一种功能梯度铸铁材料及其制备方法
【专利摘要】本发明提供一种功能梯度铸铁材料及制备方法。传统铸铁材料的强韧性、抗疲劳性与导热性、抗氧化性相互矛盾，此消彼长现象非常严重。该功能梯度铸铁材料按垂直于柴油机气缸盖火力面沿高度方向依次由球墨铸铁、灰铸铁和蠕墨铸铁，三种铸铁的碳当量均为4.3～4.6，其它成分相同，采用相同的孕育剂和变质剂，通过调控孕育剂和变质剂加入速度和金属熔体的流速来控制凝固后铸铁的种类和含量，制备所需的功能梯度铸铁材料。本发明可以彻底解决高功率柴油机气缸盖热应力开裂的难题，满足新型高功率柴油机的要求。
【专利说明】一种功能梯度铸铁材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属材料领域，涉及一种功能梯度铸铁材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着可变涡轮增压技术和高压共轨直喷技术的发展，用户对柴油发动机升功率、结构紧凑性、铸件形状复杂程度和热负荷提出了越来越高的要求，对柴油机气缸盖材料及制造技术也提出更高的要求，其主要表现在:高功率柴油机铸铁缸盖不同部位的热负荷和机械负荷差异很大(参见图1)，因而对材料性能的要求也不同，具体体现在以下几方面:
(1)构成燃烧室的火力面要求高强韧、高抗氧化性和抗疲劳性；(2)离开火力面的缸盖内部要求高导热，以缓解内部温度梯度和内应力；
(3)其他部位要求高强韧性、抗疲劳。因此，新型缸盖材料必须兼顾高强韧、高导热、抗疲劳和抗氧化等性能。
[0003]然而，传统铸铁材料的强韧性、抗疲劳性与导热性、抗氧化性相互矛盾，此消彼长现象非常严重(参见图2)。灰铸铁的导热性能优良，但强韧性、疲劳性和抗氧化剥落性差；球墨铸铁的强韧性、疲劳性和抗氧化剥落性优良，但导热性能差；蠕墨铸铁的强韧性、疲劳性适中，但导热性能和抗氧化剥落性较差。因此，传统均质铸铁材料均无法同时兼顾这些性能，致使国内外高功率柴油机气缸盖经常发生热应力开裂问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是克服现有缸盖用均质材料难兼顾强韧性、导热性、抗疲劳性和抗氧化性等缺点，建立缸盖材料石墨形态与缸盖结构的联系，提供一种功能梯度铸铁材料及其制备方法。
[0005]为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为:一种功能梯度铸铁材料，其特别之处在于:按垂直于铸铁缸盖火力面沿高度方向的组成为:5?9mm厚球墨铸铁，2?10mm厚的灰铸铁，缸盖其它部位为蠕墨铸铁；
所述球墨铸铁、灰铸铁和蠕墨铸铁的基本化学成分相同，包括碳、硅、锰、铜、钥、锡、铁及不可避免的杂质，其化学成分按重量百分比分别为:
C:3.6 ?3.8%, Si:2.1 ?2.4%,Μη:0.2 ?0.4%, Cu:0.3 ?0.6%,Mo:0.2 ?0.4%, Cr:0.1?0.5%, Sn:0.02?0.1%，其余为铁和不可避免的杂质组成，其碳当量为4.3?4.6 ;
所述三种铸铁所用的孕育剂和变质剂分别为75硅-铁和镁-稀土蠕化剂，75硅-铁和镁-稀土蠕化剂的粒度均为2飞_。
[0006]一种用于制备上述功能梯度铸铁材料的方法，其特别之处在于:包括下述的制备步骤:
a.合金熔配:采用中频感应炉熔配所需铸铁合金，出炉后倒入保温包，控制在1450?1500°C ；
b.铁液处理:铁液流速控制在lkg/s,通过控制送料的速度来达到调整石墨形态，进而制备不同铸铁类型的作用；当孕育剂送料速度6?lOg/s，变质剂送料速度为6?9g/s时，浇注的铸铁为球墨铸铁；当孕育剂送料速度3?6g/s，变质剂送料速度为Og/s时，浇注的铸铁为灰铸铁；当孕育剂送料速度6?lOg/s，变质剂送料速度为4?6g/s时，浇注的铸铁为螺墨铸铁；
c.浇注工艺:铁液出包在146(Tl490°C，流槽末端的温度为1320?1340°C，依次浇注球墨铸铁、灰铸铁、螺墨铸铁，每种铸铁烧注完成后停留5?20s ；
d.检测控制:流槽末端设检测装置，检测熔体成分、浇注温度，结果反馈后经过计算机分析调节送料的速度。
[0007]本发明的有益效果是:本发明制备的功能梯度铸铁材料能够兼顾强韧性、导热性、抗疲劳性和抗氧化性等特点，建立铸铁材料石墨形态与缸盖结构的有机联系，综合利用各种铸铁材料的优点，规避各铸铁材料的不利方面，制备的柴油机气缸盖，满足新型高功率柴油机的考核。
[0008]说明书附图
图1中的(a)为现有的柴油机铸铁缸盖的负载模拟图、(b)为其各部位对材料要求示意图；
图2为铸铁的力学和物理性能与铸铁材料的关系示意图；
图3为本发明的功能梯度铸铁材料的制备原理图；
图4为实施例1的功能梯度铸铁材料界面处的显微组织示意图；
图5实施例2的功能梯度铸铁材料界面处的显微组织示意图。
【具体实施方式】
[0009]下面结合实施例对本
【发明内容】
进行详细说明
为了解决缸盖铸铁材料的强韧性、抗疲劳性、导热性和抗氧化剥落性的矛盾，结合缸盖的使用环境和材料要求，综合利用各种铸铁材料的优点，规避各铸铁材料的不利方面，建立铸铁材料石墨形态与缸盖结构的联系，开发新型功能梯度铸铁材料及其缸盖是新型高功率柴油机必然选择。
[0010]一种功能梯度铸铁材料，按垂直于铸铁缸盖火力面沿高度方向的组成为:5?9_厚球墨铸铁，2?10mm厚的灰铸铁，缸盖其它部位为蠕墨铸铁；
球墨铸铁、灰铸铁和蠕墨铸铁的基本化学成分相同，包括碳、硅、锰、铜、钥、锡、铁及不可避免的杂质，其化学成分按重量百分比分别为:
C:3.6 ?3.8%, Si:2.1 ?2.4%,Μη:0.2 ?0.4%, Cu:0.3 ?0.6%,Mo:0.2 ?0.4%, Cr:0.1?0.5%, Sn:0.02?0.1%，其余为铁和不可避免的杂质组成，其碳当量为4.3?4.6 ;
三种铸铁所用的孕育剂和变质剂分别为75硅-铁和镁-稀土蠕化剂，75硅-铁和镁-稀土蠕化剂的粒度均为2飞_。
[0011]一种用于制备功能梯度铸铁材料的方法，包括下述的制备步骤:
a.合金熔配:采用中频感应炉熔配所需铸铁合金，出炉后倒入保温包，控制在1450?1500°C ；
b.铁液处理:铁液流速控制在lkg/s,通过控制送料的速度来达到调整石墨形态，进而制备不同铸铁类型的作用；当孕育剂送料速度6?lOg/s，变质剂送料速度为6?9g/s时，浇注的铸铁为球墨铸铁；当孕育剂送料速度3?6g/s，变质剂送料速度为Og/s时，浇注的铸铁为灰铸铁；当孕育剂送料速度6?lOg/s，变质剂送料速度为4?6g/s时，浇注的铸铁为螺墨铸铁；
c.浇注工艺:铁液出包在146(Tl490°C，流槽末端的温度为1320?1340°C，依次浇注球墨铸铁、灰铸铁、螺墨铸铁，每种铸铁烧注完成后停留5?20s ；
d.检测控制:流槽末端设检测装置，检测熔体成分、浇注温度，结果反馈后经过计算机分析调节送料的速度。
[0012]实施例1:
一种功能梯度铸铁材料，按垂直于铸铁缸盖火力面沿高度方向的材料组成为:5mm厚球墨铸铁，2mm厚的灰铸铁，缸盖其它部位为蠕墨铸铁(见图4)。
[0013]三种铸铁的基本化学成分为:其化学成分按重量百分比分别为:
C:3.6%, Si:2.1%，Μη:0.2%, Cu:0.3%, Mo:0.2%, Cr:0.1%, Sn:0.02%，其余为铁和不可避免的杂质组成，其碳当量为4.3 ;孕育剂和变质剂分别为75硅-铁和镁-稀土蠕化剂，75硅-铁和镁-稀土蠕化剂的粒度均为2_。
[0014]功能梯度铸铁材料的制备方法为:包括下述的制备步骤:
a.合金熔配:采用中频感应炉熔配所需铸铁合金，出炉后倒入保温包，控制在1450°C；
b.铁液处理:铁液流速控制在lkg/s,通过控制送料的速度来达到调整石墨形态，进而制备不同铸铁类型的作用；当孕育剂送料速度6g/s，变质剂送料速度为6g/s时，浇注的铸铁为球墨铸铁；当孕育剂送料速度3g/s，变质剂送料速度为Og/s时，浇注的铸铁为灰铸铁；当孕育剂送料速度6g/s，变质剂送料速度为4g/s时，浇注的铸铁为蠕墨铸铁；
c.浇注工艺:铁液出包在1460°C，流槽末端的温度为1320°C，依次浇注球墨铸铁、灰铸铁、螺墨铸铁，每种铸铁烧注完成后停留5s ；
d.检测控制:流槽末端设检测装置，检测熔体成分、浇注温度，结果反馈后经过计算机分析调节送料的速度。
[0015]实施例2:
一种功能梯度铸铁材料，按垂直于铸铁缸盖火力面沿高度方向的材料组成为:5mm厚球墨铸铁，8mm厚的灰铸铁，缸盖其它部位为蠕墨铸铁(见图4)。
[0016]三种铸铁的基本化学成分为:C:3.7%, Si:2.2%, Μη:0.3%, Cu:0.4%, Mo:0.2%, Cr:
0.1%, Sn:0.04%，其余为铁和不可避免的杂质组成，碳当量为4.4 ;孕育剂和变质剂分别为市售的75硅-铁和镁-稀土蠕化剂，粒度均为4_。
[0017]功能梯度铸铁材料的制备方法为:
a.合金熔配:采用中频感应炉熔配所需铸铁合金，出炉后倒入保温包，控制在1480°C。
[0018]b.铁液处理:铁液流速控制在lkg/s，先变质剂送料速度为8g/s时，孕育剂送料速度8g/s，浇注5mm厚球墨铸铁；接着变质剂送料速度为0g/s时，孕育剂送料速度5g/s，浇注8mm厚灰铸铁；最后变质剂送料速度为5g/s时，孕育剂送料速度8g/s,烧注螺墨铸铁；
c.浇注工艺:铁液出包在1480°C，流槽末端的温度为1320°C，依次浇注球墨铸铁、灰铸铁、螺墨铸铁，每种铸铁烧注完成后停留10s ；
d.检测控制:流槽末端设检测装置，检测熔体成分、浇注温度，结果反馈后经过计算机分析调节送料的速度。
[0019]实施例3:
本发明制备的功能梯度铸铁材料，按垂直于铸铁缸盖火力面沿高度方向的材料组成为:9mm厚球墨铸铁，10mm厚的灰铸铁，缸盖其它部位为蠕墨铸铁(见图5)；
三种铸铁的基本化学成分为:C:3.7%, Si:2.2%, Μη:0.3%, Cu:0.4%, Mo:0.2%, Cr:
0.1%, Sn:0.04%，其余为铁和不可避免的杂质组成，碳当量为4.4 ;孕育剂和变质剂分别为市售的75硅-铁和镁-稀土蠕化剂，粒度均为4_。
[0020]功能梯度铸铁材料的制备方法为:
a.合金熔配:采用中频感应炉熔配所需铸铁合金，出炉后倒入保温包，控制在1450°C。
[0021]b.铁液处理:铁液流速控制在lkg/s，通过控制送料的速度来达到调整石墨形态，进而制备不同铸铁类型的作用。当孕育剂送料速度6g/s，变质剂送料速度为6g/s时，浇注的铸铁为球墨铸铁；当孕育剂送料速度3g/s，变质剂送料速度为Og/s时，浇注的铸铁为灰铸铁；当孕育剂送料速度6g/s，变质剂送料速度为4g/s时，浇注的铸铁为蠕墨铸铁；
c.浇注工艺:铁液出包在1460°C，流槽末端的温度为1320°C，依次浇注球墨铸铁、灰铸铁、螺墨铸铁，每种铸铁烧注完成后停留10s。
[0022]d.检测控制:流槽末端设检测装置，检测熔体成分、浇注温度，结果反馈后经过计算机分析调节送料的速度。
[0023]实施例4:
本发明制备的功能梯度铸铁材料，按垂直于铸铁缸盖火力面沿高度方向的材料组成为:7mm厚球墨铸铁，6mm厚的灰铸铁，缸盖其它部位为蠕墨铸铁(见图4)；
三种铸铁的基本化学成分为:C:3.7%, Si:2.2%, Μη:0.3%, Cu:0.4%, Mo:0.2%, Cr:
0.1%, Sn:0.04%，其余为铁和不可避免的杂质组成，碳当量为4.4 ;孕育剂和变质剂分别为市售的75硅-铁和镁-稀土蠕化剂，粒度均为4_。
[0024]功能梯度铸铁材料的制备方法为:
a.合金熔配:采用中频感应炉熔配所需铸铁合金，出炉后倒入保温包，控制在1500°C。
[0025]b.铁液处理:铁液流速控制在lkg/s，通过控制送料的速度来达到调整石墨形态，进而制备不同铸铁类型的作用。当孕育剂送料速度lOg/s，变质剂送料速度为9g/s时，浇注的铸铁为球墨铸铁；当孕育剂送料速度6g/s，变质剂送料速度为Og/s时，浇注的铸铁为灰铸铁；当孕育剂送料速度lOg/s，变质剂送料速度为6g/s时，浇注的铸铁为蠕墨铸铁；
c.浇注工艺:铁液出包在1490°C，流槽末端的温度为1340°C，依次浇注球墨铸铁、灰铸铁、螺墨铸铁，每种铸铁烧注完成后停留20s。
[0026]d.检测控制:流槽末端设检测装置，检测熔体成分、浇注温度，结果反馈后经过计算机分析调节送料的速度。
[0027]实施例5:
一种功能梯度铸铁材料，按垂直于铸铁缸盖火力面沿高度方向的组成为:9mm厚球墨铸铁，10mm厚的灰铸铁，缸盖其它部位为蠕墨铸铁。
[0028]球墨铸铁、灰铸铁和蠕墨铸铁的基本化学成分相同，包括碳、硅、锰、铜、钥、锡和铁，其化学成分按重量百分比分别为:
C:3.8%, Si:2.4%, Μη:0.4%, Cu:0.6%, Mo:0.4%, Cr:0.5%, Sn:0.1%,其余为铁和不可避免的杂质组成，其碳当量为4.6。
[0029]三种铸铁所用的孕育剂和变质剂分别为75硅-铁和镁-稀土蠕化剂，75硅-铁和镁-稀土蠕化剂的粒度均为6mm。
[0030]功能梯度铸铁材料的方法，包括下述的制备步骤:
a.合金熔配:采用中频感应炉熔配所需铸铁合金，出炉后倒入保温包，控制在1500°C；
b.铁液处理:铁液流速控制在lkg/s,通过控制送料的速度来达到调整石墨形态，进而制备不同铸铁类型的作用；当孕育剂送料速度lOg/s，变质剂送料速度为9g/s时，浇注的铸铁为球墨铸铁；当孕育剂送料速度6g/s，变质剂送料速度为Og/s时，浇注的铸铁为灰铸铁；当孕育剂送料速度lOg/s，变质剂送料速度为6g/s时，浇注的铸铁为蠕墨铸铁；
c.浇注工艺:铁液出包在1490°C，流槽末端的温度为1340°C，依次浇注球墨铸铁、灰铸铁、螺墨铸铁，每种铸铁烧注完成后停留20s ；
d.检测控制:流槽末端设检测装置，检测熔体成分、浇注温度，结果反馈后经过计算机分析调节送料的速度。
【权利要求】
1.一种功能梯度铸铁材料,其特征在于:按垂直于铸铁缸盖火力面沿高度方向的组成为:5?9mm厚球墨铸铁，2?1mm厚的灰铸铁，缸盖其它部位为蠕墨铸铁； 所述球墨铸铁、灰铸铁和蠕墨铸铁的基本化学成分相同，包括碳、硅、锰、铜、钥、锡、铁及不可避免的杂质，其化学成分按重量百分比分别为:
C:3.6 ?3.8%, Si:2.1 ?2.4%, Mn:0.2 ?0.4%, Cu:0.3 ?0.6%, Mo:0.2 ?0.4%, Cr:0.1?0.5%, Sn:0.02?0.1%，其余为铁和不可避免的杂质组成，其碳当量为4.3?4.6 ; 所述三种铸铁所用的孕育剂和变质剂分别为75硅-铁和镁-稀土蠕化剂，75硅-铁和镁-稀土蠕化剂的粒度均为2飞_。
2.一种用于制备权利要求1所述功能梯度铸铁材料的方法，其特征在于:包括下述的制备步骤: a.合金熔配:采用中频感应炉熔配所需铸铁合金，出炉后倒入保温包，控制在1450?1500°C ； b.铁液处理:铁液流速控制在lkg/s,通过控制送料的速度来达到调整石墨形态,进而制备不同铸铁类型的作用；当孕育剂送料速度6?lOg/s，变质剂送料速度为6?9g/s时，浇注的铸铁为球墨铸铁；当孕育剂送料速度3?6g/s，变质剂送料速度为Og/s时，浇注的铸铁为灰铸铁；当孕育剂送料速度6?lOg/s，变质剂送料速度为4?6g/s时，浇注的铸铁为螺墨铸铁； c.浇注工艺:铁液出包在146(Tl490°C，流槽末端的温度为1320?1340°C，依次浇注球墨铸铁、灰铸铁、螺墨铸铁，每种铸铁烧注完成后停留5?20s ； d.检测控制:流槽末端设检测装置，检测熔体成分、浇注温度，结果反馈后经过计算机分析调节送料的速度。
【文档编号】C22C33/08GK104264036SQ201410530098
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月10日 优先权日:2014年10月10日
【发明者】杨忠, 李建平, 郭永春, 梁民宪, 杨通, 高培虎, 陶栋 申请人:西安工业大学