CN117344192A - 一种孕育剂以及在制备高碳灰铸铁中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高碳灰铸铁铸造技术领域，涉及一种孕育剂以及在制备高碳灰铸铁中的应用。该孕育剂按质量分数计，化学成分为：Si：36.7～42.5％、Cr：23.5～28.4％、N：3.9～6.0％，余量为Fe。将该孕育剂用于制备高碳灰铸铁，能有效解决现有技术中高碳灰铸铁在常温与高温情况下耐磨性能低的技术问题，使高碳灰铸铁材料在常温(20℃)、高温(500℃)情况下的磨损失重大幅降低。本发明制得的孕育剂用于制备高碳灰铸铁，具有钝化石墨尖端、减弱尖端效应、减弱石墨对基体组织割裂的作用。特别适用于生产高碳灰铸铁车辆制动盘及其他对磨损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铸造技术领域，涉及一种孕育剂以及在制备高碳灰铸铁中的应用，以及采用该应用制得的高碳灰铸铁。
背景技术
灰铸铁是一种以珠光体或珠光体、铁素体为基体，夹杂无方向性均匀分布片状石墨的铸铁组织。这种组织特征使得高碳灰铸铁具有多种性能优势，如导热性能优良、自润滑性、良好的铸造性能等等。这些优势使得高碳灰铸铁成为车辆制动盘的首选材料。
石墨是灰铸铁中一种特殊存在的相，在提高灰铸铁导热能力的同时也对磨损过程产生一定程度的影响。由于石墨本身的强度很低，会在反复应力的作用下失效，进入摩擦副间的石墨会在磨损过程中均匀涂抹在磨损表面，可一定程度保护基体。同时石墨组织的导热能力优良，因此灰铸铁材料在磨损过程中产生的热量能够被很好的传导，故如何改变高碳灰铸铁在常温与高温情况下的磨损性能就显得尤为重要。经过大量的科学实验和实际生产检验得出，A型石墨的灰铸铁组织是所有片状石墨灰铸铁组织中的最优解。但是由于A型石墨组织在灰铸铁基体中的割裂效应大，致使A型石墨的高碳灰铸铁组织在常温和高温下的耐磨损性能差。这种差异是由石墨的尖端效应引起的。现有技术中，广泛投入实际生产使用的孕育剂为含Mo、Ba、Nb、Ca、稀土元素等的硅铁孕育剂。大多数孕育剂的主要作用为提高灰铸铁材料的力学性能、加工性能等，少有对提升灰铸铁耐磨损性能的孕育剂的研究。
基于上述分析，一种能够有效解决现有技术中高碳灰铸铁在常温与高温情况下耐磨性能低的孕育剂是行业内急需的。
发明内容
鉴于上述不足，本发明的目的之一是通过向孕育剂中添加Cr、N等元素，改变孕育剂成分，制备出一种提升高碳灰铸铁常温与高温耐磨性能的孕育剂。
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，在不改变石墨长度的前提下，改变石墨形态，促使石墨尖端发生钝化，提升高碳灰铸铁在常温与高温的耐磨损性能。经检测，在相同碳当量、石墨含量的前提下，本发明的孕育剂可使高碳灰铸铁常温(20℃)的磨损失重降低53％，在高温(500℃)的磨损失重降低41％，大大提高了高碳灰铸铁在常温与高温下的耐磨性能。
本发明实现上述目的采取的技术方案如下：
本发明公开了一种孕育剂，按质量分数计，包括：
Si：36.7～42.5％；Cr：23.5～28.4％；N：3.9～6.0％；余量为Fe。
进一步地，该孕育剂按质量分数计，包括：
Si：36.7％；Cr：28.4％；N：3.9％，余量为Fe。
本发明还公开了一种根据上述孕育剂在制备高碳灰铸铁中的应用，包括；
将孕育剂破碎成1～2mm的颗粒，采用包内孕育的孕育方法，除渣剂除渣后，浇铸，得到高碳灰铸铁。
进一步地，所述高碳灰铸铁按质量分数计，包括：
C：3.60～3.90％、Si：1.04％～1.24％、Mn：0.60％～0.80％、S：0.10％～0.30％、Cu：0.25％～0.5％、Cr：0.15％～0.35％、N：0.02％～0.07％。
进一步地，所述高碳灰铸铁按质量分数计，包括：
C：3.83％、Si：1.09％、Mn：0.73％、S：0.12％、Cu：0.46％、Cr：0.21％、N：0.03％、余量Fe及不可避免的杂质元素。
进一步地，所述孕育剂的添加量为高碳灰铸铁质量的0.7～0.8％。
进一步地，所述浇铸在树脂砂铸型中。
进一步地，所述高碳灰铸铁出炉温度为1480℃-1530℃。
进一步地，所述浇铸温度为1320℃-1370℃。
本发明还公开了一种根据上述任一应用方法制得的高碳灰铸铁。
经本发明研究，石墨尖端效应为影响高碳灰铸铁在常温与高温情况下耐磨损性能的最重要因素。在灰铸铁基体中，石墨组织割裂基体连续性，在磨损过程中裂纹容易在石墨尖端处产生，进而扩散而导致灰铸铁组织脱落而产生较大的磨损失重。因此，本发明得出了一个拥有在常温和高温情况下耐磨损性能都大幅提升的高碳灰铸铁组织：石墨尖端钝化的高碳灰铸铁组织。
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加入Cr、N元素，改变孕育剂成分制备出一种新型孕育剂，进而利用该提升高碳灰铸铁常温与高温耐磨性能的孕育剂用于制备高碳灰铸铁，在不改变石墨长度的前提下，对石墨尖端进行钝化，最大限度的提升灰铸铁组织的耐磨性能。本发明特别适用于生产高碳灰铸铁车辆制动盘这种铸件。本发明能显著提升高碳灰铸铁车辆制动盘在常温和高温情况下的耐磨损性能，能有效延长高碳灰铸铁刹车盘的使用寿命，同时在一定程度上避免了高碳灰铸铁刹车盘在使用过程中因磨损而发生失效的情况，在降低经济损失的同时，能够保护驾驶者的安全。
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1制备的高碳灰铸铁在20℃、500℃下的磨损形貌图。其中(a)为实施例1在20℃情况下的磨损表面形貌；(b)为实施例1在500℃情况下的磨损表面形貌；(c)为实施例1在20℃情况下的磨损截面形貌；(d)为实施例1在500℃情况下的磨损截面形貌。
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。
图4为本发明对比例1制备的高碳灰铸铁在20℃、500℃下的磨损形貌图。其中(a)为对比例1在20℃情况下的磨损表面形貌；(b)为对比例1在500℃情况下的磨损表面形貌；(c)为对比例1在20℃情况下的磨损截面形貌；(d)为对比例1在500℃情况下的磨损截面形貌。
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。
本发明提供的一种孕育剂，按质量分数计，化学成分为：Si：36.7～42.5％、Cr：23.5～28.4％、N：3.9～6.0％，余量为Fe。
本实施方式提供一种优选配比，但不限于此，即按质量分数计，化学成分为：Si：36.7％、Cr：28.4％、N：3.9％，余量为Fe。
本发明提供的孕育剂，其中Cr、N元素优选以氮化铬铁合金的方式加入；Si元素优选以75硅铁的方式加入。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。
本发明还提供了上述孕育剂在制备高碳灰铸铁中的应用，包括如下步骤：
孕育剂破碎成1-2mm粒度的颗粒，采用包内孕育的孕育方法，使用除渣剂除渣后，浇铸在在树脂砂铸型中，得到高碳灰铸铁铸锭。
上述技术方案中，孕育剂的添加量为铁液的0.7-0.8wt％。
上述技术方案中，高碳灰铸铁的组成，按质量分数计为：C：3.60～3.90％、Si：1.04％～1.24％、Mn：0.60％～0.80％、S：0.10％～0.30％、Cu：0.25％～0.5％、Cr：0.15％～0.35％、N：0.02％～0.07％。优选为C：3.83％、Si：1.09％、Mn：0.73％、S：0.12％、Cu：0.46％、Cr：0.21％、N：0.03％、余量为Fe及不可避免的杂质元素；
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。
本发明还提供了上述孕育制得的高碳灰铸铁。
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
一种孕育剂，按质量分数计，包括：
Si：36.7％、Cr：28.4％、N：3.9％，余量为Fe。
上述孕育剂在制备高碳灰铸铁中的应用：
取孕育剂(其中Cr、N元素优选以氮化铬铁合金的方式加入；Si元素优选以75硅铁的方式加入)，破碎成1-2mm粒度的颗粒，采用包内孕育的孕育方法，除渣剂除渣后，浇铸在树脂砂铸型中，得到高碳灰铸铁铸锭。其中，铁液由高纯生铁、回炉料、增碳剂、硅铁、锰铁、铬铁、铜、硫化亚铁组成，加入中频感应炉中，升温熔炼成铁液；孕育剂加入量为高碳灰铸铁的0.7wt％，铁水出炉温度1480℃，浇铸温度1370℃。高碳灰铸铁，按质量百分比计，化学组成为：C：3.83％、Si：1.09％、Mn：0.73％、S：0.12％、Cu：0.46％、Cr：0.21％、N：0.03％、余量为Fe及不可避免的杂质元素。
对浇铸得到的高碳灰铸铁铸锭进行切割、打磨、抛光，制成组织观察试样、磨损检测试样。使用MS-HT1000型高温摩擦磨损试验机进行磨损实验，磨损实验的实验参数如下，对磨副：GCr15钢球(直径6mm)；载荷：7N；摩擦副相对运动速度：0.785m/s；磨损时间：90min；实验温度：20℃、500℃。磨损实验进行多次，对得到的磨损失重取平均值。使用金相显微镜观察试样组织、磨损后表面形貌、磨损后截面形貌。结果表1、图1和图2所示。
对比例1
取75硅铁孕育剂(按质量分数计，化学成分为Si：70％、C：0.2％，余量为Fe)，破碎成1-2mm粒度的颗粒，采用包内孕育的孕育方法，除渣剂除渣后，浇铸在树脂砂铸型中，得到高碳灰铸铁铸锭。其中，铁液由高纯生铁、回炉料、增碳剂、硅铁、锰铁、铬铁、铜、硫化亚铁组成，加入中频感应炉中，升温熔炼成铁液；孕育剂加入量为高碳灰铸铁的0.7wt％，铁水出炉温度1480℃，浇铸温度1370℃。高碳灰铸铁，按质量百分比计，化学组成为：C：3.65％、Si：1.06％、Mn：0.70％、S：0.29％、Cu：0.49％、Cr：0.31％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
对浇铸得到的高碳灰铸铁铸锭进行切割、打磨、抛光，制成组织观察试样、磨损检测试样。使用MS-HT1000型高温摩擦磨损试验机进行磨损实验，磨损实验的实验参数如下，对磨副：GCr15钢球(直径6mm)；载荷：7N；摩擦副相对运动速度：0.785m/s；磨损时间：90min；实验温度：20℃、500℃。磨损实验进行多次，对得到的磨损失重取平均值。使用金相显微镜观察试样组织、磨损后表面形貌、磨损后截面形貌。结果表1、图3和图4所示。
表1为实施例1、对比例1试样在20℃、500℃下的磨损失重对比。
| 20℃磨损失重/mg | 500℃磨损失重/mg | |
| 实施例1 | 16.75 | 62.5 |
| 对比例1 | 35.8 | 105.7 |
从表1可以看出，与对比例1相比，实施例1的耐磨损性能在20℃、500℃条件下均取得了意想不到的提升。
对比图1、图3可以看出，使用本发明孕育剂的实施例1的试样组织中，石墨尖端存在明显的钝化现象，并且本孕育剂未对石墨组织的尺寸、含量进行改变，未影响石墨组织的润滑效果。石墨尖端钝化的灰铸铁组织，其尖端的应力集中效应被大大减弱，故在磨损过程中，裂纹不容易在石墨处萌生，从而提高了耐磨损性能。
而使用了传统硅铁孕育剂的对比例1中，由于石墨的尖端效应，在磨损过程中，裂纹容易在石墨尖端萌生，故而其周围基体容易发生脱落，从而产生较大的磨损失重。
在图2、图4中，从磨损表面形貌(a)、(b)来看，实施例1在20℃、500℃情况下的磨损表面破坏程度均小于对比例1的磨损表面破坏程度。对比例1在20℃情况下的磨损表面存在大量的波纹状形貌以及孔洞等；而实施例1在20℃情况下的磨损表面则较为平滑，破坏程度较小。对比例1在500℃情况下的磨损表面存在大量的氧化层剥落，氧化层边缘位置破碎严重，存在大量微裂纹；而实施例1在500℃情况下的磨损表面氧化层脱落情况较少，氧化层边缘位置破碎情况也不严重，破坏程度较小。
在图2、图4中，从磨损截面形貌(c)、(d)来看，实施例1在20℃、500℃情况下的磨损表面破坏程度均小于对比例1的磨损表面破坏程度。对比例1在20℃情况下由于亚表层石墨组织的尖端效应，裂纹扩展至磨损表面后，致使基体组织发生脱落，从而在磨损表面留下大量孔洞；而实施例1在20℃情况下的亚表层石墨组织尖端效应较弱，未出现明显的裂纹扩展情况。对比例1在500℃情况下其表面的氧化膜更容易在石墨组织的尖端效应下发生脱落，亚表层石墨组织尖端存在大量裂纹萌生；而实施例1在500℃情况下亚表层石墨组织裂纹萌生较少，氧化层与基体组织间贴合紧密。
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)
1.一种孕育剂，按质量分数计，包括：
Si：36.7～42.5％；Cr：23.5～28.4％；N：3.9～6.0％；余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的孕育剂，其中：
Si：36.7％；Cr：28.4％；N：3.9％，余量为Fe。
3.一种根据权利要求1或2所述孕育剂在制备高碳灰铸铁中的应用，包括；
将孕育剂破碎成1～2mm的颗粒，采用包内孕育的孕育方法，除渣剂除渣后，浇铸，得到高碳灰铸铁。
4.根据权利要求3所述的应用，其中：
所述高碳灰铸铁按质量分数计，包括：
C：3.60～3.90％、Si：1.04％～1.24％、Mn：0.60％～0.80％、S：0.10％～0.30％、Cu：0.25％～0.5％、Cr：0.15％～0.35％、N：0.02％～0.07％。
5.根据权利要求4所述的应用，其中：
所述高碳灰铸铁按质量分数计，包括：
C：3.83％、Si：1.09％、Mn：0.73％、S：0.12％、Cu：0.46％、Cr：0.21％、N：0.03％、余量Fe及其他杂质。
6.根据权利要求3所述的应用，其中：
所述孕育剂的添加量为高碳灰铸铁质量的0.7～0.8％。
7.根据权利要求3所述的应用，其中：
所述浇铸在树脂砂铸型中。
8.根据权利要求3所述的应用，其中：
所述高碳灰铸铁的出炉温度为1480℃-1530℃。
9.根据权利要求3所述的应用，其中：
所述浇铸温度为1320℃-1370℃。
10.一种根据采用权利要求3～9任一应用方法制得的高碳灰铸铁。
Priority Applications (1)
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