CN103074538B

CN103074538B - 一种微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的制备方法

Info

Publication number: CN103074538B
Application number: CN201310051945.1A
Authority: CN
Inventors: 姜启川; 逄伟; 王金国; 邓刚; 侯骏; 刘国懿
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2033-02-15
Also published as: CN103074538A

Abstract

本发明涉及一种微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的制备方法，属于一种新型铸铁材料的制备方法，特别适用于生产超高强度发动机缸体、缸盖及其它超高强度高碳当量灰铸铁铸件。本发明采用以下步骤进行：1)选择的熔炼设备：150公斤～10000公斤中频感应电炉；2)熔炼工艺；3)合金加入工艺；4)强化剂一次加入工艺；5)强化剂二次加入工艺；6)孕育剂加入工艺；7)当浇注铁水包内铁水达到1200～14800℃，浇注缸体、缸盖等铸件。所制备的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，高于目前高强度高碳当量灰铸铁的强度。最终获得了一种微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的制备方法。

Description

一种微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的制备方法

技术领域

本发明一种微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的制备方法涉及一种新型铸铁材料的制备方法，特别是涉及一种主要用于生产超高强度发动机缸体、缸盖及其它超高强度高碳当量灰铸铁铸件的新型制备技术。

背景技术

当前，节省资源、能源和减少环境污染是提高世界人们生活质量一大关键问题。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燃烧效率，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、缸盖的强度要求也越来越高。目前，迫切需求发动机缸体、缸盖的本体强度大于280兆帕(标准试棒的抗拉强度大于400兆帕)。由于灰铸铁具有良好的耐磨、耐热、耐氧化、耐腐蚀、耐酸碱和减震性。同时，与其它合金相比具有熔点低、充型性好、加工性好、生产设施和成型过程简单以及成本低廉的优势。因此，长期以来全世界大多数载重汽车、商用车的发动机缸体、缸盖一直采用灰铸铁生产，其比重在70％以上。但由于其极限强度较低，绝大多数缸体的本体强度在240兆帕以下。为了保持灰铸铁在发动机缸体、缸盖生产中的主导地位，必须提高其强度。因此，提高灰铸铁强度一直是世界铸铁界的重大理论与技术难题。为了解决这一瓶颈问题我们发明了“微合金化超高强度高碳当量灰铸铁”(申请号：201210223151.4，目前已公开。)。但要想生产出本体强度大于280兆帕的发动机缸体、缸盖，不仅需要发明出“微合金化超高强度高碳当量灰铸铁”的成分设计，而且还必须有新的制备方法来保证。因此，我们发明了一种微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的制备方法。

发明内容

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的制备方法，采用新的制备方法获得的微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的初生奥氏体枝晶细化，珠光体层片厚度与片间距细小，石墨个数多、细小、弯曲。其强度高于目前高强度高碳当量灰铸铁的强度，标准试棒的抗拉强度大于400兆帕，最高达到了440兆帕，保证了生产出的发动机缸体、缸盖的本体强度大于280兆帕。

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的制备方法，所述微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的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，RE：0.02～0.08，Ca：0.02～0.008，V：0.20～0.40，Ti：0.01～0.10，N：0.11～0.15，Zr：0.01～0.10，其制备方法按以下步骤进行：

1)选择的熔炼设备：150公斤～10000公斤中频感应电炉；

2)熔炼工艺：根据微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的重量百分比化学成分要求：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，按照比例将废钢、回炉高强度灰铸铁、石墨增碳剂、Si～Fe、高C锰铁和FeS增硫剂加入中频感应电炉中；

3)合金加入工艺：根据微合金化超高强度高碳当量灰铸铁重量百分比化学成分要求：Cr：0.20～0.30，Cu：0.50～0.60，Sn：0.02～0.05，炉料全部熔化后，加入适量的高C铬铁和纯Cu，铁水温度≥1500℃时，炉内加入含Sn量大于99重量百分比适量的纯Sn；

4)强化剂一次加入工艺：根据微合金化超高强度高碳当量灰铸铁重量百分比化学成分要求：RE：0.02～0.08，Ca：0.02～0.008，V：0.20～0.40，Ti：0.01～0.10，N：0.11～0.15，当铁水温度≥1520℃时，放出铁水，在中频电炉出铁槽的铁水流上加入适量的RE-Ca-Si-V-Ti-N强化剂；

5)强化剂二次加入工艺：根据微合金化超高强度高碳当量灰铸铁重量百分比化学成分要求：Zr：0.01～0.10，当铁水放出1/4时，将适量的Zr-Mn-Si强化剂投入到浇注铁水包中；

6)孕育剂加入工艺：根据微合金化超高强度高碳当量灰铸铁重量百分比化学成分要求：Si：1.90～2.50，当浇注铁水包预热温度≥800℃时，将适量的Si-Fe孕育剂放在包底，出炉铁水将Si-Fe孕育剂熔化；

7)当浇注铁水包内铁水达到1200～14800℃，浇注铸件。

步骤2)熔炼工艺中：

所述废钢重量百分比为：含C量0.4～0.5，其余为Fe；

所述回炉高强度灰铸铁重量百分比为：含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；

所述石墨增碳剂重量百分比为：含C量大于98，其余为杂质；

所述Si～Fe重量百分比为：含Si量75，其余为Fe，Si～Fe的加入量要留出孕育剂带来的Si含量，终Si量满足1.90～2.50；

所述高C锰铁重量百分比为：含Mn量大于55，C量7.0～7.5，Si量1.0～2.0，其余为Fe。

步骤3)合金加入工艺中：

所述高C铬铁重量百分比为：含Cr量大于55，C量6.0～10.0，Si量3.0～5.0，其余为Fe；

所述纯Cu重量百分比为：含Cu量大于99；

所述炉内加入适量的纯Sn重量百分比为：含Sn量大于99。

步骤6)孕育剂加入工艺中：

所述孕育剂的加入量使微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的终Si量重量百分比达到1.90～2.50。

所制备的微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的初生奥氏体枝晶细化，珠光体层片厚度与片间距细小，石墨个数多、细小、弯曲。其强度高于目前高强度高碳当量灰铸铁的强度，标准试棒的抗拉强度大于400兆帕，最高达到了440兆帕，保证生产出的发动机缸体、缸盖的本体强度大于280兆帕。

目前，传统的高强度高碳当量灰铸铁的制备方法是：首先在中频感应炉内将高强度高碳当量灰铸铁的C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Sn、V、N、Zr、Ti元素配好，熔化，当铁水温度＞1500℃时，在浇注铁水的浇注包底放好Si-Fe孕育剂，将＞1500℃的铁水放入包内，将Si-Fe孕育剂熔化，然后浇注铸件；或当前普遍采用的高强度高碳当量灰铸铁的制备方法是：首先在中频感应炉内将高强度高碳当量灰铸铁的C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Sn元素配好，熔化，当铁水温度＞1500℃时，在浇注铁水的浇注包底放好RE-Ca-V-Ti-N-Zr-Mn-Si强化剂和Si-Fe孕育剂，将＞1500℃的铁水放入包内，将强化剂和孕育剂熔化，然后浇注铸件。

本发明新的微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的制备方法与目前传统的或普遍采用的高强度高碳当量灰铸铁制备方法相比，具有的主要技术优点是：在改善高强度高碳当量灰铸铁组织的和提高其强度方面均获得意想不到的效果。本发明新的制备方法使初生奥氏体枝晶、珠光体片间距更加细小、石墨个数增多、细小、弯曲(参阅图1-3所示)；标准试棒的抗拉强度得到大幅度提高，最高达到了440兆帕。由主要技术优点带来的积极效果是解决了发动机缸体、缸盖的本体强度达不到280兆帕的瓶颈难题。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

本发明新的微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的制备方法与目前普遍采用的高强度高碳当量灰铸铁制备方法所得到的组织对比。

图1初生奥氏体枝晶形态：

(a)采用目前普遍采用的方法制备的高强度高碳当量灰铸铁的奥氏体枝晶比较粗大；

(b)采用本发明方法制备的微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的奥氏体枝晶细小。

图2珠光体形态：

(a)采用目前普遍采用的方法制备的高强度高碳当量灰铸铁的珠光体的层片厚度与间距大；

(b)采用本发明方法制备的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。

图3石墨形态：

(a)采用目前普遍采用的方法制备的高强度高碳当量灰铸铁的石墨平直、粗大、个数少；

(b)采用本发明方法制备的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。

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，所述实施例仅用于理解和实施本发明，本发明权利要求保护范围并不仅仅限定在实施例上。

本发明新的微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的制备方法的积极效果在于改善高碳当量灰铸铁的初生奥氏体枝晶、珠光体和石墨组织，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，标准试棒的最高抗拉强度达到了440兆帕。

当铁水温度≥1520℃时，放出铁水，在中频电炉出铁槽的铁水流上加入RE-Ca-Si-V-Ti-N强化剂。Ti、V、N，在高温的铁水中形成TiN、TiC、VN和VC，它们的熔点分别为3290℃、3067℃、2340℃和2800℃，它们的(001)晶面与奥氏体(Fe-r)的(110)晶面的晶格错配度均小于15％(TiN(001)//Fe-r(110)=13.4％，TiC(001)//Fe-r(110)=13.2％，VN(001)//Fe-r(110)=14％，VC(001)//Fe-r(110)=13.9％。)。因此，TiN、TiC、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枝晶细化。并得到了层片厚度与片间距细小的珠光体。初生奥氏体枝晶的晶细化，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。同时，Si是促进石墨化元素，提高C的活度，有利于石墨形成。RE(稀土)、Ca与铁水中的S反应生成RES(稀土硫化物)和CaS，RES化物和CaS均可作为石墨形核的非自发核心，因此，石墨的尺寸和数量进一步减小和增多；石墨在生长过程中RE吸附在石墨与鉄液的固液界面前沿，阻碍了石墨的生长，使石墨变得细小、弯曲。

当铁水放出1/4时，将Zr-Mn-Si强化剂投入到浇注铁水包中。Si进一步促进石墨形成；Zr进一步与剩余的N形成ZrN，与C反应形成ZrC。ZrN和ZrC的熔点分别为2960℃和3540℃，它们的(001)晶面与奥氏体(Fe-r)的(110)晶面的晶格错配度均小于15％(ZrN(001)//Fe-r(110)=12.4％和ZrC(001)//Fe-r(110)=13.6％。)。因此，ZrN和ZrC均可作为初生奥氏体结晶的非自发核心，进一步使高碳当量灰铸铁中的初生奥氏体枝枝晶细化，参阅图1(b)所示。同时，进一步使珠光体的层片厚度与片间距减小，参阅图2(b)所示。初生奥氏体枝晶的细化进一步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。同时，Mn与剩余的S形成MnS，可作为石墨形核的非自发核心，进一步使石墨变得更加细小、弯曲、个数增多，参阅图3(b)所示。

采用目前传统的或普遍采用的高强度高碳当量灰铸铁制备方法，将RE-Ca-V-Ti-N-Zr-Mn-Si强化剂同时放到炉内或浇注包内，导致铁液中V、Ti、Zr元素在形成TiN、TiC、ZrN、ZrC、VN和VC的过程中在V、Ti、Zr元素的周围会出现瞬间贫C和N，形成的TiN、TiC、ZrN、ZrC、VN和VC数量减少，初生奥氏体结晶的非自发核心减少，使初生奥氏体枝晶个数减少、枝晶较大，参阅图1(a)所示。使得珠光体的层片厚度与片间距较大，参阅图2(a)所示。由于初生奥氏体枝晶个数减少、枝晶较大，造成奥氏体枝晶的等轴网络框架结构的空间数量减少、尺寸变大，石墨形核率减少，生长约束减小，石墨尺寸较大、平直、个数较少；同时，铁液中RE、Ca、Mn元素在形成RES、CaS和MnS的过程中在RE、Ca、Mn元素的周围会出现瞬间贫S，形成的RES、CaS和MnS数量减少，导致石墨形核的非自发核心数量减少，造成石墨尺寸较大、个数较少，如图3(a)所示。

因此，本发明新的微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的制备方法的积极效果在于逐步深化了强化剂的强化效果，提高强化剂的强化彻底性。

采用本发明新的微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的制备方法，使强度得到意想不到的提高的原理为：①大量弯曲、细小、尖角钝化的石墨使裂纹不易萌生、扩展时不断改变方向；②裂纹扩展时必然受到众多的奥氏体枝晶、层片厚度与片间距细小的珠光体的严重阻碍，造成裂纹扩展时消耗更大的能量。

采用不同制备方法制备的高强度高碳当量灰铸铁的化学成分和力学性能，参阅表1所示，由表1表明，采用本发明新的微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的制备方法制备的高强度高碳当量灰铸铁的抗拉强度最高，其标准试棒的最高抗拉强度达到了440兆帕。

表1采用不同制备方法制备的高强度高碳当量灰铸铁的化学成分和力学性能

注：1试样的制备采用150公斤中频感应电炉进行熔炼。铁水出炉温度为1480～1530℃，在砂型中浇注圆棒形试棒，从该试棒中制取标准抗拉强度试棒以及金相试样。

21※、2※、3※号试样分别为采用目前传统的制备方法、当前普遍采用的制备方法和本发明制备方法制备的标准抗拉强度试棒以及硬度试样，所得到标准抗拉强度和硬度。

34号和5号试样分别为采用本发明制备方法制备的标准抗拉强度试棒以及硬度试样，所得到标准抗拉强度和硬度。

具体实施效果

广西玉林玉机柴油机器有限公司采用采用表1中3※号试样化学成分和本发明一种微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的制备方法成功地生产出六缸柴油发动机缸盖，缸盖六缸部位的解剖的抗拉强度分别为327、333、354、329、313和308兆帕，六个部位平均抗拉强度为327．33兆帕。

中国第一汽车集团公司一汽铸造有限公司采用表1中3※号试样化学成分和本发明一种微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的制备方法成功地生产出六缸柴油发动机缸体，缸体三个部位解剖的抗拉强度分别为315、285和315兆帕，三个部位平均抗拉强度为305兆帕。

Claims

1.一种微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的制备方法，其特征在于，所述微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的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，RE：0.02～0.08，Ca：0.02～0.008，V：0.20～0.40，Ti：0.01～0.10，N：0.11～0.15，Zr：0.01～0.10，其制备方法按以下步骤进行：

1)选择的熔炼设备：150公斤～10000公斤中频感应电炉；

所述废钢重量百分比为：含C量0.4～0.5，其余为Fe；

所述石墨增碳剂重量百分比为：含C量大于98，其余为杂质；

所述高C锰铁重量百分比为：含Mn量大于55，C量7.0～7.5，Si量1.0～2.0，其余为Fe；

7)当浇注铁水包内铁水达到1200～1480℃，浇注铸件。

2.根据权利要求1所述的一种微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的制备方法，其特征在于，步骤3)合金加入工艺中：

所述纯Cu重量百分比为：含Cu量大于99；

所述炉内加入适量的纯Sn重量百分比为：含Sn量大于99。

3.根据权利要求1所述的一种微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的制备方法，其特征在于，步骤6)孕育剂加入工艺中：