

1、铸造包括如下重量百分数组分的球墨铸铁试件：C 3.84、Si 2.38、Mn 0.28、Ni0.66、Mo 0.33、Cu 0.72、P 0.02、S 0.01、Mg 0.047、稀土元素Re 0.043，余量为铁；制备过程先进行熔炼、孕育、球化处理、浇注，冷却后得到壁厚为40mm的球墨铸铁试件；其中，熔炼步骤采用常规的方法，将原料在中频感应炉中冶炼；孕育步骤采用包内冲入法孕育；浇注步骤中控制浇注温度为1430℃；

2、在碳势为0.6的条件下：将球墨铸铁试件由室温预热至780℃并保温6min，由室温预热至780℃的时间为50min；

3、将球墨铸铁试件由780℃升温至980℃并保温90min，由780℃升温至980℃的时间为35min，整个升温保温过程维持碳势为0.9；

4、将球墨铸铁试件快速转移至工业盐的熔盐槽内，进行等温淬火，等温淬火温度为360℃，等温淬火时间为85min；

5、盐浴等温淬火后，将球墨铸铁试件在空气中自然冷却，得到等温淬火球铁材料。

本对比例所得等温淬火球铁材料的抗拉强度R_m为1022MPa，延伸率为6％。

表1各实施例和对比例的化学成分组成

表2各实施例和对比例的热处理工艺参数

如表1和表2所示，合金元素(Cu、Ni、Mo)添加量少，强度韧性下降；合金元素添加量高，成本增加，性能不能继续提升。对比例1与实施例1的区别是合金元素不足(没有加Mo)，导致淬透性不足，强度和延伸率下降；对比例2和实施例1的区别是合金元素过量(Cu添加量提升到0.98)，材料成本增加，性能没有继续提升；对比例3与实施例1的区别是升温温度低于要求范围，实施例4与对比例1的区别是升温温度高于要求范围，都导致强度韧性下降。

对比例5

参照中国专利文献CN 106947911 A的实施例1制备高强度高韧性高耐磨性等温淬火球铁，步骤如下：

1、制备铁液：以生铁、硅铁、废钢、回炉料为碳、硅、Mn的主要来源，以镍铁、钼铁、电解铜等合金调整Ni、Mo、Cu的含量，按最终铁液的要求计算各原材料配比，将各原材料按要求装入中频电路熔炼，待铁液化清，温度在1320-1360℃时测铁液成分，调整铁液后得原铁液，将原铁液继续升温至1500～1520℃出炉；通过冲入法球化处理，在1吨球化包内放入1wt％的球化剂与1.1wt％的孕育剂，用铁屑覆盖，冲入原铁液后静止1分钟，倒入浇注包，在浇注时进行随流孕育，孕育剂量为0.8-1.1wt％，所得最终铁液的组成为：C 3.75％、Si2.5％、Mn 0.21％、Cr 0.016％、Ni 0.50％、Mo 0.32％、Cu 0.8％、P 0.021％、S 0.013％、残留Mg 0.032％、Re0.007％，余量为铁。

所用球化剂和孕育剂成分同中国专利文献CN 106947911 A的实施例1的表1和表2：

2、将终铁液浇入铸型，得到球铁铸件毛坯。

3、将球铁铸件毛坯进行奥氏体化处理，奥氏体化温度为905℃并保温时间为90分钟，温度偏差±5℃，然后在封闭保护性气氛下将球铁铸件毛坯快速转移到工业盐的熔盐槽内，冷却至马氏体开始转变温度以上，进行盐浴等温淬火处理，盐浴温度为270℃，时间为120min，温度偏差±5℃；

4、盐浴等温淬火后，将球铁铸件毛坯在空气中自然冷却，即得等温淬火球铁。

对所得等温淬火球铁的性能进行检测，结果如表3所示。其中，抗拉强度采用液压强度试验机测试。

表3对比例5制备的等温淬火球铁的性能

对比例5虽然取得了较高的抗拉强度，相比实施例2制备的抗拉强度为1388MPa的高强度高韧性等温淬火球铁材料，对比例5的断后伸长率太低。

对比例6

参照中国专利文献CN 106947912A实施例1制备等温淬火球墨铸铁，其含有以下重量百分含量的组分：C 3.72％、Si 2.51％、Mn0.48％、Mg 0.025％、Cu 0.5％、Ni 0.63％、Mo0.34％、Cr 0.27％、Sb 0.015％、Re0.037％、Ce 0.014％、P＜0.05％、S＜0.01％、其余为铁和其他不可避免的杂质。

上述等温淬火球墨铸铁的铸造方法，包括以下步骤：

(1)先将废钢、硅铁、生铁和增碳剂混合加热熔化成铁水，控制铁水的化学成分及各化学成分的重量百分含量；

(2)将铁水温度升高至1470℃时，扒渣，然后依次加入所需量的各组分合金，调整铁液中各元素的含量，升温至1530℃并保温8min后出铁；

(3)控制铁水温度在1500℃，将转炉横向放置，将铁水冲入转炉中，当铁水出到一半时，将Al含量≤0.1％的硅锶孕育剂随后一半铁水连续地进行添加，搅拌孕育，孕育剂的加入量为铁液量的0.08％；

(4)将转炉直立，采用冲入法球化处理，球化剂的加入量为铁液量的1.5％，将铁液降温至1380℃，开始浇注，浇注时对砂型模施加震动处理，浇注结束后得到球墨铸铁试样；

(5)将球墨铸铁试样升温至890℃进行奥氏体化，保温2h后降温至560℃，再保温1h后，放在空气中空冷，再把球墨铸铁试样升温至870℃保温2h，然后迅速将球墨铸铁试样放入水槽中进行短时间淬火，淬火时间为5s，再将球墨铸铁试样放入盐浴炉中进行等温淬火，盐浴炉中的等温淬火介质由55％的亚硝酸钠和45％的硝酸钾组成，等温淬火温度为360℃并保温1.5-3h，将等温淬火结束后的球墨铸铁试样降温，降温速度为140-160℃/h，降温2h，将降温后的球墨铸铁试样再迅速加热至220℃并保温1h，将保温后的球墨铸铁试样空气中自然冷却即可得到球墨铸铁。本对比例所得球墨铸铁的抗拉强度为1082MPa，延伸率为10％。相比实施例3的延伸率为10％、抗拉强度为1232MPa的高强度高韧性等温淬火球铁材料，对比例6的抗拉强度差很多。

工业实用性

本发明的高强度高韧性等温淬火球铁材料可以用于多种结构部件，并且由于出色的韧性而特别适用于汽车结构部件。例如，其可以用于转向节、曲轴、支撑梁、连杆、制动体、制动支架、卸扣、弹簧支架、涡轮机壳体、托架、差速器箱、发动机座支架等。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。