CN116219265A - 一种同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂及其应用，属于灰铸铁材料技术领域。解决了现有技术中高碳灰铸铁往往导热性能与力学性能不可兼得的技术问题。本发明的孕育剂，按质量分数计，化学成分为：Si:47.5％～53.3％、Cr:14.2％～19.1％、N:2.0％～2.7％、Ca:0.6％～0.8％、Al:0.7％～0.9％、Ba:1.1％～1.5％，余量为Fe。本发明还提供该孕育剂制备的高碳灰铸铁。该孕育剂用于制备高碳灰铸铁，提升了高碳灰铸铁的石墨数量、细化石墨、钝化石墨尖端的同时稳定、细化珠光体组织，同时提升高碳灰铸铁的导热性能与抗拉强度，特别适用于生产汽车制动盘及其他对综合性能有要求的高碳灰铸铁铸件。
Description
技术领域
本发明属于高碳灰铸铁技术领域，具体涉及一种同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂及其应用，尤其涉及该孕育剂在制备高碳灰铸铁中的应用。
背景技术
灰铸铁是指碳元素以片状石墨形式存在的铸铁，其中高碳灰铸铁中的片状石墨含量高，这种组织上的特点使得高碳灰铸铁具有多种性能优势，如良好的导热性能、减震性能和铸造性能。这些优势使得高碳灰铸铁广泛应用于机械疲劳与热疲劳工况下的结构件，如汽车制动盘。
虽然片状石墨的导热系数很高，但强度却极低，相当于缺陷。用传统工艺制造出的高碳灰铸铁往往导热性能与力学性能不可兼得。如何改善工艺、优化组织使高碳灰铸铁的导热系数与力学性能得到同时提升，成为提高汽车制动盘综合性能的关键所在。
经过科学研究和实际生产检验，A型石墨成为高碳灰铸铁片状石墨的最优解。但是，同样拥有A型石墨组织的高碳灰铸铁，导热系数、抗拉强度等性能也会有巨大的差异。这种差异是石墨长度、数量、弯曲程度、长径比等石墨形态特征差异引起的。
现有技术中，广泛投入实际生产使用的孕育剂为含Sr、Ba、Ca、Zr、稀土等元素的硅铁孕育剂，关于孕育剂的研究也大多为以上几种元素的组合。关注的性能大多集中在力学性能、加工性能或是减少组织缺陷，少有对提升导热系数的孕育剂的研究。
发明内容
本发明的目的之一是通过向孕育剂中添加Cr、N、Ca、Ba等元素，改变孕育剂成分，制备出一种同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂。
本发明的目的之二是提供上述孕育剂在制备高碳灰铸铁中的应用，提升高碳灰铸铁中的石墨数量、优化石墨形态，同时提升高碳灰铸铁的力学性能与导热性能，经检测，在相同碳当量的条件下，本发明的孕育剂可使高碳灰铸铁的力学性能提升17％～30％、导热性能提升16％。
本发明实现上述目的采取的技术方案如下。
本发明的同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂，按质量分数计，化学成分为：Si:47.5％～53.3％、Cr:14.2％～19.1％、N:2.0％～2.7％、Ca:0.6％～0.8％、Al:0.7％～0.9％、Ba:1.1％～1.5％，余量为Fe。
优选的是，按质量分数计，化学成分为：Si:47.5％、Cr:19.1％、N:2.7％、Ca:0.8％、Al:0.9％、Ba:1.5％，余量为Fe。
优选的是，按质量分数计，化学成分为：Si:53.3％、Cr:14.2％、N:2.0％、Ca:0.6％、Al:0.7％、Ba:1.1％，余量为Fe。
本发明还提供上述同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂在制备高碳灰铸铁中的应用，步骤如下；
取同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂，破碎成2～4mm粒度的颗粒，采用包内孕育的方法加入高碳灰铸铁的铁液中，除渣后，浇注，得到高碳灰铸铁。
优选的是，所述高碳灰铸铁的铁液的组成，按质量分数计为：3.69～3.99％、Si:1.06％～1.5％、Mn:0.55％～0.8％、S:0.07％～0.11％、Cu:0.25％～0.5％、Cr:0.1％～0.29％、Sn:0.07％～0.09％、Nb:0.1％～0.2％、Mo:0.16％～0.22％；
更优选的是，所述高碳灰铸铁的铁液的组成，按质量分数计为：C:3.74％～3.99％、Si:1.15％～1.5％、Mn:0.55％～0.7％、S:0.07％～0.1％、Cu:0.25％～0.5％、Cr:0.1％～0.25％、Sn:0.07％～0.09％、Nb:0.1％～0.2％、Mo:0.16％～0.22％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；
尤其优选的是，所述高碳灰铸铁的铁液的组成，按质量分数计为：C:3.69％、Si:1.08％、Mn:0.79％、S:0.11％、Cu:0.3％、Cr:0.29％、Sn:0.09％、Nb:0.2％、Mo:0.2％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；
或者，C:3.74％、Si:1.06％、Mn:0.8％、S:0.11％、Cu:0.3％、Cr:0.29％、Sn:0.09％、Nb:0.2％、Mo:0.2％。
优选的是，所述同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂的添加量为铁液的0.6-0.7wt％。
优选的是，除渣后，浇铸在树脂砂型中。
优选的是，所述高碳灰铸铁的铁液在中频感应炉中熔炼。
本发明还提供一种采用同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂制备的高碳灰铸铁。
本发明的原理为：经本发明研究，石墨数量与平均石墨长度为影响高碳灰铸铁导热系数最重要的两个因素。在高碳灰铸铁组织中，片状石墨相互连接交错形成三维石墨网络通道，热量则借由石墨网络传输；石墨数量越多，石墨平均长度越长，石墨网络的连通性越好，导热系数也就越高。这两个因素中，石墨数量的影响权重更大，为更重要的因素。对于力学性能来说，石墨细小而数量多的组织要比石墨粗大而数量少的组织性能更好，同时石墨端部应更加圆钝，避免应力在尖锐处集中。因此，本发明得出了一个拥有最优综合性能的组织：石墨数量多，石墨细小卷曲同时端部圆钝。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过向传统孕育剂中添加Cr、N、Ca、Ba元素、改变孕育剂成分制备出一种新型孕育剂，进而利用该同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂用于制备高碳灰铸铁，提升了高碳灰铸铁的石墨数量、细化石墨、钝化石墨尖端的同时稳定、细化珠光体组织，同时提升高碳灰铸铁的导热性能与抗拉强度。特别适用于生产汽车制动盘及其他对综合性能有要求的高碳灰铸铁铸件。显著提升了高碳灰铸铁汽车制动盘和铸件的抗热疲劳性能，延长了汽车制动盘和铸件的使用寿命，减少了高碳灰铸铁的材料的损耗，在提升了汽车驾驶的安全性的同时降低了经济损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例1制备的高碳灰铸铁的石墨组织的金相显微镜图。
图2为本发明实施例2制备的高碳灰铸铁的石墨组织的金相显微镜图。
图3为本发明对比例1制备的高碳灰铸铁的石墨组织的金相显微镜图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明的同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂，按质量分数计，化学成分为：Si:47.5％～53.3％、Cr:14.2％～19.1％、N:2.0％～2.7％、Ca:0.6％～0.8％、Al:0.7％～0.9％、Ba:1.1％～1.5％，余量为Fe。
本实施方式提供两种优选配比，但不限于此，即按质量分数计，化学成分为：Si:47.5％、Cr:19.1％、N:2.7％、Ca:0.8％、Al:0.9％、Ba:1.5％，余量为Fe；或者，按质量分数计，化学成分为：Si:53.3％、Cr:14.2％、N:2.0％、Ca:0.6％、Al:0.7％、Ba:1.1％，余量为Fe。
本发明的同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂：Si作为孕育剂中的主要组成部分，主要作用为降低铁液的过冷度，促进C元素以石墨的形式析出，降低白口倾向。Cr的添加使得部分C与Cr结合成碳化物，从而减少石墨尺寸，细化石墨。N加入铁液后，会覆盖在石墨表面，阻碍了C原子的继续堆叠，从而细化石墨同时钝化石墨尖端，减少尖端应力集中。Ca和Ba做为传统灰铸铁孕育剂中常用成分，孕育效果优良，能促进共晶团生核，提高共晶团数量，这使得石墨数量更多；并且二者共存时有利于减少激冷倾向。
本发明的同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂，其中Si、Ca、Ba、Al、Fe元素优选以含有Ca、Ba、Al的硅铁合金与75硅铁的方式加入；Cr、N元素优选以氮化铬铁合金的方式加入。但需要说明的是，不限于此，能够满足上述孕育剂的组成和配比的其他添加形式亦可。
本发明的同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂在制备高碳灰铸铁中的应用，步骤如下；
取同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂，破碎成2-4mm粒度的颗粒，采用包内孕育的方法加入在中频感应炉中的高碳灰铸铁的铁液中，除渣后在树脂砂型中浇注，得到高碳灰铸铁。
上述技术方案中，同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂的添加量为铁液的0.6-0.7wt％。
上述技术方案中，高碳灰铸铁的铁液的组成，按质量分数计为：3.69～3.99％、Si:1.06％～1.5％、Mn:0.55％～0.8％、S:0.07％～0.11％、Cu:0.25％～0.5％、Cr:0.1％～0.29％、Sn:0.07％～0.09％、Nb:0.1％～0.2％、Mo:0.16％～0.22％。优选为C:3.74％～3.99％、Si:1.15％～1.5％、Mn:0.55％～0.7％、S:0.07％～0.1％、Cu:0.25％～0.5％、Cr:0.1％～0.25％、Sn:0.07％～0.09％、Nb:0.1％～0.2％、Mo:0.16％～0.22％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。更优选为C:3.69％、Si:1.08％、Mn:0.79％、S:0.11％、Cu:0.3％、Cr:0.29％、Sn:0.09％、Nb:0.2％、Mo:0.2％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；或者，C:3.74％、Si:1.06％、Mn:0.8％、S:0.11％、Cu:0.3％、Cr:0.29％、Sn:0.09％、Nb:0.2％、Mo:0.2％。
上述技术方案中，除渣和浇铸为本领域技术人员常用方式，通常除渣使用使用了市售的除渣剂除渣，但需要说明的是，不排斥其他能达到效果的除渣方法。
本发明还提供采用同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂制备的高碳灰铸铁。
在本发明中所使用的术语，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义，除非另有说明。为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合实施例对本发明作进一步的详细介绍。
在以下实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂、装置、仪器、设备等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
以下结合实施例进一步说明本发明。
实施例1
同时提高灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂，按质量分数计，化学成分为：Si:47.5％、Cr:19.1％、N:2.7％、Ca:0.8％、Al:0.9％、Ba:1.5％，余量为Fe。
上述同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂在制备高碳灰铸铁中的应用：取同时提高灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂(Si、Ca、Ba、Al、Fe元素以含有Ca、Ba、Al的硅铁合金与75硅铁的方式加入；Cr、N元素以氮化铬铁合金的方式加入)，破碎成2-4mm粒度的颗粒，采用包内孕育的方法加入高碳灰铸铁的铁液(使用中频感应炉熔炼)中，除渣后，在树脂砂型中浇注，得到试样。其中，孕育剂加入量为高碳灰铸铁的铁液的0.7wt％。高碳灰铸铁的铁液，按质量百分比计，化学组成为：C:3.74％、Si:1.06％、Mn:0.8％、S:0.11％、Cu:0.3％、Cr:0.29％、Sn:0.09％、Nb:0.2％、Mo:0.2％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
对试样车削、切割、打磨、抛光，制成抗拉强度、导热系数、组织观察试样。使用万用拉伸机测量试样抗拉强度；使用热流法导热测试仪测量试样导热系数；使用金相显微镜观察试样组织。结果表1和图1所示。
实施例2
同时提高灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂，按质量分数计，化学成分为：Si:53.3％、Cr:14.2％、N:2.0％、Ca:0.6％、Al:0.7％、Ba:1.1％，余量为Fe。
上述同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂在制备高碳灰铸铁中的应用：取同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂(Si、Ca、Ba、Al、Fe元素以含有Ca、Ba、Al的硅铁合金与75硅铁的方式加入；Cr、N元素以氮化铬铁合金的方式加入)，破碎成2-4mm粒度的颗粒，采用包内孕育的方法加入高碳灰铸铁的铁液(使用中频感应炉熔炼)中，除渣后，在树脂砂型中浇注，得到试样。其中，孕育剂加入量为高碳灰铸铁的铁液的0.7wt％。高碳灰铸铁的铁液，按质量百分比计，化学组成为：C:3.69％、Si:1.08％、Mn:0.79％、S:0.11％、Cu:0.3％、Cr:0.29％、Sn:0.09％、Nb:0.2％、Mo:0.2％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
对试样车削、切割、打磨、抛光，制成抗拉强度、导热系数、组织观察试样。使用万用拉伸机测量试样抗拉强度；使用热流法导热测试仪测量试样导热系数；使用金相显微镜观察试样组织。结果表1和图2所示。
对比例1
取Si-Fe孕育剂(按质量分数计，化学成分为Si:70％、C:0.2％，余量为Fe)，破碎成2-4mm粒度的颗粒，采用包内孕育的方法加入高碳灰铸铁的铁液(使用中频感应炉熔炼)中，除渣后，在树脂砂型中浇注，得到试样。其中，孕育剂加入量为浇注的高碳灰铸铁的铁液的0.7wt％。高碳灰铸铁的铁液，按质量百分比计，化学组成为：C:3.73％、Si:1.08％、Mn:0.78％、S:0.11％、Cu:0.3％、Cr:0.29％、Sn:0.09％、Nb:0.2％、Mo:0.2％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
对试样车削、切割、打磨、抛光，制成抗拉强度、导热系数、组织观察试样。使用万用拉伸机测量试样抗拉强度；使用热流法导热测试仪测量试样导热系数；使用金相显微镜观察试样组织。结果如表1和图3所示。
表1为实施例1、实施例2、对比例1的试样性能对比
| 抗拉强度MPa | 导热系数W/(m*K) | |
| 实施例1 | 245 | 77.9 |
| 实施例2 | 271 | 66.6 |
| 对比例1 | 209 | 67.2 |
从表1可以看出，与对比例1相比，实施例1和实施例2的高碳灰铸铁材料各项性能取得了意想不到的提升。
对比图1和图3可以看出，使用本发明孕育剂的实施例1的试样的组织中，石墨数量较对比例1有相当明显的增加，同时石墨更加细小、弯曲，这说明：1)片状石墨形成的三维网络更加密集，热量可以更快的在导热性能更好的石墨组织中传递，导热系数因此得到了提升；2)片状石墨在组织中相当于缺陷，石墨越平直、粗大，对基体的割裂作用就越大。因此，细小弯曲的石墨使抗拉强度得到提升。
从图2可以看出，调整本发明孕育剂元素的含量，使用本发明孕育剂的实施例2的试样的组织中，石墨尺寸依然细小，但石墨数量明显减少，这意味着：1)在石墨尺寸较小，数量减少的情况下，石墨网络的连通性大大降低，因此导热系数相比于实施例1大大降低，与对比例1相当。2)石墨数量减少、尺寸不变意味着灰铸铁中石墨含量降低，因此抗拉强度相比于实施例1进一步提高。
而使用了传统硅铁孕育剂的对比例1的石墨数量较少，同时石墨粗大，因此抗拉强度与导热系数均较低。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施例的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂，其特征在于，按质量分数计，化学成分为：Si:47.5％～53.3％、Cr:14.2％～19.1％、N:2.0％～2.7％、Ca:0.6％～0.8％、Al:0.7％～0.9％、Ba:1.1％～1.5％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂，其特征在于，按质量分数计，化学成分为：Si:47.5％、Cr:19.1％、N:2.7％、Ca:0.8％、Al:0.9％、Ba:1.5％，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂，其特征在于，按质量分数计，化学成分为：Si:53.3％、Cr:14.2％、N:2.0％、Ca:0.6％、Al:0.7％、Ba:1.1％，余量为Fe。
4.权利要求1～3任何一项所述的同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂在制备高碳灰铸铁中的应用，其特征在于，步骤如下；
取同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂，破碎成2～4mm粒度的颗粒，采用包内孕育的方法加入高碳灰铸铁的铁液中，除渣后，浇注，得到高碳灰铸铁。
5.根据权利要求4所述的同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂在制备高碳灰铸铁中的应用，其特征在于，所述高碳灰铸铁的铁液的组成，按质量分数计为：3.69～3.99％、Si:1.06％～1.5％、Mn:0.55％～0.8％、S:0.07％～0.11％、Cu:0.25％～0.5％、Cr:0.1％～0.29％、Sn:0.07％～0.09％、Nb:0.1％～0.2％、Mo:0.16％～0.22％。
6.根据权利要求5所述的同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂在制备高碳灰铸铁中的应用，其特征在于，所述高碳灰铸铁的铁液的组成，按质量分数计为：C:3.74％～3.99％、Si:1.15％～1.5％、Mn:0.55％～0.7％、S:0.07％～0.1％、Cu:0.25％～0.5％、Cr:0.1％～0.25％、Sn:0.07％～0.09％、Nb:0.1％～0.2％、Mo:0.16％～0.22％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
7.根据权利要求5所述的同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂在制备高碳灰铸铁中的应用，其特征在于，所述高碳灰铸铁的铁液的组成，按质量分数计为：C:3.69％、Si:1.08％、Mn:0.79％、S:0.11％、Cu:0.3％、Cr:0.29％、Sn:0.09％、Nb:0.2％、Mo:0.2％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；
或者，C:3.74％、Si:1.06％、Mn:0.8％、S:0.11％、Cu:0.3％、Cr:0.29％、Sn:0.09％、Nb:0.2％、Mo:0.2％。
8.根据权利要求4所述的同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂在制备高碳灰铸铁中的应用，其特征在于，所述同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂的添加量为铁液的0.6～0.7wt％。
9.根据权利要求4所述的同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂在制备高碳灰铸铁中的应用，其特征在于，除渣后，浇铸在树脂砂型中。
10.采用权利要求1～3任何一项所述的同时提升高碳灰铸铁导热性能与力学性能的孕育剂制备的高碳灰铸铁。
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