CN113897534B - 一种韧性和高温性能优异的球墨铸铁及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种韧性和高温性能优异的球墨铸铁，其特征在于，所述球墨铸铁的成分为C：3.5‑3.9％，Si：2.3‑2.6％、Mn：0.3‑0.6％、Mg：0.02‑0.08％、RE：0.01‑0.05％，Al：0.01‑0.05％，Cr：1‑3％，Cr/Al＝50‑200，其余为Fe和不可避免的杂质。

Description

一种韧性和高温性能优异的球墨铸铁及其应用

技术领域

本发明涉及一种韧性和高温性能优异的球墨铸铁，具有优异的高温强度和高温抗氧化性的同时室温力学性能(特别是韧性)优异，在满足常见的球墨铸铁用途如曲轴、凸轮轴、连接轴、连杆、齿轮等应用的基础上，本发明的球墨铸铁还特别适用于发动机部件、涡轮增压部件、活塞环、排气歧管、炉篦、锅炉、烧结台车等高温工况应用的部件。

背景技术

相比于钢来说，球墨铸铁的成本更低，而性能与钢相近，因此球墨铸铁被视为“以铁代钢”的理想材料。

在高温工况中，如活塞环、排气歧管、锅炉、涡轮增压部件等已经有大量的球墨铸铁被应用。随着工作要求越来越高，球墨铸铁材料承受的高温载荷和高温环境越来越恶劣，因此，也对球墨铸铁的高温性能提出了更高的要求。优异的高温强度和高温抗氧化性被视为高温工况应用的球墨铸铁的重要选材依据。

如本领域公知的，Al、Cr均是可以提高球墨铸铁高温抗氧化性的元素，但是Al的添加量一般达到5％以上，Cr的添加量则更高，部分甚至能够达到15％以上，在球墨铸铁中添加上述元素虽然可以提高高温抗氧化性，但是Cr和Al含量较高时会导致球墨铸铁韧性急剧下降，使材料变脆，使用过程中容易开裂，且添加Cr和Al的耐高温球墨铸铁并未考虑高温下的强度特征，高温下工作的可靠性不能得到保证，导致球墨铸铁材料的应用用途受限。

基于以上认识，本发明的发明人提出一种兼顾韧性和高温性能，特别是具有优异高温强度和优异高温抗氧化性以及优异韧性的球墨铸铁，以满足日益严峻、复杂的高温工况使用需求。

发明内容

本发明提供一种兼具高温抗氧化性、高温强度和韧性球墨铸铁材料，通过优化Al和Cr的含量配合，在添加较低含量的Al和Cr保证低成本的前提下，获得了韧性和高温性能优异的球墨铸铁材料。该材料不仅适用于常规的球墨铸铁用途，特别对于高温用途的部件具有良好的适应性。

本发明的技术目的是通过以下手段实现的。

本发明提供一种韧性和高温性能优异的球墨铸铁，所述球墨铸铁的成分为C：3.5-3.9％，Si：2.3-2.6％、Mn：0.3-0.6％、Mg：0.02-0.08％、RE：0.01-0.05％，Al：0.01-0.05％，Cr：1-3％，Cr/Al＝50-200，其余为Fe和不可避免的杂质。

下面介绍本发明成分设计的依据。

C：碳是构成石墨组织的元素，其有利于改善石墨铸铁的铁水流动性。碳有利于提高强度，碳过高则由于石墨偏析导致强度、韧性延伸率等性能同时下降，碳过低不仅球墨铸铁的强度得不到保证，且铁水的流动性差，铸造缺陷增多，各项力学性能下降。本发明合适的C含量为3.5-3.9％，优选3.6-3.8％，更优选3.65-3.75％。

Si：硅是石墨化促进元素，同时也是固溶强化元素，Si含量对于铁水的流动性影响也较大，Si也可以提高高温抗氧化性能。Si含量过低，则球墨铸铁的石墨化效果和强化效果，Si含量过高则球墨铸铁的塑性、延伸率会显著下降，并且韧性恶化明显，本发明中Si的含量限定为2.3-2.6％，优选为2.4-2.5％。

Mn：锰可以与硫结合生成MnS从而降低杂质硫对球墨铸铁性能的恶化，并且适量的Mn对于保证球墨铸铁的强度是有益的，Mn过高会导致球墨铸铁的塑性和韧性下降，Mn过低则脱硫效果和强化效果不足。本发明中Mn的含量设定为0.3-0.6％，优选0.4-0.5％。

Mg：镁是促进球化的元素，O和S是阻碍石墨球化的杂质，Mg能够与O和S反应促进球墨晶化。Mg含量过低，则球化促进作用不够显著，Mg含量过高，容易形成夹杂或者在结晶时析出，导致球墨铸铁变脆，塑性和韧性下降。本发明中Mg的含量设置为0.02-0.08％，优选0.03-0.06％，更优选0.04-0.05％。

RE：稀土是促进球化的元素，其可以和O、S反应，确保石墨的球化效果，且有助于球形石墨的细化。过低则细化和确保球化效果不足，过高成本上升并增加了制备工艺成本。本发明中稀土含量设置为0.01-0.05％，优选0.02-0.04％，更优选0.025-0.035％。

Al：铝是提高高温抗氧化性能的元素，但是铝含量较高时会导致石墨失去球形的形状，导致异型石墨增多，并且会使球墨铸铁迅速变脆，塑性韧性急剧恶化，通常的高温球墨铸铁中，铝含量达到5％左右，材料很脆，韧性和塑性极低，本发明采用低Al含量，配合一定量的Cr，获得优异的韧性和高温性能，本发明中Al的含量为0.01-0.05％，优选0.02-0.04％，更优选0.025-0.035％。

Cr：铬是铸铁中常用的添加元素，具有强化的作用，其对于提高高温抗氧化性和高温强度、高温抗蠕变性具有正面意义，而一旦Cr含量过高，其容易形成碳化物，导致球墨铸铁的韧性和塑性急剧下降，通常的高温球墨铸铁中，为了确保足够的抗氧化性，Cr的含量达到5％以上甚至15％以上，材料很脆，塑性和韧性很低，可加工性能不能满足要求。本发明通过添加低含量的Al和Cr，可以在确保优异高温性能的同时兼顾优异的韧性。本发明中的Cr的含量为1-3％，优选为1.5-2.5％，更优选1.7-2.3％。

Cr/Al：铬铝比对于获得本发明的技术效果是重要的，Cr和Al均是提高球墨铸铁高温抗氧化性的元素，但是现有技术中认为需要添加的Al或Cr含量均比较高才能获得有益的高温抗氧化效果，并且必须牺牲韧性。本发明的发明人发现，通过将Cr和Al的比例控制在一定范围内，既可以在较低的Al和Cr添加量下获得优异的高温强度和高温抗氧化性，又能够兼顾韧性，同时也不损失室温的各项力学性能，当将Cr和Al控制在合适范围内且比例范围合适时，球墨铸铁高温下容易形成富含Cr、Al的薄氧化层，且在长时间的高温中氧化层不明显增厚。而当Cr/Al不在发明范围内时，无法获得兼顾高温性能、韧性以及其他力学性能的球墨铸铁。为了获得上述技术效果，本发明将Cr/Al限定在50-200范围之间，优选为55-150，更优选为60-100，特别优选65-90、70-80。

本发明中，作为不可避免的杂质元素，非穷举的可以列举为P、S，二者的含量分别限定为P：0.05％以下、S：0.03％以下，杂质的含量越低越好，但是对原料和冶炼的要求更高，导致成本会上升，综合考虑优选P：0.03％以下，S：0.02％以下。

本发明的球墨铸铁在含有上述元素的基础上，还可以进一步包括0.3-0.8％的Cu，以及还可以进一步包括0.01-0.2％的Sn和/或Sb。

Cu：铜是球墨铸铁的强化元素，但是会使延伸性能下降。Cu过低则强化效果不明显，Cu过高则延伸性能恶化严重。本发明中Cu的含量限定为0.3-0.8％，优选0.4-0.7％，更优选0.5-0.6％。

Sb和/或Sn：Sb和Sn均是增加石墨粒数的元素，可以提高球墨铸铁的球化率，提高其韧性和延伸率。添加量过低则促进球化效果不明显，添加量过低容易导致鳞片状石墨的生成，导致球墨铸铁的韧性和延伸性能显著恶化。本发明可以单独添加Sb或Sn也可以同时添加Sb和Sn，单独添加或者同时添加的添加量为0.01-0.2％，优选为0.02-0.15％，更优选0.05-0.1％。

本发明的球墨铸铁，室温性能为：抗拉强度800-1000MPa，屈服强度550-750MPa，延伸率5％以上，韧性40J/cm²以上；高温性能为：400℃下抗拉强度400-600MPa，900℃下抗拉强度100-200MPa，在空气氛围中900℃下保温120h后的氧化层厚度不高于150μm；该球墨铸铁的微观组织结构可以为：贝氏体、珠光体、铁素体、珠光体+铁素体中的一种。

本发明的球墨铸铁，除可以应用于常规的球墨铸铁用途如曲轴、凸轮轴、连接轴、连杆、齿轮等之外，还特别适用于发动机部件、涡轮增压部件、活塞环、排气歧管、炉篦、锅炉、烧结台车等高温工况应用的耐高温部件。

本发明的有益效果如下。

相比于现有技术高铝高铬的耐热球墨铸铁，本发明的球墨铸铁通过微铝低铬的搭配，并且控制Cr/Al的比值，获得了优异的高温力学性能和室温韧性性能，并且没有损失室温力学性能，通过复合添加Cr和Al并控制Cr/Al的比例，使得球墨铸铁的抗氧化元素Cr+Al含量之和在5％以下添加量的情况下也能够获得优异的高温强度和高温抗氧化能力，并且具有优异的室温韧性，当将Cr和Al控制在合适范围内且比例范围合适时，球墨铸铁高温下容易形成富含Cr、Al的薄氧化层，且在长时间的高温中氧化层不明显增厚，合金性能优异且元素的成本较低。通过其他低价的基础合金元素的含量控制，与Cr和Al含量配合，最终获得了高温强度、高温抗氧化能力、室温韧性、室温强度、室温延伸率等各项性能优异的球墨铸铁。

对于制备方法，本发明不做特殊限定，如采用通常的熔炼、球化、孕育、浇注工序制备满足上述元素条件要求的球墨铸铁合金即可，球化可以为多次的球化，孕育也可以为多次的孕育。

具体实施方式

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体的试验例做进行进一步说明。

按照设计成分进行球墨铸铁的制备，其中所有的P元素控制在0.02％±0.002％为合格，所有的S元素控制在0.015％±0.002％为合格。具体的制备方法如下。

第一步、化学成分设计：按照目标化学成分选择选用含硫、磷、锰量低的生铁、废钢和回炉料等作为原料，并计算各个原料的用量。

第二步、中频炉熔炼：采用中频感应电炉将各个组分熔炼成铁液。

第三步、球化处理：球化剂采用稀土镁硅球化剂，球化处理方法是采用冲入法进行球化处理。

第四步、孕育处理和浇注：在铁水包内采用硅铁孕育剂进行孕育处理；采用砂型铸造，得到球墨铸铁。

对浇注得到的球墨铸铁进行化学成分分析，强度、延伸率、韧性、高温抗氧化性的检测。化学成分的分析、室温各项力学性能的测试均参照国家标准GB/T1348-2009及其援引的标准要求进行，高温力学性能参照国家标准GB/T 228.2-2015进行，高温抗氧化能力通过将试样在空气氛围中900℃下保温120h后使用显微镜观察测量氧化层的厚度表征。试验编号1-24的球墨铸铁的化学成分的分析结果记录在表1中，各项力学性能测试的结果展示在表2中。

表1(各组分均为质量百分比，余量为Fe)

编号	C	Si	Mn	Mg	RE	Al	Cr	Cr/Al	Cu	Sn	Sb	类型
													1	3.55	2.42	0.44	0.035	0.022	0.014	1.5	107.1	0	0	0	发明例
2	3.64	2.34	0.51	0.028	0.033	0.021	1.8	85.7	0	0	0	发明例
													3	3.71	2.55	0.32	0.048	0.015	0.013	2.4	184.6	0	0	0	发明例
4	3.54	2.33	0.42	0.062	0.028	0.037	2.9	78.4	0	0	0	发明例
													5	3.83	2.58	0.56	0.057	0.047	0.034	2.8	82.4	0	0	0	发明例
6	3.62	2.41	0.45	0.045	0.037	0.025	2.1	84	0.52	0	0	发明例
													7	3.87	2.46	0.38	0.069	0.027	0.041	2.7	65.9	0	0.07	0	发明例
8	3.69	2.51	0.48	0.072	0.013	0.047	2.5	53.2	0	0	0.15	发明例
													9	3.52	2.48	0.37	0.024	0.025	0.028	2.2	78.6	0	0.12	0.06	发明例
10	3.51	2.39	0.58	0.077	0.039	0.012	1.6	133.3	0.68	0.11	0.07	发明例
													11	3.64	2.34	0.51	0.028	0.033	0.021	<u>0.7</u>	<u>33.3</u>	0	0	0	对比例
12	3.64	2.34	0.51	0.028	0.033	<u>0.06</u>	1.8	<u>30</u>	0	0	0	对比例
													13	3.64	2.34	0.51	0.028	0.033	0.021	<u>4.5</u>	<u>214.3</u>	0	0	0	对比例
14	3.64	2.34	0.51	0.028	0.033	<u>0.008</u>	1.8	<u>225</u>	0	0	0	对比例
													15	3.64	2.34	0.51	0.028	0.033	0.013	2.8	<u>215.4</u>	0	0	0	对比例
16	3.64	2.34	0.51	0.028	0.033	<u>0.054</u>	<u>3.3</u>	61.1	0	0	0	对比例
													17	3.71	2.55	0.32	0.048	0.015	<u>2.41</u>	<u>0</u>	/	0	0	0	对比例
18	3.71	2.55	0.32	0.048	0.015	<u>0</u>	2.41	/	0	0	0	对比例
													19	<u>3.38</u>	2.33	0.42	0.062	0.028	0.037	2.9	78.4	0	0	0	对比例
20	<u>4.05</u>	2.33	0.42	0.062	0.028	0.037	2.9	78.4	0	0	0	对比例
													21	3.83	<u>2.25</u>	0.56	0.057	0.047	0.034	2.8	82.4	0	0	0	对比例
22	3.83	<u>2.74</u>	0.56	0.057	0.047	0.034	2.8	82.4	0	0	0	对比例
													23	3.55	2.42	<u>0.25</u>	0.035	0.022	0.014	1.5	107.1	0	0	0	对比例
24	3.55	2.42	<u>0.69</u>	0.035	0.022	0.014	1.5	107.1	0	0	0	对比例

上述试验例中，编号1-10均是本发明的发明例。编号11-24的元素含量或者Cr/Al不符合本发明的要求，因此，试验例编号11-24是本发明的对比例。

表2展示了试验例编号1-24的力学性能以及高温抗氧化能力情况。

表2

下面结合表1的化学成分和表2的力学性能、高温抗氧化性能对本发明的发明例作进一步分析说明。

表1中编号1-10均是本发明的发明例，其满足本发明对于各元素含量的要求且满足Cr/Al的比例要求，表2中各个发明例均可以满足本发明的性能要求，即室温性能：抗拉强度800-1000MPa，屈服强度550-750MPa，延伸率5％以上，韧性40J/cm²以上；高温性能：400℃下抗拉强度400-600MPa，900℃下抗拉强度100-200MPa，在空气氛围中900℃下保温120h后的氧化层厚度不高于150μm。特别的，对于Cr/Al在70-80之间的发明例4和9，其在空气氛围中900℃下保温120h后的氧化层厚度为100μm以下。

下面结合表1和表2逐一分析本发明的对比例。

对比例11-16均作为发明例2的对比例，对Cr或者Al的含量进行了调整，使得Cr、Al、Cr/Al至少其中之一不符合本发明的要求。具体的，对比例11的Cr含量过低，Cr含量和Cr/Al均不符合本发明的要求，导致其室温抗拉强度、室温屈服强度、400℃抗拉强度、900℃抗拉强度和900℃×120h后氧化层厚度不能够符合发明要求；对比例12的Al过高，Al含量和Cr/Al均不符合本发明的要求，导致其室温韧性和900℃×120h后氧化层厚度不能够符合发明要求；对比例13的Cr含量过高，Cr含量和Cr/Al均不符合本发明的要求，导致其室温延伸率、室温韧性和900℃×120h后氧化层厚度不能够符合发明要求；对比例14的Al过低，Al含量和Cr/Al均不符合本发明的要求，导致其900℃×120h后氧化层厚度不能够符合发明要求；对比例15的Cr和Al虽然均符合本发明的要求，但是Cr/Al不在本发明的范围内，导致其900℃×120h后氧化层厚度不能够符合发明要求；对比例16的Cr和Al过高，虽然其Cr/Al仍在本申请范围内，但是由于Cr超出本发明的范围，其不能够使Cr和Al协同发挥高温抗氧化的作用，导致其900℃×120h后氧化层厚度不能够符合发明要求。通过对比例11-16和发明例2的比较，说明控制合理的Al含量对于获得高温抗氧化性、塑性和韧性是重要的，控制合理的Cr含量对于获得室温屈服强度、室温抗拉强度、塑性、韧性以及高温抗氧化性是重要的；控制合理的Cr/Al对于获得优异的高温抗氧化性是重要的。

对比例17-18均作为发明例3的对比例，均是单独添加了Al或者Cr，其添加量与发明例3的Al+Cr含量类似。具体的，对比例17的Al含量超出本发明的范围，导致其室温抗拉强度、室温屈服强度、室温韧性、室温延伸率、400℃抗拉强度、900℃抗拉强度不符合发明的要求，并且由于不含有Cr，无法使Al和Cr协同发挥高温抗氧化的作用，导致其900℃×120h后氧化层厚度不能够符合发明要求；对比例18的Cr含量在本发明的范围内，但是由于不含有Al，无法使Al和Cr协同发挥高温抗氧化的作用，导致其900℃×120h后氧化层厚度不能够符合发明要求。通过比对，说明同时添加Al和Cr并且确保二者的含量以及比例在一定范围内对于获得优异的室温强度、延伸率、韧性、高温强度和高温抗氧化性能是重要的。

对比例19-20作为发明例4的对比例，对C含量进行了调整。具体的，对比例19的C含量低于本发明的要求，导致其室温抗拉强度和室温屈服强度以及高温抗拉强度均不能满足本发明的要求，对比例20的C含量高于本发明的要求，导致其室温塑性和室温韧性无法满足本发明的要求。通过比对，说明控制合适的C含量对于获得优异的室温强度、室温延伸率、室温韧性、高温强度是十分重要的。

对比例21-22作为发明例5的对比例，对Si的含量进行了调整。具体的，对比例21的Si含量低于本发明的要求，但是由于其球墨铸铁C含量和Mn含量均比较高，因此其强度特性虽然尚能够满足本发明的要求，但是由于Si对于高温抗氧化性能也有重要影响，导致其900℃×120h后氧化层厚度无法满足本发明的要求；对比例22的Si含量高于本发明的要求，导致其室温强度过高而室温延伸率和室温韧性过低，均无法满足本发明的要求。通过比对，说明控制合适的Si含量对于室温强度、室温延伸率、室温韧性以及高温抗氧化性均具有重要意义。

对比例23-24作为发明例1的对比例，对Mn的含量进行了调整。具体的，对比例23的Mn含量低于本发明的要求，导致其室温强度和高温强度达不到本发明的要求，并且由于Mn含量较低，固硫作用下降，导致硫夹杂物在高温下容易成为表面氧化膜破坏的起点，致使其900℃×120h后氧化层厚度无法满足本发明的要求；对比例24的Mn含量高于本发明的要求，导致其室温延伸率和室温韧性急剧恶化，无法满足本发明的要求。通过比对，说明控制合理的Mn含量对于获得室温强度、室温延伸率、室温韧性、高温强度以及高温抗氧化特性均具有重要的作用。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对于这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (8)

1.一种韧性和高温性能优异的球墨铸铁，其特征在于，所述球墨铸铁的成分为C：3.5-3.9%，Si：2.3-2.6%、Mn：0.3-0.6%、Mg：0.02-0.08%、RE：0.01-0.05%，Al：0.01-0.04%，Cr：1-3%，Cr/Al=70-200，其余为Fe和不可避免的杂质；

所述球墨铸铁的室温韧性40J/cm²以上，在空气氛围中900℃下保温120h后的氧化层厚度不高于150μm，400℃下抗拉强度400-600MPa，900℃下抗拉强度100-200MPa。

2.根据权利要求1所述的一种韧性和高温性能优异的球墨铸铁，其特征在于，所述球墨铸铁还包括0.3-0.8%的Cu。

3.根据权利要求1-2任一项所述的一种韧性和高温性能优异的球墨铸铁，其特征在于，所述球墨铸铁还包括0.01-0.2%的Sn和/或Sb。

4.根据权利要求1-2任一项所述的一种韧性和高温性能优异的球墨铸铁，其特征在于，Al的含量为0.02-0.04%，Cr的含量为1.5-2.5%，且Cr/Al=70-100。

5.根据权利要求1-2任一项所述的一种韧性和高温性能优异的球墨铸铁，其特征在于，Cr/Al=70-150。

6.根据权利要求1-2任一项所述的一种韧性和高温性能优异的球墨铸铁，其特征在于，所述球墨铸铁的室温性能为：抗拉强度800-1000MPa，屈服强度550-750MPa，延伸率5%以上。

7.根据权利要求1-2任一项所述的一种韧性和高温性能优异的球墨铸铁，其特征在于，所述球墨铸铁具有如下之一的微观组织结构：贝氏体、珠光体、铁素体、珠光体+铁素体。

8.权利要求1-7任一项权利要求所述的一种韧性和高温性能优异的球墨铸铁在耐高温部件中的应用。