CN111004968A - 具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁及其制备方法，属于合金制备技术领域。蠕墨铸铁质量百分比包括以下元素：C 2.50〜3.50%，Si4.50〜5.50%，Mn≤0.30%，P≤0.050%，S≤0.020%，Mo 0.60〜0.90%，Ni0.50〜0.9%，Cr0.40〜0.80%，V0.30〜0.60%，Nb0.20〜0.40%，Cu≤0.20%，Ti 0.10〜0.20%，Mg 0.010〜0.020%，RE≤0.05%，Al≤0.05%，余量为铁。本发明的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁通过多种合金元素最优化复合搭配使用，使该蠕墨铸铁具有优良的抗热疲劳性能、高温强度及在高温中具有良好的尺寸稳定性和良好的导热能力，可以用作CNG车用发动机涡轮增压器涡轮壳及排气管。同时，该蠕墨铸铁的制备方法得到了满足应用于CNG车用发动机要求的蠕墨铸铁。

Description

具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁及其制备方法
技术领域
本发明属于合金制备技术领域，具体涉及一种具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁及其制备方法。
背景技术
能源危机和环境污染已成为我们面临的迫铁需要解决的问题之一。在城市大气污染方面，柴油机和汽油机内燃机是大气污染的主要来源。因此，近年来天然气作为一种新型能源在国内外都受到广泛的关注，天然气资源的开发和车用技术研究作为新的前沿正在迅速发展，天然气专用发动机通过良好的控制可以比同等的汽油机和柴油机具有更低的排放，有利于解决曰益严重的大气污染问题；同时与传统发动机燃料柴油和汽油相比，天然气作为气体燃料，与空气的混合气混合更为均匀，燃烧比较完全，从而对净化环境和缓解能源危机颇为有益。
提高发动机效率和降低废气排放污染是汽车发动机技术发展的主要方向，涡轮增压器技术的使用是提高发动机效率，降低燃油消耗，降低燃油消耗的有效手段。涡轮增压器的工作温度较高，柴油机用涡轮增压器的工作温度一般在650℃左右，汽油发动机用涡轮增压器工作温度要高达800至900℃，特种车辆发动机用涡轮增压器工作温度要高达900至1050℃。应用于CNG车用发动机（部分特性接近汽油机）：发动机排气温度上限850℃（高原），怠速温度100多度（冬天刚启动），正常道路行驶温度在400-700℃（换挡，怠速）； 发动机排气主要成分：N2、CO2、O2、NOX、CH（CH4)、CO、H2O、C颗粒 。随着涡轮增压器工作温度要求的提高及各种工况使用条件的特殊性，制造涡轮增压器的材质也在不断的更新换代。
目前市场上的汽油发动机涡轮增压器涡轮壳及排气管材质主要以硅钼球铁、高镍球铁及耐热钢为主，其耐热温度：硅钼球铁在700℃〜850℃，高镍球铁在850℃〜950℃，耐热钢在950℃〜1110℃。用作天然气城市公交车CNG发动机因城市公交行驶路况的特殊性，虽然其涡轮增压器工况条件的使用温度不超过850℃，但车辆大部分在低速运行且频繁停车，发动机大部分时间处于怠速状态，其搭载的涡轮增压器涡轮壳及排气管不仅需要能够耐受足够的高温强度，还要在不间断的频繁停车服役的冷热交变的载荷下具有优良的抗热疲劳性能、高温强度及在高温中具有良好的尺寸稳定性和良好的导热能力。使用现有的硅钼球铁、钼镍蠕铁、高镍球铁甚至耐热钢制作的此类涡轮增压器涡轮壳及排气管材料，经过多次发动机试验台耐久试验及在城市公交车上装车试验，其涡轮壳及排气管均产生不同程度的热疲劳开裂，影响发动机的性能甚至产生功能性失效。因此需要不断改进涡轮壳及排气管用耐热材料，开发一种满足这种工况条件需要的新材料。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术问题的不足，提供一种具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁及其制备方法。本发明提供的蠕墨铸铁具有优良的抗热疲劳性能、高温强度及在高温中具有良好的尺寸稳定性和良好的导热能力，能够作为CNG车用发动机涡轮增压器涡轮壳及排气管。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁，包括以下质量百分比元素：C 2.50〜3.50%，Si4.50〜5.50%，Mn≤0.30%，P≤0.050%，S≤0.020%，Mo 0.50〜0.90%，Ni0.50〜0.9%，Cr0.40〜0.80%，V0.30〜0.60%，Nb0.20〜0.40%，Cu≤0.20%，Ti 0.10〜0.20%，Mg 0.010〜0.020%，RE≤0.05%，Al≤0.05%，余量为铁。
本发明还提供了上述技术方案所述的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：
⑴原材料准备：生铁、废钢、回炉料、硅铁合金、钛铁合金、钼铁合金、铬铁合金、钒铁合金、铌铁合金、电解镍板、增碳剂、蠕化剂、覆盖孕育剂和废钢片覆盖剂；其中生铁、废钢和回炉料的质量比为4:2-4:2-4；
⑵电炉熔炼：将生铁、废钢、回炉料加入到中频电炉进行熔炼，再依次加入所需的钼铁合金、硅铁合金、铬铁合金、钒铁合金、钛铁合金、铌铁合金、电解镍板及补加硅铁合金、增碳剂，铁水总质量控制在500Kg；
⑶分析控制：熔炼过程中取铁液进行光谱分析及热分析检测，调整化学成分及熔炼温度，获得要求的原铁水化学成分及1520-1550℃的熔炼出铁温度；
⑷蠕化处理：在浇注处理包的凹坑包底按蠕化剂、覆盖孕育剂和覆盖剂的顺序装包，并捣紧实，覆盖剂将覆盖孕育剂全覆盖；将铁液倒入浇注处理包，铁液与蠕化剂、孕育剂反应，扒渣获得蠕化铁水；
⑸浇注：采用自动浇注机将蠕化铁水浇注到铸型型腔中，控制铁水的浇注温度为1380-1420℃；
⑹分析检测：蠕化处理完毕，取样光谱分析，获得蠕墨铸铁最终化学成分；冷却开箱，落砂清理得到所述具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁产品；从产品本体取样获得蠕墨铸铁机械性能及金相组织。
优选地，所述蠕化剂包括以下质量百分比元素：Si43〜47%，Mg 3.0〜3.5%，RE8.6〜9.0%，Ca0.8〜1.20%，Al≤1.2%，余量为铁。
优选地，所述蠕化剂的质量为熔炼液质量的0.4〜0.6%。
优选地，所述浇注处理包的包坑中蠕化剂之上加入覆盖孕育剂；所述覆盖孕育剂包括以下质量百分比元素：Si60〜70%，Ca0.5〜2.0%，Ba6.0〜11.0%，Al0.5〜1.7%，余量为铁。
优选地，所述覆盖孕育剂的质量为熔炼液质量的0.3〜0.6%。
优选地，在所述自动浇注的过程中加入随流孕育剂；所述随流孕育剂包括以下质量百分比的元素：Si70〜76%，Ca1.0〜2.0%，Ba1.0〜3.0%，Al1.0〜2.0%，余量为铁。
优选地，所述随流孕育剂的质量为蠕化铁水质量的0.1〜0.15%。
优选地，所述蠕化铁水的浇注时间控制在≤8min。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的有益效果和技术进步为：
1、本发明的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁具有蠕虫状石墨、铁素体基体金相组织及多种合金元素最优化搭配使用的合金铸铁，使该蠕墨铸铁具有优良的抗热疲劳性能，减少热疲劳裂纹产生及扩展，延长蠕墨铸铁的使用寿命；具有较高的高温强度，能抵抗高温变形，保持高温下良好的尺寸稳定性；具有良好的导热性，尽可能地减少了热应力，从而使该发明材料具有优良的常温、高温综合机械性能。实施例的数据表明：该蠕墨铸铁具有优良的抗热疲劳性能及热传导性能和较高的机械性能。
2、本发明提供的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁，其化学组分中，优化合金配比，Si的含量为4.50〜5.50%，能固溶强化基体，提高组织的高温性能及抗氧化性；Mo的含量为0.50〜0.90%，能细化珠光体，提高基体组织的热稳定性；Ni的含量为0.50〜0.9%，能细化并增加珠光体，提高组织的强度及韧性；Cr的含量为0.40〜0.80%，能稳定珠光体基体，提高组织的耐热性和减少氧化性；V的含量为0.30〜0.60%，能细化石墨，增加珠光体组织的高温稳定性；Nb的含量为Nb0.20〜0.40%，能细化组织的晶粒度，提高高温基体组织的稳定性。通过多种合金元素各组分间的相互协调与配合，使本发明的蠕墨铸铁具有优良的抗热疲劳性能、抗热裂性、抗氧化性、导热性能和较高的常温机械性能、高温强度及细小的铁素体金相组织。另外，本发明的制备方法过程简单，便于操作，易于稳定控制，蠕化孕育处理效果好，成本低。
3、通过本发明制备方法得到的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁，蠕化率≥80%，铁素体量≥90%，室温抗拉强度≥520MPa，屈服强度≥420Mpa，延伸率≥1.5%，布氏硬度在230〜275HBW范围内。
4、本发明提供的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁或通过本发明制备方法得到的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁作为CNG车用发动机涡轮增压器涡轮壳及排气管的应用。经过多次发动机试验台耐久试验及在城市公交车上装车试验证明，在使用条件和承受载荷相同的情况下，本发明的蠕墨铸铁涡轮壳及排气管能够经受周期性载荷及热应力的作用，满足了公交车频繁停车怠速冷热冲击的工况条件，使用寿命比现有的铸铁材料提高了数倍。
附图说明
图1为本发明实施例1的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁的金相图；
图2为本发明实施例1的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁的基体组织示意图；
图3为本发明实施例2的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁的金相图；
图4为本发明实施例2的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁的基体组织示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细地描述说明。
本发明的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁通过多种合金元素最优化复合搭配使用和微量调控，大大提高了现役铸铁材料的抗热疲劳性能、抗热裂性、抗氧化性、导热性能，并保持较高的高温强度和常温机械性能。
本发明提供的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁及制备方法得到具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁，包括以下质量百分比元素：C 2.50〜3.50%，Si4.50〜5.50%，Mn≤0.30%，P≤0.050%，S≤0.020%，Mo0.50〜0.90%，Ni0.50〜0.9%，Cr0.40〜0.80%，V0.30〜0.60%，Nb0.20〜0.40%，Cu≤0.20%，Ti 0.10〜0.20%，Mg 0.010〜0.020%，RE≤0.05%，Al≤0.05%，余量为铁。
本发明提供的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁包括质量百分比为2.50〜3.50%的C。在本发明的蠕墨铸铁中，碳元素在铈元素、镁元素和钛元素的综合作用下，形成蠕虫状石墨形态，提高了蠕墨铸铁的热扩散性能和导热性能。
本发明提供的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁包括质量百分比为4.50〜5.50%的Si，本发明的Si含量为4.50〜5.50%，通过硅元素固溶于铁素体基体当中，起到固溶强化铁素体基体的作用，提高了蠕墨铸铁的室温及高温机械性能；硅元素在涡轮壳或者排气管使用过程中，在铸件表面形成一层致密的氧化膜，提高材料的抗氧化性能。
本发明提供的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁包括质量百分比≤0.30%的Mn。
本发明提供的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁包括质量百分比≤0.050%的P。
本发明提供的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁包括质量百分比≤0.020%的S。本发明的硫元素在蠕墨铸铁中的主要作用是稳定蠕化率，减小壁厚尺寸对蠕化率的敏感性。
本发明提供的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁包括质量百分比≤0.20%的Cu。
本发明提供的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁包括质量百分比为0.50〜0.90%的Mo。本发明的Mo含量为0.50〜0.90%，通过与碳元素共同作用，形成了钼的碳化物，提高了蠕墨铸铁的室温及高温机械性能。
本发明提供的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁包括质量百分比为0.50〜0.90%的Ni。本发明的Ni含量为0.50〜0.90%，能细化并增加珠光体，提高了蠕墨铸铁的高温强度及韧性。
本发明提供的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁包括质量百分比为0.40〜0.80%的Cr。本发明的Cr含量为0.40〜0.80%，能稳定珠光体基体，蠕墨铸铁的高温抗氧化性、抗生长性良好。
本发明提供的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁包括质量百分比为0.30〜0.60%的V。本发明的V含量为0.30〜0.60%，通过与碳、氮元素共同作用形成了硬化相钒氮碳化物，有效地细化稳定了珠光体，提高了蠕墨铸铁的强度和耐热疲劳性能。
本发明提供的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁包括质量百分比为0.20〜0.40%的Nb。本发明的Nb含量为0.20〜0.40%，通过与碳、氮元素共同作用形成了硬化相铌氮碳化物，细化组织的晶粒度，提高了蠕墨铸铁高温组织的稳定性。
本发明提供的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁包括质量百分比为0.10〜0.20%的Ti。本发明的钛元素促进蠕虫状石墨的形成，特别是在铸件薄壁位置作用更加明显，从而减小了不同壁厚对蠕化率的敏感性。
本发明提供的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁包括质量百分比为0.010〜0.020%的Mg。本发明的Mg含量为0.010〜0.020%，使碳元素在凝固过程当中以蠕虫状石墨的形态析出，蠕虫状石墨形态提高了蠕墨铸铁的导热性能。
本发明提供的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁包括质量百分比≤0.05%的RE；所述RE 优选包括Ce和La元素。本发明的稀土元素是促进蠕化的主要元素，并与镁元素配合作用，使以稀土元素为主的蠕化剂可在一定范围内稳定获得高蠕化率的蠕墨铸铁。
本发明提供的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁包括质量百分比≤0.05%的Al。
本发明提供的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁包括余量的铁。
本发明提供的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁或通过本发明制备方法得到的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁作为天然气城市公交车CNG发动机涡轮增压器涡轮壳及排气管的应用。由于本发明的蠕墨铸铁具有优良的抗热疲劳性能及较高的高温强度，同时在高温下具有良好的导热能力、抗氧化性及尺寸稳定性，并在常温下具有较高的综合机械性能，大幅度地提升铸铁的使用寿命，使其可以作为城市公交车CNG发动机涡轮壳及排气管。
本发明还提供了上述技术方案所述的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：
⑴原材料准备：生铁、废钢、回炉料、硅铁合金、钛铁合金、钼铁合金、铬铁合金、钒铁合金、铌铁合金、电解镍板、增碳剂、蠕化剂、孕育剂和废钢片覆盖剂；其中生铁、废钢和回炉料的质量比为4:2-4:2-4；
⑵电炉熔炼：将生铁、废钢、回炉料加入到中频电炉进行熔炼，再依次加入所需的钼铁合金、硅铁合金、铬铁合金、钒铁合金、钛铁合金、铌铁合金、电解镍板及补加硅铁合金、增碳剂，铁水总质量控制在500Kg；
⑶分析控制：熔炼过程中取铁液进行光谱分析及热分析检测，调整化学成分及熔炼温度，获得要求的原铁水化学成分及1520-1550℃的熔炼出铁温度；
⑷蠕化处理：在浇注处理包的凹坑包底按蠕化剂、覆盖孕育剂和覆盖剂的顺序装包，并捣紧实，覆盖剂将覆盖孕育剂全覆盖；将铁液倒入浇注处理包，铁液与蠕化剂、孕育剂反应，扒渣获得蠕化铁水；
⑸浇注：采用自动浇注机将蠕化铁水浇注到铸型型腔中，控制铁水的浇注温度为1380-1420℃；
⑹分析检测：蠕化处理完毕，取样光谱分析，获得蠕墨铸铁最终化学成分；冷却开箱，落砂清理得到所述具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁产品；从产品本体取样获得蠕墨铸铁机械性能及金相组织。
下面结合实施例对本发明提供的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁及其制备方法与应用进行详细的说明。
实施例1
本实施例用于制备天然气城市公交车CNG发动机涡轮增压器涡轮壳。
配料：将原料按重量百分比配置以下组分：C 3.0%，Si5.0%，Mn0.25%，Mo 0.80%，Ni0.70%，Cr0.50%，V0.40%，Nb0.25%， Ti 0.12%，余量为铁。
生铁为40%，废钢为40%，回炉料为20%；在500Kg中频感应熔炼炉中加入按配比计算称好的打包废钢、Q10生铁及回炉料。加热待完全熔化后，再依次加所需钼铁合金、硅铁合金、铬铁合金、钒铁合金、钛铁合金、铌铁合金、电解镍板，最后用硅铁合金进行补Si，用增碳剂增碳。
将中频感应熔炼炉内的铁液温度升至1500℃，得到熔炼液。取样进行光谱分析及热分析检测，调整化学成分，获得上述要求的原铁水化学成分：C 3.02%，Si4.45%，Mn0.24%，P0.03%，S0.012%，Cu0.05%， Mo 0.78%，Ni0.75%，Cr0.48%，V0.42%，Nb0.26%，Ti 0.13%,Ce0.002%，Al0.0075%，余Fe 。
当所述熔炼液的化学成分和热分析参数符合要求后，中频感应熔炼炉内熔炼液继续升温至1520℃出炉，出炉前断电静置2min后去除熔炼液表面的浮渣。
铁水出炉前，应用天然气烘烤炉将浇注处理包烘烤至暗红色500℃左右，然后在浇注处理包的凹坑包底按蠕化剂、覆盖孕育剂和覆盖剂的顺序装包，并捣紧实，覆盖剂将覆盖孕育剂全覆盖；其中蠕化剂为稀土为主的稀土镁硅铁蠕化剂，加入量为铁液重量的0.5%，粒度为8-15mm；覆盖孕育剂为高硅钡高效孕育剂，加入量为铁液重量的0.5%，粒度为3-8mm；覆盖剂选用Ф10mm薄至1mm的废钢片，加入量为铁液重量的0.5%；浇注时随流孕育剂为低硅钡孕育剂，加入量为铁液重量的0.1%，粒度为0.3-0.8mm。
具体蠕化剂的成分：Si43〜47%，Mg 3.0〜3.5%，RE8.6〜9.0%，Ca0.8〜1.20%，Al≤1.2%，余量为铁；覆盖孕育剂的成分：Si60〜70%，Ca0.5〜2.0%，Ba6.0〜11.0%，Al0.5〜1.7%，余量为铁；随流孕育剂成分：Si70〜76%，Ca1.0〜2.0%，Ba1.0〜3.0%，Al1.0〜2.0%，余量为铁。
采用冲入法将铁液倒入凹坑式浇注处理包，铁液与蠕化剂、孕育剂反应，扒渣获得蠕化铁水；应用自动浇注机浇注，浇注时加入随流孕育剂，控制铁水的浇注温度：首温为1410℃，末温为1390℃，从开始浇注到浇注完毕时间为6min。
取末箱铁液，浇注光谱试样，获得蠕墨铸铁涡轮壳产品的最终化学成分：C 2.98%，Si5.05%，Mn0.24%，P0.031%，S0.011%，Cu0.05%，Mo 0.78%，Ni0.75%，Cr0.48%，V0.42%，Nb0.26%，Ti 0.132%，Ce0.025%，La0.0136%,Mg0.0125%，Al0.0295%，余量Fe。
冷却开箱，控制开箱时间为60min。落砂清理，抛丸研磨处理，得到所述具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁涡轮壳铸件毛坯产品；从铸件本体规定部位取样获得蠕墨铸铁常温机械性能及金相组织。
参照图1、图2放大倍数为100×的金相图，本实施例所述的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁，蠕化率为90%，基体中铁素体为95%，室温抗拉强度555MPa、560MPa、558MPa，屈服强度445MPa、450MPa、447MPa，延伸率2.4%、2.0%、2.2%，布氏硬度在250、255、258HBW。
对于天然气城市公交车CNG发动机涡轮增压器涡轮壳，目前开发使用的材料主要有高镍球铁、钼镍蠕铁等，一般要求零件耐高温及抗循环氧化性能达到850℃，适应零件高温下稳定性、延伸率、抗氧化性和抗热性能。要求零件的蠕化率≥80%，室温抗拉强度≥520Mpa，屈服强度≥420 Mpa，延伸率≥1%，布氏硬度210-275HBW。整个基体组织≥90%铁素体，其余珠光体和特殊碳化相。发动机试验台耐久试验要求持续600-700 ℃运行1200h以上，循环100、800 ℃（各5或10分钟）冷热冲击运行10000次，耐热疲劳性好，零件不产生龟裂纹、不氧化脱落；公交车搭装涡轮壳跑车试验要求抗热疲劳性、抗氧化性、热稳定性良好。
现有开发的用高镍球铁、钼镍蠕铁材料等制作的天然气城市公交车CNG发动机涡轮增压器涡轮壳，经过发动机试验台耐久试验，涡轮壳流道内出现鱼鳞裂纹，与涡轮配合的光滑面变粗糙，且氧化层脱落；流道分隔墙疲劳开裂，开裂严重的布满裂纹，且氧化脱落，不能通过测试。另，将涡轮壳搭装在公交车上进行跑车试验，其产品的热疲劳性严重，其性能远远不能满足天然气城市公交车CNG发动机频繁停车怠速的工况条件。
而采用本发明的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁及其制备方法制作的涡轮壳材料，顺利通过了发动机试验台耐久试验，再将涡轮壳搭装在公交车上进行跑车试验，其产品的热疲劳性、热稳定性、抗氧化性良好，大大满足了天然气城市公交车CNG发动机频繁停车怠速的工况条件。
实施例2
本实施例用于制备天然气城市公交车CNG发动机涡轮增压器排气管。
配料：将原料按重量百分比配置以下组分：C 3.1%，Si5.2%，Mn0.25%，Mo 0.75%，Ni0.75%，Cr0.55%，V0.40%，Nb0.25%，Ti 0.13%，余量为铁。
生铁为40%，废钢为30%，回炉料为30%；在500Kg中频感应熔炼炉中加入按配比计算称好的打包废钢、Q10生铁及回炉料。加热待完全熔化后，再依次加所需钼铁合金、硅铁合金、铬铁合金、钒铁合金、钛铁合金、铌铁合金、电解镍板，最后用硅铁合金进行补Si，用增碳剂增碳。
将中频感应熔炼炉内的铁液温度升至1500℃，得到熔炼液。取样进行光谱分析及热分析检测，调整化学成分，获得上述要求的原铁水化学成分：C 3.12%，Si4.65%，Mn0.22%，P0.03%，S0.011%，Cu0.04%， Mo 0.75%，Ni0.76%，Cr0.53%，V0.43%，Nb0.25%，Ti 0.125%,Ce0.002%，Al0.008%，余量Fe。
当所述熔炼液的化学成分和热分析参数符合要求后，中频感应熔炼炉内熔炼液继续升温至1530℃出炉，出炉前断电静置2min后去除熔炼液表面的浮渣。
铁水出炉前，应用天然气烘烤炉将浇注处理包烘烤至暗红色500℃左右，然后在浇注处理包的凹坑包底按蠕化剂、覆盖孕育剂和覆盖剂的顺序装包，并捣紧实，覆盖剂将覆盖孕育剂全覆盖；其中蠕化剂为稀土为主的稀土镁硅铁蠕化剂，加入量为铁液重量的0.5%，粒度为8-15mm；覆盖孕育剂为高硅钡高效孕育剂，加入量为铁液重量的0.6%，粒度为3-8mm；覆盖剂选用Ф10mm薄至1mm的废钢片，加入量为铁液重量的0.5%；浇注时随流孕育剂为低硅钡孕育剂，加入量为铁液重量的0.1%，粒度为0.3-0.8mm。
具体蠕化剂的成分：Si43〜47%，Mg 3.0〜3.5%，RE8.6〜9.0%，Ca0.8〜1.20%，Al≤1.2%，余量为铁；覆盖孕育剂的成分：Si60〜70%，Ca0.5〜2.0%，Ba6.0〜11.0%，Al0.5〜1.7%，余量为铁；随流孕育剂成分：Si70〜76%，Ca1.0〜2.0%，Ba1.0〜3.0%，Al1.0〜2.0%，余量为铁。
采用冲入法将铁液倒入凹坑式浇注处理包，铁液与蠕化剂、孕育剂反应，扒渣获得蠕化铁水；应用浇注机浇注，浇注时加入随流孕育剂，控制铁水的浇注温度：首温为1420℃，末温为1385℃，从开始浇注到浇注完毕时间为7min。
取末箱铁液，浇注光谱试样，获得蠕墨铸铁排气管产品的最终化学成分：C 3.08%，Si5.21%，Mn0.23%，P0.03%，S0.0105%，Cu0.042%，Mo0.75%，Ni0.78%，Cr0.55%，V0.43%，Nb0.25%，Ti0.135%，Ce0.032%，Mg0.0135%，Al0.031%，余量Fe。
冷却开箱，控制开箱时间为50min。落砂清理，抛丸研磨处理，得到所述具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁排气管铸件毛坯产品；从铸件本体规定部位取样获得蠕墨铸铁常温机械性能及金相组织。
参见图3、图4放大倍数为100×的金相图，本实施例所述的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁，蠕化率为85%，基体中铁素体为90%，室温抗拉强度560MPa、570MPa、562MPa，屈服强度448MPa、457MPa、450MPa，延伸率2.1%、1.8%、2.0%，布氏硬度在248、260、252HBW。
对于天然气城市公交车CNG发动机涡轮增压器排气管，目前开发使用的材料主要有高镍球铁、钼镍蠕铁等，一般要求零件耐高温及抗循环氧化性能达到850℃，适应零件高温下稳定性、延伸率、抗氧化性和抗热性能。要求零件的蠕化率≥80%，室温抗拉强度≥520Mpa，屈服强度≥420 Mpa，延伸率≥1%，布氏硬度210-275HBW。基体组织≥90%铁素体，其余珠光体和特殊碳化相。发动机试验台耐久试验要求持续600-700℃运行1200h以上，循环100、800 ℃（各5或10分钟）冷热冲击运行10000次，耐热疲劳性好，零件不产生龟裂纹、不氧化脱落；公交车搭装排气管跑车试验要求抗热疲劳性、抗氧化性、热稳定性良好。
现有开发的用高镍球铁、钼镍蠕铁材料等制作的天然气城市公交车CNG发动机涡轮增压器排气管，经过发动机试验台耐久试验，排气管流道内出现鱼鳞状裂纹，且氧化层脱落，不能通过测试。另，将排气管搭装在公交车上进行跑车试验，其产品的热疲劳性严重，其性能远远不能满足天然气城市公交车发动机频繁停车怠速的工况条件。
而采用本发明的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁及其制备方法制作的排气管材料，顺利通过了发动机试验台耐久试验，再将排气管搭装在公交车上进行跑车试验，其产品的热疲劳性、热稳定性、抗氧化性良好，大大满足了天然气城市公交车CNG发动机频繁停车怠速的工况条件。
以上所述实施例，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁，其特征在于,包括以下质量百分比元素：C 2.50〜3.50%，Si4.50〜5.50%，Mn≤0.30%，P≤0.050%，S≤0.020%，Mo 0.50〜0.90%，Ni0.50〜0.9%，Cr0.40〜0.80%，V0.30〜0.60%，Nb0.20〜0.40%，Cu≤0.20%，Ti 0.10〜0.20%，Mg 0.010〜0.020%，RE≤0.05%，Al≤0.05%，余量为铁。
2.根据权利要求1所述的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于,包括以下步骤：
⑴原材料准备：生铁、废钢、回炉料、硅铁合金、钛铁合金、钼铁合金、铬铁合金、钒铁合金、铌铁合金、电解镍板、增碳剂、蠕化剂、覆盖孕育剂和废钢片覆盖剂；其中生铁、废钢和回炉料的质量比为4:2-4:2-4；
⑵电炉熔炼：将生铁、废钢、回炉料加入到中频电炉进行熔炼，再依次加入所需的钼铁合金、硅铁合金、铬铁合金、钒铁合金、钛铁合金、铌铁合金、电解镍板及补加硅铁合金、增碳剂，铁水总质量控制在500Kg；
⑶分析控制：熔炼过程中取铁液进行光谱分析及热分析检测，调整化学成分及熔炼温度，获得要求的原铁水化学成分及1520-1550℃的熔炼出铁温度；
⑷蠕化处理：在浇注处理包的凹坑包底按蠕化剂、覆盖孕育剂和覆盖剂的顺序装包，并捣紧实，覆盖剂将覆盖孕育剂全覆盖；将铁液倒入浇注处理包，铁液与蠕化剂、孕育剂反应，扒渣获得蠕化铁水；
⑸浇注：采用自动浇注机将蠕化铁水浇注到铸型型腔中，控制铁水的浇注温度为1380-1420℃；
⑹分析检测：蠕化处理完毕，取样光谱分析，获得蠕墨铸铁最终化学成分；冷却开箱，落砂清理得到所述具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁产品；从产品本体取样获得蠕墨铸铁机械性能及金相组织。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述蠕化剂包括以下质量百分比元素：Si43〜47%，Mg 3.0〜3.5%，RE8.6〜9.0%，Ca0.8〜1.20%，Al≤1.2%，余量为铁。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述蠕化剂的质量为熔炼液质量的0.4〜0.6%。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在所述浇注处理包的凹坑中蠕化剂之上加入覆盖孕育剂；所述覆盖孕育剂包括以下质量百分比元素：Si60〜70%，Ca0.5〜2.0%，Ba6.0〜11.0%，Al0.5〜1.7%，余量为铁。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述覆盖孕育剂的质量为熔炼液质量的0.3〜0.6%。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在所述自动浇注过程中加入随流孕育剂；所述随流孕育剂包括以下质量百分比的元素：Si70〜76%，Ca1.0〜2.0%，Ba1.0〜3.0%，Al1.0〜2.0%，余量为铁。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述随流孕育剂的质量为蠕化铁水质量的0.1〜0.15%。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述蠕化铁水的浇注时间控制在≤8min。
10.根据权利要求1所述的具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁或权利要求2〜9任一项所述的制备方法所得具有抗热疲劳高性能的高硅耐热蠕墨铸铁作为CNG车用发动机涡轮增压器涡轮壳及排气管的应用。
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