一种钒钛蠕墨铸铁的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种钒钛蠕墨铸铁，其按重量百分比计由如下成分组成：3.4～3.8％的碳、2.1～2.5％的硅、0.3～0.7％的锰、0.10～0.30％的钒、0.10～0.20％的钛、0.03~0.07%的锑、0.03~0.07%的铬、0.01～0.035％的残留镁、0.02～0.045％的残留稀土、0.07-0.17％的磷、不超过0.07％的硫，余量为铁；其中，在钒钛蠕墨铸铁中珠光体的含量为＞60％，蠕化率＞60％。本发明所述钒钛蠕墨铸铁具有良好的机械性能、高温抗热疲劳性能、抗热裂性、耐磨性和导热性能，可用于制备汽车的制动鼓、汽车制动盘、发动机缸体缸盖、排气歧管等。
【专利说明】一种钒钛蠕墨铸铁
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料冶金领域，具体涉及一种钒钛蠕墨铸铁及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 目前国内外生产汽车制动鼓的材质主要有普通灰铸铁、合金灰铸件二类。灰铸铁 具有一定的硬度，但是灰铸铁制动鼓的物理力学性能、机械强度、耐低温性能及抗热疲劳性 能在汽车实用过程中难以令人满意，且在使用过程中容易出现热裂纹和磨损快的现象，造 成一定的安全隐患。
[0003] 为了提高铸铁的强度和耐热性，避免使用过程中出现的热裂现象，世界各国先后 开发了各种合金铸铁，加入的合金元素主要有Ni,Mo,Cu,Cr等。Ni,Mo可以稳定材料的 高温组织，可以进一步提高制动鼓在磨擦时产生的高热对耐磨性的影响，延长制动鼓寿命。 Cu,Cr能稳定和细化珠光体组织，提高材料的强度。如英美等国主要采用高C低合金V、Mo 灰铸铁，俄罗斯等国主要采用Cr、Ni、Mo合金灰铸铁。
[0004] 铸铁中的石墨形态有片状、蠕虫状和球状。蠕虫状石墨是介于片状石墨和球状石 墨之间的一种中间形态石墨。光学显微镜下观察时，在视场中大部分是互不连续的石墨短 片。经深度腐蚀后用扫描电镜观察，可以看到它们在共晶团内部是互相连接的。这一点和 片状石墨相似，不同的是蠕墨铸铁的长厚比较小，致密度高。同时，在扫描电镜下可看见蠕 墨铸铁的端部较圆钝，有的就呈球状结构，和球状石墨十分相似。
[0005] 这些特性决定了蠕墨铸铁拥有优良的综合性能。蠕墨铸铁的抗拉强度明显高于灰 铸铁，略低于球墨铸铁，特别是在商温下有较商的强度。此外，懦墨铸铁拥有优良的耐磨性、 导热性能、抗氧化、抗热生长性和抗热疲劳特性。优良的综合性能使得蠕墨铸铁成为结构件 和耐热、耐磨零件的理想材料，现已经在汽车制动鼓、汽车制动盘、发动机缸体缸盖和排气 歧管上应用。
[0006] 因此，从运营成本及安全性角度出发，开发具有机械强度高，导热性能好，抗热疲 劳性能优良、不易出现热裂纹、耐低温等综合性能优良的新型材料来代替灰铸铁材料具有 重要的工程应用价值和现实意义。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种钒钛蠕墨铸铁，该蠕墨铸铁的机械性能、热疲劳性能 和耐磨性能比灰铸铁高，导热率减震性又优于球铁，且蠕墨铸铁的比重比灰铸铁小。
[0008] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案： 一种钒钛蠕墨铸铁，其特征在于，含有如下重量百分比计的成分：碳3. 4?3. 8%、硅 2. 1 ?2. 5 %、锰 0· 3 ?0· 7 %、钒 0· 10 ?0· 30 %、钛 0· 10 ?0· 20 %、锑 0· 03?0· 07%、铬 0. 03?0. 07%、镁0. 01?0. 035%、0. 02?0. 045%稀土 (稀土本身就含有各种稀有金属，此处 定义不清楚)、磷〇. 07-0. 17%、硫0 - 0. 07%，余量为铁；其中，在钒钛蠕墨铸铁中珠光体的 含量为> 60 %，蠕化率> 60%。
[0009] 上述所述本发明的钒钛蠕墨铸铁，其中，所述碳当量CE为4. 1?4. 7%，其中CE= C+l/3(Si+P)。
[0010] 上述所述本发明的钒钛蠕墨铸铁可用于制备汽车的制动鼓、汽车制动盘、发动机 缸体缸盖、排气歧管中的任意一种或多种。
[0011] 本发明所用原料中含有〇. 30 %左右的V和0. 20 %左右的Ti，这有效地细化、稳 定珠光体，同时V和Ti与碳、氮均有高的亲和力而形成显微硬度极高的硬化相钒钛碳氮化 合物，提高强度、耐磨性能和耐热疲劳性能。另外，V、Ti增加了白口倾向，属于干扰元素即 反球化元素，可以适当拓宽蠕化范围，有利于蠕化处理，因此本发明中钒的含量为0. 10? 0.30 %，钛的含量为0. 10?0.20 %。若钒钛含量低于0. 10%，形成的碳氮化合物很少，起 不到提高强度和耐磨性的作用。当钒钛含量高于上限时，形成的钒钛碳氮化合物过多，强度 硬度值过高，不易加工，且反球化作用强，不利于蠕化处理。
[0012] 锑是一个强烈促进珠光体的金属元素，主要起强化铸铁机体组织、细化晶粒的作 用，用以提高铸铁的硬度和耐磨性，然而当锑的含量超过0. 07%时，蠕墨会发生变态，周围 会出现分解、细小分枝。同时加入的锑元素还可以和磷形成低熔点的共晶体，在共晶团之间 最后析出，形成含锑的磷共晶组织。锑金属形成的珠光体，可以稳定钒钛质点和磷共晶体， 使得硬度和耐磨性显著提高，故对于耐磨件可适当提高磷的含量。
[0013] 铬无论共晶、共析过程均阻碍石墨化，促进珠光体生成，由于铬元素和铁元素均为 体心立方结构，Cr原子半径与a-Fe的原子半径非常接近，无论在室温还是较高温度下，Cr 在a-Fe中的溶解度均较高，使Cr能固溶入铁基体中，置换铁元素，起到固溶强化作用；此 夕卜，Cr还可形成高硬度复杂的Fe-Cr-C化合物，对基体起到弥散强化作用。
[0014] 本发明I凡钦懦墨铸铁中的C和Si都是促进石墨化的兀素。C、Si含量越商，懦墨 铸铁中石墨化过程越容易进行，蠕墨铸铁组织中石墨数量就多。对于生产耐热耐磨性要求 较高的制动鼓，组织中要求有一定数量的石墨，即要求较高碳当量CE,CE=C+l/3 (Si+P)。 适当的碳当量有助于减小白口倾向，但碳当量CE过高会导致石墨多而粗大,基体组织中的 珠光体数量不足，铁素体含量增加，使力学性能（强度和硬度）降低，本发明所述蠕墨铸铁 的碳当量CE含量为：4. 1?4.7%。在本发明中，碳的含量控制在3.4?3.8%的范围内， 碳含量在该范围内铁水流动性好，易补缩，收缩小，可获得优良的铸造性能。
[0015] 硅含量对基体影响十分显著，主要用来防止白口，控制基体中珠光体含量。随着硅 量增加，基体中珠光体量逐渐减少，铁素体量逐渐增加。为了获得较高的性能要求，且得到 珠光体基体的蠕墨铸铁，可以适当减少硅量。本发明将硅的最终含量控制在2. 1?2. 5%。 终硅量低于2. 1 %时，基体中珠光体含量过多，硬度过高，影响铸态制动鼓机加工性能。终硅 量高于2. 5%时，基体中珠光体过少，强度、硬度达不到要求。
[0016] 锰在蠕墨铸铁中起稳定珠光体的作用，在常规含量内对石墨蠕化无影响。为了使 钒钛蠕墨铸铁基体中珠光体含量在60%以上，本发明控制锰含量为0. 3?0. 7%。若锰含 量小于0.3%，则易获得铁素体基体的钒钛蠕墨铸铁，由于基体中珠光体含量少，强度和硬 度达不到要求。但若锰含量大于0. 7%，则钒钛蠕墨铸铁基体中的珠光体量较高，使其强度 和硬度值过高，加工困难，且塑性差，降低了热疲劳性能。
[0017] 硫和所有蠕化元素（主要包括镁和稀土元素）都有很大亲和力，蠕化元素加入铁 液中首先消耗于脱硫和脱氧，将铁液中硫降至小于〇. 03%，剩余蠕化元素才使石墨蠕化。原 铁液含硫越多，消耗蠕化剂也越多。蠕化剂加入量越多，形成的硫化夹渣也越多，既不经济， 又危害材质的性能，加速懦化哀退。这是硫对懦墨铸铁有害的方面。但是，硫在一定范围内 有扩大蠕化剂加入量的作用，即在较宽的蠕化剂加入量范围内均可获得蠕墨铸铁，这是硫 对蠕墨铸铁生产有利的一方面。因此，本发明控制硫含量为不超过0. 07%。
[0018] 稀土和镁元素对铁液而言都是强烈的变质元素。镁是一种强烈的球化元素，在 铁液中先让铁液脱硫，再让石墨球化，残留的镁量过低只能生成片状石墨，残余镁量过高则 生成球状石墨，而铁液中含有干扰元素钛及锑、铬时，残留镁量范围加宽。稀土元素具有很 强的中和干扰元素的能力，稀土加入到铁液中首先与硫等元素反应，使铁液净化，铁液净 化后残留稀土对石墨起变质作用，单独使用稀土处理铸铁溶液时稀土残留量在0. 045? 0. 075%即可得到蠕虫状石墨，稀土价格相对较高，一般采用稀土合金进行蠕化处理，而采 用稀土和镁的合金进行蠕化处理，稀土和镁在比较宽的配比范围内，都可以得到蠕虫状石 墨。
[0019] 本发明还提供了一种钒钛蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1) 制备原料，将原料按重量百分比配置为以下组分：3. 4?3. 8 %的碳、2. 1?2. 5 %的硅、 0· 3 ?0· 7% 的锰、0· 10 ?0· 30% 的钒、0· 10 ?0· 20% 的钛、0· 03?0· 07% 的锑、0· 03?0· 07% 的铬、0.01?0.035 %的残留镁、0.02?0.045 %的残留稀土、0.07-0. 17 %的磷、不超过 0. 07 %的硫，余量为铁； (2) 将钒钛磁铁矿熔化后获得的1320°C?1350°C高温铁水直接转入中频炉进行熔炼， 熔炼温度大于1500°C; (3) 铁水出炉前，将浇注处理包在350?450°C进行烘烤，然后将蠕化剂、孕育剂和覆盖 剂和金属锑、铬置于包底； (4) 铁水炉前成分化验合格后，于1450°C?1480°C出炉，采用冲入法将铁水倒入浇注 处理包进行蠕化处理、孕育处理、浇注，即得本发明所述的钒钛蠕墨铸铁。
[0020] 其中，上述所述蠕化剂为稀土镁硅铁和稀土硅铁的混合物，且所述蠕化剂的加入 量为铁水重量的1. 2%?1. 8%，其中稀土硅铁的重量百分比为50%?70%;稀土硅铁和稀 土镁硅铁以细小颗粒状加入，稀土硅铁颗粒的粒度为5?10_，稀土镁硅铁颗粒的粒度为 10 ?15mm〇
[0021] 上述所述的孕育剂为75SiFe，且所述孕育剂的加入量为铁水重量的0.6%? 1. 5%。
[0022] 上述所述覆盖剂为聚渣覆盖剂或草木灰。
[0023] 本发明可直接利用钒钛磁铁矿熔炼后的高温铁水（1320°C?1350°C)经电炉调整 成分获得钒钛蠕墨铸铁，避免了二次熔炼过程，节约了能源。
[0024] 本发明的有益效果：本发明利用富含V、Ti元素的原料，加入少量的锑、铬合金元 素，使钒钛蠕墨铸铁的强度、耐磨性能和抗热疲劳性能都优于加入Ni、Mo合金元素的合金 灰铸铁和钒钛灰铸铁，大大降低了成本。
【具体实施方式】
[0025] 本发明将通过以下的实施例作进一步的说明。
[0026] 试样的制备 将原料按重量百分比配置为以下组分：3. 4?3. 8 %的碳、2. 1?2. 5 %的硅、0.3? 0.7%的锰、0.10?0.30%的钒、0.10?0.20%的钛、0.03?0.07%的锑、0.03?0.07%的铬、 0. 01?0. 035%的残留镁、0. 02?0. 045%的残留稀土、0. 07-0. 17%的磷、不超过0. 07% 的硫，余量为铁和不可避免的杂质。将钒钛磁铁矿熔化后获得的1320°C?1350°C高温铁 水直接转入中频炉进行熔炼，熔炼温度大于1500°C;铁水出炉前，将浇注处理包在350? 450°C进行烘烤，然后将蠕化剂、孕育剂和覆盖剂和金属锑、铬置于包底；铁水炉前成分化验 合格后，于1450°C?1480°C出炉，采用冲入法将铁水倒入浇注处理包进行蠕化处理和孕育 处理，蠕化处理时先将炉内铁水的2/3倒入浇注处理包，待搅拌处理均匀后再将剩余的铁 水倒入浇注处理包，同时将剩余的1/3孕育剂随流加入，之后加入聚渣覆盖剂或者草木灰 于铁水表面，蠕化孕育完成后静置2-3min后S取铁水制取三角试样，三角试块的白口宽口 为5-8mm为孕育合格，孕育合格后烧注30*300的试棒，以备制备抗拉强度试样、硬度试样、 导热试样、耐磨试样和金相试样。
[0027] 实施例1-3 按照本发明【具体实施方式】中的制备方法，制备3炉在本发明规定成分范围内不同成分 组合的钒钛蠕墨铸铁试棒(编号1，2, 3)。
[0028] 对比材料： 普通钒钛灰铸铁试样(编号4); 专利CN102080177制备的钒钛蠕墨铸铁试样(编号5)。
[0029] 表1，各材料化学成分（wt% ):
【权利要求】
1. 一种钒钛蠕墨铸铁，其特征在于，按重量百分比计由如下成分组成：3. 4?3. 8% 的碳、2. 1?2. 5 %的硅、0? 3?0? 7 %的锰、0? 10?0? 30 %的钒、0? 10?0? 20 %的钛、 0? 03?0? 07% 的锑、0? 03?0? 07% 的铬、0? 01 ?0? 035 % 的镁、0? 02 ?0? 045 % 的稀土、 0.07-0. 17%的磷、不超过0.07%的硫，余量为铁；其中，在钒钛蠕墨铸铁中珠光体的含量 为> 60%，蠕化率> 60%。
2. 如权利要求1所述的钒钛蠕墨铸铁，其特征在于碳当量CE为4. 1 %?4. 7%，其中， CE = C+l/3(Si+P)。
3. -种如权利要求1所述的钒钛蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于包括以下步骤： (1) 制备原料，将原料按重量百分比配置为以下组分：3. 4?3. 8%的碳、2. 1?2. 5% 的硅、0? 3?0? 7 %的锰、0? 10?0? 30 %的钒、0? 10?0? 20 %的钛、0? 03?0? 07%的锑、 0.03?0.07%的铬、0.01?0.035%的残留镁、0.02?0.045%的残留稀土、0.07-0.17%的 磷、不超过0. 07%的硫，余量为铁和不可避免的杂质； (2) 将钒钛磁铁矿熔化后获得的1320°C?1350°C高温铁水直接转入中频炉进行熔炼， 熔炼温度大于1500°C ; (3) 铁水出炉前，将浇注处理包在350?450°C进行烘烤，然后将蠕化剂、孕育剂和覆盖 剂和金属锑、铬置于包底； (4) 铁水炉前成分化验合格后，于1450°C?1480°C出炉，采用冲入法将铁水倒入浇注 处理包进行蠕化处理、孕育处理、浇注，即得本发明所述的钒钛蠕墨铸铁。
4. 如权利要求3所述的钒钛蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述蠕化剂为稀土镁 硅铁和稀土硅铁的混合物，且所述蠕化剂的加入量为铁水重量的1. 2%?1. 8%，其中稀土 硅铁的重量百分比为50%?70% ;稀土硅铁和稀土镁硅铁以细小颗粒状加入，稀土硅铁颗 粒的粒度为5?10mm，稀土镁硅铁颗粒的粒度为10?15mm。
5. 如权利要求3所述的钒钛蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述的孕育剂为 75SiFe，且所述孕育剂的加入量为铁水重量的0. 6%?1. 5%。
6. 如权利要求3所述的钒钛蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述覆盖剂为聚渣覆 盖剂或草木灰。
7. 如权利要求1所述的钒钛蠕墨铸铁，其特征在于所述蠕墨铸铁用于制备汽车的制动 鼓、汽车制动盘、发动机缸体缸盖和排气歧管中的任意一种或多种。
【文档编号】C22C37/06GK104357736SQ201410612006
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月4日 优先权日:2014年11月4日
【发明者】宋东波, 刘宁 申请人:攀枝花市大西南实业有限公司