CN108913985A - 一种高碳当量高强度灰铸铁及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高碳当量高强度灰铸铁及其制备方法，属于灰铸铁材料领域，高碳当量高强度灰铸铁主要组成成分及其重量百分比为：C:3.1%~3.5%、Si:1.7%~2.3%、Nb:0.04%~0.2%、N:0.03%~0.1%、Mn:0.5%~1.0%、S:0.03%~0.15%、P≤0.06%、Cu:0.65%~0.9%、Cr:0.31%~0.5%、Mo:0.1%~0.4%、Re:0.01%~0.04%，余量为Fe和不可避免杂质。本发明制备方法包括合金熔炼、孕育处理、浇注，通过优化常规化学元素并复合加入Nb和N元素，有效地解决了灰铸铁零件难以同时满足高碳当量、高强度和低铸造缺陷的技术难题，解决了高碳当量灰铸铁零件因强度低而开裂的问题。

Description

一种高碳当量高强度灰铸铁及其制备方法
技术领域
本发明涉及高碳当量高强度灰铸铁领域，特别涉及一种大马力柴油发动机缸盖所用高强度灰铸铁。
背景技术
当前为了提升灰铸铁材料强度，通常采用降低碳当量(CE)等工艺措施，但这降低了零件的充型能力、导热性能、铸造工艺性能和机械加工性能等，大大增加了铸件的收缩倾向，使得发动机缸盖产品由于缩松引起的泄露、漏水、开裂等废品率居高不下。因此，一种高碳当量高强度灰铸铁材料亟待被开发。
为了提高高碳当量灰铸铁的强度，国内外研究者在合金优化等方面进行了大量的工作，主要是通过加入一定量的Cr、Mo、Cu、Ni、Sn、V等合金元素来提升强度，但强度提升有限，并增加了材料成本。为此，研究者们对其他合金元素对灰铸铁性能的影响进行了大量研究。中国专利公布号：CN 10336154A，专利公布日：2013年10月23日，专利名称《低合金高强度灰铸铁及其制备方法》，其中灰铸铁的组分及其质量百分比为：C：3.0％～3.4％，Si：1.8％～2.2％，Mn：0.8％～1.5％，P：≤0.05％，S：0.08％～0.13％，Cr:0.2％～1.0％，Cu：0.4％～0.6％，N：0.02％～0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质。该发明的低合金高强度灰铸铁强度高，金相组织以A型石墨为主，生产成本低，合金成分中N元素相对含量较高，但成分中无固N元素，容易出现氮气孔缺陷。另外，没有添加抗热疲劳和抗高温蠕变的Mo、Nb等元素，难以满足未来大马力柴油发动机材料耐高温需求。中国专利公布号：CN 747367 A，专利公布日：2012年10月24日，专利名称《微合金化超高强度高碳当量灰铸铁》，所述微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的化学成分重量百分比为：C:3.1％～3.3％，Si:1.9％～2.5％，Mn:0.2％～0.4％，S:0.08％～0.11％，P:0.02％～0.04％，Cu:0.5％～0.6％，Cr:0.2％～0.3％，Sn:0.02％～0.05％，V:0.02％～0.04％，N:0.11％～0.15％，Zr:0.01％～0.10％，Ti:0.01％～0.10％。该材料通过优化合金成分设计和添加微量的Zr、Ti、V和N元素，提升灰铸铁材料强度。但灰铸铁所采用的合金材料种类较多，生产工艺控制相对难，容易产生白口组织，恶化加工性能，且N含量相对固N元素高，容易在铸件时产生气泡。中国专利公开号：CN1759797A，专利公开日期：2006年4月12日，专利名称《用于发动机气缸体和汽缸盖的灰口铸铁》，所述的灰铸铁的化学成分重量百分比为：C:2.7％～3.8％，Si：1.0％～2.2％，Mn：0.3％～1.2％，P：0.02％～0.1％，S：0.04％～0.15％，N：0.0095％～0.0160％，V＜0.025％，Sn：0.05％～0.15％，Cu：1.5％，Cr：0.6％，Mo：0.6％，Al＜0.02％，Ti＜0.02％，其余的为Fe和杂质。该发明通过添加N元素，提升了材料的力学性能，但限制加入固氮元素，容易出现氮气孔缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种高碳当量、高强度、无明显铸造缺陷的灰铸铁材料及其制备方法。
本发明解决方案是：一种高碳当量高强度灰铸铁，灰铸铁的组成成分及其重量百分比为：C:3.1％～3.5％、Si:1.7％～2.3％、Nb:0.03％～0.2％、N:0.03％～0.1％、Mn:0.45％～0.9％、P≤0.06％、S:0.03％～0.15％、Cu:0.65％～0.8％、Cr:0.31％～0.5％、Mo:0.1％～0.4％，Re:0.01％～0.04％，余量为Fe和不可避免杂质。
所述的高碳当量高强度灰铸铁中碳当量(CE)为3.8％～4.2％。
一种高碳当量高强度灰铸铁的制备方法，包括以下步骤：
(1)合金熔炼：采用中频熔炼炉进行熔炼，炉料为生铁、废钢、回炉料、锰铁、铌铁、铬铁、铜、硫铁、钼铁、增碳剂、氮化铁合金，根据炉内铁液成分化验结果调整化学成分，当铁水温度达到1470℃～1560℃后，静置5～25min，然后出炉；
(2)孕育处理：将铁水倒入浇包内进行孕育处理，撒入集渣剂，进行浇注；
(3)浇注：将孕育处理后的铁水在温度1360℃～1440℃时进行浇注，在浇注的同时加入孕育剂进行随流孕育，孕育剂为75SiFe。
所述步骤(1)中氮化铁合金为氮化锰、氮化铬或氮化硅锰中的至少一种。
所述步骤(1)中氮化铁合金在出炉前1～5min加入熔炼炉内或加入到浇注包内。
所述步骤(1)中添加的氮化铁合金粒径小于等于3mm。
所述步骤(2)中在孕育处理前加入稀土，稀土为铈镧混合稀土。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
拥有较高的碳当量，使组织中拥有更多的石墨，保证材料具有良好的导热性能、铸造工艺性能、减震性能、切削加工性能等优点，减小材料缩孔缩松倾向。通过在常规合金元素基础上，添加微量的Nb和N来提升高碳当量灰铸铁材料强度，同时固N元素Nb比N元素多，不会出现氮气孔的缺陷。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
一种高碳当量高强度灰铸铁，灰铸铁的组成成分及其重量百分比为：C:3.1％～3.5％、Si:1.7％～2.3％、Nb:0.03％～0.2％、N:0.03％～0.1％、Mn:0.45％～0.9％、P≤0.06％、S:0.03％～0.15％、Cu:0.65％～0.8％、Cr:0.31％～0.5％、Mo:0.1％～0.4％，Re:0.01％～0.04％，余量为Fe和不可避免杂质。
所述的高碳当量高强度灰铸铁中碳当量(CE)为3.8％～4.2％。
一种高碳当量高强度灰铸铁的制备方法，包括以下步骤：
(1)合金熔炼：采用中频熔炼炉进行熔炼，炉料为生铁、废钢、回炉料、锰铁、铌铁、铬铁、铜、硫铁、钼铁、增碳剂、氮化铁合金，根据炉内铁液成分化验结果调整化学成分，当铁水温度达到1470℃～1560℃后，静置5～25min，然后出炉；
(2)孕育处理：将铁水倒入浇包内进行孕育处理，撒入集渣剂，进行浇注；
(3)浇注：将孕育处理后的铁水在温度1360℃～1440℃时进行浇注，在浇注的同时加入孕育剂进行随流孕育，孕育剂为75SiFe。
所述步骤(1)中氮化铁合金为氮化锰、氮化铬或氮化硅锰中的至少一种。
所述步骤(1)中氮化铁合金在出炉前1～5min加入熔炼炉内或加入到浇注包内。
所述步骤(1)中添加的氮化铁合金粒径小于等于3mm。
所述步骤(2)中在孕育处理前加入稀土，稀土为铈镧混合稀土。
本发明材料和制备方法的原理说明如下：
C：为强烈促进石墨化元素，对于一些对材料致密性、导热性能等有要求的铸件(如缸盖)，组织中要求有一定数量的石墨。C含量过高，铸铁中石墨变粗大、数量增多，珠光体变粗，力学性能下降。C含量较低，组织中石墨量少，会增加铸件收缩倾向，降低材料铸造和机加工性能。为了保证有一定数量的石墨，本发明中将C含量提高到3.1％～3.5％的范围内。
Si：强烈促进石墨化元素，Si降低了C在铁中的溶解度，促进C元素生成石墨组织。但随着Si量的增加，基体中铁素体含量逐渐增多，珠光体含量减少，材料力学性能降低。本发明材料采用高Si低C成分配比，通过添加合金元素抑制铁素体生产，Si含量范围为1.7％～2.3％。
碳当量(CE)：铸铁中各种元素折算成C的含量，主要由C和Si两种元素组成，其中Si的作用为C的1/3，CE值每增加0.1％可以降低大约20MPa的强度，可以通过改变Si/C比值来改变CE值。本发明采用较高的CE值来发挥石墨的优良性能，CE在3.8％～4.2％范围内。
Nb和N:Nb能够细化珠光体和共晶团；N能细化共晶团，促进珠光体生成，并使石墨变短、弯曲、钝化；N能与Nb生成弥散的硬质相，强化Nb的作用，增强基体；Nb能固定N，并且增加N在铁液的溶解度，发挥N的有益作用并防止氮气孔生成，N和Nb复合加入强化效果更好。
Mn和S：铸铁中需要含有一定量的S来改善铸铁的性能，但S含量较高，在共晶团边界偏析并形成的FeS或三元共晶会材料的力学性能。Mn可以抑制FeS的形成，并形成弥散细小的硫化物夹杂，促进石墨形核，细化了珠光体，并改善了材料的切屑加工性能。当高于结合S所需量的过量Mn可以延缓铁素体的形成，并适度地细化珠光体，一般情况下Mn含量应满足Mn％>1.7％S+0.3％。本发明材料中Mn的范围为0.5％～1.0％，S的范围为0.03％～0.15％。
P：一般为有害元素，P元素过多会形成磷共晶，降低材料的韧性，使铸件易出现缩松和冷裂，P元素一般由原材料带入。本发明材料P元素含量应控制在0.06％内。
Mo：细化珠光体元素，但不能促进珠光体形成，与珠光体形成元素(Cr、Cu等)配合使用，效果更好。Mo能够提升材料强度和高温性能，对于一些对高温性能有一定要求的零件(缸盖等)，一般要求有一定的Mo含量，但Mo的成本较高。本发明材料Mo的含量控制在0.1％～0.4％范围内。
Cu：珠光体形成元素，并较弱的细化珠光体。Cu还能够促进石墨化，效能约为Si的20％，可抵消碳化物稳定元素(Cr等)的白口倾向，减轻薄壁处的白口，同时又使厚壁处的铁素体减少，使铸件各界面处显微组织比较一致。本发明Cu的加入量为0.65％～0.9％。
Cr：增加C在奥氏体中的溶解度，阻碍铁素体形核成长，是很强的珠光体形成元素，但Cr含量较高也使铸铁中的白口倾向增强。本发明Cr的含量为0.3％～0.5％。
Re：高效孕育剂，能够促进石墨形成，与其他孕育剂相比，抗孕育衰退能力更强，显著改善铸件白口倾向，并能够细化石墨，使石墨头部钝化，适量细化珠光体。添加微量的Re能显著消除Cr、Nb等碳化物形成元素带来的白口组织，本发明Re的含量为0.01％～0.04％。
本发明添加的氮化铁合金即能满足N元素的要求又能补充其他所需元素，减少锰铁，铬铁的投料量，降低生产成本。
本发明添加的金属氮化物颗粒直径小于等于3mm，有助于金属氮化物在金属熔炼过程中快速熔炼，防止生成氮气孔或氮元素吸收效率降低。
金属氮化物需在出炉前1～5min加入熔炼炉内，金属氮化物加入过早，氮元素吸收效率较低，金属氮化物加入过晚，容易生成氮气孔。
本发明制备方法过程中温度控制很重要，一定的温度下过热并保温，可以净化铁水，细化石墨，降低炉料的不良影响。但温度过高，烧损很严重，一般控制出炉温度在1470～1560℃，浇注温度为l 360～1440℃，保温时间为1-5min。
实施例1
本发明的一种高碳当量高强度灰铸铁，灰铸铁的组成成分及其重量百分比为：C:3.25％、Si:1.97％、Nb:0.08％、N:0.054％、Mn:0.84％、P:0.03％、S:0.08％、Cu:0.69％、Cr:0.32％、Mo:0.27％、Re：0.03％，余量为Fe和不可避免杂质。
所述的高碳当量高强度灰铸铁中碳当量(CE)为3.94％。
一种高碳当量高强度灰铸铁的制备方法，包括以下步骤：
(1)合金熔炼：采用中频熔炼炉进行熔炼，炉料为生铁、废钢、回炉料、锰铁、铌铁、铬铁、铜、硫铁、钼铁、焦炭、氮化铁合金，根据炉内铁液成分化验结果调整化学成分，当铁水温度达到1490℃后，静置15min，然后出炉；
(2)孕育处理：将铁水倒入浇包内进行孕育处理，撒入FH-3集渣剂，进行浇注；
(3)浇注：将孕育处理后的铁水在温度1390℃时进行浇注，在浇注的同时加入孕育剂进行随流孕育，孕育剂为75SiFe。
所述步骤(1)中氮化铁合金为氮化锰。
所述步骤(1)中氮化铁合金在出炉前2min加入到熔炼炉内。
所述步骤(1)中添加的氮化铁合金粒径小于3mm。
所述步骤(2)中在孕育处理前加入稀土，稀土为铈镧混合稀土。
实施例2
本发明的一种高碳当量高强度灰铸铁，灰铸铁的组成成分及其重量百分比为：C:3.3％、Si:2.15％、Nb:0.07％、N:0.03％、Mn:0.7％、P:0.03％、S:0.03％、Cu:0.65％、Cr:0.35％、Mo:0.24％、Re：0.025％，余量为Fe和不可避免杂质。
所述的高碳当量高强度灰铸铁中碳当量(CE)为4.03％。
一种高碳当量高强度灰铸铁的制备方法，包括以下步骤：
(1)合金熔炼：采用中频熔炼炉进行熔炼，炉料为生铁、废钢、回炉料、锰铁、铌铁、铬铁、铜、硫铁、钼铁、无烟煤、氮化铁合金，根据炉内铁液成分化验结果调整化学成分，当铁水温度达到1510℃后，静置12in，然后出炉；
(2)孕育处理：将铁水倒入浇包内进行孕育处理，撒入FH-3集渣剂，进行浇注；
(3)浇注：将孕育处理后的铁水在温度1400℃时进行浇注，在浇注的同时加入孕育剂进行随流孕育，孕育剂为75SiFe。
所述步骤(1)中氮化铁合金为氮化铬。
所述步骤(1)中氮化铁合金在出炉前3min加入到浇注包内。
所述步骤(1)中添加的氮化铁合金粒径小于2mm。
所述步骤(2)中在孕育处理前加入稀土，稀土为铈镧混合稀土。
实施例3
本发明的一种高碳当量高强度灰铸铁，灰铸铁的组成成分及其重量百分比为：C:3.27％、Si:2.04％、Nb:0.07％、N:0.083％、Mn:0.78％、P:0.03％、S:0.08％、Cu:0.71％、Cr:0.35％、Mo:0.28％、Re：0.023％，余量为Fe和不可避免杂质。
所述的高碳当量高强度灰铸铁中碳当量(CE)为3.96％。
一种高碳当量高强度灰铸铁的制备方法，包括以下步骤：
(1)合金熔炼：采用中频熔炼炉进行熔炼，炉料为生铁、废钢、回炉料、锰铁、铌铁、铬铁、铜、硫铁、钼铁、天然石墨、氮化铁合金，根据炉内铁液成分化验结果调整化学成分，当铁水温度达到1500℃后，静置15min，然后出炉；
(2)孕育处理：将铁水倒入浇包内进行孕育处理，撒入FH-3集渣剂，进行浇注；
(3)浇注：将孕育处理后的铁水在温度1390℃时进行浇注，在浇注的同时加入孕育剂进行随流孕育，孕育剂为75SiFe。
所述步骤(1)中氮化铁合金为氮化锰和氮化铬。
所述步骤(1)中氮化铁合金在出炉前4min加入到熔炼炉内。
所述步骤(1)中添加的氮化铁合金粒径小于2.5mm。
所述步骤(2)中在孕育处理前加入稀土，稀土为铈镧混合稀土。
实施例4
本发明的一种高碳当量高强度灰铸铁，灰铸铁的组成成分及其重量百分比为：C:3.32％、Si:1.93％、Nb:0.09％、N:0.1％、Mn:0.69％、P:0.03％、S:0.15％、Cu:0.9％、Cr:0.23％、Mo:0.23％、Re：0.012％，余量为Fe和不可避免杂质。
所述的高碳当量高强度灰铸铁中碳当量(CE)为3.97％。
一种高碳当量高强度灰铸铁的制备方法，包括以下步骤：
(1)合金熔炼：采用中频熔炼炉进行熔炼，炉料为生铁、废钢、回炉料、锰铁、铌铁、铬铁、铜、硫铁、钼铁、人造石墨、氮化铁合金，根据炉内铁液成分化验结果调整化学成分，当铁水温度达到1510℃后，静置10min，然后出炉；
(2)孕育处理：将铁水倒入浇包内进行孕育处理，撒入FH-3集渣剂，进行浇注；
(3)浇注：将孕育处理后的铁水在温度1410℃时进行浇注，在浇注的同时加入孕育剂进行随流孕育，孕育剂为75SiFe。
所述步骤(1)中氮化铁合金为氮化硅锰。
所述步骤(1)中氮化铁合金在出炉前5min加入到浇注包内。
所述步骤(1)中添加的氮化铁合金粒径小于1mm。
所述步骤(2)中在孕育处理前加入稀土，稀土为铈镧混合稀土。
实施例5
本发明的一种高碳当量高强度灰铸铁，灰铸铁的组成成分及其重量百分比为：C:3.16％、Si:2.07％、Nb:0.05％、N:0.035％、Mn:0.7％、P:0.03％、S:0.05％、Cu:0.7％、Cr:0.3％、Mo:0.27％、Re：0.011％，余量为Fe和不可避免杂质。
所述的高碳当量高强度灰铸铁中碳当量(CE)为3.86％。
一种高碳当量高强度灰铸铁的制备方法，包括以下步骤：
(1)合金熔炼：采用中频熔炼炉进行熔炼，炉料为生铁、废钢、回炉料、锰铁、铌铁、铬铁、铜、硫铁、钼铁、焦炭、氮化铁合金，根据炉内铁液成分化验结果调整化学成分，当铁水温度达到1520℃后，静置10min，然后出炉；
(2)孕育处理：将铁水倒入浇包内进行孕育处理，撒入FH-3集渣剂，进行浇注；
(3)浇注：将孕育处理后的铁水在温度1420℃时进行浇注，在浇注的同时加入孕育剂进行随流孕育，孕育剂为75SiFe。
所述步骤(1)中氮化铁合金为氮化铬和氮化硅锰。
所述步骤(1)中氮化铁合金在出炉前1min加入到浇注包内。
所述步骤(1)中添加的氮化铁合金粒径等于1.5mm。
所述步骤(2)中在孕育处理前加入稀土，稀土为铈镧混合稀土。
实施例6
本发明的一种高碳当量高强度灰铸铁，灰铸铁的组成成分及其重量百分比为：C:3.32％、Si:2.20％、Nb:0.15％、N:0.07％、Mn:0.70％、P:0.03％、S:0.05％、Cu:0.81％、Cr:0.45％、Mo:0.33％、Re：0.032％，余量为Fe和不可避免杂质。
所述的高碳当量高强度灰铸铁中碳当量(CE)为4.07％。
一种高碳当量高强度灰铸铁的制备方法，包括以下步骤：
(1)合金熔炼：采用中频熔炼炉进行熔炼，炉料为生铁、废钢、回炉料、锰铁、铌铁、铬铁、铜、硫铁、钼铁、无烟煤、氮化铁合金，根据炉内铁液成分化验结果调整化学成分，当铁水温度达到1560℃后，静置25min，然后出炉；
(2)孕育处理：将铁水倒入浇包内进行孕育处理，撒入FH-3集渣剂，进行浇注；
(3)浇注：将孕育处理后的铁水在温度1440℃时进行浇注，在浇注的同时加入孕育剂进行随流孕育，孕育剂为75SiFe。
所述步骤(1)中氮化铁合金为氮化锰、氮化铬和氮化硅锰。
所述步骤(1)中氮化铁合金在出炉前2.5min加入到浇注包内。
所述步骤(1)中添加的氮化铁合金粒径等于2mm。
所述步骤(2)中在孕育处理前加入稀土，稀土为铈镧混合稀土。
本发明“一种高碳量当高强度灰铸铁”的成分与力学性能参阅表1所示，由表1表明，本发明“一种高碳当量高强度灰铸铁”的CE在3.8％-4.2％，抗拉强度达到了360MPa以上。
表1材料化学成分与力学性能

Claims (7)

1.一种高碳当量高强度灰铸铁，其特征在于：所述的高碳当量高强度灰铸铁的组成成分及其重量百分比为：C:3.1%~3.5%、Si:1.7%~2.3%、Nb:0.03%~0.2%、N:0.03%~0.1%、Mn:0.45%~0.9%、P≤0.06%、S:0.03%~0.15%、Cu:0.65%~0.8%、Cr:0.31%~0.5%、Mo:0.1%~0.4%，Re:0.01%~0.04%，余量为Fe和不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述一种高碳当量高强度灰铸铁，其特征在于：所述的高碳当量高强度灰铸铁中碳当量为3.8%~4.2%。
3.权利要求1和2中所述一种高碳当量高强度灰铸铁的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）合金熔炼：采用中频熔炼炉进行熔炼，炉料为生铁、废钢、回炉料、锰铁、铌铁、铬铁、铜、硫铁、钼铁、增碳剂、氮化铁合金，根据炉内铁液成分化验结果调整化学成分，当铁水温度达到1470℃~1560℃后，静置5~25min，然后出炉；
（2）孕育处理：将铁水倒入浇包内进行孕育处理，撒入集渣剂，进行浇注；
（3）浇注：将孕育处理后的铁水在温度1360℃~1440℃时进行浇注，在浇注的同时加入孕育剂进行随流孕育，孕育剂为75SiFe。
4.根据权利要求3所述的一种高碳当量高强度灰铸铁的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中氮化铁合金为氮化锰、氮化铬或氮化硅锰中的至少一种。
5.根据权利要求3述的一种高碳当量高强度灰铸铁的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中金属氮化物在出炉前1~5min加入熔炼炉内或加入到浇注包内。
6.根据权利要求3述的一种高碳当量高强度灰铸铁的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中添加的金属氮化物粒径小于等于3mm。
7.根据权利要求3述的一种高碳当量高强度灰铸铁的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中在孕育处理前加入稀土，稀土为铈镧混合稀土。
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