CN109898014A - 高强度灰铸铁 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高强度灰铸铁。本文公开了具有高强度和减少的铸造缺陷的灰铸铁。所述高强度灰铸铁可以包括：量为约3.10至3.50重量％的碳(C)、量为约2.10至2.40重量％的硅(Si)、量为约0.50至0.80重量％的锰(Mn)、量小于或等于约0.10重量％(不包括0％)的磷(P)、量小于或等于约0.10重量％(不包括0％)的硫(S)、量为约0.25至0.45重量％的铬(Cr)、量为约1.00至1.40重量％的铜(Cu)、量小于或等于约0.20重量％(不包括0％)的镍(Ni)，和余量的铁(Fe)，所有的重量％以灰铸铁的总重量计。特别地，灰铸铁可以包括由等式1计算的约3.95至4.1％的碳当量(CEQ)。

Description

高强度灰铸铁

技术领域

本发明涉及灰铸铁。特别地，所述灰铸铁可具有高强度和减少的铸造缺陷。

背景技术

灰铸铁是一种广泛用于车辆内燃机的组件的材料，因为其相对便宜并具有高性能。由于物理性能(例如拉伸强度和疲劳强度)，成本和生产率(例如使用材料的机械加工性)之间的相互关系，灰铸铁与各种元素以适当的比例组合使用。

由于传统的250MPa通用灰铸铁FC250具有相对高的碳当量而导致石墨的过度生长，所以其难以具有高强度。

因此，近年来，已经提出并使用高强度灰铸铁，所述高强度灰铸铁通过降低灰铸铁的碳当量以精炼石墨并向灰铸铁中加入合金元素例如Cu以精炼珠光体从而具有增加的强度。然而，该灰铸铁由于低碳当量而在铸造后急剧凝固，因此存在由于排出气体不良而导致铸造缺陷多的问题。

另外，在通用灰铸铁如CGI400中，灰铸铁的增强高强度通过部分石墨的球化来实现。然而，该灰铸铁存在由于铁素体结构的增加而使机械加工性变差，以及由于部分石墨的球化而导致传热率降低，从而导致热疲劳寿命降低的问题。

发明内容

在优选的方面，本发明通过最佳调节灰铸铁的合金元素含量并控制灰铸铁的碳当量来提供具有高强度和减少的铸造缺陷的高强度灰铸铁。

在一个方面，本发明提供灰铸铁，其可以包括：量为约3.10至3.50重量％的碳(C)、量为约2.10至2.40重量％的硅(Si)、量为约0.50至0.80重量％的锰(Mn)、量小于或等于约0.10重量％(不包括0％)的磷(P)、量小于或等于约0.10重量％(不包括0％)的硫(S)、量为约0.25至0.45重量％的铬(Cr)、量为约1.00至1.40重量％的铜(Cu)、量小于或等于约0.20重量％(不包括0％)的镍(Ni)，和余量的铁(Fe)。所有的重量％以灰铸铁的总重量计。其中，灰铸铁具有3.95至4.1％的碳当量(CEQ)，由以下等式1计算：

[等式1]

碳当量(CEQ)＝C+1/3(Si+P)。

在等式1中，C、Si和P中的每一者表示元素含量(重量％)。

灰铸铁可进一步包含量小于或等于约0.10重量％的钼(Mo)。

灰铸铁可以基本上由本文所述的组分组成，由基本上本文所述的组分组成或者由本文所述的组分组成。例如，灰铸铁可以基本上由以下组分组成，由基本上以下组分组成，或者由以下组分组成：量为约3.10至3.50重量％的碳(C)；量为约2.10至2.40重量％的硅(Si)；量为约0.50至0.80重量％的锰(Mn)；量小于或等于约0.10重量％(不包括0％)的磷(P)；量小于或等于约0.10重量％(不包括0％)的硫(S)；量为约0.25至0.45重量％的铬(Cr)；量为约1.00至1.40重量％的铜(Cu)；量小于或等于约0.20重量％(不包括0％)的镍(Ni)；和余量的铁(Fe)。此外，灰铸铁可以基本上由以下组分组成，由基本上以下组分组成，或者由以下组分组成：量为约3.10至3.50重量％的碳(C)；量为约2.10至2.40重量％的硅(Si)；量为约0.50至0.80重量％的锰(Mn)；量小于或等于约0.10重量％(不包括0％)的磷(P)；量小于或等于约0.10重量％(不包括0％)的硫(S)；量为约0.25至0.45重量％的铬(Cr)；量为约1.00至1.40重量％的铜(Cu)；量小于或等于约0.20重量％(不包括0％)的镍(Ni)；量小于或等于约0.10重量％的钼(Mo)；和余量的铁(Fe)。

灰铸铁可具有约1175至1185℃的凝固温度。

灰铸铁可以由珠光体和铁素体形成，并且可以具有小于约1％的铁素体分数。

灰铸铁可具有大于或等于约300MPa的拉伸强度。

灰铸铁可具有约200至260HB的硬度。

灰铸铁可具有大于或等于约45W/mK的热导率。

碳化铬可以从灰铸铁中析出。

碳化铬可以以灰铸铁的约1至2％的比例析出。

本发明进一步提供可以包括如本文所述的灰铸铁的车辆部件。车辆部件可以合适地是发动机或车辆的其他组件。

本发明还提供包括本文所述的车辆部件的车辆。

根据本申请，通过控制灰铸铁的碳当量，铸造期间浇注温度和钢水凝固温度之间的差异可以增加，并且与现有技术中传统的灰铸铁相比可以降低钢水的凝固温度。因此，通过在钢水凝固时提供足够的排出气体时间，可以抑制铸造缺陷。

此外，通过控制合金元素例如Cr和Cu的量，灰铸铁可以具有大于300MPa的拉伸强度。

附图说明

通过随后结合附图所呈现的详细描述将会更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征以及优点，在这些附图中：

图1是表示凝固温度随着碳当量变化的Fe-C相图；和

图2A和图2B是表示对比实施例1(图2A)和实施例(图2B)的精细结构的SEM照片，其中图像放大200倍显示，在对比实施例1中不含碳化铬，在实施例中包含1-2％的碳化铬。

具体实施方式

本文所使用的术语是为了描述特定实施方案的目的，并不旨在限制。除非上下文中另有明确说明，如本文所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式。应当进一步了解，当在本说明书中使用术语“包含”、“包括”、“具有”等指定所述特征、区域、整数、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但不排除一种或多种其他特征、区域、整数、步骤、操作、元素、组件和/或其组合的存在或添加。

应当理解，此处所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、大客车、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、可插式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非石油的能源的燃料)。正如此处所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。

此外，除非特别指出或明显区别于上下文，本文中所用的术语“约”理解为在本领域内的普通公差的范围内，例如均值的2个标准偏差内。“约”可以理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非上下文明确说明，本文所提供的所有数值通过术语“约”进行修改。

除非另外定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解的是，诸如在通用字典中定义的那些术语应该被解释为具有与其在相关技术和本公开内容中的含义一致的含义，并且不会被理解为理想化或过于正式的意义，除非在此明确地如此定义。

本发明的示例性实施方案将参照附图在下文更详细地进行描述。然而，本发明可以以不同的形式具体表达，且不应被解释为局限于本文所述的实施方案。相反，提供这些实施方案，使得本公开为透彻和完整的，并将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。

本发明的实施方案涉及用于车辆内燃机组件的高强度灰铸铁。灰铸铁可具有高强度并防止铸造缺陷。

在一个方面，灰铸铁可以包括：量为约3.10至3.50重量％的碳(C)、量为约2.10至2.40重量％的硅(Si)、量为约0.50至0.80重量％的锰(Mn)、量小于或等于约0.10重量％(不包括0％)的磷(P)、量小于或等于约0.10重量％(不包括0％)的硫(S)、量为约0.25至0.45重量％的铬(Cr)、量为约1.00至1.40重量％的铜(Cu)、量小于或等于约0.20重量％(不包括0％)的镍(Ni)，和余量的铁(Fe)。所有的重量％以灰铸铁的总重量计。高强度灰铸铁可进一步包括量小于或等于约0.10重量％的钼(Mo)。

在本发明的实施方案中，下面将描述合金元素及其组成受限的原因。在下文中，除非上下文另有明确指示，否则组合物的单位“％”是指重量％。

优选地，以灰铸铁的总重量计，灰铸铁包括量为约3.10至3.50重量％的碳(C)。

本文使用的碳(C)可以是传统通用灰铸铁FC250的元素，用于铸造流动性和平稳地排出气体。因此，碳含量可以优选为约3.10至3.50重量％的量。

优选地，灰铸铁可以包括量为约2.10至2.40重量％的硅(Si)。本文使用的硅(Si)可以是为控制可铸性和强度而添加的元素，以及用于决定碳当量的主要元素。为了确保可铸性和强度，硅含量优选等于或大于约2.10％。当硅过量添加至灰铸铁中时，由于石墨的高结晶度，石墨可能会过度生长。因此，硅含量可以优选为约2.10至2.40重量％的量。

优选地，以灰铸铁的总重量计，灰铸铁可以包括量为约0.50至0.80重量％的锰(Mn)。

本文使用的锰(Mn)可以是分布在结构中的元素，并且用于通过稳定作为基体结构的珠光体来增加强度。因此，为了确保强度，锰含量可以优选等于或大于约0.05％。另一方面，当将大于约0.80％的Mn添加至灰铸铁中时，灰铸铁的强度可以增加，但其中石墨的形成可能受阻挠，作为热传递因素的石墨分数可能降低，从而导致热导率的降低。热导率的降低可能导致热疲劳寿命的降低并对耐久性产生不利影响。因此，锰含量可以优选为约0.50至0.80重量％的量。

优选地，以灰铸铁的总重量计，灰铸铁可以包括量小于或等于约0.10重量％(不包括0％)的磷(P)。当磷(P)含量大于约0.10重量％时，灰铸铁的伸长百分比可能由于材料杂质的增加而降低。

优选地，以灰铸铁的总重量计，灰铸铁可以包括量小于或等于约0.10重量％(不包括0％)的硫(S)。当硫(S)含量大于约0.10重量％时，灰铸铁的耐腐蚀性和机械加工性可能变差。优选地，以灰铸铁的总重量计，灰铸铁可以包括量为约0.25至0.45重量％的铬(Cr)。

本文使用的铬(Cr)可以是有助于在铸造期间通过析出碳化铬来增加强度的元素。因此，为了确保强度，铬含量可以优选等于或大于约0.25重量％。另一方面，当灰铸铁中Cr含量大于约0.45重量％时，灰铸铁的机械加工性可能变差因此可能成本太高。

优选地，以灰铸铁的总重量计，灰铸铁可以包括量为约1.00至1.40重量％的铜(Cu)。本文使用的铜(Cu)可以是促进珠光体形成并使珠光体精细和稳定的元素。为了稳定珠光体的形成，铜含量可以优选等于或大于约1.00重量％。然而，当灰铸铁中Cu的含量大于约1.40重量％时，灰铸铁的机械加工性可能变差。

优选地，以灰铸铁的总重量计，灰铸铁可以包括量小于或等于约0.20重量％(不包括0％)的镍(Ni)。本文使用的镍(Ni)可以是增加耐腐蚀性的元素。然而，当将过量的镍添加至灰铸铁中时，成本会增加，因此镍含量可以优选小于或等于约0.20重量％。

优选地，以灰铸铁的总重量计，灰铸铁可以包括量小于或等于约0.10重量％的钼(Mo)。本文使用的钼(Mo)可以是增加耐腐蚀性的元素。然而，当将过量的钼添加至灰铸铁中时，成本会增加，因此钼含量可以优选小于或等于约0.10重量％。

根据本发明的示例性实施方案的灰铸铁可以具有通过以下等式1计算的约3.95至4.1％的碳当量(CEQ)：

[等式1]

碳当量(CEQ)＝C+1/3(Si+P)，

其中，C、Si和P中的每一者表示元素含量(重量％)。

碳当量(CEQ)可能是决定钢水凝固温度的主要因素。可以将钢水加热至预定的温度，直至其在铸造期间浇注然后固化，以平稳地从钢水中排出气体从而防止铸造缺陷。因此，可以优选将碳当量(CEQ)限制为等于或大于3.95％。然而，当碳当量(CEQ)大于约4.1％时，由于石墨的过度生长，灰铸铁的强度可能降低。因此，可以优选将碳当量(CEQ)限制为约3.95至4.1％。在某些方面，碳当量(CEQ)优选可以为3.96％至3.9％或4.0％，或3.97％至3.9％或4.0％。

灰铸铁可以包括余量的铁(Fe)和不可避免的杂质。

以下，将参照对比实施例和实施例来描述本发明。

根据市售灰铸铁的生产条件在最终生产的产品上进行实验。该产品通过使用钢水进行铸造而生产，并且钢水的组成示于下表1中。

表1

分类	C	Si	Mn	P	S	Cr	Cu	Ni	Sn	CEQ
											实施例	3.3	2.2	0.68	0.04	0.05	0.4	1.2	0.01	-	4.05
对比实施例1	3.48	1.94	0.66	0.033	0.026	0.2	0.44	-	-	4.14
											对比实施例2	3.1	2.36	0.85	0.05	0.06	0.06	0.83	-	0.035	3.90
对比实施例3	3.3	2.3	1.4	0.04	0.06	0.1	0.51	-	-	4.08
											对比实施例4	3.69	2.03	0.21	0.031	0.007	0.02	0.87	-	0.011	4.38

在表1中，碳当量(CEQ)通过上述等式1来计算。

测量所生产产品的凝固温度、铁素体比例、拉伸强度、硬度和热导率，其结果示于下表2中。

参照图1的Fe-C相图和表1的碳当量来测定凝固温度。

根据ASTM A247来评估铁素体比例。

根据KS B 0802(金属材料的拉伸测试方法)，使用根据KS B 0801(金属材料的拉伸试样)制造的试样8来评估拉伸强度。

根据KS B 0805(金属材料的布氏硬度测试方法)来测量硬度。

表2

图1是表示凝固温度随着碳当量变化的Fe-C相图。如图1和表2所示，当比较实施例和对比实施例2中的碳当量时，实施例中的碳当量大于对比实施例1中的碳当量。如图1所示，在实施例和对比实施例1中的碳当量范围内的高碳当量导致相对低的凝固温度。因此，基于铸造时钢水1390℃的浇注温度，在实施例中钢水冷却然后在210℃的温度下凝固，而在对比实施例2中钢水冷却然后在180℃的温度下凝固。因此，与对比实施例2相比，在实施例中的铸造期间，钢水具有高约17％的凝固温度。凝固温度可能与可铸性直接相关。因此，凝固温度的增加可以允许在浇注钢水之后气体平稳地排出，由此防止铸造缺陷。

同时，本发明实施例中的灰铸铁满足上述的元素含量和碳当量。因此，本发明实施例中的灰铸铁满足约1175至1185℃的凝固温度，大于或等于约300MPa的拉伸强度，约200至260HB的硬度和大于或等于约45W/mK的热导率。特别地，在实施例中，在没有通过添加Mg而使石墨球化的情况下，由于Cu含量增加的珠光体的稳定和由于Cr含量增加的碳化铬的析出而使拉伸强度和硬度保持较高。此外，灰铸铁与通用灰铸铁具有基本相同的热导率和铁素体比例(小于1％)，因此可以确保其机械加工性。通过优化Cr和Cu的量，实施例中的拉伸强度可以比对比实施例1中的拉伸强度提高大于20％。

同时，图2A和图2B是表示实施例和对比实施例1的精细结构的SEM照片。当比较实施例和对比实施例1时，在实施例中以1至2％的比例析出碳化铬，而对比实施例1中未析出碳化铬。

因此，与对比实施例1相比，实施例中拉伸强度大于20％的改进可以使得增加作为珠光体稳定元素的Cu的量，由此获得微小的珠光体基体结构。此外，由于可以通过优化Cr含量而析出碳化铬，因此灰铸铁可以具有高强度。

另一方面，传统通用灰铸铁FC 250由于对比实施例1中缺少Cr和Cu而不能确保拉伸强度和硬度。

在对比实施例2中，与对比实施例1相比，可以降低碳当量并且可以精细化石墨，从而拉伸强度和硬度可以得到改善。然而，如上所述，在对比实施例2中，与实施例相比，铸造期间灰铸铁会快速凝固。因此，由于不从中排出气体，可能会在材料中留下大的气孔。这可能会导致最终产品中的致命缺陷。

在对比实施例3中，通过增加Mn的量，通过稳定和坚固作为基体结构的珠光体，具有高Mn含量的铸铁可以具有改善的强度。然而，由于Mn阻挠了石墨的形成，因此其可能不利地影响作为主要热传递因素的石墨分数从而导致热导率降低。与实施例相比，在对比实施例3中，热导率降低了约11％。

尽管在对比实施例4中，通过添加Mg而使石墨球化，由此可以显著提高拉伸强度，但由于铁素体比例的增加，铸铁的切削性可能显著降低。此外，由于石墨球化可能降低热导率。

尽管出于说明的目的已公开了本发明的各个优选实施方案，但是本领域技术人员应当理解，各种修改、增加和删减是可能的，并不脱离所附权利要求中所公开的本发明的范围和精神。

Claims (14)

1.一种灰铸铁，其包含：

量为3.10重量％至3.50重量％的碳(C)，

量为2.10重量％至2.40重量％的硅(Si)，

量为0.50重量％至0.80重量％的锰(Mn)，

量小于或等于0.10重量％且不包括0重量％的磷(P)，

量小于或等于0.10重量％且不包括0重量％的硫(S)，

量为0.25重量％至0.45重量％的铬(Cr)，

量为1.00重量％至1.40重量％的铜(Cu)，

量小于或等于0.20重量％且不包括0重量％的镍(Ni)，以及

余量的铁(Fe)，

所有的重量％以灰铸铁的总重量计，

其中，所述灰铸铁具有由以下等式1计算的3.95％至4.1％的碳当量：

等式1

碳当量＝C+1/3(Si+P)，

其中，等式1中的C、Si和P的每一者表示以重量％计的元素含量。

2.根据权利要求1所述的灰铸铁，其进一步包含量小于或等于0.10重量％的钼(Mo)。

3.根据权利要求1所述的灰铸铁，其中，所述灰铸铁具有1175℃至1185℃的凝固温度。

4.根据权利要求1所述的灰铸铁，其中，所述灰铸铁由珠光体和铁素体形成并且具有小于1％的铁素体分数。

5.根据权利要求1所述的灰铸铁，其中，所述灰铸铁具有大于或等于300MPa的拉伸强度。

6.根据权利要求1所述的灰铸铁，其中，所述灰铸铁具有200HB至260HB的硬度。

7.根据权利要求1所述的灰铸铁，其中，所述灰铸铁具有大于或等于45W/mK的热导率。

8.根据权利要求1所述的灰铸铁，其中，碳化铬从灰铸铁中析出。

9.根据权利要求8所述的灰铸铁，其中，碳化铬从灰铸铁中以1％至2％的比例析出。

10.根据权利要求1所述的灰铸铁，其由基本上以下物质组成：

量为3.10重量％至3.50重量％的碳(C)；

量为2.10重量％至2.40重量％的硅(Si)；

量为0.50重量％至0.80重量％的锰(Mn)；

量小于或等于0.10重量％且不包括0重量％的磷(P)；

量小于或等于0.10重量％且不包括0重量％的硫(S)；

量为0.25重量％至0.45重量％的铬(Cr)；

量为1.00重量％至1.40重量％的铜(Cu)；

量小于或等于0.20重量％且不包括0重量％的镍(Ni)；和

余量的铁(Fe)。

11.根据权利要求1所述的灰铸铁，其由以下物质组成：

量为3.10重量％至3.50重量％的碳(C)；

量为2.10重量％至2.40重量％的硅(Si)，

量为0.50重量％至0.80重量％的锰(Mn)；

量小于或等于0.10重量％且不包括0重量％的磷(P)；

量小于或等于0.10重量％且不包括0重量％的硫(S)；

量为0.25重量％至0.45重量％的铬(Cr)；

量为1.00重量％至1.40重量％的铜(Cu)；

量小于或等于0.20重量％且不包括0重量％的镍(Ni)；和

余量的铁(Fe)。

12.一种包括根据权利要求1所述的灰铸铁的车辆部件。

13.根据权利要求12所述的车辆部件，其中，所述车辆部件为发动机。

14.一种包括根据权利要求12所述的车辆部件的车辆。