耐热球墨铸铁及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种耐热球墨铸铁及其制备方法，制备方法包括以下各步骤：合金熔炼，合金的组分及其质量百分比为：C：2.7%～3.5%，Si：4.0%～5.0%，W：1.5%～3.5%，Mg：0.02%～0.05%，V：0.1%～0.5%，Re：<0.03%，Mo：0.15%～0.6%，Mn：0.05%～1.0%，P：≤0.03%，S：≤0.02%，余量为铁和不可避免的杂质；出铁水、孕育和球化处理；浇注。本发明的耐热球墨铸铁具有优异的高温抗氧化性、高温抗裂纹性及热疲劳性能，且力学性能优异、生产成本较低，适合于生产发动机排放系统的零部件。
【专利说明】耐热球墨铸铁及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种球墨铸铁材料以及该球墨铸铁的生产工艺，尤其是一种用于生产汽车发动机用的排气歧管、涡轮增压器壳体、催化剂箱等排气系统零部件的耐热球墨铸铁。
【背景技术】
[0002]目前，耐热铸铁使用最广的是中高硅球铁、中硅钥蠕铁以及高镍奥氏体铸铁。现有的铁素体球墨铸铁具有良好的铸造性能及优异的切削性能，而且制造成本低，但是在耐氧化性、耐热裂纹性等耐热性能上有较大的局限，使用温度不到800°C。近年来，随着汽车发动机的高性能化及燃料利用率提高，废气的排放温度不断在上升，要求排气系统零件的额温度至少在800°C以上，这使得普通的高硅铁素体耐热铸铁应用受到了很大的限制。排气系统零件为了应对超过800°C的温度，可以采用耐热性更优异的含Ni20-40%的高镍球铁(D5S、D3.5S等)，或含Crl8%、Ni8%以上的奥氏体不锈钢铸钢，来替代现有的高Si铁素体球墨铸铁。但是，高镍奥氏体球铁和不锈钢铸钢，因为含有昂贵的Ni和Cr，成本过高，且铸造性能较差，很容易因为冷隔、气孔、夹杂等缺陷造成废品。因此，为了满足排气系统零件耐热性能的要求，同时提高产品竞争力和企业经济效益，迫切需要开发一种高性能低成本耐热铸铁材料。
[0003]中国专利文献CN1926255公开了一种耐热铸铁及由其构成的排气系统零件，可以在超过800°C的温度下使用，成分中含S1:3.5%~5.6%及W: 1.2%~15%，在石墨和基材组织的边界具有W及Si浓缩的中间层，是典型的S1-W型耐热铸铁。但是，该耐热铸铁的石墨形态可以为球状或蠕虫状，由于石墨形态的不同，该耐热铸铁的力学性能也会有较大的差异，且当石墨形态为蠕虫状时，材质的氧化速度较快，从而使得材质的耐热性有所降低。
[0004]中国专利文献CN101165200公开了一种具有高温强度和高抗氧化性的高硅铁素体耐热铸铁，成分中含Si:5`%~7%，Cr:0.01%~0.1%，Si的含量很高，导致材料的脆性大，加工较困难。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种具有优异的高温抗氧化性、高温抗裂纹性及热疲劳性能，且力学性能优异、生产成本较低的耐热球墨铸铁以及该耐热球墨铸铁的制备方法。
[0006]实现本发明目的的技术方案是一种耐热球墨铸铁，合金的组分及其质量百分比为:C:2.7% ~3.5%, Si:4.0% ~5.0%,ff:1.5% ~3.5%,Mg:0.02% ~0.05%, V:0.1% ~0.5%,Re:<0.03%, Mo:0.15% ~0.6%, Mn:0.05% ~1.0%, P S 0.03%, S S 0.02%，余量为铁和不可避免的杂质。
[0007]上述技术方案的一种优选是:金相组织中形状V的石墨和形状VI的石墨的数量在石墨总量中的占比> 85%,铁素体在基体组织中的占比> 80%ο
[0008]上述技术方案的进一步优选是:金相组织中V型石墨和VI型石墨的数量在石墨总量中的占比> 95%,VI型石墨的数量在石墨总量中的占比> 80%,铁素体在基体组织中的占比≥85%。
[0009]上述技术方案的一种优选是:上述V的质量百分比含量为0.15%~0.25%。
[0010]上述技术方案的一种优选是:上述Mn的质量百分比含量为0.1%~0.2%。
[0011]上述技术方案的一种优选是:上述W的质量百分比含量为2%~3%。
[0012]上述技术方案的一种优选是:上述Mo的质量百分比含量为0.15%~0.38%.
[0013]上述技术方案的一种优选是:上述Re的质量百分比含量为0.01%~0.03%。
[0014]上述技术方案的一种优选是:上述Mg的质量百分比含量为:0.03%~0.04%。
[0015]上述技术方案的一种进一步的优选是:上述合金的组分中还包括Nb，所述Nb的质量百分比含量为0.1%~1.0% ;进一步优选:所述Nb的质量百分比含量为0.1%~0.8% ;更进一步优选:所述Nb的质量百分比含量为0.1%~0.5%。
[0016]实现本发明目的的技术方案是上述耐热球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤:
[0017]A.合金熔炼:根据合金的组分和含量进行配料，先将增碳剂、生铁、废钢、钨铁、钥铁装入感应电炉内，待全部熔成铁水后进行除渣、扒渣、保温、光谱成分分析，当铁水温度升至1440°C~1480°C时加入锰铁、硅铁、钒铁；
[0018]B.出铁水、孕育和球化处理:当铁水温度升至1500°C~1550°C时，扒渣后迅速出铁水，采用冲入法进行球化处理，球化剂的加入量占铁水总质量的1.2%~1.6%，当出铁水的质量占铁水总质量的2/5时，进行随流孕育处理，出铁水时随流孕育剂的加入量占铁水总质量的0.3%~0.8% ；
[0019]C.浇注:将铁水浇注到铸型中，浇注过程中进行随流孕育处理，浇注时随流孕育剂的加入量占铁水总质量的0.1%~0.2%，浇注温度为1360°C~1420°C。
[0020]上述技术方案的一种优选是:上述球化剂是牌号为YFQ-5A、YFQ-6A和H_2的球化剂中的一种或多种，所述随流孕育剂是牌号为Y-3、YFY-150和75SiFe的孕育剂中的一种或多种，所述增碳剂是高温煅烧石墨化晶体型增碳剂。
[0021]上述耐热球墨铸铁的应用是用于制造发动机排放系统的零部件，例如排气歧管、涡轮增压器壳体、催化剂箱等。
[0022]本发明具有积极的效果:
[0023](1)本发明对耐热铸铁的合金成分进行了优化。现有技术中硅元素和钨元素是用于提高耐热性能的核心元素，晶界处形成硅与钨浓缩的中间层，可以防止石墨及其周边的基材组织的氧化，进而提高了铸铁的高温抗氧化性能。本发明将硅元素控制在4.0%~
5.0%,钨元素控制在1.5%~3.5%(优选2%~3%),同时还添加了 0.1%~0.5%(优选0.15%~0.25%)的钒元素，并且将锰、钥等元素控制在更加合理的范围内。钒元素作用与钥元素的作用相似，可以有效提高耐热性，而且与钥元素相比，用量更小，影响也更显著，但是钒元素的加入量一旦超过0.5%，反而会使得材料的高温抗氧化性恶化。在控制钨元素加入量的前提下，加入适量的钒元素，一方面可以形成碳化钒使铸铁的高温强度大大增加，提高高温抗裂纹性；另一方面，钒元素有利于形成致密的氧化膜，阻止氧化的进行，从而提高铸铁的抗氧化性。本发明的耐热铸铁不添加昂贵的镍元素和铬元素，也可以很好地提高耐热铸铁的高温性能，并且铸造性能优异。
[0024](2)本发明的耐热铸铁中还可进一步添加合理用量的铌。0.1%~1.0%的铌固溶于基体中起到强化基体的作用，铌与碳元素具有很强的亲和力，析出NbC等硬质相，铌降低高共晶转变温度，使过冷度增大，具有细化共晶团和石墨作用，从而提高材料的耐热性能和强度。更进一步的将铌的含量控制在0.1~0.5%，使得铌元素微合金化，可以细化石墨，增加石墨球数，使得细小的NbC颗粒均匀弥散分布，使得材料的抗疲劳特性和抗热裂纹性能进一步提高，且具有较好的机械加工性能和铸造性能。
[0025](3)灰铸铁中石墨呈片状，共晶团内连在一起，共晶团间也基本相连，成为氧进入金属内部的通道，故氧化速度很快。球墨铸铁的石墨是孤立的，故没有这样的通道，氧化速度明显降低。蠕墨铸铁中的石墨在共晶团内连在一起，但共晶团间互不相连，故它的氧化速度介入灰铸铁与球墨铸铁之间。因此，石墨形态(球化率)对耐热铸铁氧化速度及生长率影响较大，直接影响铸铁的耐热性。经试验证明球化处理较差的铸铁在850°C大气环境里，保温200h后外层氧化皮脱落较多，氧化速度较快，抗氧化性不佳。本发明由于添加的稀土、镁的含量合理，对耐热铸铁的石墨形态进行了控制，石墨圆整，球化率高，该耐热球墨铸铁的耐高温温度达到850°C以上，经过1200次热疲劳循环后没有裂纹，可以替代高镍奥氏体耐球墨铸铁，具有高性能低成本特点，适合用于生产汽车发动机排放系统的零部件。
[0026](4)本发明对耐热铸铁的石墨形态进行了控制，还有助于提高耐热铸铁的力学性能，使得材料的常温抗拉强度≥650MPa,屈服强度≥530MPa，伸长率≥2%。另外，进一步提高球化处理的效果，可以有效提高铸铁的耐热性。
[0027](5)本发明的耐热球墨铸铁的制备方法采用感应电炉熔炼，通过球化、孕育等工艺，生产出的耐热球墨铸铁，可免除高温退火热处理工序，力学性能十分优异，高温抗氧化性、高温抗裂纹性及热疲劳性能也十分优异。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0029]图1为实施例1的耐热球墨铸铁经腐蚀后金相组织放大100倍时的图片。
[0030]图2是实施例1的 耐热球墨铸铁经腐蚀后金相组织放大500倍时的图片。
[0031 ]图3为实施例2的耐热球墨铸铁经腐蚀后金相组织放大100倍时的图片。
[0032]图4是实施例2的耐热球墨铸铁经腐蚀后金相组织放大500倍时的图片。
[0033]图5为实施例3的耐热球墨铸铁经腐蚀后金相组织放大100倍时的图片。
[0034]图6是实施例3的耐热球墨铸铁经腐蚀后金相组织放大500倍时的图片。
[0035]图7是实施例4的耐热球墨铸铁经腐蚀后金相组织放大100倍时的图片。
[0036]图8是实施例4的耐热球墨铸铁经腐蚀后金相组织放大500倍时的图片。
[0037]图9是实施例5的耐热球墨铸铁经腐蚀后金相组织放大100倍时的图片。
[0038]图10是实施例5的耐热球墨铸铁经腐蚀后金相组织放大500倍时的图片。
[0039]图11是对比例I的铸铁经腐蚀后金相组织放大100倍时的图片。
[0040]图12是对比例I的铸铁经腐蚀后金相组织放大500倍时的图片。
[0041]图13是对比例2的铸铁经腐蚀后金相组织放大100倍时的图片。
[0042]图14是对比例2的铸铁经腐蚀后金相组织放大500倍时的图片。
【具体实施方式】
[0043](实施例1)[0044]本实施例的耐热球墨铸铁的合金组分及其质量百分比为C:2.98%，S1:4.36%，W:
2.86%, Mg:0.037%, V:0.23%, Re:0.027%, Mo:0.36%, Mn:0.11%, P:0.016%, S:0.008%，余量
为铁和不可避免的杂质。
[0045]本实施例的耐热球墨铸铁的制备方法，包括以下具体步骤:
[0046]A.合金熔炼。
[0047]根据合金的组分和含量进行配料，先将增碳剂、生铁、废钢、钨铁、钥铁装入中频感应电炉内，增碳剂是常州市全惠铸造材料厂A3型石墨化增碳剂(高温煅烧石墨化晶体型增碳剂)。待全部熔成铁水后进行除渣、扒渣、保温、光谱成分分析，当铁水温度升至1450°C时加入娃铁和f凡铁。
[0048]B.出铁水、孕育和球化处理。
[0049]出铁水前将炉台的灰尘杂物等打扫干净，将浇包烘烤至红热状态，当铁水温度升至1530°C时，扒渣后迅速倾炉出铁水，采用冲入法进行球化处理，球化剂的加入量占铁水总质量的1.5%，球化剂的牌号为YFQ-5A。当出铁水的质量占铁水总质量的2/5时，进行随流孕育处理，出铁水时随流孕育剂的加入量占铁水总质量的0.5%。随流孕育剂的牌号为Y-3。
[0050]C.浇注。
[0051 ] 扒洛，测温，当铁水温度为1420°C时，将铁水浇注到铸型中，浇注过程中，进行随流孕育处理，并用石棉挡渣，浇注时随流孕育剂的加入量占铁水总质量的0.15%。
[0052]浇注结束后，待铸型`冷却至300°C以下，开箱取出铸件，进行清理，即得耐热球墨铸铁件。
[0053]本实施例的耐热球墨铸铁件的金相组织如图1和图2所示。
[0054](实施例2)
[0055]本实施例的耐热球墨铸铁的合金组分及其质量百分比为C:3.16%，S1:4.43%，W:
2.17%, Mg:0.027%, V:0.19%, Re:0.010%, Mo:0.15%, Mn:0.19%, P:0.024%, S:0.018%, Nb:0.40%，余量为铁和不可避免的杂质。
[0056]本实施例的耐热球墨铸铁的制备方法，包括以下具体步骤:
[0057]A.合金熔炼。
[0058]根据合金的组分和含量进行配料，先将增碳剂、生铁、废钢、钨铁、钥铁装入中频感应电炉内，增碳剂是常州市全惠铸造材料厂A3型石墨化增碳剂(高温煅烧石墨化晶体型增碳剂)。待全部熔成铁水后进行除渣、扒渣、保温、光谱成分分析，当铁水温度升至1450°C时加入娃铁、钥；铁和银铁。
[0059]B.出铁水、孕育和球化处理。
[0060]出铁水前将炉台的灰尘杂物等打扫干净，将浇包烘烤至红热状态，当铁水温度升至1550°C时，扒渣后迅速倾炉出铁水，采用冲入法进行球化处理，球化剂的加入量占铁水总质量的1.2%，球化剂的牌号为YFQ-6A。当出铁水的质量占铁水总质量的2/5时，进行随流孕育处理，出铁水时随流孕育剂的加入量占铁水总质量的0.6%。随流孕育剂的牌号为YFY-150。
[0061]C.浇注。
[0062]扒洛，测温，当铁水温度为1380°C时，将铁水浇注到铸型中，浇注过程中，进行随流孕育处理，并用石棉挡渣，浇注时随流孕育剂的加入量占铁水总质量的0.1%。[0063]浇注结束后，待铸型冷却至300°C以下，开箱取出铸件，进行清理，即得耐热球墨铸铁件。
[0064]本实施例的耐热球墨铸铁件的金相组织如图3和图4所示。
[0065](实施例3)
[0066]本实施例的耐热球墨铸铁的合金组分及其质量百分比为C:3.03%, S1:4.46%，W:2.10%, Mg:0.039%, V:0.21%, Re:0.013%, Mo:0.31%, Mn:0.15%, P:0.022%, S:0.012%, Nb:0.32%，余量为铁和不可避免的杂质。
[0067]本实施例的耐热球墨铸铁的制备方法，包括以下具体步骤:
[0068]A.合金熔炼。
[0069]根据合金的组分和含量进行配料，先将增碳剂、生铁、废钢、钨铁、钥铁装入中频感应电炉内，增碳剂是常州市全惠铸造材料厂A3型石墨化增碳剂(高温煅烧石墨化晶体型增碳剂)。待全部熔成铁水后进行除渣、扒渣、保温、光谱成分分析，当铁水温度升至1430°C时加入娃铁、钥；铁和银铁。
[0070]B.出铁水、孕育和球化处理。
[0071]出铁水前将炉台的灰尘杂物等打扫干净，将浇包烘烤至红热状态，当铁水温度升至1550°C时，扒渣后迅速倾炉出铁水，采用冲入法进行球化处理，球化`剂的加入量占铁水总质量的1.3%，球化剂的牌号为H-2。当出铁水的质量占铁水总质量的2/5时，进行随流孕育处理，出铁水时随流孕育剂的加入量占铁水总质量的0.4%。随流孕育剂的牌号为75SiFe。
[0072]C.浇注。
[0073]扒洛，测温，当铁水温度为1360°C时，将铁水浇注到铸型中，浇注过程中，进行随流孕育处理，并用石棉挡渣，浇注时随流孕育剂的加入量占铁水总质量的0.2%。
[0074]浇注结束后，待铸型冷却至300°C以下，开箱取出铸件，进行清理，即得耐热球墨铸铁件。
[0075]本实施例的耐热球墨铸铁件的金相组织如图5和图6所示。
[0076](实施例4)
[0077]本实施例的耐热球墨铸铁的合金组分及其质量百分比为C:2.79%，S1:4.52%，W:2.36%, Mg:0.035%, V:0.20%, Re:0.018%, Mo:0.26%, Mn:0.13%, P:0.020%, S:0.011%, Nb:
0.1%，余量为铁和不可避免的杂质。
[0078]本实施例的耐热球墨铸铁的制备方法与实施例2的耐热球墨铸铁的制备方法相同，不同之处:球化剂选用YFQ-5A，加入量为1.5%。
[0079]本实施例的耐热球墨铸铁件的金相组织如图7和图8所示。
[0080](实施例5)
[0081]本实施例的耐热球墨铸铁的合金组分及其质量百分比为C:3.25%，S1:4.64%，W:2.78%, Mg:0.038%, V:0.16%, Re:0.023%, Mo:0.30%, Mn:0.17%, P:0.023%, S:0.015%, Nb:
0.2%，余量为铁和不可避免的杂质。
[0082]本实施例的耐热球墨铸铁的制备方法与实施例3的耐热球墨铸铁的制备方法相同，不同之处:球化剂选用H-2，加入量为1.25%。
[0083]本实施例的耐热球墨铸铁件的金相组织如图9和图10所示。
[0084](对比例I)[0085]本对比例的铸铁的合金组分及其质量百分比为C:3.07%, S1:4.38%，W:3.02%,Mg:0.013%, V:0.23%, Re:0.014%, Mo:0.34%, Mn:0.15%, P:0.023%, S:0.015%, Nb:0.45%，余量为铁和不可避免的杂质。
[0086]本对比例的铸铁的制备方法其余部分与实施例2的耐热球墨铸铁的制备方法相同，不同之处在于:球化剂加入量不足或球化过程控制不稳定。
[0087]本对比例的铸铁件的金相组织如图11和图12所示。
[0088](对比例2)
[0089]本对比例的铸铁的合金组分及其质量百分比为C:3.14%，S1:4.41%，W:3.02%,Mg:0.015%, V:0.22%, Re:0.012%, Mo:0.34%, Mn:0.14%, P:0.021%, S:0.030%, Nb:0.75%，余量为铁和不可避免的杂质。
[0090]本对比例的铸铁的制备方法其余部分与实施例2的耐热球墨铸铁的制备方法相同，不同之处在于:球化剂加入量不足或球化过程控制不稳定。
[0091 ] 本对比例的铸铁件的金相组织如图13和图14所示。
[0092]一、化学成分
[0093]本发明实施例1至实施例5以及对比例I和对比例2的铸铁的化学成分如表1所
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[0094]表1铸铁的化学成分(单位:％)
[0095]
【权利要求】
1.一种耐热球墨铸铁，其特征在于:合金的组分及其质量百分比为:c:2.7%~3.5%，Si:4.0% ~5.0%, W:1.5% ~3.5%, Mg:0.02% ~0.05%, V:0.1% ~0.5%, Re:<0.03%, Mo:0.15%~0.6%, Mn:0.05%~1.0%, P:≥0.03%, S:≥0.02%，余量为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的耐热球墨铸铁，其特征在于:金相组织中形状V的石墨和形状VI的石墨的数量在石墨总量中的占比> 85%,铁素体在基体组织中的占比> 80%ο
3.根据权利要求2所述的耐热球墨铸铁，其特征在于:金相组织中形状V的石墨和形状VI的石墨的数量在石墨总量中的占比≥95%，VI型石墨的数量在石墨总量中的占比≥80%，铁素体在基体组织中的占比≥85%。
4.根据权利要求1所述的耐热球墨铸铁，其特征在于:所述V的质量百分比含量为0.15% ~0.25%。
5.根据权利要求1所述的耐热球墨铸铁，其特征在于:所述Mn的质量百分比含量为0.1% ~0.2%。
6.根据权利要求1所述的耐热球墨铸铁，其特征在于:所述W的质量百分比含量为2%~3%，所述Mo的质量百分比含量为0.15%~0.38%ο
7.根据权利要求1所述的耐热球墨铸铁，其特征在于:所述Re的质量百分比含量为0.01%~0.03%，所述Mg的质量百分比含量为:0.03%~0.04%。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的耐热球墨铸铁，其特征在于:所述合金的组分中还包括Nb,所述Nb的质量百分比含量为0.1%~1.0%。
9.根据权利要求8所述的耐热球墨铸铁，其特征在于:所述Nb的质量百分比含量为0.1% ~0.5%。
10.一种上述权利要求1至9中任一项所述的耐热球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤: A.合金熔炼:根据合金的组分和含量进行配料，先将增碳剂、生铁、废钢、钨铁、钥铁装入感应电炉内，待全部熔成铁水后进行除渣、扒渣、保温、光谱成分分析，当铁水温度升至1440°C~1480°C时加入锰铁、硅铁、钒铁； B.出铁水、孕育和球化处理:当铁水温度升至1500°C~1550°C时，扒渣后迅速出铁水，采用冲入法进行球化处理，球化剂的加入量占铁水总质量的1.2%~1.6%，当出铁水的质量占铁水总质量的2/5时，进行随流孕育处理，出铁水时随流孕育剂的加入量占铁水总质量的 0.3% ~0.8% ； C.浇注:将铁水浇注到铸型中，浇注过程中进行随流孕育处理，浇注时随流孕育剂的加入量占铁水总质量的0.1%~0.2%，浇注温度为1360°C~1420°C。
11.根据权利要求10所述的耐热球墨铸铁的制备方法，其特征在于:所述球化剂是牌号为YFQ-5A、YFQ-6A和H-2的球化剂中的一种或多种，所述随流孕育剂是牌号为Y_3、YFY-150和75SiFe的孕育剂中的一种或多种，所述增碳剂是高温煅烧石墨化晶体型增碳剂。
12.—种上述权利要求1所述的耐热球墨铸铁的应用，其特征在于:用于制造发动机排放系统的零部件。
【文档编号】C22C37/04GK103820700SQ201410043870
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年1月30日 优先权日:2014年1月30日
【发明者】喻光远, 刘宇, 查明晖, 徐贵宝 申请人:南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司