CN115821151A

CN115821151A - 一种高蠕化高强韧性蠕墨铸铁材料的新型制备方法

Info

Publication number: CN115821151A
Application number: CN202211508594.8A
Authority: CN
Inventors: 杨强; 符代桥; 孟宪宝; 王子; 杨振业; 任玉红; 申帅; 宋先日; 李志东; 吴雁玲
Original assignee: China North Engine Research Institute Tianjin
Current assignee: China North Engine Research Institute Tianjin
Priority date: 2022-11-28
Filing date: 2022-11-28
Publication date: 2023-03-21

Abstract

本发明提供了一种高蠕化高强韧性蠕墨铸铁材料的新型制备方法，S1、将预定比例的生铁、废钢、回炉料和增碳剂加入到感应电频炉中，再将硅铁、锰铁、铜、钛铁按所需含量加入熔炼炉中进行熔炼。S2、采用包底冲入法对步骤一中的熔炼液进行蠕化，得到蠕化铁水；S3、除渣保温；S4、蠕化铁水进行浇注，得到蠕墨铸铁制品。本发明所述的一种高蠕化高强韧性蠕墨铸铁材料的新型制备方法，随着Mn和Mo含量的提高，会导致蠕墨铸铁导热率性能变差，同时适当的提高铜含量，又会增强蠕墨铸铁的导热性能，参照GB/T2665‑2011中RT450标准，抗拉强度450MPa,延伸率1.0％，而本发明蠕化率大于95％，抗拉强度大于535MPa,延伸率大于1.8％，25℃下导热率≥40W/(m·K)，450℃下导热率≥36W/(m·K)。

Description

一种高蠕化高强韧性蠕墨铸铁材料的新型制备方法

技术领域

本发明属于柴油发动机材料领域，尤其是涉及一种高蠕化高强韧性蠕墨铸铁材料的新型制备方法。

背景技术

蠕铁缸盖是柴油发动机零部件典型的复杂薄壁结构，在服役状态下比较恶劣，需要承受高温和燃气的循环冲击作用。随着柴油发动机功率密度不断的提升，服役条件下需要承受的载荷和温度也越来越苛刻，相较于传统的灰铸铁和铝合金，高性能蠕铁缸盖材料由于其优异的力学性能逐渐成为高功率柴油发动机缸盖的首选。因此，需要进一步提升提升蠕铁缸盖材料的物理性能，来提高服役条件下的使用寿命，中国发明公开专利CN110894582A公开了一种性能相对较好的蠕墨铸铁材料及其制备方法，C:3.5-4.2％，Si:1.0-1.8％,Mn:0.2-0.3％,P＜0.06％，S＜0.06％,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。该发明专利最终的蠕化率≦88％，抗拉强度≦490MPa,延伸率≦2.9。专利CN115074613 A公开了一种高导热高耐热疲劳蠕墨铸铁及其制备方法，其在室温时的导热系数为41～47W/(m·K)，伸长率≥3.5％，抗拉强度≥350MPa。上述发明的蠕墨铸铁材料对于柴油发动机材料领域蠕化率相对较低，必然会影响材料的导热性能，并且抗拉强度也没有达到500MPa以上，不能满足现行服役工况下高强度和高蠕化率蠕铁的性能要求。另有专利CN 110904381 A也公开了一种蠕墨铸铁材料及制备方法，抗拉强度高达523Mpa，蠕化率高达95％，但是并未公布其断裂延伸率，以及高温导热性能。通常强度的提升都以牺牲韧性为代价，当蠕墨铸铁的强度超过500MPa时候，延伸率在0.5-1％左右。

因此开发出一种高蠕化率且高强韧的蠕墨铸铁缸盖材料，在未来高速柴油发动机及其他汽车零部件的应用中不可或缺。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种高蠕化高强韧性蠕墨铸铁材料的新型制备方法，以为克服上述问题，本发明的目的在于通过控制化学成分，提供一种高蠕化率、高强度和高韧性蠕墨铸铁缸盖材料的制备方法，提高其综合力学性能以及在高温服役条件下的导热性能，使其可用于高速柴油发动机。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种高蠕化高强韧性蠕墨铸铁材料的新型制备方法，包括以下步骤：

S1、将预定比例的生铁、废钢、回炉料和增碳剂加入到感应电频炉中，再将硅铁、锰铁、铜、钛铁按所需含量加入熔炼炉中进行熔炼，待金属全部熔化后进行扒渣，随后出炉得到铁水，保温维持铁水温度1450-1520℃。

S2、采用包底冲入法对步骤一中的熔炼液进行蠕化，得到蠕化铁水；

S3、待步骤S2中的蠕化铁水液面平静后，除渣保温；

S4、经步骤S3中处理后的蠕化铁水进行浇注，浇注温度1450℃，得到蠕墨铸铁制品。

进一步的，所述步骤S2中包底冲入法具体为：在蠕化处理装置中设置堤坝，往堤坝内匀速冲入熔炼液进行蠕化，熔炼液出液温度控制在1550℃；蠕化处理装置在使用前进行300℃干燥处理。

进一步的，所述蠕化处理装置内在堤坝内从下至上依次堆放蠕化剂和孕育剂；其中蠕化剂和孕育剂分别占熔液重量的0.3％-0.9％；蠕化和孕育时间控制在1-5min左右。

进一步的，所述蠕化剂的各化学成分及质量百分比分别为：Mg:3.5-4.5；Ca:2.0-3.0；RE:8.5-9.5；Si:40-50；Al:1.5MAX。

进一步的，所述孕育剂的各化学成分及质量百分比分别为：Ba:4-6；Ca:0.5-2.5；Si:55-65；Al:1.5-2.0。

相对于现有技术，本发明所述的一种高蠕化高强韧性蠕墨铸铁材料的新型制备方法具有以下有益效果：随着Mn和Mo含量的提高，会导致蠕墨铸铁导热率性能变差，同时适当的提高铜含量，又会增强蠕墨铸铁的导热性能，参照GB/T2665-2011中RT450标准，抗拉强度450MPa,延伸率1.0％，而本发明蠕化率大于95％，抗拉强度大于535MPa,延伸率大于1.8％，25℃下导热率≥40W/(m·K)，450℃下导热率≥36W/(m·K)。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种高蠕化高强韧性蠕墨铸铁材料的新型制备方法实施例3的金相图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

一种C:4.0％,Si:2.7％ Mn:0.4％ P:0.01％ Cu:0.7％ Mo:0.1％

Ti:0.14％:余量为Fe和不可避免的杂质。

一种高蠕化高性能蠕墨铸铁材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将25％生铁、废钢、35％回炉料、1.5％增碳剂加入到感应电频炉中，再将0.8％硅铁、0.25％锰铁、0.65％铜、0.45％钛铁按所需含量加入熔炼炉中进行熔炼，待金属全部熔化后进行扒渣，随后出炉得到铁水，保温维持铁水温度1450-1520℃。

步骤二：采用包底冲入法对步骤一中的熔炼液进行蠕化，得到蠕化铁水；

包底冲入法具体为：在蠕化处理装置中设置堤坝，往堤坝内匀速冲入熔炼液进行蠕化，熔炼液出液温度控制在1550℃；所述转运包在使用前进行300℃干燥处理。

步骤三：待步骤二中的蠕化铁水液面平静后，除渣保温；

步骤四：经步骤三中处理后的蠕化铁水进行浇注，浇注温度1450℃，得到蠕墨铸铁缸盖。

步骤二中，转运包包括蠕化剂和孕育剂，转运包包括在堤坝内从下至上依次堆放的蠕化剂和孕育剂；其中蠕化剂和孕育剂分别占熔液重量的0.6％；蠕化和孕育时间控制在3min左右。

蠕化剂的各化学成分及质量百分比分别为：Mg:3.5-4.5；Ca:2.0-3.0；RE:8.5-9.5；Si:40-50；Al:1.5MAX；孕育剂的各化学成分及质量百分比分别为：Ba:4-6；Ca:0.5-2.5；Si:55-65；Al:1.5-2.0；其余成分为Fe。

增碳剂采用石墨粉。

实施例2

一种C:4.2％,Si:2.8％ Mn:0.5％ P:0.01％ Cu:0.8％ Mo:0.2％

Ti:0.14％:余量为Fe和不可避免的杂质。

步骤一：将25％生铁、废钢、35％回炉料、1.5％增碳剂加入到感应电频炉中，再将0.8％硅铁、0.25％锰铁、0.65％铜、0.45％钛铁按所需含量加入熔炼炉中进行熔炼，待金属全部熔化后进行扒渣，随后出炉得到铁水，保温维持铁水温度1500-1520℃。

包底冲入法具体为：在蠕化处理装置中设置堤坝，往堤坝内匀速冲入熔炼液进行蠕化，熔炼液出液温度控制在1550℃；所述转运包在使用前进行350℃干燥处理。

步骤三：待步骤二中的蠕化铁水液面平静后，除渣保温；

增碳剂采用石墨粉。

实施例3

一种C:4.0％,Si:2.8％ Mn:0.4％ P:0.01％ Cu:0.8％ Mo:0.1％

Ti:0.1％:余量为Fe和不可避免的杂质。

步骤三：待步骤二中的蠕化铁水液面平静后，除渣保温；

步骤二中，转运包包括蠕化剂和孕育剂，转运包包括在堤坝内从下至上依次堆放的蠕化剂和孕育剂；其中蠕化剂和孕育剂分别占熔液重量的0.7％；蠕化和孕育时间控制在5min左右。

增碳剂采用石墨粉。

实施例4

一种C:3.8％,Si:2.7％ Mn:0.4％ P:0.01％ Cu:0.85％Mo:0.1％

Ti:0.14％:余量为Fe和不可避免的杂质。

步骤三：待步骤二中的蠕化铁水液面平静后，除渣保温；

步骤二中，转运包包括蠕化剂和孕育剂，转运包包括在堤坝内从下至上依次堆放的蠕化剂和孕育剂；其中蠕化剂和孕育剂分别占熔液重量的0.6％；蠕化和孕育时间控制在5min左右。

增碳剂采用石墨粉。

实施例5

一种C:4.0％,Si:2.7％ Mn:0.5％ P:0.01％ Cu:0.65％Mo:0.3％

Ti:0.1％:余量为Fe和不可避免的杂质。

包底冲入法具体为：在蠕化处理装置中设置堤坝，往堤坝内匀速冲入熔炼液进行蠕化，熔炼液出液温度控制在1520℃；所述转运包在使用前进行300℃干燥处理。

步骤三：待步骤二中的蠕化铁水液面平静后，除渣保温；

步骤二中，转运包包括蠕化剂和孕育剂，转运包包括在堤坝内从下至上依次堆放的蠕化剂和孕育剂；其中蠕化剂和孕育剂分别占熔液重量的0.4％；蠕化和孕育时间控制在3min左右。

增碳剂采用石墨粉。

表1实施例1与2实验测试值

优选实施例3，综合机械性能达到抗拉强度Rm≥540MPa、延伸率A％≥2.1％、室温热导率≥40W/m·k、450℃导热率≥38W/m·k、蠕化率≥95％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高蠕化高强韧性蠕墨铸铁材料的新型制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、将预定比例的生铁、废钢、回炉料和增碳剂加入到感应电频炉中，再将硅铁、锰铁、铜、钛铁按所需含量加入熔炼炉中进行熔炼，待金属全部熔化后进行扒渣，随后出炉得到铁水，保温维持铁水温度1450-1520℃；

S3、待步骤S2中的蠕化铁水液面平静后，除渣保温；

2.根据权利要求1所述的一种高蠕化高强韧性蠕墨铸铁材料的新型制备方法，其特征在于：步骤S2中包底冲入法具体为：在蠕化处理装置中设置堤坝，往堤坝内匀速冲入熔炼液进行蠕化，熔炼液出液温度控制在1550℃；蠕化处理装置在使用前进行300℃干燥处理。

3.根据权利要求2所述的一种高蠕化高强韧性蠕墨铸铁材料的新型制备方法，其特征在于：蠕化处理装置内在堤坝内从下至上依次堆放蠕化剂和孕育剂；其中蠕化剂和孕育剂分别占熔液重量的0.3％-0.9％；蠕化和孕育时间控制在1-5min左右。

4.根据权利要求3所述的一种高蠕化高强韧性蠕墨铸铁材料的新型制备方法，其特征在于：蠕化剂的各化学成分及质量百分比分别为：Mg:3.5-4.5；Ca:2.0-3.0；RE:8.5-9.5；Si:40-50；Al:1.5MAX。

5.根据权利要求3所述的一种高蠕化高强韧性蠕墨铸铁材料的新型制备方法，其特征在于：孕育剂的各化学成分及质量百分比分别为：Ba:4-6；Ca:0.5-2.5；Si:55-65；Al:1.5-2.0。