球狀石墨鑄鐵及其製造方法、由此製造的液壓設備用部件與流程

2023-05-28 07:33:41

本發明涉及用於製造液壓設備用部件(例如殼體)的球狀石墨鑄鐵及其製造方法。
背景技術：
：球狀石墨鑄鐵與碳鋼、合金鋼、鍛鋼之類的鋼材相比強度和耐磨性差，但製造容易且通過高頻熱處理能夠確保與鋼材相同或其以上的強度和耐磨性，因此作為代替鋼材的原材料來利用。但是由於球狀石墨鑄鐵是將熔液注入模具(mold)並使其凝固而製造的，所以在基體組織(matrix)中難以均勻地形成球狀石墨。如果對像這樣球狀石墨不均勻地形成的球狀石墨鑄鐵進行高頻熱處理，則基體組織(matrix)的馬氏體(martensite)轉變困難，難以確保要求的硬化層和物性值，因此對球狀石墨鑄鐵進行高頻熱處理而得到的鑄件(部件)容易發生變形。因此即使可以通過高頻熱處理來提高強度和耐磨性，但球狀石墨鑄鐵只是有限地利用於高頻熱處理時對變形不敏感的小型部件(例如汽車用發動機部件、或者變速器部件)。為此，為了提高球狀石墨鑄鐵的利用率，提出了改善球狀石墨鑄鐵的高頻熱處理工序來改善球狀石墨鑄鐵的物性的技術。但是這樣的技術在控制作為用於獲得經高頻熱處理的硬化部所要求的物性值的核心要素的球狀石墨鑄鐵的球狀石墨的數量、球狀石墨的大小、球化率和珠光體(pearlite)分數等方面存在限制。為了對此進行改善，提出了添加鎳(ni)、鉬(mo)等昂貴元素來控制球狀石墨鑄鐵的核心要素而提高球狀石墨鑄鐵的物性的技術。但是這樣的技術中珠光體(pearlite)分數小於10％，因此對塑性加工部進行高頻熱處理時基體組織(matrix)的馬氏體(martensite)轉變困難，所以在提高球狀石墨鑄鐵的強度和耐磨性方面存在限制。因此，要求如下的球狀石墨鑄鐵，即，使球狀石墨鑄鐵的球狀石墨和基體組織(matrix)變得均勻，從而即使根據部件的大小而高頻熱處理的時間不同，也能夠使變形最小化、與鋼材相比，能夠發揮相同或其以上的強度和耐磨性的球狀石墨鑄鐵。技術實現要素：技術課題本發明為了解決上述問題，以提供球狀石墨在基體組織(matrix)中均勻形成的球狀石墨鑄鐵及其製造方法為目的。另外，本發明的目的還在於提供包含上述球狀石墨鑄鐵的液壓設備用部件。解決課題的方法為了實現上述目的，本發明提供一種液壓設備用部件，其包含球狀石墨鑄鐵，上述球狀石墨鑄鐵包含：碳(c)3.4至3.8重量％、矽(si)2.0至2.4重量％、錳(mn)0.2至0.5重量％、鎂(mg)0.025至0.06重量％、銅(cu)0.2至0.5重量％、鋯(zr)0.005至0.01重量％、以及餘量的鐵(fe)和雜質，上述銅(cu)的含量與上述鋯(zr)的含量之比(cu/zr)為20至100。另外，本發明提供一種球狀石墨鑄鐵的製造方法，其包括以下步驟：(a)製造包含碳(c)、矽(si)、錳(mn)、鐵(fe)和雜質的原料熔液的步驟；(b)在上述原料熔液中添加銅(cu)的步驟；(c)在上述添加有銅(cu)的原料熔液中添加鋯(zr)、且以上述銅(cu)的含量與上述鋯(zr)的含量之比(cu/zr)為20至100的方式添加鋯(zr)的步驟；以及(d)在上述添加有鋯(zr)的原料熔液中添加由fe-si-mg形成的球化劑的步驟；以及(e)在添加有上述球化劑的原料熔液中添加由fe-si形成的孕育劑而製造包含碳(c)3.4至3.8重量％、矽(si)2.0至2.4重量％、錳(mn)0.2至0.5重量％、銅(cu)0.2至0.5重量％、鋯(zr)0.005至0.01重量％、鎂(mg)0.025至0.06重量％、以及餘量的鐵(fe)和雜質的鑄鐵熔液的步驟。另外，本發明提供將上述液壓設備用部件進行高頻熱處理而製造的液壓設備用部件。發明效果本發明通過控制銅(cu)的含量與鋯(zr)的含量之比(cu/zr)而製造球狀石墨鑄鐵，從而能夠提供球狀石墨的大小和分布均勻、基體組織(matrix)的珠光體(prarlite)分數高的球狀石墨鑄鐵。另外，本發明還能夠提供將上述球狀石墨鑄鐵進行高頻熱處理而使變形最小化、具有與鋼材(碳鋼、合金鋼、鍛鋼)相同或其以上的強度和耐磨性的液壓設備用部件。附圖說明圖1是表示根據本發明的一個實施方式的製造球狀石墨鑄鐵的步驟的流程圖。圖2至圖5是用於說明本發明的實施例和實驗例的參考圖。具體實施方式以下，對本發明進行說明。1.球狀石墨鑄鐵本發明的球狀石墨鑄鐵以特定範圍的含量包含碳(c)、矽(si)、錳(mn)、鎂(mg)、銅(cu)和鋯(zr)，並且銅(cu)與鋯(zr)的含量之比(cu/zr)具有特定範圍，因此基體組織(matrix)中均勻分布有具有一定大小的球狀石墨，對此進行如下的具體說明。本發明的球狀石墨鑄鐵在總重量中包含3.4至3.8重量％的碳(c)。碳(c)是生成良好的球狀石墨和微細珠光體(pearlite)的元素。如果這樣的碳(c)的含量小於3.4重量％，則每單位面積(1mm2)中用於擴散碳的球狀石墨的數量減少，因此基體組織(matrix)的穩定的馬氏體(martensite)轉變可能降低。另外，如果碳(c)的含量超過3.8重量％，則過量形成初生石墨，或者形成碎塊狀(chunky)石墨，從而難以得到良好的球狀石墨鑄鐵。因此，優選以上述含量範圍包含碳(c)。本發明的球狀石墨鑄鐵在總重量中包含2.0至2.4重量％的矽(si)。如果矽(si)的含量小於2.0重量％，則球狀石墨的數量減少，或者熔液的最終凝固部可能發生收縮缺陷。另外，如果矽(si)的含量大於2.4重量％，則球狀石墨過多地形成，隨著珠光體(pearlite)分數減少，有可能球狀石墨鑄鐵的拉伸強度降低或者高頻熱處理後性能降低。因此，優選以上述含量範圍包含矽(si)。本發明的球狀石墨鑄鐵在總重量中包含0.2至0.5重量％的錳(mn)。錳(mn)是生成珠光體(pearlite)的代表性的元素，並且與硫(s)反應而形成球狀石墨的成核位點。如果這樣的錳(mn)的含量小於0.2重量％，則成核位點減少而粗大的球狀石墨的形成率可能升高，從而可能難以得到良好的球狀石墨鑄鐵。另外，如果錳(mn)的含量大於0.5重量％，則在基體組織中過度地形成珠光體，將其進行正火處理和高頻熱處理時，隨著表面硬度過度地升高，脆性可能降低。因此，優選以上述含量範圍包含錳(mn)。本發明的球狀石墨鑄鐵在總重量中包含0.025至0.06重量％的鎂(mg)。鎂(mg)是與阻礙球狀化的元素即硫(s)和氧(o)反應而將它們除去以促進球狀石墨的形成的元素。如果這樣的鎂(mg)的含量小於0.025重量％，則可能導致緻密石墨鋼(cgi)或片狀石墨的形成。另外，如果鎂(mg)的含量大於0.06重量％，發生白口(chill)的可能性變高，脆性可能降低。因此，優選以上述含量範圍包含鎂(mg)。本發明的球狀石墨鑄鐵在總重量中包含0.2至0.5重量％的銅(cu)。銅(cu)是強化球狀石墨鑄鐵的基體組織的元素，發揮促進珠光體(pearlite)的生成並使其微細化的作用。如果這樣的銅(cu)的含量小於0.2重量％，則可能珠光體(pearlite)的生成減少而難以得到要求的拉伸強度。另外，如果銅(cu)的含量超過0.5重量％，則珠光體(pearlite)過度地生成，進行正火處理和高頻熱處理時表面硬度過度上升，從而脆性可能降低。因此，優選以上述含量範圍包含銅(cu)。本發明的球狀石墨鑄鐵在總重量中包含0.005至0.01重量％的鋯(zr)。鋯(zr)是能夠與硫(s)反應而形成硫化物或者以其它形態形成能夠使球狀石墨的核生長的基底(substrate)而均勻地形成球狀石墨的元素。如果這樣的鋯(zr)的含量小於0.005重量％，則形成碎塊狀(chunky)石墨、開花狀石墨、石墨浮渣(carbondross)等，如果大於0.01重量％，則球狀石墨過度地形成而難以得到良好的球狀石墨鑄鐵。因此，優選以上述含量範圍包含鋯(zr)。本發明的球狀石墨鑄鐵除了上述成分以外還包含餘量的鐵(fe)和雜質。上述雜質沒有特別限定，可舉出硫(s)、或磷(p)等。在這裡，本發明的球狀石墨鑄鐵中包含的硫(s)的含量沒有特別限定，但優選在球狀石墨鑄鐵總重量中包含0.002至0.01重量％。如果硫(s)的含量小於0.002重量％，則球狀石墨的成核位點減少而粗大的球狀石墨的形成率可能升高。另外，如果硫(s)的含量大於0.01重量％，則可能石墨的球狀化被阻礙而導致片狀石墨的形成。因此，優選以上含量範圍包含硫(s)。另外，本發明的球狀石墨鑄鐵中包含的磷(p)的含量也沒有特別限定，但優選在球狀石墨鑄鐵總重量中包含0.06重量％以下。磷(p)是球狀石墨鑄鐵的製造過程中自然被添加的雜質。這樣的磷(p)形成磷化物(斯氏體(steadite))而強化基體組織，但其含量大於0.06重量％時，由於過量的磷化物(斯氏體(steadite))的形成，有可能使脆性急劇增加而加工性降低。因此，優選以上含量範圍包含磷(p)。另一方面，本發明的球狀石墨鑄鐵在上述範圍內包含鋯(zr)和銅(cu)且銅(cu)的含量與鋯(zr)的含量之比(cu/zr)在20至100的範圍(優選為30至90)。像這樣銅(cu)的含量與鋯(zr)的含量之比(cu/zr)在20至100的特定範圍時，珠光體(pearlite)生成以及作為石墨化元素的銅(cu)與發揮石墨的成核位點作用的鋯(zr)的複合反應最佳化，從而可以得到在基體組織中具有一定大小的球狀石墨均勻分布的球狀石墨鑄鐵，由此，本發明可以控制作為球狀石墨鑄鐵的核心要素的球狀石墨的數量、球狀石墨的大小、球化率和珠光體(pearlite)分數。具體而言，本發明的球狀石墨鑄鐵的每單位面積(1mm2)球狀石墨的數量為130個以上(優選為140至200個)，球狀石墨的大小為50μm以下(優選為10至45μm)。如果上述球狀石墨的數量為小於每單位面積(1mm2)130個，則球狀石墨的大小粗大化而難以得到要求的球化率，可能形成碎塊狀(chunky)石墨、開花狀石墨、漂浮石墨等石墨，因此，球狀石墨的數量優選為130個以上，球狀石墨的大小優選為50μm以下的理由也與此相同。另外，本發明的球狀石墨鑄鐵即使截面積的厚度為30mm以上，球化率也為80％以上(優選為80至100％)。另外，本發明的球狀石墨鑄鐵的基體組織的珠光體(pearlite)分數為50至85％。如果上述珠光體(pearlite)分數小於50％，則基體組織的馬氏體(martensite)轉變不能穩定地進行，即使將其進行高頻熱處理，也有可能難以確保具有要求的物性值的液壓設備用部件。另外，如果珠光體分數超過85％，則經過正火處理和高頻熱處理時，表面硬度過度上升，有可能液壓設備用部件的脆性降低或需要追加熱處理。因此，珠光體分數優選為50至85％。另一方面，本發明的球狀石墨鑄鐵的拉伸強度(tensilestrength)為550至650mpa。通過拉伸強度在上述範圍，將本發明的球狀石墨鑄鐵進行正火處理和高頻熱處理時，能夠得到具有要求的物性值的液壓設備用部件。2.球狀石墨鑄鐵的製造方法本發明提供上述說明的球狀石墨鑄鐵的製造方法，對此參照圖1如下進行具體說明。(a)製造原料熔液首先，製造包含碳(c)、矽(si)、錳(mn)、鐵(fe)和雜質的原料熔液110。製造上述原料熔液110的方法只要是本領域公知的方法就沒有特別限定。另一方面，原料熔液110中包含的碳(c)、矽(si)和錳(mn)的含量優選以原料熔液110總重量為基準，碳(c)為3.4至3.8重量％、矽(si)為1.4至1.8重量％、錳(mn)為0.2至0.5重量％。(b)添加銅(cu)在製造的原料熔液110中添加銅(cu)210。此時，銅(cu)210的添加量優選以原料熔液110總重量為基準為0.2至0.5重量％。(c)添加鋯(zr)在添加有上述銅(cu)210的原料熔液110中添加鋯(zr)220，且以銅(cu)210的含量與鋯(zr)220的含量之比(cu/zr)為20至100的方式添加鋯(zr)220。具體而言，優選鋯(zr)以原料熔液110總重量為基準添加0.0005至0.01重量％。通過像這樣將銅(cu)210的含量與鋯(zr)220的含量之比(cu/zr)調節至20至100範圍，從而能夠得到具有一定大小的球狀石墨均勻分布的球狀石墨鑄鐵。另一方面，通過將鋯(zr)220不在(a)步驟的原料熔液110製造時投入而是最終投入，從而可以防止鋯(zr)220轉化為氧化物，由此能夠維持原料熔液110中包含的鋯(zr)220的添加量(如果鋯(zr)220轉化為氧化物，則會漂浮於原料熔液110的表面，它們將被視為雜質而除去)。像這樣添加有鋯(zr)220的原料熔液110可以經過以下步驟：利用碳當量測定儀、碳/硫分析儀和光譜分析儀等分析原料熔液110的成分，從而確定各元素是否以要求的含量包含。(d)進行球狀化在上述添加有鋯(zr)220的原料熔液110中添加由fe-si-mg形成的球化劑。具體而言，將原料熔液110倒入作為用於出爐的容器的澆包300，添加促進石墨球狀化的由fe-si-mg形成的球化劑，進行石墨球狀化。此時，由fe-si-mg形成的球化劑的添加量沒有特別限定，但優選為1.1±0.05重量％。通過添加這樣的球化劑，球狀石墨鑄鐵中包含的鎂(mg)的含量被確定。另一方面，為了提高球狀石墨鑄鐵的穩定性而進行球狀化時，還可以添加後述的由fe-si形成的孕育劑。(e)製造鑄鐵熔液在添加有上述球化劑的原料熔液110中添加由fe-si形成的孕育劑，製造包含碳(c)3.4至3.8重量％、矽(si)2.0至2.4重量％、錳(mn)0.2至0.5重量％、銅(cu)0.2至0.5重量％、鋯(zr)0.005至0.01重量％、鎂(mg)0.025至0.06重量％、以及餘量的鐵(fe)和雜質的鑄鐵熔液120。此時，由fe-si形成的孕育劑的添加量沒有特別限定，但優選為0.5±0.05重量％。此後，將製造的鑄鐵熔液120的溫度用浸漬式類型的溫度計進行測定後，注入鑄造模具400中而製造具有所需的形態的球狀石墨鑄鐵。3.液壓設備用部件本發明提供將上述說明的球狀石墨鑄鐵進行高頻熱處理而製造的液壓設備用部件。這樣的本發明的液壓設備用部件是將上述說明的球狀石墨鑄鐵進行高頻熱處理而得到的，因此具有要求的範圍的表面硬度，並且變形量也最小化。即，將上述說明的球狀石墨鑄鐵進行高頻熱處理時，基體組織轉變成穩定的馬氏體(martensite)並且熱影響區的變形最小化，因此本發明可以提供表面硬度具有最佳範圍且變形量也最小化的液壓設備用部件。具體而言，本發明的液壓設備用部件的表面硬度為hrc55至65，與鋼材相比，具有相同或其以上的表面硬度，且變形量表現為65μm以下(優選為0至60μm)。另一方面，為了得到本發明的液壓設備用部件而將球狀石墨鑄鐵進行高頻熱處理的方法只要是本領域中公知的方法就沒有特別限定，可以通過以下步驟進行：將球狀石墨鑄鐵在850至1050℃的溫度中進行1次熱處理後，用水或油進行冷卻，在120至250℃的溫度中進行2次熱處理。另外，優選本發明的液壓設備用部件在高頻熱處理前經過將球狀石墨鑄鐵進行正火處理(normalizing)的步驟。此時，將球狀石墨鑄鐵進行正火處理的方法只要是本領域公知的方法就沒有特別限定，可以通過在880至910℃中熱處理3至5小時後冷卻至常溫的步驟而進行。下面，通過實施例具體說明本發明，但是下述實施例只是例示本發明的一個實施方式，本發明的範圍不受下述實施例的限定。[實施例1至6和比較例1至8]將在高爐中熔融的原料熔液倒入澆包(ladle)，添加由fe-si-mg形成的球化劑和由fe-si形成的孕育劑(1次孕育)，進行石墨球狀化。然後，在進行了石墨球狀化的原料熔液中添加由fe-si形成的孕育劑(2次孕育)而製造鑄鐵熔液後，將其注入鑄造模具，製造了由下述表1所示成分形成的球狀石墨鑄鐵。此時，球狀石墨鑄鐵的形態呈現具有圖2所圖示的截面的殼體形態。另一方面，比較例8中代替銅(cu)和鋯(zr)而使用了鎳(ni)和鉬(mo)，除此以外，利用與實施例1相同的方法製造了球狀石墨鑄鐵。[表1][實驗例1]確認球狀石墨鑄鐵的組織用光學顯微鏡(astme3-2001/e883-2011)確認實施例1至6和比較例1至8中分別製造的球狀石墨鑄鐵的組織，並將其結果示於圖3和圖4。參照圖3，可以確認本發明的球狀石墨鑄鐵均勻地分布有具有一定大小的球狀石墨。相反地，參照圖4，可以確認比較例1至8的球狀石墨鑄鐵的球狀石墨的大小不一定，其分布也不均勻。[實驗例2]球狀石墨鑄鐵的物性評價從在實施例1至6和比較例1至8中分別製造的球狀石墨鑄鐵採取試驗片(圖2的1號部分)後，用下述方法評價各物性，並將其結果示於下述表2。1.拉伸強度(mpa)：根據ksb0802：2003進行測定。2.球狀石墨數量(ea/mm2)：根據iso945-1：2008進行測定。3.球狀石墨大小(μm)：根據iso945-1：2008進行測定。4.球化率(％)：根據ksd4302：2011進行測定。5.珠光體分數(％)：根據ksd4302：2011進行測定。[表2]參照上述表2，可以確認根據本發明的球狀石墨鑄鐵將550至650mpa範圍的拉伸強度、每單位面積(1mm2)130個至190個的球狀石墨的數量、50μm以下的球狀石墨的大小、80％以上的球化率以及50至85％的珠光體(pearlite)分數條件全部滿足。每單位面積(1mm2)的球狀石墨數量可以優選為134個至172個。相反地，可以確認比較例1至3除了珠光體(pearlite)分數以外不能滿足本發明中要求的物性值，比較例4除了球狀石墨的大小以外不能滿足本發明中要求的物性值。另外，可以確認比較例5至7明顯不能滿足本發明中要求的物性值，比較例8除了球狀石墨的大小和球化率以外不能滿足本發明中要求的物性值。[製造例1至6和比較製造例1至8]製造液壓設備用部件將在實施例1至6和比較例1至8中分別製造的球狀石墨鑄鐵按圖5所圖示的形態進行齒狀加工，將齒狀加工的部分用本領域公知的方法進行正火處理和高頻熱處理，從而製造了作為液壓設備用部件的殼體。[實驗例2]液壓設備用部件的物性評價用下述方法評價在製造例1至6和比較製造例1至8中製造的各個液壓設備用部件的物性，並將其結果示於下述表3。1.表面硬度(hrc)：根據ksb0806進行測定。2.變形量(μm)：用三維測量儀進行測定。[表3]區分表面硬度(hrc)變形量(μm)實施例16461實施例26254實施例35632實施例45941實施例56159實施例65744比較例14869比較例25372比較例36888比較例44478比較例56781比較例64776比較例74671比較例84174參照上述表3，可以確認本發明的液壓設備部件的表面硬度在hrc55至65範圍內，變形量為65μm以下。當前第1頁12