CN107723582B - 一种钼铬元素的高铝耐高温球墨铸铁及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钼铬元素的高铝耐高温球墨铸铁，其技术方案要点是，各组分重量百分比为：C 1.0‑3.0%，Si 0.15‑3.0%，Al 19.5‑26.0%，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，本发明旨在提供一种钼铬元素的高铝耐高温球墨铸铁，能够耐950℃工作温度、具有良好热冲击性能、耐高温氧化性能，具有良好综合力学性能和铸造成型性能且价格相对低廉。

Description

一种钼铬元素的高铝耐高温球墨铸铁及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种合金材料,更具体地说，它涉及一种钼铬元素的高铝耐高温球墨铸铁及其制备方法。

背景技术

现代内燃机的比功率不断提高，诸如气缸盖、机体、活塞、气门、排气歧管、涡壳等零部件的热导率也显著提高。热机械负荷的提高不仅导致了排气系统的成本不断提高，而且需要采用一些新的材料。常规的不锈钢合金材料，如耐高温铁素体不锈钢，由于含有超过15%的合金元素Cr，故制造成本较高。相对于不锈钢合金材料，铸铁的制造成本较低，且铸造工艺成型性能更好，故在排气系统中，很多汽车开发商选择用铸铁代替不锈钢。

随着出口市场的放开，使国内的耐热铸铁牌号趋于多样化，大体说来，这些铸铁按化学成分可以分为铬系耐热铸铁、硅系耐热铸铁和铝系耐热铸铁。其中，铬系耐热铸铁由于过多的碳化物使得材料过于脆，硅系耐热铸铁可以通过硅替代铬应用到铸铁中，但过高的硅含量也会使材料变脆，力学性能和铬系耐热铸铁基本类似；相对于铬系耐热铸铁和硅系耐热铸铁，铝系耐热铸铁韧性更高，且铝含量的提高可以使铸铁耐热性和高温氧化性提高，故在铸铁市场中铝系耐热铸铁运用更加广泛。但是现有技术中的铝系耐热铸铁，如高铝铸铁（RQTAl22），由于铝含量提高到20%以上，高温条件下的抗氧化性增加，可耐900℃以上的工作温度，但其在常温和高温下的力学性能偏低，耐热冲击性能较差，仍然难以满足要求。

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钼铬元素的高铝耐高温球墨铸铁，能够耐950℃工作温度、具有良好热冲击性能、耐高温氧化性能，具有良好综合力学性能和铸造成型性能且价格相对低廉。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种钼铬元素的高铝耐高温球墨铸铁，其特征在于，各组分重量百分比为：C 1.0-3.0%，Si 0.15-3.0%，Al 19.5-26.0%，Mo0.3-3.0%，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。

优选的，一种钼铬元素的高铝耐高温球墨铸铁，其特征在于，各组分重量百分比为：C 2.0%，Si 1.6%，Al 22%， Mo 3.0%, Cr 1.5%，Cu 1.0%，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，本发明还提供一种钼铬元素的高铝耐高温球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

a.配料、融化，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和废钢，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、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、浇注，球化处理后，进行转包，转包过程中加入去除表面浮渣，随后在覆膜砂壳型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硅铁进行随流孕育，按0.4%加入量。

本发明与现有技术相比具有：

（1）与常规铸铁相比，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。

（2）该铸铁中加入了适量的钼元素，可以提高基体的再结晶温度，提高球墨铸铁的高温强度，溶入铁素体的钼元素，形成稳定的特殊碳化物Fe₃Mo₃C，这种特殊碳化物有着一定吸收震动的能力，强化了铁素体基体，缓解了球墨铸铁在高温下的软化趋势，提高了其抗蠕变的能力，使铝系球墨铸铁的耐热冲击性能提高，另外，内燃机尾气通常呈酸性，钼可以改善球墨铸铁的耐腐蚀性，细化晶粒，增加石磨球书，提高铝系耐热铸铁的抗拉强度和屈服强度。

（3）本发明其他元素有效及其有益效果：碳（C）是最强的促进石墨化元素，本发明中适量的C含量，可以使铸铁具有良好的铸造性能和机加工性能；本发明的硅（Si）是促进石墨化元素，硅元素能在铸铁表面形成一层致密SiO₂氧化膜，可以抵抗材料的进一步氧化；本发明包含的铝（Al），可以在高温下产生Al₂O₃保护膜，从而可以阻止进一步的氧化，高铝（20%以上）可以大大改善抗氧化性能，甚至加热到接近熔点也不掉皮；少量的铬（Cr）元素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。

（4）该铸铁合金的主要元素（C，Si，Al，Cu）皆为常规合金化元素；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。

（5）本发明采用覆膜砂壳型重力浇注条件下，铸态组织以铁素体为基体，球化率≥85%，能够耐950℃工作温度、具有良好热冲击性能、耐高温氧化性能，具有良好综合力学性能和铸造成型性能且价格相对低廉，铸造条件下合金室温抗拉强度、伸长率分别大于470Mpa、1.0%，在950℃条件下的，抗拉强度大于70MPa,断后伸长率25%，950℃条件下的平均氧化速度小于0.01g .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：

一种钼铬元素的高铝耐高温球墨铸铁，各组分重量百分比为：C 1.0%，Si 3.0%，Al19.5%， Mo 1.0%, 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。其具体制备方法如下:

a.配料、融化，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公斤和废钢90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、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、浇注，球化处理后，进行转包，转包过程中加入去除表面浮渣，随后在覆膜砂壳型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硅铁进行随流孕育，按0.4%加入量。

应用效果：本实施例在覆膜砂壳型重力浇注条件下，合金室温抗拉强度、屈服强度、伸长率分别为500Mpa、1.1%，在950℃条件下的，抗拉强度为82MPa,断后伸长率29%，950℃条件下的平均氧化速度0.009g.m^-2.h^-1)，具有良好的铸造成型性能，材料的铸态为铁素体，球墨化率86%，铸造成形性能良好，铸态下，制成发动机缸体，在950℃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：

一种钼铬元素的高铝耐高温球墨铸铁，各组分重量百分比为：C 3.0%，Si 0.15%，Al 26%， Mo 0.3%, Cr 2.5%，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。其具体制备方法如下:

a.配料、融化，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公斤和废钢60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、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、浇注，球化处理后，进行转包，转包过程中加入去除表面浮渣，随后在覆膜砂壳型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硅铁进行随流孕育，按0.4%加入量。

应用效果，本实施例在覆膜砂壳型重力浇注条件下，合金室温抗拉强度伸长率分别为490MPa、1.6%，在950℃条件下的，抗拉强度为85MPa,断后伸长率27%，950℃条件下的平均氧化速度0.008g.m^-2.h^-1)，具有良好的铸造成型性能，材料的铸态为铁素体，球墨化率92%，铸造成形性能良好，铸态下，制成发动机缸体，在950℃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：

一种钼铬元素的高铝耐高温球墨铸铁，各组分重量百分比为：C 2.0%，Si 1.6%，Al22%， Mo 3.0%, Cr 1.5%，Cu 1.0%，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。其具体制备方法如下:

a.配料、融化，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公斤和废钢60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、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、浇注，球化处理后，进行转包，转包过程中加入去除表面浮渣，随后在覆膜砂壳型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硅铁进行随流孕育，按0.4%加入量。

应用效果：本实施例在覆膜砂壳型重力浇注条件下，合金室温抗拉强度、伸长率分别为510Mpa、1.8%，在950℃条件下的，抗拉强度为90MPa,断后伸长率27%。950℃条件下的平均氧化速度0.0085g.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，球墨化率93%，铸造成形性能良好，铸态下，制成发动机缸体，在950℃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 (1)

1.一种钼铬元素的高铝耐高温球墨铸铁，其特征在于，各组分重量百分比为：C 1.0%，Si 3.0%，Al 19.5%， Mo 1.0%, 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；

该钼铬元素的高铝耐高温球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

a.配料、融化，按照该钼铬元素的高铝耐高温球墨铸铁的成分配置合金，在标准容量500公斤的中频感应电炉内中加入铸造生铁和废钢，待金属熔化后，通过加入工业硅铁、工业钼铁、铬铁、铜丝达到该钼铬元素的高铝耐高温球墨铸铁的设计成分，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%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、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、浇注，球化处理后，进行转包，转包过程中加入去除表面浮渣，随后在覆膜砂壳型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硅铁进行随流孕育，按0.4%加入量。