CN110894582A - 一种高强度和高导热蠕墨铸铁及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料铸造技术领域，公开了一种高强度和高导热率的蠕墨铸铁材料及其制备方法。本发明蠕墨铸铁按质量百分比包括如下成分：C：3.5‑4.2%，Si：1.0‑1.8%，Mn：0.2‑0.3%，P<0.06%，S<0.02%，V：0.02‑0.05%，Cu：0.5‑1.0%，Sn：0.03‑0.05%，Sb：0.004‑0.028%，Mg：0.016‑0.022%，RE：0.005‑0.015%，余量为Fe和不可避免的杂质。制备方法分为配料、熔炼、蠕化、孕育处理、浇注五个步骤。本发明的优势在于提高蠕墨铸铁抗拉强度的前提下，显著提升材料的室温和高温导热率。
Description
技术领域
本发明应用于金属材料铸造技术领域，具体涉及到一种高强度和高导热蠕墨铸铁及其制备方法。
背景技术
蠕墨铸铁的石墨形貌为蠕虫状，介于球状和片状之间。蠕墨铸铁的综合性能优良，介于灰铸铁和球墨铸铁。蠕墨铸铁的抗拉强度和疲劳强度比灰铸铁成倍提高，导热率又远高于球墨铸铁，因而是先进柴油机和重载汽车关键部件的适用材料。随着高性能机动车的不断发展，要求关键材料同时具有高强韧性和高导热性。普通铸铁材料，无论是灰铸铁，蠕墨铸铁还是球墨铸铁均无法满足服役和使用工况要求。因此，如何制备高强度和高导热的蠕墨铸铁材料成为制约其应用的一个瓶颈。
中国发明公开专利 CN 109136731A公开了一种铜钼蠕墨铸铁及其制备方法，C：3.6-3.8%、Si：2.2-2.3%、Mo：0.3-0.4%、S：0-0.03%、P：0-0.06%、Cu：0.4%、Mo：0.2%、RE：0-0.2%、Mg：0.1-0.5%、Ca：0.2-0.33%。该发明加入0.45-0.5%的Mg-RE系蠕化剂，0.7-0.8%的Fe-75Si孕育剂，蠕化率>80%，珠光体含量>50%。该发明珠光体下限为50%，导致材料的最低抗拉强度降至355MPa，不能满足服役工况对高强度和高导热蠕铁的性能要求。
中国发明公开专利CN 108754297B授权了一种耐海水腐蚀的蠕墨铸铁及其制备方法，C：3.5%-3.7%、Si：2.8-3.0%、Mn：0.001-0.3%、P：0.001-0.035%、S：0.001-0.02%、Ni：2-3%、Cu：0.3-0.4%、Mo：0.1-0.2%、Cr：0.2-0.3%、Sn：0.02-0.03%、Sb：0.003-0.005%、Ca：0.05-0.10%、Ti：0.1-0.2%、Zr：0.01-0.02%、Mg：0.01-0.02%、RE：0.01-0.02%。该发明蠕墨铸铁材料蠕化率为65-95%，珠光体含量为60-70%。由于蠕化率对蠕铁的导热率影响较大，蠕化率较低会使材料的导热性能会大幅下降。
中国发明公开专利CN 104532113A 公开了一种钒钛蠕墨铸铁及其生产方法；C：3.8-4.2%、Si：1.8-2.2%、Mn：0.4-0.7%、V：0.15-0.34%、Ti：0.05-0.08%、Cr：0.1-0.3%、S：0.03-0.06%、P：0.05-0.09%、Mg：0.01-0.03%。该发明蠕化率>70%，珠光体含量>70%。未显示材料强度与导热率，但根据该材料的蠕化率和珠光体含量偏低，其导热性能将会较低。
中国发明公开专利CN 102409220A 公开了一种高强韧蠕墨铸铁及其制备方法；C：3.4-3.8%、Si：2.1-2.6%、Cu：0.2-0.5%、Mo：0.2-0.5%、Mn：0.2-0.8%、Sn：0.02-0.04%、Sb：0.004-0.032%。制备的铸态蠕墨铸铁进行等温正火处理后获得下贝氏体组织，虽然抗拉强度高达900MPa，伸长率3%，但该材料不适用铸态条件下使用。
中国发明公开专利CN110093554A 公开了一种兼具高导热率和高强度的蠕墨铸铁及其制备方法与应用；C：3.5-4.0%、Si：2.1-2.5%、Mn：0.2-0.6%、S：<0.02%、P：<0.04%、Cu：0.2-0.6%、Mo：0.1-0.5%。该发明抗拉强度<400MPa，室温导热率<42W/(m.K)，仍无法满足使用服役工况的高强度和高导热要求。
由此可见，现有技术制备的蠕墨铸铁在高速、高温、高压的恶劣服役条件下，强度和导热率均不够高。
发明内容
本发明要克服现有技术存在的在高速、高温、高压的恶劣工况条件下，蠕墨铸铁强度和导热率均不够高的问题，提供了一种高强度和高导热蠕墨铸铁及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高强度和高导热蠕墨铸铁，按质量百分比包括如下成分：C：3.5-4.2%，Si：1.0-1.8%，Mn：0.2-0.3%，P<0.06%，S<0.02%，V：0.02-0.05%，Cu：0.5-1.0%，Sn：0.03-0.05%，Sb：0.004-0.028%，Mg：0.016-0.022%，RE：0.005-0.015%，余量为Fe和不可避免的杂质。
上述蠕墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：
（1）将生铁和废钢加入到感应电炉中熔化,待熔化后测量铁液中的C、Si元素含量，进一步加入生铁和废钢进行微调，使C、Si元素含量满足设计要求；
（2）铁液温度为1450℃-1500℃出炉，预热浇包并记录铁液质量，随后将铁液倒入感应电炉中进行二次加热；
（3）称量需要添加的电解铜、钒铁、纯锡、蠕化剂和孕育剂；
（4）蠕化孕育处理采用包底冲入法，具体分为三层：底层为蠕化剂，中层为孕育剂，上层为铁屑；将占铁水重量0.45-0.70%的蠕化剂、0.6-0.8%的孕育剂放入浇包后需捣实，随后将占铁水重量2-3%的铁屑覆盖在蠕化剂、孕育剂表面；
（5）待铁液温度为1250℃，将电解铜、钒铁加入感应炉中进行熔炼，待温度1400-1450℃后进行造渣，扒渣，保证铁液纯净，1520-1530℃将纯锡加入铁液后出炉；
（6）出炉后用热电偶检测铁液温度，铁液温度为1430-1480℃进行浇注。
上述蠕化剂和孕育剂的粒度为3-15mm。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
1、本发明发现，随着Si元素量的增加，蠕墨铸铁的导热性能降低，因此本发明大幅降低了Si元素的含量，随着Mn元素的增加，蠕墨铸铁导热性能变差，因此本发明降低了Mn元素的含量，同时加入了微量元素V和Sb，调节常规元素Cu、Sn，成分设计更加合理。参照GB/T26655—2011中RT450标准，室温强度增加5.0%，室温导热率增加10.8%，400℃导热率增加7.9%。
2、本发明控制蠕墨铸铁蠕化率>80%，珠光体含量>90%，具有较为突出的力学性能。
3、本发明合金体系中未添加成本较高的Mo、Ni等元素，材料的成本低，适于大规模的使用。
4、本发明的制备工艺中，采用Mg-Ca-RE-Si蠕化剂，且准确控制蠕化剂及孕育剂的加入量，确保蠕墨铸铁的稳定生产。
附图说明
图1为实施例1蠕墨铸铁的石墨形貌；
图2为实施例1蠕墨铸铁的的基体金相组织；
图3为实施例2蠕墨铸铁石墨形貌；
图4为实施例2蠕墨铸铁的基体金相组织；
图5为实施例3蠕墨铸铁的石墨形貌；
图6为实施例3蠕墨铸铁的基体金相组织。
具体实施方式
本发明实施过程中生铁和废钢材料不做限定，可根据实际生产情况，选用符合国家标准规定的原材料。生铁和废钢在熔炼之前需进行除锈和除油处理，以确保铁液成分的稳定。本发明实施过程中还选用电解铜、纯锡、钒铁为原料，Mg-Ca-Nb-RE-Si合金为蠕化剂，75SiFe为孕育剂。
碳当量CE计算公式为：CE=[C+0.3(Si+P)+0.4S]，式中各元素代表相应元素的质量百分比。本发明具体实施方案中，控制蠕墨铸铁的碳当量为4.30-4.43%。
实施例1：一种高强度和高导热蠕墨铸铁，采用下述方法制备得到：
（1）准备原料：生铁、废钢、电解铜、钒铁、纯锡、Mg-Ca-Nb-RE-Si蠕化剂和75SiFe孕育剂；配料计算：各元素重量百分比为：C：4.02%，Si：1.20%，Mn：0.23%，P：0.05%，S：0.018%，V：0.024%，Cu：0.80%，Sn：0.035%，Sb：0.009%，Mg：0.0185%，RE：0.008%，余量为Fe和不可避免的杂质。熔炼浇注：将84%的生铁和16%的废钢加入到200kg感应电炉中熔化。待熔化后测量铁液中的C、Si元素含量，进一步加入生铁废钢进行微调，使C、Si元素含量满足设计要求。
（2）铁液温度为1450℃出炉，预热浇包并记录铁液质量，随后将铁液倒入感应电炉中进行二次加热。
（3）根据铁液质量和成分设计，称量需要添加的原料及蠕化剂、孕育剂加
入量。
（4）蠕化孕育处理采用包底冲入法，具体分为三层：底层为蠕化剂，中层为孕育剂，上层为铁屑。将占铁水重量0.62%的蠕化剂、0.69%的孕育剂放入浇包后需捣实，随后将占铁水重量2.6%的铁屑覆盖在蠕化剂、孕育剂表面。蠕化剂孕育剂粒度为5-10mm。
（5）待铁液温度为1250℃，将电解铜、钒铁加入感应炉中进行熔炼，待温度1400-1450℃后进行造渣，扒渣，保证铁液纯净，1520-1530℃将纯锡加入铁液后出炉。
（6）出炉后用热电偶检测铁液温度，铁液温度为1430-1480℃进行浇注。
图1为实施例1中蠕墨铸铁的石墨形貌，图2为实施例1中蠕墨铸铁的基体金相组织，根据GB/T 26656-2011中蠕化率计算公式，可得出该试样的蠕化率为88.27%，珠光体含量为96.15%。该材料室温抗拉强度为488MPa；室温导热率为42.6 W·m−1·K−1。
实施例2：一种高强度和高导热蠕墨铸铁，采用下述方法制备得到：
（1）准备原料：生铁、废钢、电解铜、钒铁、纯锡、Mg-Ca-Nb-RE-Si蠕化剂和75SiFe孕育剂；配料计算：各元素重量百分比为：C：4.05%，Si：1.18%，Mn：0.27%，P：0.04%，S：0.019%，V：0.028%，Cu：0.95%，Sn：0.032%，Sb：0.011%，Mg：0.0195%，RE：0.006%，余量为Fe和不可避免的杂质。熔炼浇注：将82%的生铁和18%的废钢加入到500kg感应电炉中熔化。待熔化后测量铁液中的C、Si元素含量，进一步加入生铁废钢进行微调，使C、Si元素含量满足设计要求。
（2）铁液温度为1450℃出炉，预热浇包并记录铁液质量，随后将铁液倒入感应电炉中进行二次加热。
（3）根据铁液质量和成分设计，称量需要添加的原料及蠕化剂、孕育剂加入量。
（4）蠕化孕育处理采用包底冲入法，具体分为三层：底层为蠕化剂，中层为孕育剂，上层为铁屑。将占铁水重量0.68%的蠕化剂、0.72%的孕育剂放入浇包后需捣实，随后将占铁水重量2.5%的铁屑覆盖在蠕化剂、孕育剂表面。蠕化剂孕育剂粒度为5-10mm。
（5）待铁液温度为1250℃，将电解铜、钒铁加入感应炉中进行熔炼，待温度1400-1450℃后进行造渣，扒渣，保证铁液纯净，1520-1530℃将纯锡加入铁液后出炉。
（6）出炉后用热电偶检测铁液温度，铁液温度为1430-1480℃进行浇注。
图3为实施例2中蠕墨铸铁的石墨形貌，图4为实施例2中蠕墨铸铁的基体金相组织，根据GB/T 26656-2011中蠕化率计算公式，可得出该试样的蠕化率为83.75%，珠光体含量为92.78%。该材料室温抗拉强度为475MPa；室温导热率为42.8 W·m−1·K−1。
实施例3：一种高强度和高导热蠕墨铸铁，采用下述方法制备得到：
（1）准备原料：生铁、废钢、电解铜、钒铁、纯锡、Mg-Ca-Nb-RE-Si蠕化剂和75SiFe孕育剂；配料计算：各元素重量百分比为：C：3.90%，Si：1.50%，Mn：0.26%，P：0.05%，S：0.018%，V：0.026%，Cu：0.70%，Sn：0.037%，
Sb：0.015%，Mg：0.0120%，RE：0.008%，余量为Fe和不可避免的杂质。熔炼浇注：将80%的生铁和20%的废钢加入到1000kg感应电炉中熔化。待熔化后测量铁液中的C、Si元素含量，进一步加入生铁废钢进行微调，使C、Si元素含量满足设计要求。
（2）铁液温度为1450℃出炉，预热浇包并记录铁液质量，随后将铁液倒入感应电炉中进行二次加热。
（3）根据铁液质量和成分设计，称量需要添加的原料及蠕化剂、孕育剂加入量，所有原料的称量误差应＜0.005%。
（4）蠕化孕育处理采用包底冲入法，具体分为三层：底层为蠕化剂，中层为孕育剂，上层为铁屑。将占铁水重量0.69%的蠕化剂、0.65%的孕育剂放入浇包后需捣实，随后将占铁水重量2.5%的铁屑覆盖在蠕化剂、孕育剂表面。蠕化剂孕育剂粒度为10-15mm。
（5）待铁液温度为1250℃，将电解铜、钒铁加入感应炉中进行熔炼，待温度1400-1450℃后进行造渣，扒渣，保证铁液纯净，1520-1530℃将纯锡加入铁液后出炉。
（6）出炉后用热电偶检测铁液温度，铁液温度为1430-1480℃进行浇注。
图5为实施例3中蠕墨铸铁的石墨形貌，图6为实施例3中蠕墨铸铁的基体金相组织，根据GB/T 26656-2011中蠕化率计算公式，可得出该试样的蠕化率为86.75%，珠光体含量为95.26%。该材料室温抗拉强度为493MPa；室温导热率为43.1 W·m−1·K−1。
表1实施例合金的化学成分（余量为Fe及不可避免杂质，单位wt.%）
| 编号 | C | Si | Mn | P | S | V | Cu | Sn | Sb | Mg | RE |
| 实施例1 | 4.02 | 1.20 | 0.23 | 0.05 | 0.018 | 0.024 | 0.80 | 0.035 | 0.009 | 0.0185 | 0.008 |
| 实施例2 | 4.05 | 1.18 | 0.27 | 0.04 | 0.019 | 0.028 | 0.95 | 0.032 | 0.011 | 0.0195 | 0.006 |
| 实施例3 | 3.90 | 1.50 | 0.26 | 0.05 | 0.018 | 0.026 | 0.70 | 0.037 | 0.015 | 0.0120 | 0.008 |
表2实施例合金的金相组织、力学性能、导热率
Claims (3)
1.一种高强度和高导热蠕墨铸铁，其特征在于，按质量百分比包括如下成分：C：3.5-4.2%，Si：1.0-1.8%，Mn：0.2-0.3%，P<0.06%，S<0.02%，V：0.02-0.05%，Cu：0.5-1.0%，Sn：0.03-0.05%，Sb：0.004-0.028%，Mg：0.016-0.022%，RE：0.005-0.015%，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强度和高导热蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将生铁和废钢加入到感应电炉中熔化,待熔化后测量铁液中的C、Si元素含量，进一步加入生铁和废钢进行微调，使C、Si元素含量满足设计要求；
（2）铁液温度为1450℃-1500℃出炉，预热浇包并记录铁液质量，随后将铁液倒入感应电炉中进行二次加热；
（3）称量需要添加的电解铜、钒铁、纯锡、蠕化剂和孕育剂；
（4）蠕化孕育处理采用包底冲入法，具体分为三层：底层为蠕化剂，中层为孕育剂，上层为铁屑；将占铁水重量0.45-0.70%的蠕化剂、0.6-0.8%的孕育剂放入浇包后需捣实，随后将占铁水重量2-3%的铁屑覆盖在蠕化剂、孕育剂表面；
（5）待铁液温度为1250℃，将电解铜、钒铁加入感应炉中进行熔炼，待温度1400-1450℃后进行造渣，扒渣，保证铁液纯净，1520-1530℃将纯锡加入铁液后出炉；
（6）出炉后用热电偶检测铁液温度，铁液温度为1430-1480℃进行浇注。
3.根据权利2所述的高强度和高导热蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于，蠕化剂和孕育剂的粒度为3-15mm。
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