本發明涉及一種汽車剎車轂材料技術領域，更具體地，涉及一種高強度薄壁灰鑄鐵件。
背景技術：
灰鑄鐵是指具有片狀石墨的鑄鐵，主要成分是鐵、碳、硅、錳、硫、磷，是應用最廣的鑄鐵，其產量占鑄鐵總產量80％以上。灰鑄鐵的力學性能決定于其基體組織和片狀石墨的分布狀況。灰鑄鐵中的石墨片，有切割金屬基體、破壞其連續性、使其強度降低的作用，尤其是過冷石墨對鑄件危害極大，在使用過程中是鑄件斷裂的斷裂源，故從強度考慮，應避免產生過冷型石墨。過冷石墨即d型石墨，它是在石墨的成核條件較差(如碳量較低)，冷卻速度較大，造成較大的過冷情況下形成的，這種石墨是在共晶結晶過程中的奧氏體枝晶間形成的無方向性的點狀、細片狀石墨，常出現在壁薄的灰鐵件中，控制灰鐵件中石墨片的分布狀況，是保證灰鑄鐵性能的關鍵。a型石墨是在鑄鐵的石墨生核能力較強、冷卻速率較低、在過冷度很小的條件下發生共晶轉變時形成的。在光學顯微鏡下觀察時，石墨呈均勻分布的彎曲片狀，無方向性，其長度則因鑄鐵的生核條件和冷卻速率而不同。高品質的結構鑄件，都希望其具有中等長度的a型石墨。
本領域技術人員通常將壁厚小于15mm的石墨鑄件稱為薄壁石墨鑄件。薄壁鑄件的應用在減輕機械重量、增加機械的靈巧性、節約金屬原料方面有著重要的意義。但同時由于厚度較小，這種鑄件在鑄造中易出現白口及“b”和“d”型石墨，使鑄件的性能顯著下降，因此鑄件的強度、硬度和耐磨性往往難以達到理想要求。
而目前現有的鑄造工藝生產的剎車轂總是難以同時滿足上述要求。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種高強度薄壁灰鑄鐵件，以解決現有技術薄壁灰鑄鐵在鑄造過程中易出現過冷d型石墨而使鑄件強度、硬度及耐磨性達不到理想要求的問題。
為實現上述目的，本發明所采用的技術方案為：一種高強度薄壁灰鑄鐵件，其應用于汽車剎車轂，所述灰鑄鐵件中含有的化學成分按質量百分比計為：c3.3～3.6％、si1.6～1.9％、mn0.6～0.9％、p≤0.1％、s≤0.04％、cr0.2～0.4％、cu0.25～0.5％、ti0.05％～0.15％、ni≤0.1％、sn0.04％～0.08％、pb≤0.0015％、as≤0.0013％、al≤0.04％，余量為fe。
碳：是鑄鐵中最經濟、最基本的強化元素，通過固溶強化和析出強化作用以提高鑄鐵的強度，為使鑄鐵的微觀組織中有較多的石墨片，以保證其具有較高的熱導率，乘用車制動鼓的碳含量應該在3.3％以上，但過高的碳量會造成較高的易脆性，故為保證較高強度和較高的熱導率，將碳含量控制在3.3～3.6％之間。
硅：在鑄鐵中起固溶強化作用，并能提高鋼質純凈度和脫氧，但含量太高會降低鑄鐵的韌性，而且容易使鑄鐵表面產生紅鐵皮等表面缺陷，在孕育處理和澆鑄處理時，較高的碳量和較低的硅量能保證鐵水良好的流動性，因此本發明si含量控制在1.6～1.9％。
錳：可以溶入鐵素體，提高鑄鐵的強度，還能與s形成mns，以消除s的有害作用，同時也是重要的強韌性元素，mn含量太高對鑄件中心偏析有不利影響，有損于鑄件的韌性。本發明mn的含量控制在0.6～0.9％。
磷：為鑄鐵中的有害元素，形成磷共晶體，增加脆性，本發明中嚴格控制p≤0.1％。
硫：為鑄鐵中的有害元素，在鑄鐵中形成mns、tis等多種化合物，適量的硫具有改善孕育效果，促進a型石墨，本發明中嚴格控制s≤0.04％。
鉻：可以提高鑄鐵的強度和硬度，含量過高易增加鑄型難度和形成白口化，本發明的cr含量控制在0.2～0.4％。
銅：能增加和穩定珠光體并促進石墨化，可抵消cr元素的增大白口的不利影響，有利于保證鐵水的鑄造工藝性能，同時cu是一種導熱性能較好價格低廉的金屬元素，能顯著提高鑄鐵的熱疲勞性和熱導性能，在cr含量為0.2～0.4％，本發明的cu的較適合的范圍為0.25～0.5％。
鈦：是強碳化物的形成元素，可形成細微的tic顆粒，細化晶粒；tic能有效釘扎奧氏體晶界，有效控制奧氏體晶粒長大，而且tic在晶粒內的析出能顯著增強鑄鐵的強度；鈦是成分過冷元素，若鈦過高則促進過冷石墨形成，不利于提高a型石墨比例，降低導熱性能，若鈦量過低，則提高強度效果不明顯，達不到強度要求。本發明的ti含量控制在0.05～0.15％。
鎳：共晶期間促進石墨化，降低奧氏體轉變溫度，擴大奧氏體區，能細化并增加珠光體，同時還能有效阻止cu的熱脆引起的網裂，含量過高易造成鑄鐵氧化鐵皮難以脫落且增加成本，因此本發明控制ni≤0.1％。
錫：能促進并穩定珠光體，加入微量的sn就可增加鑄鐵的激冷白口傾向；增加錫的含量可以提高鑄鐵的硬度，但是過高的sn會使碳化物增多，造成脆性增大，強度下降；當sn≤0.08％時，隨著錫含量的增加，凝固前膨脹率下降，共析前收縮率提高，共析后收縮率下降，總收縮率提高。因此本發明控制sn的含量在0.04％～0.08％之間。
鉛、砷、鋁是生鐵中的主要雜質元素，過去一直認為這些雜質元素是非常有害的，鉛在鑄鐵中惡化石墨形態使石墨產生變異，砷屬于強白口化元素，使石墨強烈過冷成點狀或消失，影響打壓滲漏，鋁元素的存在易產生皮下氣孔，同時這些元素的一個共同影響是增大鑄鐵中石墨析出的過冷傾向，在鑄鐵中形成過冷d型石墨，而對灰鑄鐵的強度和硬度造成影響，但研究發現，在a型石墨區，鉛、砷、鋁主要集中分布在基體上，控制鉛、砷、鋁元素的含量(pb≤0.0015％、as≤0.0013％、al≤0.04％)不僅降低鉛、砷、鋁對石墨形態的影響，減少d型石墨的產生，而且微量的鉛、砷、鋁均集中留在基體上，可使基體得到強化，達到變害為利、使雜質元素變成合金元素的目的。
結晶型石墨和75硅鐵孕育劑作為本發明第一次孕育處理劑，在鐵水包內處理，結晶型石墨和75硅鐵可改善鐵水的流動性，防止白口傾向及凹陷現象，提高鑄件切削性，可促進石墨共晶生長而使過冷度降到最低，減少d型石墨化，增加共晶團數量，細化基體組織，提高鑄件的強度和硬度。
硅鍶隨流孕育劑作為本發明第二次孕育處理劑，具有較強的降低白口能力，應用于薄壁鑄件中，可獲得最小的白口傾向，同時減少由高共晶團數量引起的縮松傾向。
本發明的有益效果在于：本發明通過確定合理的化學成分、提高熔化溫度及強化孕育，使薄壁灰鑄鐵件具有較高的強度和硬度及較強的耐熱和耐磨性，可滿足于剎車轂在抗拉強度、硬度、耐熱耐磨等性能的要求，其抗拉強度達到290mpa以上，硬度為190～210hb，金相組織為：a型石墨95％以上，石墨長度4～6級，珠光體≥98％。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明進行詳細描述，本部分的描述僅是示范性和解釋性，不應對本發明的保護范圍有任何的限制作用。
本發明的一種高強度薄壁灰鑄鐵件，其應用于汽車剎車轂，所述灰鑄鐵件中含有的化學成分按質量百分比計為：c3.3～3.6％、si1.6～1.9％、mn0.6～0.9％、p≤0.1％、s≤0.04％、cr0.2～0.4％、cu0.25～0.5％、ti0.05％～0.15％、ni≤0.1％、sn0.04％～0.08％、pb≤0.0015％、as≤0.0013％、al≤0.04％，余量為fe。
上述技術方案中，所述灰鑄鐵件的抗拉強度達到290mpa以上，硬度為190～210hb，其金相組織為：a型石墨95％以上，石墨長度4～6級，珠光體≥98％。
一種如上述所述的高強度薄壁灰鑄鐵件的制備方法，包括以下步驟：熔制鐵水、鐵水孕育處理、澆鑄；
所述熔制鐵水步驟中，以生鐵為主要原料，在中頻感應爐中熔煉鐵水，并分別在爐內加入合金元素，使得鐵水中各化學成分的質量百分比為：c3.3～3.6％、si1.6～1.9％、mn0.6～0.9％、p≤0.1％、s≤0.04％、cr0.2～0.4％、cu0.25～0.5％、ti0.05％～0.15％、ni≤0.1％、pb≤0.0015％、as≤0.0013％、al≤0.04％、sn0.04％～0.08％，余量為fe；
所述鐵水孕育處理步驟中，將熔制的鐵水倒入澆包中，向澆包中加入結晶型石墨和75硅鐵孕育劑，進行第一次孕育，出鐵后扒渣；其中鐵水倒入澆包的出鐵溫度為1520～1540℃；
所述澆鑄步驟中，將鐵水包運至澆注車中澆注，在澆注過程中，隨流加入硅鍶隨流孕育劑，進行第二次孕育；其中，鐵水澆入鑄型的澆鑄溫度為1420～1480℃。
上述技術方案中，所述鐵水孕育處理步驟中，以鐵水為基準，按質量百分比計結晶型石墨的含量≤0.2％、75硅鐵孕育劑的含量≤0.3％；所述結晶型石墨的厚度≤3mm。
上述技術方案中，所述澆鑄步驟中，以鐵水為基準，按質量百分比計硅鍶隨流孕育劑的含量≤0.15％；所述硅鍶的粒徑≤0.6mm。
實施例1：高強度薄壁灰鑄鐵件
制備方法：(1)熔制鐵水：以生鐵為主要原料，在中頻感應爐中熔煉鐵水，并分別在爐內加入合金元素，使得鐵水中各化學成分的質量百分比為：c3.6％、si1.6％、mn0.8％、p0.1％、s0.04％、cr0.2％、cu0.5％、ti0.1％、ni0.1％、pb0.0015％、as0.0013％、al0.04％、sn0.04％，余量為fe；(2)鐵水孕育處理：將熔制的鐵水倒入澆包中，向澆包底部加入厚度為3mm的結晶型石墨和75硅鐵孕育劑，進行第一次孕育，其中以鐵水為基準，按質量百分比計加入的結晶型石墨的含量為0.2％、75硅鐵孕育劑的含量為0.3％，出鐵后扒渣；其中鐵水倒入澆包的出鐵溫度為1540℃；(3)澆鑄：將鐵水包運至澆注車中澆注，在澆注過程中，隨流加入粒徑為0.6mm硅鍶粉作為隨流孕育劑，進行第二次孕育，以鐵水為基準，按質量百分比計硅鍶隨流孕育劑的含量為0.15％；其中，鐵水澆入鑄型的澆鑄溫度為1420℃。
本實施例制得的薄壁灰鑄鐵件的抗拉強度為330mpa，硬度為210hb，其金相組織為：a型石墨95％以上，石墨長度6級，珠光體≥98％。
實施例2：高強度薄壁灰鑄鐵件
制備方法：(1)熔制鐵水：以生鐵為主要原料，在中頻感應爐中熔煉鐵水，并分別在爐內加入合金元素，使得鐵水中各化學成分的質量百分比為：c3.3％、si1.9％、mn0.9％、p0.08％、s0.03％、cr0.4％、cu0.25％、ti0.15％、ni0.07％、pb0.001％、as0.001％、al0.03％、sn0.06％，余量為fe；(2)鐵水孕育處理：將熔制的鐵水倒入澆包中，向澆包底部加入厚度為3mm的結晶型石墨和75硅鐵孕育劑，進行第一次孕育，其中以鐵水為基準，按質量百分比計加入的結晶型石墨的含量為0.15％、75硅鐵孕育劑的含量為0.2％，出鐵后扒渣；其中鐵水倒入澆包的出鐵溫度為1520℃；(3)澆鑄：將鐵水包運至澆注車中澆注，在澆注過程中，隨流加入粒徑為0.6mm硅鍶粉作為隨流孕育劑，進行第二次孕育，以鐵水為基準，按質量百分比計硅鍶隨流孕育劑的含量為0.1％；其中，鐵水澆入鑄型的澆鑄溫度為1480℃。
本實施例制得的薄壁灰鑄鐵件的抗拉強度為316mpa，硬度為200hb，其金相組織為：a型石墨95％以上，石墨長度5級，珠光體≥98％。
實施例3：高強度薄壁灰鑄鐵件
本實施例的制備方法同實施例1，不同之處在于，鐵水中各化學成分的質量百分比為：c3.5％、si1.7％、mn0.6％、p0.05％、s0.01％、cr0.3％、cu0.4％、ti0.05％、ni0.03％、pb0.0008％、as0.0012％、al0.01％、sn0.08％，余量為fe。本實施例制得的制動鼓的抗拉強度為290mpa，硬度為190hb，其金相組織為：a型石墨95％以上，石墨長度4級，珠光體≥98％。
以上所述僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明的技術范圍作出任何限制，故凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何細微修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明的技術方案范圍內。