本發(fā)明涉及用于制造液壓設備用部件(例如殼體)的球狀石墨鑄鐵及其制造方法。
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，但制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。但是由于球狀石墨鑄鐵是將熔液注入模具(mold)并使其凝固而制造的，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(fā)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于高頻熱處理時對變形不敏感的小型部件(例如汽車用發(fā)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于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)分數小于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(fā)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(fā)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制造方法為目的。另外，本發(fā)明的目的還在于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(fā)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％、硅(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％、以及余量的鐵(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(fā)明提供一種球狀石墨鑄鐵的制造方法，其包括以下步驟：(a)制造包含碳(c)、硅(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形成的孕育劑而制造包含碳(c)3.4至3.8重量％、硅(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％、以及余量的鐵(fe)和雜質的鑄鐵熔液的步驟。另外，本發(fā)明提供將上述液壓設備用部件進行高頻熱處理而制造的液壓設備用部件。發(fā)明效果本發(fā)明通過控制銅(cu)的含量與鋯(zr)的含量之比(cu/zr)而制造球狀石墨鑄鐵，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(fā)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(fā)明的一個實施方式的制造球狀石墨鑄鐵的步驟的流程圖。圖2至圖5是用于說明本發(fā)明的實施例和實驗例的參考圖。具體實施方式以下，對本發(fā)明進行說明。1.球狀石墨鑄鐵本發(fā)明的球狀石墨鑄鐵以特定范圍的含量包含碳(c)、硅(si)、錳(mn)、鎂(mg)、銅(cu)和鋯(zr)，并且銅(cu)與鋯(zr)的含量之比(cu/zr)具有特定范圍，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(fā)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)的含量小于3.4重量％，則每單位面積(1mm2)中用于擴散碳的球狀石墨的數量減少，因此基體組織(matrix)的穩(wěn)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(yōu)選以上述含量范圍包含碳(c)。本發(fā)明的球狀石墨鑄鐵在總重量中包含2.0至2.4重量％的硅(si)。如果硅(si)的含量小于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(fā)生收縮缺陷。另外，如果硅(si)的含量大于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后性能降低。因此，優(yōu)選以上述含量范圍包含硅(si)。本發(fā)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，并且與硫(s)反應而形成球狀石墨的成核位點。如果這樣的錳(mn)的含量小于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)的含量大于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(yōu)選以上述含量范圍包含錳(mn)。本發(fā)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)的含量小于0.025重量％，則可能導致致密石墨鋼(cgi)或片狀石墨的形成。另外，如果鎂(mg)的含量大于0.06重量％，發(fā)生白口(chill)的可能性變高，脆性可能降低。因此，優(yōu)選以上述含量范圍包含鎂(mg)。本發(fā)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(fā)揮促進珠光體(pearlite)的生成并使其微細化的作用。如果這樣的銅(cu)的含量小于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(yōu)選以上述含量范圍包含銅(cu)。本發(fā)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(tài)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)的含量小于0.005重量％，則形成碎塊狀(chunky)石墨、開花狀石墨、石墨浮渣(carbondross)等，如果大于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(yōu)選以上述含量范圍包含鋯(zr)。本發(fā)明的球狀石墨鑄鐵除了上述成分以外還包含余量的鐵(fe)和雜質。上述雜質沒有特別限定，可舉出硫(s)、或磷(p)等。在這里，本發(fā)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(yōu)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)的含量小于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)的含量大于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(yōu)選以上含量范圍包含硫(s)。另外，本發(fā)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(yōu)選在球狀石墨鑄鐵總重量中包含0.06重量％以下。磷(p)是球狀石墨鑄鐵的制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，但其含量大于0.06重量％時，由于過量的磷化物(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(yōu)選以上含量范圍包含磷(p)。另一方面，本發(fā)明的球狀石墨鑄鐵在上述范圍內包含鋯(zr)和銅(cu)且銅(cu)的含量與鋯(zr)的含量之比(cu/zr)在20至100的范圍(優(yōu)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的特定范圍時，珠光體(pearlite)生成以及作為石墨化元素的銅(cu)與發(fā)揮石墨的成核位點作用的鋯(zr)的復合反應最佳化，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(fā)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(fā)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(yōu)選為140至200個)，球狀石墨的大小為50μm以下(優(yōu)選為10至45μm)。如果上述球狀石墨的數量為小于每單位面積(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(yōu)選為130個以上，球狀石墨的大小優(yōu)選為50μm以下的理由也與此相同。另外，本發(fā)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(yōu)選為80至100％)。另外，本發(fā)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)分數小于50％，則基體組織的馬氏體(martensite)轉變不能穩(wěn)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(yōu)選為50至85％。另一方面，本發(fā)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范圍，將本發(fā)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.球狀石墨鑄鐵的制造方法本發(fā)明提供上述說明的球狀石墨鑄鐵的制造方法，對此參照圖1如下進行具體說明。(a)制造原料熔液首先，制造包含碳(c)、硅(si)、錳(mn)、鐵(fe)和雜質的原料熔液110。制造上述原料熔液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)、硅(si)和錳(mn)的含量優(yōu)選以原料熔液110總重量為基準，碳(c)為3.4至3.8重量％、硅(si)為1.4至1.8重量％、錳(mn)為0.2至0.5重量％。(b)添加銅(cu)在制造的原料熔液110中添加銅(cu)210。此時，銅(cu)210的添加量優(yōu)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(yōu)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(jié)至20至100范圍，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制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，則會漂浮于原料熔液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倒入作為用于出爐的容器的澆包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(yōu)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(wěn)定性而進行球狀化時，還可以添加后述的由fe-si形成的孕育劑。(e)制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，制造包含碳(c)3.4至3.8重量％、硅(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％、以及余量的鐵(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(yōu)選為0.5±0.05重量％。此后，將制造的鑄鐵熔液120的溫度用浸漬式類型的溫度計進行測定后，注入鑄造模具400中而制造具有所需的形態(tài)的球狀石墨鑄鐵。3.液壓設備用部件本發(fā)明提供將上述說明的球狀石墨鑄鐵進行高頻熱處理而制造的液壓設備用部件。這樣的本發(fā)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，因此具有要求的范圍的表面硬度，并且變形量也最小化。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(wěn)定的馬氏體(martensite)并且熱影響區(qū)的變形最小化，因此本發(fā)明可以提供表面硬度具有最佳范圍且變形量也最小化的液壓設備用部件。具體而言，本發(fā)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(yōu)選為0至60μm)。另一方面，為了得到本發(fā)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次熱處理后，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(yōu)選本發(fā)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小時后冷卻至常溫的步驟而進行。下面，通過實施例具體說明本發(fā)明，但是下述實施例只是例示本發(fā)明的一個實施方式，本發(fā)明的范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。然后，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)而制造鑄鐵熔液后，將其注入鑄造模具，制造了由下述表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(tài)呈現具有圖2所圖示的截面的殼體形態(tài)。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相同的方法制造了球狀石墨鑄鐵。[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中分別制造的球狀石墨鑄鐵的組織，并將其結果示于圖3和圖4。參照圖3，可以確認本發(fā)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中分別制造的球狀石墨鑄鐵采取試驗片(圖2的1號部分)后，用下述方法評價各物性，并將其結果示于下述表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(fā)明的球狀石墨鑄鐵將550至650mpa范圍的拉伸強度、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(yōu)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)明中要求的物性值。[制造例1至6和比較制造例1至8]制造液壓設備用部件將在實施例1至6和比較例1至8中分別制造的球狀石墨鑄鐵按圖5所圖示的形態(tài)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，從而制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制造例1至6和比較制造例1至8中制造的各個液壓設備用部件的物性，并將其結果示于下述表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(qū)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(fā)明的液壓設備部件的表面硬度在hrc55至65范圍內，變形量為65μm以下。當前第1頁12