CN107699783A - 一种含铬铜元素的铝钼耐高温球墨铸铁及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含铬铜元素的铝钼耐高温球墨铸铁，其技术方案要点是，这种铸铁的各组分重量百分比为：C 1.4‑3.6%，Si 1.5‑5.2%，Al 2.0‑9.0%，Mo 0.3‑3.0%，Cr 0.5‑2.5%，Cu 0.3‑1.5%；杂质元素Mg≦0.06%，S≦0.06%，P≦0.15%，Mn ≦0.7%，其余为Fe。本发明旨在提供一种含铬铜元素的铝钼耐高温球墨铸铁，能够耐900℃工作温度、具有良好热冲击性能、耐高温氧化性能、加工成形性好，且价格低廉。

Description

一种含铬铜元素的铝钼耐高温球墨铸铁及其制备方法

技术领域

本发明涉及铸铁材料领域,更具体地说，它涉及一种含铬铜元素的铝钼耐高温球墨铸铁。

背景技术

随着汽车发动机技术的发展，气体排放温度越来越高，发动机排气管、涡轮增压器壳体的工作温度提高到800℃以上，常规的灰铸铁、球铁材料已经不能满足耐高温的要求。如市场上的SiMo耐热球铁/蠕铁，其用于涡壳和排气管产品的耐热温度只有760℃；低铝蠕墨/球铁工作温度在750℃以下，且在高温下的抗氧化能力较差。

而目前能满足此高温工作环境要求的铸铁、铸钢材料，在实际使用和加工过程中，存在如下问题：高镍耐热铸铁（D5S），由于含有30%以上的贵重金属镍，而材料成本高；耐高温铁素体不锈钢，含有超过15%的合金元素Cr，成本较高，另外不锈钢的铸造工艺成型性能差，制造成本高；铝硅球墨铸铁能耐900℃的工作温度，但脆性较大，提高铝含量能提高耐热性和高温氧化性，但熔炼和浇注过程中氧化严重，其铸造性能会严重变差；铝钼球铁/蠕铁能耐900℃的工作温度，室温性能良好，但其耐高温氧化性较弱。

综上，如何提供一种铸铁材料，具有良好的抗氧化性能、耐高温性能和耐高温冲击性能，良好的铸造、机加工成形性能，并且成本较为低廉，是本领域技术人员仍待解决的技术难题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种含铬铜元素的铝钼耐高温球墨铸铁，能够耐900℃工作温度、具有良好热冲击性能、耐高温氧化性能、加工成形性好，且价格低廉。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种含铬铜元素的铝钼耐高温球墨铸铁，各组分重量百分比为：C 1.4-3.6%，Si 1.5-5.2%，Al 2.0-9.0%，Mo 0.3-3.0%，Cr0.5-2.5%，Cu 0.3-1.5%；杂质元素Mg≦0.06%，杂质元素S≦0.06%，杂质元素P≦0.15%，杂质元素Mn≦0.7%，其余为Fe。

优选的，各组分重量百分比为：C3.6%，Si1.5%，Al9.0%，Mo0.3%，Cr0.5%，Cu0.3% ；杂质元素Mg≦0.06%，杂质元素S≦0.06%，杂质元素P≦0.15%，杂质元素Mn≦0.7%，其余为Fe。

为实现上述目的，本发明还提供一种含铬铜元素的铝钼耐高温球墨铸铁的制备方法,包括以下步骤：

a.配料熔炼，按照上述目标成分配置合金，在标准容量500公斤的中频感应电炉内中加入铸造生铁150公斤，废钢150公斤，待金属熔化后，通过加入工业硅铁、工业钼铁、铬铁、铜丝达到以上设计成分，通过钟罩压入法加入工业纯铝锭，配料熔炼过程中，考虑到C会有5%左右的烧损，后面的孕育处理过程会增Si，增Si量控制在总铁水的1.0%，以保证后续处理Si不超标，并通过C-Si分析仪和直读光谱仪，检测合金化学成分保证其达到设计成分要求；

b.出铁水、球化和孕育处理，采用球化处理中间包处理铁水，加入3.6公斤普通镁球化剂(Mg-Si-Fe)、1.2公斤一次孕育剂，将球化剂和孕育剂放在中间包反应室内，孕育剂要覆盖在球化剂上面防止出炉时铁水直接冲刷球化剂，在1520℃时，出铁水，采用包底冲入法，先出2/3的铁水，待反应趋于平稳后再出剩余的1/3铁水；

c.转包、浇筑，球化处理后，进行转包，转包过程中去除表面浮渣，随后在潮模砂重力浇注条件下进行浇注，在浇注过程中采用1-4mm颗粒度的FeSi75硅铁按0.4%加入量进行随流孕。

本发明与现有技术相比具有：

（1）相对于常规铸铁材料，球墨铸铁内石墨以球状形式存在，对基体的割裂作用弱，具有良好的常温和高温性能，性能接近钢，在高温条件下有良好的尺寸稳定性。

（2）该铸铁合金中：碳（C）是最强的促进石墨化元素，合理的C含量，可以使铸铁具有良好的铸造性能和机加工性能；硅（Si）是促进石墨化元素，硅元素能在铸铁表面形成一层致密的SiO₂氧化膜，可以抵抗材料的进一步氧化；铸铁中加入一定量的铝（Al），可以在高温下产生Al ₂O₃保护膜，从而可以阻止进一步的氧化；钼（Mo）元素可以促进铁素体形成，少量Mo元素的加入，可以显著提升铁素体铸铁的抗拉强度和屈服强度；铬（Cr）元素，少量加入铸铁可以细化珠光体和石墨，提高珠光体的稳定性，能提高铸铁的抗氧化性能和抗生长性能；少量铜（Cu）元素加入以及孕育处理，可以提高低铬铸铁的室温力学性能。

（3）该铸铁合金中的主要元素（C，Si，Al，Cu）皆为常规合金化元素，材料简单易取；Cr，Mo含量都在3%之内，其成本远低于含镍(Ni)30%以上的高镍耐高温球铁和含铬(Cr) 15%以上的铁素体耐热不锈钢，并且该合金为铸铁材质，其铸造性能和机加工性能优于铁素体不锈钢，制造成本低。

（4）本发明具有实质性的进步和广阔的商业应用前景，在有限度提高合金成本的情况下，大大提高合金的高温性能和高温抗氧化能力，并具有良好的制备成型性能和综合力学性能。

（5）采用潮模砂重力浇注条件下，铸态组织以铁素体为基体，且石墨球化率≥85%，能够耐900℃工作温度、具有良好热冲击性能、耐高温氧化性能、加工成形性好，且价格低廉，合金室温抗拉强度大于560Mpa、伸长率大于5%，在900℃条件下的，抗拉强度大于45MPa,断后伸长率大于60%，900℃条件下的平均氧化速度小于0.02g.m^-2.h^-1)，具有良好的铸造成型性能。

具体实施方式

实施例1：

一种含铬铜元素的铝钼耐高温球墨铸铁，各组分重量百分比为：C 1.4%， Si 5.2%，Al2.0%，Mo 0.9%，Cr 0.5%，Cu 1.5% ；杂质元素Mg≦0.06%，杂质元素S≦0.06%，杂质元素P≦0.15%，杂质元素Mn ≦0.7%，其余为Fe。其具体制备步骤为：

a.配料熔炼，按照上述目标成分配置合金，在标准容量500公斤的中频感应电炉内中加入铸造生铁150公斤，废钢150公斤，待金属熔化后，通过加入工业硅铁、工业钼铁、铬铁、铜丝达到以上设计成分，通过钟罩压入法加入工业纯铝锭，配料熔炼过程中，考虑到C会有5%左右的烧损，后面的孕育处理过程会增Si，增Si量控制在总铁水的1.0%，以保证后续处理Si不超标，并通过C-Si分析仪和直读光谱仪，检测合金化学成分保证其达到设计成分要求；

b.出铁水、球化和孕育处理，采用球化处理中间包处理铁水，加入3.6公斤普通镁球化剂(Mg-Si-Fe)、1.2公斤一次孕育剂，将球化剂和孕育剂放在中间包反应室内，孕育剂要覆盖在球化剂上面防止出炉时铁水直接冲刷球化剂，在1520℃时，出铁水，采用包底冲入法，先出2/3的铁水，待反应趋于平稳后再出剩余的1/3铁水；

c.转包、浇筑，球化处理后，进行转包，转包过程中去除表面浮渣，随后在潮模砂重力浇注条件下进行浇注，在浇注过程中采用1-4mm颗粒度的FeSi75硅铁按0.4%加入量进行随流孕育。

应用效果：本实施例在潮模砂重力浇注条件下合金室温抗拉强度、屈服强度、伸长率分别为570Mpa、6.0%，在900℃条件下的，抗拉强度为70MPa，断后伸长率65%，900℃条件下的平均氧化速度0.018g.m^-2.h^-1)，具有良好的铸造成型性能，材料的铸态为铁素体，球化率87%，铸造成形性能良好，铸态下，制成发动机缸体，在900℃以上工作温度下，达到设计要求，发动机装机效果良好。

实施例2：

一种含铬铜元素的铝钼耐高温球墨铸铁，各组分重量百分比为：C 3.6%， Si 1.5%，Al9.0%，Mo 0.3%，Cr 0.5%，Cu 0.3% ；杂质元素Mg≦0.06%，杂质元素S≦0.06%，杂质元素P≦0.15%，杂质元素Mn ≦0.7%，其余为Fe。其具体制备步骤为：

a.配料熔炼，按照上述目标成分配置合金，在标准容量500公斤的中频感应电炉内中加入铸造生铁150公斤，废钢150公斤，待金属熔化后，通过加入工业硅铁、工业钼铁、铬铁、铜丝达到以上设计成分，通过钟罩压入法加入工业纯铝锭，配料熔炼过程中，考虑到C会有5%左右的烧损，后面的孕育处理过程会增Si，增Si量控制在总铁水的1.0%，以保证后续处理Si不超标，并通过C-Si分析仪和直读光谱仪，检测合金化学成分保证其达到设计成分要求；

b.出铁水、球化和孕育处理，采用球化处理中间包处理铁水，加入3.6公斤普通镁球化剂(Mg-Si-Fe)、1.2公斤一次孕育剂，将球化剂和孕育剂放在中间包反应室内，孕育剂要覆盖在球化剂上面防止出炉时铁水直接冲刷球化剂，在1520℃时，出铁水，采用包底冲入法，先出2/3的铁水，待反应趋于平稳后再出剩余的1/3铁水；

c.转包、浇筑，球化处理后，进行转包，转包过程中去除表面浮渣，随后在潮模砂重力浇注条件下进行浇注，在浇注过程中采用1-4mm颗粒度的FeSi75硅铁按0.4%加入量进行随流孕育。

应用效果：本实施例在潮模砂重力浇注条件下合金室温抗拉强度、屈服强度、伸长率分别为590Mpa、5.6%，在900℃条件下的，抗拉强度为70MPa,断后伸长率72%，900℃条件下的平均氧化速度0.017g.m^-2.h^-1)，具有良好的铸造成型性能，材料的铸态为铁素体，球化率90%，铸造成形性能良好，铸态下，制成发动机缸体，在900℃以上工作温度下，达到设计要求，发动机装机效果良好。

实施例3：

一种含铬铜元素的铝钼耐高温球墨铸铁，各组分重量百分比为：C 3.0%， Si 3.8%，Al5.0%，Mo 3.0%，Cr 2.5%，Cu 1.5% ；杂质元素Mg≦0.06%，杂质元素S≦0.06%，杂质元素P≦0.15%，杂质元素Mn ≦0.7%，其余为Fe。其具体制备步骤为：

a.配料熔炼，按照上述目标成分配置合金，在标准容量500公斤的中频感应电炉内中加入铸造生铁150公斤，废钢150公斤，待金属熔化后，通过加入工业硅铁、工业钼铁、铬铁、铜丝达到以上设计成分，通过钟罩压入法加入工业纯铝锭，配料熔炼过程中，考虑到C会有5%左右的烧损，后面的孕育处理过程会增Si，增Si量控制在总铁水的1.0%，以保证后续处理Si不超标，并通过C-Si分析仪和直读光谱仪，检测合金化学成分保证其达到设计成分要求；

b.出铁水、球化和孕育处理，采用球化处理中间包处理铁水，加入3.6公斤普通镁球化剂(Mg-Si-Fe)、1.2公斤一次孕育剂，将球化剂和孕育剂放在中间包反应室内，孕育剂要覆盖在球化剂上面防止出炉时铁水直接冲刷球化剂，在1520℃时，出铁水，采用包底冲入法，先出2/3的铁水，待反应趋于平稳后再出剩余的1/3铁水；

c.转包、浇筑，球化处理后，进行转包，转包过程中去除表面浮渣，随后在潮模砂重力浇注条件下进行浇注，在浇注过程中采用1-4mm颗粒度的FeSi75硅铁按0.4%加入量进行随流孕育。

应用效果：本实施例在潮模砂重力浇注条件下合金室温抗拉强度、伸长率分别为625Mpa、6%，在900℃条件下的，抗拉强度为65MPa，断后伸长率61%，900℃条件下的平均氧化速度0.019g.m^-2.h^-1)，具有良好的铸造成型性能，材料的铸态为铁素体，加少量珠光体，球化率92%，铸造成形性能良好，铸态下，制成发动机缸体，在900℃以上工作温度下，达到设计要求，发动机装机效果良好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种含铬铜元素的铝钼耐高温球墨铸铁，其特征在于，各组分重量百分比为：C 1.4-3.6%，Si 1.5-5.2%，Al 2.0-9.0%，Mo 0.3-3.0%，Cr 0.5-2.5%，Cu 0.3-1.5%；杂质元素Mg≦0.06%，杂质元素S≦0.06%，杂质元素P≦0.15%，杂质元素Mn≦0.7%，其余为Fe。

2.根据权利要求1所述的一种含铬铜元素的铝钼耐高温球墨铸铁,其特征在于，各组分重量百分比为：C3.6%，Si1.5%，Al9.0%，Mo0.3%，Cr0.5%，Cu0.3% ；杂质元素Mg≦0.06%，杂质元素S≦0.06%，杂质元素P≦0.15%，杂质元素Mn≦0.7%，其余为Fe。

3.一种含铬铜元素的铝钼耐高温球墨铸铁的制备方法,其特征在于，包括以下步骤：

a.配料熔炼，按照上述目标成分配置合金，在标准容量500公斤的中频感应电炉内中加入铸造生铁150公斤，废钢150公斤，待金属熔化后，通过加入工业硅铁、工业钼铁、铬铁、铜丝达到以上设计成分，通过钟罩压入法加入工业纯铝锭，配料熔炼过程中，考虑到C会有5%左右的烧损，后面的孕育处理过程会增Si，增Si量控制在总铁水的1.0%，以保证后续处理Si不超标，并通过C-Si分析仪和直读光谱仪，检测合金化学成分保证其达到设计成分要求；

b.出铁水、球化和孕育处理，采用球化处理中间包处理铁水，加入3.6公斤普通镁球化剂(Mg-Si-Fe)、1.2公斤一次孕育剂，将球化剂和孕育剂放在中间包反应室内，孕育剂要覆盖在球化剂上面防止出炉时铁水直接冲刷球化剂，在1520℃时，出铁水，采用包底冲入法，先出2/3的铁水，待反应趋于平稳后再出剩余的1/3铁水；

c.转包、浇筑，球化处理后，进行转包，转包过程中去除表面浮渣，随后在潮模砂重力浇注条件下进行浇注，在浇注过程中采用1-4mm颗粒度的FeSi75硅铁按0.4%加入量进行随流孕育。