CN102747267B

CN102747267B - 微合金化超高强度高碳当量灰铸铁

Info

Publication number: CN102747267B
Application number: CN 201210223151
Authority: CN
Inventors: 姜启川; 逄伟; 王金国; 侯骏
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2012-07-01
Filing date: 2012-07-01
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2032-07-01
Also published as: CN102747267A

Abstract

本发明涉及一种“微合金化超高强度高碳当量灰铸铁”，特别适用于生产超级重型载重汽车柴油发动机缸体及其它要求高强度的高碳当量灰铸铁铸件。通过优化合金成分设计和添加微量的Zr、Ti、V和N元素，使强度得到显著提高，标准试棒的抗拉强度达到440兆帕(目前，世界上报道的最高值为395兆帕)。最终获得了一种“微合金化超高强度高碳当量灰铸铁”，其重量百分比化学成分为：C：3.10～3.30；Si：1.90～2.50；Mn：0.20～0.40；P：0.02～0.04；S：0.08～0.11；Cr：0.20～0.30；Cu：0.50～0.60；Sn：0.02～0.05；V：0.20～0.40；N：0.11～0.15；Zr：0.01～0.10；Ti：0.01～0.10。

Description

微合金化超高强度高碳当量灰铸铁

技术领域

本发明的微合金化超高强度高碳当量灰铸铁涉及一种新型铸铁材料，特别是涉及一种主要用于生产大马力发动机缸体及其它超高强度高碳当量灰铸铁铸件的新型高碳当量灰铸铁材料。

背景技术

节省资源、能源和减少环境污染一直是全世界努力奋斗的目标之一。为了减少汽车尾气排放。全世界在汽车设计上一直在努力提高发动机工作效率，导致发动机缸内的最大爆发压力越来越高，带来的瓶颈问题是对发动机缸体强度的要求也越来越高，未来的发展趋势要求超级重型载重汽车的高碳当量灰铸铁大马力柴油发动机缸体的本体强度大于300兆帕（标准试棒的抗拉强度必须大于400兆帕）。因此，材料科学工作者必须面对“提高高碳当量灰铸铁强度”这一世界性重大技术难题的挑战。同时，这一重大难题也是我国自主研发与制造重型、超级重型载重汽车发动机缸体的重大、关键、瓶颈难题。

提高高碳当量灰铸铁强度的途径主要有如下四个方面：⑴增加初生奥氏体枝晶的个数（人们形象的把初生奥氏体枝晶对灰铸铁强度的作用比作钢筋混凝土中的钢筋或者复合材料中的纤维相）；⑵细化珠光体片间距；⑶细化石墨、使石墨弯曲和钝化；⑷细化共晶团。

为了提高高碳当量灰铸铁的强度，国内外铸铁科技工作者在合金成分设计、微合金化等方面开展了大量研究工作，取得了一定的成果。主要是通过加入一定量的铬、钼、铜、镍、钒和稀土等合金元素来提高强度。目前，世界上报道的微合金化高碳当量灰铸铁标准试棒的抗拉强度最高值为395兆帕，详见发明专利“微合金化高强度灰铸铁”（专利号：2005100168785），还没达到400兆帕以上。本发明通过微合金化，获得了网络框架结构的初生奥氏体枝晶，且枝晶细小、个数增多；细小层片厚度与片间距的交错排布的珠光体团簇；石墨个数增多、细小、弯曲、尖角钝化；共晶团细化的组织，使高碳当量灰铸铁标准试棒的抗拉强度达到440兆帕。

技术内容

本发明的目的是：提供一种微合金化超高强度高碳当量灰铸铁，通过微合金化获得网络框架结构的初生奥氏体枝晶，且枝晶细小、个数增多；细小层片厚度与片间距的交错排布的珠光体团簇；石墨个数增多、细小、弯曲、尖角钝化；共晶团细化的组织，使高碳当量灰铸铁标准试棒的抗拉强度达到440兆帕。

本发明的上述目的是这样实现的：一种微合金化超高强度高碳当量灰铸铁包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Sn等元素，通过优化这些元素，又添加了微量的的Zr、Ti、V和N元素，其重量百分比化学成分为：

C：3.10～3.30；Si：1.90～2.50；Mn：0.20～0.40；P：0.02～0.04；

S：0.08～0.11；Cr：0.20～0.30；Cu：0.50～0.60；Sn：0.02～0.05；

V：0.20～0.40；N：0.11～0.15；Zr：0.01～0.10；Ti：0.01～0.10。

本发明新型微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的铸态组织与加Mo合金化高碳当量灰铸铁相比，初生奥氏体由普通的粗大、非等轴枝晶转变为等轴、细小的网络框架结构枝晶，且枝晶个数增多；珠光体由大片间距、厚的铁素体和渗碳体层片转变为小片间距、薄的铁素体和渗碳体层片，且由两个团簇晶界处层片的小角排布转变为大角排布；石墨个数增多、细小、弯曲、尖角钝化；共晶团细化，参阅图1-4所示的本发明微合金化超高强度高碳当量灰铸铁与Mo合金化高强度高碳当量灰铸铁的组织对比。在高碳当量灰铸铁的强度方面取得了意想不到效果，标准试棒的抗拉强度达到了440兆帕。

本发明新型微合金化超高强度高碳当量灰铸铁与目前传统的高强度高碳当量灰铸铁相比，具有的主要技术优点是：目前传统的高强度高碳当量灰铸铁为了提高灰铸铁的抗拉强度加入钼、镍元素或者采用钒和氮元素进行微合金化处理。本发明在微合金化高强度高碳当量灰铸铁包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Sn、V和N等元素的基础上，又添加了微量的Zr、Ti、V和N元素，使强度得到了进一步显著提高，标准试棒的抗拉强度达到440兆帕，目前，世界上报道的最高值为395兆帕。由主要技术优点带来的效果是解决了为了提高发动机工作效率，带来的对发动机缸体强度的要求也越来越高瓶颈难题。尤其是解决了我国自主研发与制造重型、超级重型载重汽车柴油发动机缸体强度达不到要求这一重大难题。同时，带来的经济成本优势将使超高强度高碳当量灰铸铁的生产成本低于加Mo合金化高强度高碳当量灰铸铁，每吨材料成本大约节省200-400人民币元。大规模产业化生产所带来的经济效益将是十分可观的。

图例说明

本发明微合金化超高强度高碳当量灰铸铁与Mo合金化高强度高碳当量灰铸铁的组织

图1初生奥氏体枝晶形态(a)Mo合金化高强度高碳当量灰铸铁的普通、粗大、非等轴网络框架结构奥氏体枝晶；(b)本发明微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的细小、等轴网络框架结构奥氏体枝晶。

图2珠光体形态(a)Mo合金化高强度高碳当量灰铸铁的珠光体的层片厚度与间距大，同时，珠光体团簇平行排布；(b)本发明微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的珠光体的层片厚度与片间距细小，且珠光体团簇交错排布。

图3石墨形态(a)Mo合金化高强度高碳当量灰铸铁的石墨平直、粗大、个数少、分布不均匀；(b)本发明微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的石墨弯曲、细小、个数多、分布均匀。

图4共晶团形态(a)Mo合金化高强度高碳当量灰铸铁的共晶团尺寸大、个数少；(b)本发明微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的共晶团尺寸小、个数多。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例，进一步说明本发明的具体内容。

本发明优化高碳当量灰铸铁的合金成分设计和微合金化元素的组成及加入量的积极效果在于改善高碳当量灰铸铁初生奥氏体枝晶、珠光体、石墨和共晶团组织，从而提高高碳当量灰铸铁的抗拉强度，得到了意想不到的显著效果，标准试棒的抗拉强度达到了440兆帕。

添加微合金化元素Ti、Zr、V、N，在高温的铁液（温度大于1600℃）中形成TiN、TiC、ZrN、ZrC、VN和VC，它们的熔点分别为3290℃、3067℃、2960℃、3540℃、2340℃和2800℃，它们的（001）晶面与奥氏体（Fe-γ）的（110）晶面的晶格错配度均小于15%（TiN（001）//Fe-γ（110）=13.4%，TiC（001）//Fe-γ（110）=13.2%，ZrN（001）//Fe-γ（110）=12.4%，ZrC（001）//Fe-γ（110）=13.6%，VN（001）//Fe-γ（110）=14%，VC（001）//Fe-γ（110）=13.9%。）。因此，TiN、TiC、ZrN、ZrC、VN和VC均可作为初生奥氏体结晶的非自发核心，使高碳当量灰铸铁中的初生奥氏体枝晶个数增多、枝晶细化、形成等轴网络框架结构，参阅图1（b）所示。同时，得到了层片厚度与片间距细小的珠光体，且珠光体团簇交错排布，参阅图2（b）所示。初生奥氏体枝晶的二次枝晶细化、个数多及二次枝晶臂间距的减小，导致了奥氏体枝晶的等轴网络框架结构的空间数量增多、尺寸变小，造成石墨形核率增多，生长受到限制，使石墨变得更加细小、弯曲、个数增多，参阅图3(b)所示。Ti、Zr和V均能增加共晶团的数量，使共晶团尺寸减小、个数增多，参阅图4(b）所示。

本发明“微合金化超高强度高碳当量灰铸铁”的强化原理：①大量弯曲、细小、尖角钝化的石墨（参阅图3(b)所示）使裂纹不易萌生、扩展时不断改变方向；②共晶团细小（参阅图4(b)所示），使裂纹扩展路径更加曲折，阻力增大；③裂纹扩展时必然受到众多的等轴网络框架结构分布的尺寸、层片厚度与片间距细小的珠光体团簇（该团簇交错排布）（参阅图1(b)和2(b)所示）的严重阻碍，造成裂纹必须穿过框架结构分布的珠光体才能扩展，消耗更大的能量，同时，珠光体团簇交错排布，进一步消耗能量。上述三种阻碍裂纹扩展的机制，为“微合金化超高强度高碳当量灰铸铁”的新的强化原理。提出了网络框架结构分布的细小层片厚度与片间距的交错排布的珠光体团簇组织和大量、细小、弯曲、尖角钝化的石墨与细小的共晶团组织极大地提高高碳当量灰铸铁强度的新的强化技术。

本发明“微合金化超高强度高碳当量灰铸铁”的成分与力学性能参阅表1所示，由表1表明，本发明“微合金化超高强度高碳当量灰铸铁”的标准试棒的抗拉强度达到了440兆帕。

Claims

1.一种微合金化超高强度高碳当量灰铸铁，包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Sn元素，其重量百分比化学成分为：C：3.10～3.30；Si：1.90～2.50；Mn：0.20～0.40；P：0.02～0.04；S：0.08～0.11；Cr：0.20～0.30；Cu：0.50～0.60；Sn：0.02～0.05；其特征在于：

还包括了微量的Zr、Ti、V和N元素，其重量百分比化学成分为：V：0.20～0.40；N：0.11～0.15；Zr：0.01～0.10；Ti：0.01～0.10；

所述灰铸铁抗拉强度达到440MPa；

所述添加微合金化元素Ti、Zr、V、N，在温度大于1600℃的高温铁液中形成TiN、TiC、ZrN、ZrC、VN和VC，它们的熔点分别为3290℃、3067℃、2960℃、3540℃、2340℃和2800℃，它们的001晶面与奥氏体Fe-γ的110晶面的晶格错配度均小于15％。