CN109371315A

CN109371315A - 一种高强度蠕墨铸铁及其制备方法

Info

Publication number: CN109371315A
Application number: CN201811242369.8A
Authority: CN
Inventors: 袁福安; 康明; 金通; 涂欣达; 霍卯田; 王林; 晏克春
Original assignee: Dongfeng Commercial Vehicle Co Ltd
Current assignee: Dongfeng Commercial Vehicle Co Ltd
Priority date: 2018-10-24
Filing date: 2018-10-24
Publication date: 2019-02-22
Anticipated expiration: 2038-10-24
Also published as: CN109371315B

Abstract

一种高强度蠕墨铸铁，所述的高强度蠕墨铸铁按重量百分比由如下成分组成：C：3.6%‑4.0%，Si：1.7%‑2.2%，Mn：0.4%‑0.6%，P：≤0.04%；S：≤0.02%；Cu：0.40%‑0.60%；Cr：0.1%‑0.3%；Mg：0.005%‑0.025%、Re：0.005%‑0.025%，Nb：0.05%‑0.2%,余量为铁和不可避免杂质。制备方法分为原料配比，熔炼，蠕化处理和浇注四个步骤。本发明工艺操作简单，得到蠕化率高、常温和高温性能好的蠕墨铸铁材料，解决了高蠕化率蠕墨铸铁强度较低的问题。

Description

一种高强度蠕墨铸铁及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铸铁材料及其制造方法，特别涉及到一种高强度蠕墨铸铁及其制备方法。

背景技术

现代发动机升功率高、结构紧凑、铸件形状复杂、热负荷和机械负荷高等特点，不仅对其设计技术，而且对发动机机体、气缸盖等关键部件的材料及制造技术也提出了更高要求，要求材料既具有高的力学性能、优良的减震性能和热疲劳性能，又要求具有很高的致密性、均匀性和可靠性。其中蠕墨铸铁兼有球墨铸铁和灰铸铁的性能，很适合制造强度要求较高及承受较大热循环负荷的缸体、缸盖、制动鼓等零件。但是高蠕化率的蠕墨铸铁材料力学性能往往偏低，而现在大马力发动机缸体缸盖对材料力学性能的要求越来越高，蠕墨铸铁要同时具有较高的力学性能和蠕化率才能满足零件机械负荷和热负荷的需求。因此一种高强度、高蠕化率的蠕墨铸铁材料的开发具有重要价值。目前，蠕墨铸铁还存在着铸造生产难点，综合性能差、蠕化率偏低且不稳定等原因制约了其生产应用。特别是高蠕化率的蠕墨铸铁材料力学性能更低，研究者们通过添加合金元素和采用稳定的蠕化工艺来保证在较高的蠕化率情况下拥有较高的力学性能。

中国专利公开号：CN 105401066 A，专利公开日期：2016年03月16日，专利名称：《低锡硅钼蠕墨铸铁及其制备方法》，该发明公开了一种低锡硅钼蠕墨铸铁，所述低锡硅钼蠕墨铸铁按重量百分比计由如下成分组成：碳为3.4-3.8%，硅为2.1-2.6%，钼为0.1-0.3%，锰为0.2-0.3%，铌为0.2-0.3%，铬为0.1-0.2%，锡为0.01-0.03%，锑为0.01-0.28%，钒为0.1-0.2%，钛为0.15-0.25%，磷和硫的总含量不超过0.06%，余量为铁及其不可避免的杂质。该发明的低锡硅钼蠕墨铸铁白口倾向小，蠕虫状石墨的长厚比较小，使低锡硅钼蠕墨铸铁的强度、耐磨性能和抗热疲劳性能优异。同时，该发明还提供一种制备方法，使得到低锡硅钼蠕墨铸铁蠕化率高，综合性能好，工艺操作过程简单，适合工业化大规模生产。但所加铬，钒，钛元素加强了铸铁的硬度，不利于加工成型，同时生产成本较高。

中国专利公开号：CN 103938067 A，专利公开日期：2014年07月23日，专利名称：《适用于高输出功率的柴油发动机的气缸体的CGI铸铁及其制造方法》。该发明提到铸铁按重量百分比计由如下成分组成3.65 %-3.75 %的C，2.0 %-2.25%的Si，0.3%-0.6%的Mn，1.2%-1.4%的Cu，0.07%-0.1%的Sn，0.008%-0.018%的Mg，0.04%以下的P，0.02%以下的S和剩余量的Fe，其抗拉强度为500MPa-600MPa。该发明通过精确控制镁的含量，从而提供具有稳定的蠕化率的铸铁，但该发明中镁的重量百分比范围小，并且Mg在铸造过程中随时间会不断烧损，因此通过控制Mg来获得稳定的蠕化率，需要精确的控制装置、较高的管理水平和熟练的操作，才能把蠕化率控制在一定范围。

发明内容

本发明的目的是克服现有蠕墨铸铁蠕化率偏低、蠕化率不稳定和力学性能较低等问题，提供一种蠕化率高、常温和高温力学性能高好且工艺操作简单的蠕墨铸铁及其制备方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案如下：

一种高强度蠕墨铸铁，按重量百分比计由如下成分组成：C：3.6%-4.0%，Si：1.7%-2.2%，Mn：0.4%-0.6%，P：≤0.04%，S：≤0.02%，Cu：0.40%-0.60%，Cr：0.1%-0.3%，Mg：0.005%-0.025%，Re：0.005%-0.025%，Nb：0.05%-0.2%，余量为铁和不可避免杂质。

所述的高强度蠕墨铸铁组织中蠕化率≥80%，抗拉强度≥500MPa，硬度200HB-270HB。

所述的一种高强度蠕墨铸铁的制备方法，包括如下步骤：

（1）原料配比：原料按以下重量百分比混合：回炉料为30%-40%，生铁为50%-60%，废钢为0%-20%；

（2）熔炼：将混合后的原料倒入熔炼炉中，熔炼至熔融状态，根据化学成分检测结果加入增碳剂和铌铁，铜，铬铁等合金调整铁液化学成分；

（3）蠕化处理：根据铁液中S的含量，准确称取铁水倒入量的0.25%-0.45%的蠕化剂放入铁水包底部，然后把铁水倒入量0.35%-0.45%的孕育剂和铁水倒入量0.4%-0.5%的钢丸对蠕化剂进行覆盖并压实；当步骤（2）中的铁水温度达到1460℃-1500℃范围内后，将铁水倒入铁水包内，然后在铁水表面撒入覆盖剂，铁水倒入量控制在铁水包额定容量70%-75%范围内；

（4）浇注：对蠕化后的铁水进行浇注，浇注温度控制在1400℃-1420℃之间，同时加入浇注铁水重量0.1%-0.3%的随流孕育剂进行孕育，蠕化处理结束到浇注完成时间控制在5-8min之间。

所述步骤（1）中的回炉料为蠕铁或球铁回炉料，生铁采用Q10生铁，废钢采用普通的碳素非合金钢。

所述步骤（2）中增碳剂为低S，低N的增碳剂。

所述步骤（3）和（4）中孕育剂为75SiFe，其中步骤（3）中孕育剂粒度为4-8mm，步骤（4）中孕育剂粒度<0.6mm。

所述步骤（3）中蠕化剂为稀土镁合金蠕化剂FeSiMg₆Re₆，其原料组成以重量百分比计为：Re：5%-7%，Mg：5%-7%，Si：38%-44%，Ca：2%-5%，MgO<2%,余量为Fe和不可避免杂质。

通过上述技术方案，本发明的有益效果：

1、本发明材料通过添加Nb、Cu、Cr合金元素，能够增加并细化基体中的珠光体，细化共晶团，并在基体中生成弥散的硬质相，能够保证在高蠕化率情况下，获得较高的常温和高温力学性能，解决了高蠕化率蠕铁材料强度较低的问题。

2、本发明制备方法通过控制镁和稀土的含量控制蠕化率，蠕化范围较宽，将活性Mg的范围由0.008%-0.018%扩展到0.005%-0.025%；另一方面，该设计通过严格控制原材料和铁液S含量，并通过优化蠕化处理和浇注等工艺，保证得到蠕化率稳定的蠕墨铸铁材料。

3、本发明得到的蠕墨铸铁在常温时抗拉强度≥500MPa，300℃时强度≥450MPa，500℃时强度≥350 MPa，特别是高温时的抗拉强度均高于相同材料牌号对应温度时抗拉强度的10%以上，满足了现在缸体、缸盖所需材料常温和高温力学性能的要求。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

所述的一种高强度蠕墨铸铁的制备方法，包括如下步骤：

所述步骤（2）中增碳剂为低S，低N的增碳剂。

所述步骤（3）中蠕化剂为稀土镁合金蠕化剂，FeSiMg₆Re₆，其原料组成以重量百分比计为：Re：5%-7%，Mg：5%-7%，Si：38%-44%，Ca：2%-5%，MgO<2%,余量为Fe和不可避免杂质。

本发明技术方案的原理如下：

缸体缸盖等零件经常承受很大的热负荷和机械负荷，要求材料具有较高的强度和导热性能。因此，本发明提供了一种高强度蠕墨铸铁，通过添加多种金属元素，特别是Nb元素，能够显著增加铸铁的常温和高温力学性能。通过适宜的熔炼、蠕化和浇注工艺，能够稳定的获得较高的蠕化率，充分发挥蠕虫状石墨的优良的导热性能。

C：对于缸体缸盖等耐热铸件，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，力学性能下降，C含量过低，增加铸件收缩倾向，降低材料铸造性能。为了保证有一定数量的石墨，本发明中将C含量提高到3.6%-4.0%的范围内。

Si：随着Si量增加，基体中珠光体量逐渐减少，铁素体量增加。为了保证铸铁金相组织中具有理想的石墨数量和珠光体含量，本发明选择高C含量低Si含量的成分配比，Si的含量控制在1.7%-2.2.%的范围内。

Mn：能够促进珠光体的形成，含量在0.4%-0.6%，对珠光体数量的影响不敏感。Mn含量较高，组织中易出现球状石墨，并且碳化物增多。

S：与蠕化元素（主要为Mg和Re）都有很大亲和力。原铁液含S越多，消耗蠕化剂也越多，含S量高易导致蠕化衰退，严重影响蠕化效果，本发明中硫含量限制在0.02%以内。

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。本发明中P元素含量应控制在0.04%内。

Nb：能够显著提升铸铁的力学性能，Nb细化珠光体和共晶团，并与铁液中C形成弥散的硬质相，起到弥散强化的作用，从而提高铸铁的力学性能和高温性能。Nb加入过多，制造成本过高，本发明Nb元素的含量在0.05%-0.2%范围内。

Cu：在铸铁共晶凝团中促进石墨化，能减小白口化倾向。在共析过程中促进珠光体的形成，能减小端面敏感性。Cu含量加入过多，成本上升，其含量控制在0.4%-0.6%内。

Cr：强烈促进形成碳化物，并且十分稳定，能够增加并细化珠光体，但Cr含量较高增加白口倾向，本发明Cr的含量为0.10%-0.30%。

Mg、Re：能够抑制片状石墨形成，含量低时会形成片状石墨，含量较高易生成球状石墨，本发明严格控制Mg含量为0.005%-0.025%，Re含量为0.005%-0.025%。

原料配比：化料过程中，为了减少反球化元素的影响，尽量降低废钢使用量，避免使用灰铸铁回炉料，并采用含S量较低的增碳剂，使铁液中的目标S≤0.02%，提升铁液质量，提高蠕化率稳定性。

熔炼：熔炼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，本发明出炉温度控制在1460℃-1500℃。

蠕化处理：采用冲入法进入蠕化处理，蠕化处理过程中，出铁压包是蠕化处理效果好坏的一关键因素，为了避免蠕化剂反应过早和过晚会引起蠕化剂烧损和未反应形成蠕化不良，压包过程中应优先加入蠕化剂，随后加入压包孕育剂和钢丸，目的为了防止蠕化剂烧损和促进蠕化过程中石墨核心的形成，应当将孕育剂和钢丸压实，避免过早反应。铁水倒入量也与蠕化率效果息息相关，铁水倒入量要控制在铁水包额定容量的70%-75%之间。

浇注：出铁中应当测量浇注温度，浇注温度必须控制在1400℃-1420℃之间，温度过高会引起蠕化剂过度反应造成铸件偏灰，温度过低会引起蠕化不良造成铸件偏球，温度不合格铁水应当迅速做回路出来。蠕化处理完毕到浇注完毕的时间也应当严格监控，受蠕铁特性影响蠕化处理完毕，随着时间的推移，蠕化率在慢慢衰退直至偏灰，一般讲此时间控制在6-8分钟内。

蠕化剂：采用FeSiMg₆Re₆蠕化剂，蠕化剂中均衡含量的Mg和稀土，可以带来最小的断面敏感性和较高的蠕化率。在蠕墨铸铁的生产中适宜的稀土含量可提高蠕虫状石墨数并降低蠕化衰退，避免出现片状石墨。但稀土含量过高时，易使缸盖喷油嘴形成大的缩松缩孔。本发明蠕化剂含量主要元素含量以重量百分比计为：Re：5%-7%，Ca：2%-5%。Mg：5%-7%，Si：38%-44%，MgO<2%，余量为Fe和不可避免杂质。

孕育处理：在生产蠕墨铸铁过程中，一般应遵循延后孕育的原则。本发明采用包孕育加随流孕育的孕育工艺，为了消除结晶过冷倾向和增加石墨晶核，延缓蠕化衰退，孕育需加强但不可过度孕育引起铸件性能降低，本发明压包孕育加入量为0.35%-0.45%，随流孕育剂加入量为0.1%-0.3%。

实施例1：

一种高强度蠕墨铸铁，其化学成分按重量百分比计为：

C：3.65%；Si：1.95%；Mn：0.58%；P：0.036%；S：0.012%；Cu：0.58%；Cr：0.22%；Mg：0.011%、Re：0.014%，Nb：0.12%,余量为铁和不可避免杂质。

一种高强度蠕墨铸铁组织中蠕化率80%,蠕墨铸铁的抗拉强度577MPa，300℃高温强度533MPa，500℃高温强度428MPa，硬度252HBW。

一种高强度蠕墨铸铁制备方法，包括以下步骤：

（1）原料配比：原料按以下重量百分比混合：回炉料为35%,生铁为57%，废钢为8%，回炉料采用蠕铁和球铁回炉料，生铁采用低S的球墨铸铁生铁，废钢采用普通的碳素非合金钢；

（2）熔炼：使用6t中频炉进行铁液熔炼，将回炉料、生铁和废钢熔炼至熔融状态，根据化学成分检测结果加入采用低S、低N的增碳剂和铌铁，铜，铬铁等合金调整铁液化学成分，使铁液中的目标S≤0.02%；

（3）蠕化处理：采用2t堤坝式蠕化处理包出铁和蠕化处理，蠕化处理过程中，根据炉前检测S含量0.013%，先把铁水倒入量0.36%的FeSiMg₆Re₆蠕化剂放入蠕化处理包底部，然后把铁水倒入量0.4%粒度为4-8mm的75SiFe孕育剂和铁水倒入量0.45%的钢丸对蠕化剂进行覆盖并压实；当步骤（2）铁水温度达到1480℃后，将铁水缓慢倒入蠕化处理包内，然后在铁水表面撒入覆盖剂，铁水倒入量为1440kg；

（4）浇注：将步骤（3）中蠕化后的铁水进行浇注，浇注温度1400℃，同时加入0.2%粒度<0.6mm的75SiFe孕育剂进行随流孕育，蠕化处理结束到浇注完成时间为6min。

实施例2：

一种高强度蠕墨铸铁，其化学成分按重量百分比计为：

C：3.75%；Si：1.77%；Mn：0.45%；P：0.030%；S：0.015%；Cu：0.48；Cr：0.16%；Mg：0.018%、Re：0.020%，Nb：0.16%，余量为铁和不可避免杂质。

一种高强度蠕墨铸铁组织中蠕化率85%，蠕墨铸铁的抗拉强度530MPa，300℃高温强度492MPa，500℃高温强度404MPa，硬度249HBW。

一种高强度蠕墨铸铁制备方法，包括以下步骤：

（1）原料配比：原料按以下重量百分比混合：回炉料为30%，生铁为50%，废钢为20%，回炉料采用球铁和蠕铁回炉料，生铁采用Q10生铁，废钢采用普通的碳素非合金钢；

（2）熔炼：使用6t中频炉进行铁液熔炼，将回炉料、生铁和废钢熔炼至熔融状态，根据化学成分检测结果加入低S、低N的增碳剂和铌铁，铜，铬铁等合金调整铁液化学成分,使铁液中的目标S≤0.02%；

（3）蠕化处理：采用2t堤坝式蠕化处理包出铁和蠕化处理，蠕化处理过程中，根据炉前检测S的含量为0.017%，把铁水倒入量0.4%的FeSiMg₆Re₆蠕化剂放入铁水包底部，然后把铁水倒入量0.45%粒度为4-8mm的75SiFe孕育剂和铁水倒入量0.5%的钢丸对蠕化剂进行覆盖并压实；当步骤（2）中铁水温度达到1500℃后，将铁水缓慢倒入蠕化处理包内，然后在铁水表面撒入覆盖剂，铁水倒入量为1460kg；

（4）浇注：将步骤（3）中蠕化后的铁水进行浇注，浇注温度1420℃，同时加入0.1%粒度<0.6mm的75SiFe孕育剂进行随流孕育，蠕化处理结束到浇注完成时间为7min。

实施例3：

一种高强度蠕墨铸铁，其化学成分按重量百分比计为：

C：3.86%；Si：1.88%；Mn：0.42%；P：0.031%；S：0.010%；Cu：0.45%；Cr：0.26%；Mg：0.012%、Re：0.014%，Nb：0.08%,余量为铁和不可避免杂质。

一种高强度蠕墨铸铁组织中蠕化率90%,蠕墨铸铁的抗拉强度512MPa，300℃高温强度475MPa，500℃高温强度391MPa，硬度234HBW。

一种高强度蠕墨铸铁制备方法，包括以下步骤：

（1）原料配比：原料按以下重量百分比混合：回炉料为35%,生铁为60%，废钢为5%，回炉料采用蠕铁和球铁回炉料，生铁采用低S的球墨铸铁生铁，废钢采用普通的碳素非合金钢；

（2）熔炼：使用6t中频炉进行铁液熔炼，将回炉料、生铁和废钢熔炼至熔融状态，根据化学成分检测结果加入低S、低N增碳剂和铌铁，铜，铬铁等合金调整铁液化学成分,使铁液中的目标S≤0.02%；

（3）蠕化处理：采用2t堤坝式蠕化处理包出铁和蠕化处理，蠕化处理过程中，根据炉前检测的S含量0.012%，先把铁水倒入量0.33%的FeSiMg₆Re₆蠕化剂放入蠕化处理包底部，然后把铁水倒入量0.35%粒度为4-8mm的75SiFe孕育剂和铁水倒入量0.4%的钢丸对蠕化剂进行覆盖并压实；当步骤（2）铁水温度达到1460℃后，将铁水缓慢倒入蠕化处理包内，然后在铁水表面撒入覆盖剂，铁水倒入量为1420kg；

（4）浇注：将步骤（3）中蠕化后的铁水进行浇注，浇注温度控制在1400℃，同时加入0.25%的粒度<0.6mm的75SiFe孕育剂进行随流孕育，蠕化处理结束到浇注完成时间控制在6min。

Claims

1.一种高强度蠕墨铸铁，其特征在于：所述的高强度蠕墨铸铁按重量百分比由如下成分组成：C：3.6%-4.0%，Si：1.7%-2.2%，Mn：0.4%-0.6%，P：≤0.04%，S：≤0.02%，Cu：0.40%-0.60%，Cr：0.10%-0.30%，Mg：0.005%-0.025%，Re：0.005%-0.025%，Nb：0.05%-0.2%,余量为铁和不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的一种高强度蠕墨铸铁，其特征在于：所述的高强度蠕墨铸铁组织中蠕化率≥80%，抗拉强度≥500MPa，硬度200HB-270HB。

3.根据权利要求1所述的一种高强度蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

（3）蠕化处理：根据铁液中S的含量，准确称取铁水倒入量的0.25%-0.45%蠕化剂放入铁水包底部，然后把铁水倒入量0.35%-0.45%的孕育剂和铁水倒入量0.4%-0.5%的钢丸对蠕化剂进行覆盖并压实；当步骤（2）中的铁水温度达到1460℃-1500℃范围内后，将铁水倒入铁水包内，然后在铁水表面撒入覆盖剂，铁水倒入量控制在铁水包额定容量70%-75%范围内；

4.根据权利要求3所述的一种高强度蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的回炉料为蠕铁或球铁回炉料，生铁采用Q10生铁，废钢采用普通的碳素非合金钢。

5.根据权利要求3所述的一种高强度蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中增碳剂为低S，低N的增碳剂。

6.根据权利要求3所述的一种高强度蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）和（4）中孕育剂为75SiFe，其中步骤（3）中孕育剂粒度为4-8mm，步骤（4）中孕育剂粒度<0.6mm。

7.根据权利要求3所述的一种高强度蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中蠕化剂为稀土镁合金蠕化剂FeSiMg₆Re₆，其原料组成以重量百分比计为：Re：5%-7%，Mg：5%-7%，Si：38%-44%，Ca：2%-5%，MgO<2%,余量为Fe和不可避免杂质。