一种强韧型太阳能自动跟踪器中轴及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种强韧型太阳能自动跟踪器中轴及其制备方法，属于奥贝球铁铸件技术领域。

背景技术

太阳能自动跟踪器是用来跟踪太阳，使集能器的光主轴始终与太阳光线平行的装置。通常在方位角和高度角两个方向上跟踪太阳，使集能器平面始终与太阳入射光垂直。太阳能自动跟踪器中轴组件作为重要的受力件，其安全性尤为重要。

现阶段，人们对于太阳能自动跟踪器中轴提出的各项性能要求基本如下：

抗拉强度≥700MPa；

0.2％屈服强度≥600MPa；

硬度310～450HB。

而常规的铸造方式难以全面满足上述各种性能要求。这就需要我们对配方和工艺进行优化来进一步提高的产品质量。

发明内容

本发明的目的在于提出一种强韧型太阳能自动跟踪器中轴，该中轴具有优化的机械性能。

本发明解决问题的技术方案如下：

一种强韧型太阳能自动跟踪器中轴，为球墨铸铁材质，所述球墨铸铁包括以质量分数计的以下组分：C 3.4～3.9％、Si 2.5～2.7％、Mn 0.1～0.3％；剩余部分是铁(Fe)以及含量小于0.1％的不可避免的残留元素。

本发明上述技术方案中，配方设计考虑了各元素的如下作用：

-碳

有利于石墨化和球化，提高碳量有利于发挥材料的韧性。

-硅

是强烈促进石墨化的元素，有利于提高韧性，硅的孕育作用能细化共晶团和使磷共晶分散。韧性铁素体球铁的终硅含量一般控制在2.7％以下，如果生铁含锰量≤0.5％、磷≤0.7％，则终硅量可放宽至3.O％左右。

-锰

阻碍渗碳体和珠光体分解。球铁的激冷倾向本已相当高，故对铁素体球铁应控制锰含量，一般应低于0.4％。本发明中限制在0.3％。

-磷

在铸铁中会形成脆相，特别是三元磷共晶或复合磷共晶对韧性危害极大，常采用如下措施以削弱磷的有害作用：提高碳量，采取高碳低硅的成分方案，以阻碍三元磷共晶的析出；强化孕育以细化共晶团，使磷共晶分散；920～980℃退火，使三元磷共晶或复合磷共晶转变成二元磷共晶，减少磷共晶的数量，改善球墨形状。采用金属型浇注成麻口，即球墨和莱氏体及渗碳体组织，再经高温退火则可避免产生磷共晶。

-硫

其含量过高会使球化不稳定，而且会产生过多的硫化物夹杂，严重影响韧性，故要求原铁水硫量尽可能低，最好铁水采取脱硫措施。

作为优选，所述球墨铸铁具有4.30～4.70的碳当量C

作为优选，所述球墨铸铁具有大于700MPa的抗拉强度。优选地，大于1000MPa的抗拉强度，特别地介于1200MPa至1400MPa之间。

作为优选，所述球墨铸铁具有大于700MPa的0.2％屈服强度。优选地，大于750MPa的0.2％屈服强度，特别地介于800MPa至850MPa之间。

作为优选，所述球墨铸铁具有大于1％的延伸率。特别地介于3.0％至7.0％之间。

作为优选，所述球墨铸铁具有介于310HB至450HB之间的布氏硬度。特别地介于380至420之间。

作为优选，所述球墨铸铁球化等级≤3级。特别地球化等级为1级或2级。

作为优选，所述球墨铸铁石墨球数≥100个/mm^2；球化率≥85％。

本发明的另一个目的是提供上述强韧型太阳能自动跟踪器中轴的一种制备方法。

一种太阳能自动跟踪器中轴的制备方法，包括以下步骤：

S1、将配料加热至熔融态，形成熔料；

S2、将熔料注入铸模中，凝固后形成铸件；

S3、将所述铸件在850～1000℃的石墨化温度下保持10～30min；

S4、随后将所述铸件以低于50℃/min的速率缓慢地冷却至725～730℃；

S5、随后将所述铸件重新加热至880～920℃，保温1～2h，使其完全转变为富碳奥氏体，然后将其迅速淬入奥氏体等温转变温度320～350℃的盐浴中，保温1～2h；

S6、然后出炉空冷至室温。

本发明上述技术方案中，步骤S4中，铸件以低于50℃/min的速率缓慢地冷却直至小于共析转变温度。此过程是为了让铸件进入临界态，使铸件发生珠光体和奥氏体之间的转化。

作为优选，所述的铸模为适用于铁模覆砂工艺的模具。在铸模中凝固形成铸件后，降至合适温度后取出再进行热处理。

作为优选，所述的配料包括以下质量份的组分：废钢480～520、生铁180～220、回炉料330～370、锰铁0.8～1.2、硅铁4～5、碳化硅8～12、铜2～4、球化剂12～18、孕育剂3～5、增碳剂18～19。

本发明上述技术方案中，球化剂为使铸铁中的石墨呈球状析出的铁水添加剂。具体为含镁量在6％～7％、含硅量在35％～50％的镁硅铁合金。

本发明上述技术方案中，孕育剂为在铁水中形成局部浓度差，成为石墨的核心，从而细化石墨的铁水添加剂；具体为75硅铁。一般认为：在铁液中，铝和钙会与氧、氮反应，形成高熔点的化合物，成为石墨结晶的核心。而且，加入孕育剂后，铁液中可形成局部的富硅微区，有利于石墨析出。使用孕育用硅铁时，不能不考虑其中铝和钙的含量。对于作孕育剂的75硅铁，美国相关标准规定含铝量为0.75～1.75％，含钙量为0.5～1.5％。但是，铁液中的铝含量不能太高，过高可能导致铸件产生皮下气孔。

进行铸造时，铸件有对碳的要求。本发明上述技术方案中，增碳剂即用来增加铁液中的碳含量的一种添加剂。增碳剂的原料有很多种，生产工艺也各异，有木质碳类，煤质碳类，焦炭类，石墨类等。优质增碳剂一般指经过石墨化的增碳剂，在高温条件下，碳原子的排列呈石墨的微观形态。石墨化可以降低增碳剂中杂质的含量，提高增碳剂的碳含量，降低硫含量。生铁的碳含量高，在进行原料采购时，生铁的价格相对废钢来说是要高出不少的。因此，增加废钢投放量，降低生铁投放量，有利于控制生产成本。而增碳剂的使用就能实现上述目的。本发明上述技术方案中，增碳剂具体为人造石墨。

作为上述技术方案的进一步优选，所述的配料包括以下质量份的组分：废钢500、生铁200、回炉料350、锰铁1、硅铁4.5、碳化硅10、铜3、球化剂15、孕育剂4、增碳剂18.5。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过高通量成分材料热力学计算，结合实际的浇铸冷却条件，经由所构建的优质球铁铸件的凝固特性判别准则筛选出铁液的适宜成分，从而形成铁液成分窗口；通过本方法成型的球铁件具有石墨球化率与球形度高，铸铁材料力学性能优的特点；

2、本发明采用铁模覆砂工艺替代传统黏土砂或树脂砂造型工艺，使铸件强度高，成品率好，加工余量小，成品率由原先的80％提升至95％，铁水利用率提高了15％；

3、本发明在等温淬火工艺前，先将铸件冷却至共析转变温度范围，发生奥氏体和珠光体之间的转变，然后再复热至880～920℃进行保温，再使珠光体完全转化为富碳奥氏体(并且复热温度不能过高，否则容易使得奥氏体组织长大，不利于等温淬火)，经过上述操作，明显地细化和均匀化了奥氏体组织(等温淬火工艺前奥氏体组织的细化和均匀化)；细化、均匀化的奥氏体组织相对于粗大的奥氏体组织对于ADI等温淬火工艺具有显著的促进作用；接着采用ADI等温淬火工艺，在320～350℃的温度下等温淬火，获得了针状铁素体+奥氏体+残余珠光体+残余贝氏体的混合组织；机械性能由原来的QT600-3提高到QTD1050-6。

具体实施方式

以下对本发明进行进一步的解释说明。

本具体实施方式仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读了本发明的说明书之后所做的任何改变，只要在权利要求书的范围内，都将受到专利法的保护。

实施例1

一种强韧型太阳能自动跟踪器中轴，由球墨铸铁制成，所述球墨铸铁包括以质量分数计的以下组分。

上述强韧型太阳能自动跟踪器中轴的制备方法如下：

S1、将配料加热至熔融态，形成熔料；

S2、将熔料注入铸模中，凝固后形成铸件；

S3、将所述铸件在950℃的石墨化温度下保持25min；

S4、随后将所述铸件以低于50℃/min(本实施例中为约50℃/min)的速率缓慢地冷却至725℃；

S5、随后将所述铸件重新加热至890℃，保温1h，使其完全转变为富碳奥氏体，然后将其迅速淬入奥氏体等温转变温度350℃的盐浴中，保温1h；

S6、然后出炉空冷至室温，制得粗成品；

S7、将所述粗成品进行修整，再经测试合格后得到成品。

上述技术方案中，890℃为经过正交试验得出的最佳温度(临近拐点值)，当温度更高时，奥氏体的均匀性和细化度有明显的改变，而当温度更低时，则需要更多的时间进行保温，效率会降低。

所述的配料，其配方单如下：

所述的孕育剂为：75硅铁；所述的球化剂为含镁量在6％～7％、含硅量在35％～50％的镁硅铁合金；所述的增碳剂为人造石墨。

特别地，上述制备方法采用铁模覆砂工艺，具体的，控制模具温度为220～250℃(本例中为220℃)，覆砂气压为0.35～0.4MPa(本例中为0.35MPa)。

上述铸件(太阳能自动跟踪器中轴)，经检测(测试标准为GB/T 24733-2009)，结果如下：

对比例1

一种太阳能自动跟踪器中轴，由球墨铸铁制成，所述球墨铸铁包括以质量分数计的以下组分。

上述太阳能自动跟踪器中轴的制备方法如下：

S1、将配料加热至熔融态，形成熔料；

S2、将熔料注入铸模中，凝固后形成铸件；

S3、将所述铸件加热至920℃，保温1h，使其完全转变为富碳奥氏体，然后将其迅速淬入奥氏体等温转变温度350℃的盐浴中，保温1h；

S4、然后出炉空冷至室温，制得粗成品；

S5、将所述粗成品进行修整，再经测试合格后得到成品。

所述的配料，其配方单如下：

所述的孕育剂为：75硅铁；所述的球化剂为含镁量在6％～7％、含硅量在35％～50％的镁硅铁合金；所述的增碳剂为人造石墨。

特别地，上述制备方法采用铁模覆砂工艺，具体的，控制模具温度为220～250℃(本例中为220℃)，覆砂气压为0.35～0.4MPa(本例中为0.35MPa)。

上述铸件(太阳能自动跟踪器中轴)，经检测(测试标准为GB/T 24733-2009)，结果如下：

对比例2

与对比例1不同之处仅在于，步骤S3中，热处理温度为890℃，保温1h。

本例铸件(太阳能自动跟踪器中轴)，经检测(测试标准为GB/T 24733-2009)，结果如下：