CN111996440A - 高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁及其制备方法，包括以下重量百分比的元素：碳为2.80％至3.20，硅为4.20％至4.80％，锰为小于0.30％，磷为小于0.050％，硫为小于0.020％，镍为0.50至1.0％，钼为0.40至0.90％，铬为0.10至0.50％，铌为0.05至0.50％，钒为0.05至0.50％，镁为0.010％至0.020％，铜为小于0.20％，钛为0.10％至0.20％，稀土为小于0.05％，余量为铁。其具有良好的高温机械性能、高温抗氧化性能、从室温至工作温度范围内尽可能不发生相变稳定的显微组织、热膨胀系数小，能够使涡轮增压器的使用性能和使用寿命有较大幅度提升。

Description

高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种汽车涡轮壳及排气管用高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁及其制备方法。
背景技术
汽车工业是国民经济的支柱产业，汽车工业的每一次技术进步，都会带来显著的经济和社会效益，降低能耗，减少环境污染以及节约有限资源为当今汽车工业发展所面临的十分重要而且紧迫的问题。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，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℃。随着涡轮增压器工作温度要求的提高，制造涡轮增压器的材质也在不断的更新换代。此外，用作汽车涡轮壳及排气管的材料不仅需要能够耐受足够的高温强度，还要在长期服役在高温作业中具有良好的尺寸稳定性和较好导热能力，因此仍需要不断改进汽车涡轮壳及排气管用的耐热材料。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有产品存在的上述缺点，而提供一种汽车涡轮壳及排气管用高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁，其具有良好的高温机械性能、高温抗氧化性能、从室温至工作温度范围内尽可能不发生相变稳定的显微组织、热膨胀系数小，从而减小增压器产品热应力和热变形、高温强度高、良好的成型工艺性能，采用该材料制备汽车涡轮壳及排气管，能够使涡轮增压器的使用性能和使用寿命有较大幅度提升。
为了实现上述目的，本发明采用的高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁的技术方案如下：
包括以下重量百分比的元素：碳为2.80％至3.20，硅为4.20％至4.80％，锰为小于0.30％，磷为小于0.050％，硫为小于0.020％，镍为0.50至1.0％，钼为0.40至0.90％，铬为0.10至0.50％，铌为0.05至0.50％，钒为0.05至0.50％，镁为0.010％至0.020％，铜为小于0.20％，钛为0.10％至0.20％，稀土为小于0.05％，余量为铁。
本发明还提供了一种高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁的制备方法，依序包括以下步骤：
称取生铁、废钢、回炉料、钛铁、镍板、钼铁、铬铁、铌铁、钒铁、增碳剂以及硅铁，并熔炼，得到熔炼液；
将所述的熔炼液进行喂丝蠕化，得到蠕化铁水；
将所述的蠕化铁水进行浇注，得到所述的高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁。
具体地，包括以下步骤：
一、配料：原料的重量百分配比：生铁＝11.5％，废钢＝10％，回炉料＝75％，钛铁＝0.15％，镍板＝0.6％，钼铁＝0.25％，铬铁＝0.10％，铌铁＝0.06％，钒铁＝0.10％，增碳剂＝0.20％，硅铁＝2.0％；
二、熔炼：熔炼设备采用中频感应电炉，感应电炉的容量为3吨；将上述配好的原料按顺序依次投入中频感应电炉内，然后送电升温；当投入的物料完全熔开，继续将中频感应电炉内的温度升至摄氏1500度左右，取分光分析试片对中频感应电炉内的料液进行分光分析；
三、料液冶金质量分析：料液经过分光分析，化学成分都满足要求后，取热分析试样，利用热分析设备对料液的冶金质量进行确认：液相线温度(TLiquidus)：1145～1165℃；共晶转变最低温度(TeMin)：1145～1150℃；再辉温度(Rec)：3～7℃；共晶度(HEH)：35～65；共晶奥氏体析出时间(PAE)：70～125秒；
三、出汤及熔汤处理：料液的化学成分以及热分析参数都满足管制范围要求后，炉内铁水继续升温至摄氏1525度左右出汤，出汤前断电静置3至6分钟后扒去铁水表面的浮渣；将预热充分的浇注包定位至感应电炉出铁水口处准备出铁水；在出铁水过程中出铁速度平稳，出铁水重量控制800Kg±20kg。出汤完毕后将铁水转运至球化处理站，采用喂丝蠕化工艺，使用专用蠕化包芯线，包芯线的配方：硅(Si)为40至50％，镁(Mg)为18至24％，钙(Ca)为2.0至5.0％，稀土(RE)为1.0至5.0％，铝(Al)为0.5至3.0％，余量为铁(Fe)。喂丝蠕化完毕后除去铁水表面浮渣，铁水静置3～6分钟后将铁水转运至造型线，将蠕化好的铁水转入浇注包，铁水转入浇注包后进行浇注，浇注过程中加入瞬间孕育剂0.08％，浇注时间控制在10分钟以内，得到成品汽车涡轮壳及排气管用高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁。
前述汽车涡轮壳及排气管用高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁的制备方法，其中，所述通过热分析设备对原铁水的冶金质量进行管控，主要控制参数及管控范围：液相线温度(TLiquidus)：1145～1165℃；共晶转变最低温度(TeMin)：1145～1150℃；再辉温度(Rec)：3～7℃；共晶度(HEH)：35～65；共晶奥氏体析出时间(PAE)：70～125秒。
前述的汽车涡轮壳及排气管用高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁的制备方法，其中，所述专用蠕化包芯线，其重量百分比组成为：硅(Si)为40至50％，镁(Mg)为18至24％，钙(Ca)为2.0至5.0％，稀土(RE)为1.0至5.0％，铝(Al)为0.5至3.0％，余量为铁(Fe)，各组分含量重量百分数之和等于100％；蠕化包芯线加入量为铁水重量的0.50％。
优选地，其中喂丝蠕化后的铁水处理为：喂丝蠕化处理后，铁液需在铁水包内静置3～6分钟使铁液中的成分充分均匀化，防止成分偏析造成铸件局部蠕化率过高或者过低。蠕化后的铁液充分静置后转运至造型线处进行浇注，浇注过程中添加瞬间孕育剂进行孕育处理。该孕育剂重量百分比组成为：硅(Si)为60至70％，钙(Ca)为1.0至3.0％，钡(Ba)为0.5至3.0％，铝(Al)为0.5至2.0％，余量为铁(Fe)；该孕育剂加入量为铁水重量的0.08％。
本发明的高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁及其制备方法的有益效果在于，通过严格控制材料的化学成分、利用热分析设备检测的热分析参数，控制原铁水的冶金质量稳定相同水平，后续用专用配方蠕化包芯线进行蠕化处理，蠕化处理后静置一段时间使处理后铁水成分均匀，减小浇注产品不同位置由于成分偏析造成蠕化率偏高或者偏低的缺点。从而使材料具有稳定均匀的蠕化率、较好抗氧化性、较高的高温机械性能、耐热性和耐冲击性能，还具有良好尺寸稳定性，大幅度提升涡轮增压器的使用寿命；其制备方法合理，成本低。
附图说明
图1为本发明的高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁的金相照片。
图2为本发明的高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁在腐蚀后的金相照片。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
实施例1
采用以下制备方法获得本发明的高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁：
一、配料：主要原物料的重量百分配比：生铁＝9.7％，废钢＝14.3％，回炉料＝72％，镍板＝0.65％，钛铁＝0.20％，钼铁＝0.40％，铬铁＝0.12％，铌铁＝0.08％，钒铁＝0.12％，增碳剂＝0.50％，硅铁＝1.60％。
二、熔炼：熔炼设备采用中频感应电炉，感应电炉的容量为3吨。将上述配好的原物料按顺序依次投入中频感应电炉内，然后送电升温；当投入的物料完全熔开，继续将中频感应电炉内的温度升至摄氏1500度左右，取分光分析试片对中频感应电炉内的料液进行分光分析，分析结果见表1所示：
表1炉内料液化学成分
元素 C％ Si％ Mn％ P％ S％ Cu％ Ti％ Mo％ Cr％ Nb％ V％ Ni％ Ce％ Al％ Fe％
分析结果 3.08 4.55 0.24 0.022 0.016 0.03 0.17 0.66 0.21 0.12 0.18 0.67 0.0024 0.0091 90.04
取热分析试样对料液进行热分析，分析结果见表2所示：
表2炉内料液热分析结果
参数 TLiquidus(℃) TeMin(℃) Rec(℃) HEH PAE(秒)
分析结果 1153 1148 4.5 40 108
三、出汤及熔汤处理：料液的化学成分满足要求后，炉内铁水继续升温至摄氏1525度左右出汤，出汤前断电静置3至6分钟后扒去铁水表面的浮渣。将预热充分的浇注包定位至感应电炉出铁水口处准备出铁水。在出铁水过程中出铁速度平稳，出铁水重量控制790kg。出汤完毕后将铁水转运至喂丝处理站，采用喂丝蠕化工艺，使用专用蠕化包芯线，包芯线的配方：硅(Si)为40至50％，镁(Mg)为18至24％，钙(Ca)为2.0至5.0％，稀土(RE)为1.0至5.0％，铝(Al)为0.5至3.0％，余量为铁(Fe)。喂丝蠕化完毕后除去铁水表面浮渣，铁水静置5分钟后将铁水转运至造型线，将球化好的铁水转入浇注包，铁水转入浇注包后进行浇注，浇注过冲加入瞬间孕育剂0.08％，浇注时间控制在10分钟。经过蠕化和孕育处理后料液，浇注后期在浇注包内取分光分析试片进行最终产品的化学成分确认，分析结果见表3所示：
表3最终产品的化学成分
Figure BDA0002656147890000041
将料液浇注到铸型内得到成品汽车涡轮壳及排气管用高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁。
四、浇注及拆箱：浇注前浇注包内测温，测温结果符合浇注温度标准要求(摄氏1410至1360度)进行浇注；浇注包内铁水在10分钟内浇注完毕，浇注完毕45分钟以后拆箱。
五、后处理：铸件拆箱以后进行洗砂、研磨、修整、检验等工序后，得到铸件毛坯，随后铸件毛坯即可入库。
本实施例中未进行说明的技术内容为现有技术，故不再进行赘述。
本发明的汽车涡轮壳及排气管用高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁的优点是：具有优良的高温强度，热膨胀系数小，热传导系数高，热扩散速度快等优良性质；
机械性能与高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁有不同程度升高，下表4为高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁和本发明的高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁性能测试件的化学成分，序号1为高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁，序号2为本发明的高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁。
表4性能测试件的化学成分
Figure BDA0002656147890000051
高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁与本发明的高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁，在上述化学成分条件下不同拉伸温度下的机械性能测试结果如下表5所示，表中序号1为涡轮壳及排气管用高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁，序号2为本发明的高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁。
表5测试结果对比
Figure BDA0002656147890000052
采用同样的工艺进行熔炼、熔汤处理、浇铸，浇铸后试样分别加工成同等规格的样品进行机械性能测试，结果表明本发明汽车涡轮壳及排气管用高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁，在室温下屈服强度比高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁提高约3.3％，抗拉强度比高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁高出约2.7％；
在750℃条件下，屈服强度比高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁提高约8.2％，抗拉强度比高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁高出约11.3％；
在800℃条件下；屈服强度比高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁提高约8.3％，抗拉强度比高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁高出约7.5％；
经上述材料性能对比，本发明汽车涡轮壳及排气管用高硅钼镍铁素体蠕墨铸铁在室温、高温下的机械性能都优于高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁。
本发明的高硅钼镍铁素体蠕墨铸铁中，Ni元素控制范围0.50～1.0％，即Ni元素在0.50％以上，其主要目的是提高铁液的石墨化能力，即：使铁液中的碳元素易于从铁液中析出，此时利用含量较低的Mg元素将铁液中析出的游离态的石墨呈现蠕虫状，从而获得稳定的蠕墨铸铁材料。另外，还利用Ni元素固溶于铁素体基体中，从而提高材料的高温机械性能。
本发明汽车涡轮壳及排气管用高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁的生产工艺，通过热分析技术对原铁水的冶金质量进行控制，主要控制参数：液相线温度(TLiquidus)、共晶转变最低温度、再辉温度、共晶度(HEH)、共晶奥氏体析出时间(PAE)，使原铁水的冶金质量控制在一个稳定水平，为稳定生产蠕墨铸铁创造有利条件。
本发明汽车涡轮壳及排气管用高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁的生产工艺与现有的冲入法蠕墨铸铁生产工艺相比较具有蠕化率稳定、石墨偏析程度小，因为蠕化率不符合规格而报废的比例小，生产过程采用的蠕化包芯线配方中Mg、RE、Si、Ca合理配比，反应程度平稳，镁元素吸收率高，加入量小，从而降低生产成本。
本发明生产出来的蠕墨铸铁，蠕化率高，石墨尺寸合适，石墨形态圆钝，金相照片如图1～2所示，腐蚀前X100蠕化率：85％，腐蚀后X100铁素体：95％。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (7)

1.一种高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁，其特征在于，包括以下重量百分比的元素：碳为2.80％至3.20，硅为4.20％至4.80％，锰为小于0.30％，磷为小于0.050％，硫为小于0.020％，镍为0.50至1.0％，钼为0.40至0.90％，铬为0.10至0.50％，铌为0.05至0.50％，钒为0.05至0.50％，镁为0.010％至0.020％，铜为小于0.20％，钛为0.10％至0.20％，稀土为小于0.05％，余量为铁。
2.一种权利要求1所述的高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于，依序包括以下步骤：
称取生铁、废钢、回炉料、钛铁、镍板、钼铁、铬铁、铌铁、钒铁、增碳剂以及硅铁，并熔炼，得到熔炼液；
将所述的熔炼液进行喂丝蠕化，得到蠕化铁水；
将所述的蠕化铁水进行浇注，得到所述的高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁。
3.根据权利要求2所述的高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于，原料的重量百分配比为：生铁＝11.5％，废钢＝10％，回炉料＝75％，钛铁＝0.15％，镍板＝0.6％，钼铁＝0.25％，铬铁＝0.10％，铌铁＝0.06％，钒铁＝0.10％，增碳剂＝0.20％，硅铁＝2.0％。
4.根据权利要求2所述的高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述的熔炼液的热分析参数为：液相线温度：1145～1165℃；共晶转变最低温度：1145～1150℃；再辉温度：3～7℃；共晶度：35～65；共晶奥氏体析出时间：70～125秒。
5.根据权利要求2所述的高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述的喂丝蠕化中蠕化包芯线包括以下重量百分比的元素：硅为40至50％，镁为18至24％，钙为2.0至5.0％，稀土为1.0至5.0％，铝为0.5至3.0％，余量为铁。
6.根据权利要求2所述的高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于，喂丝蠕化完毕后，还包括除去表面浮渣，并静置3～6分钟。
7.根据权利要求2所述的高硅钼镍铁素体耐热蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于，在浇注过程中加入瞬间孕育剂；所述的瞬间孕育剂包括以下重量百分比的元素：硅为60至70％，钙为1.0至3.0％，钡为0.5至3.0％，铝为0.5至2.0％，余量为铁。
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