专利名称：哑声减振蠕墨铸铁及其制造方法
技术领域：
本发明的哑声减振蠕墨铸铁及其制造方法，属于铸铁合金、铸铁冶炼的技术领域。
用金属结构材料制造的各种机电设备，在运转时不可避免地产生机械振动和噪声。这不仅影响产品质量，降低设备寿命，而且有害人体健康。减少机电产品工作时的振动、降低噪声已成为提高产品质量、防治噪声污染的重要课题。除改进产品设计，提高加工精度外，采用减振结构材料是减振降噪的有效方法。减振结构材料是利用金属结构材料本身的内耗特性，将振动机械能转变为热能而耗散掉，达到减振降噪的目的。继哑声减振钢之后，哑声减振铸铁受到重视。这是因为铸铁的成本低，使用量大(机电设备中铸铁的用量约占60-90%)，其耐磨性和切削性能好，因而，减振铸铁比减振钢有更大的应用价值。然而，哑声减振铸铁的减振机理至今不甚清楚，它的抗拉强度和内耗性能之间的矛盾未能统一。日本三菱重工的一系列专利如特开昭51-45613和51-54821是在铸铁中添加Ni、Mo、Cu、Cr等元素，铸铁的抗拉强度σb～20kg/mm2，相应的内耗Q-1～120×10-4。特开昭52-4419提出了高Ni含量的奥氏体型减振铸铁，它以牺牲强度(σb＜10kg/mm2)来提高内耗(最高Q-1～285×10-4)，由于Ni含量高达20%，成本相当高。特开昭52-61117添加Zr，可使Q-1达到400×10-4，但σb仅6.2kg/mm2;加Cr强化后σb为12kg/mm2，但Q-1降低到200×10-4。日本久保田铁工的申请专利特开昭53-65215和53-39921，用Cu、Cr、V、Mg、Ce、Mo、Ti等加入铸铁，最高性能为σb＝24kg/mm2，Q-1＝103×10-4。近年来，出现了性能介于球墨铸铁和灰铸铁之间的蠕墨铸铁，强度一般为30-45kg/mm2，但其内耗很低。(见日本文献铸物，V53，No 4，187，1981;V55，No 2，107，1985及日本专利特开昭57-134531;60-26609)。
一般认为，哑声减振铸铁的内耗机理是铸铁的析出相(石墨)和母相(基体金属)，在交变应力作用下分别产生塑性形变和弹性形变，而片状石墨在发生塑性形变的同时，使能量逸散大大增加而产生内耗(见《上海金属》有色分册V4，No1，42，1983)。但这种复相型内耗理论无法解释减振铸铁淬火后具有超高阻尼能力，也无法指导制造高强度兼高内耗铸铁的工作。
本发明是在认为铸铁的内耗主要起因于铸铁中石墨的位错运动和堆垛层错消耗能量的基础上，制造具有良好阻尼特性和机械性能的哑声减振蠕墨铸铁，使其内耗Q-1和抗拉强度σb能满足各种机电设备对减振降噪的要求。
本发明采用高碳当量铸铁(碳当量CE＝Cwt%+ 1/3 Siwt%)以保证铸铁有较高的内耗。但高碳当量的铸铁强度很低。本发明在铸铁熔炼浇注过程中，利用铸铁中的C和残留在液态铸铁中的O、N、S等元素与加入铸铁中的微量元素形成高熔点化合物，这些化合物在铸铁冷凝过程中对铸铁中的六角结晶石墨进行层间掺杂。这不仅增大了铸铁中石墨位错运动的摩擦阻尼(我们认为，位错运动消耗能量是铸铁的主要内耗机构)，而且对铸铁中石墨层间进行“弥散强化”，从而提高了铸铁的强度。
加入的微量元素可以是元素周期表ⅡA族的Be、Mg、Ca、Sr、Ba;1ⅤB族的Ti、Zr、H∫;ⅤB或ⅥB族(Cr除外)的V、Nb、Ta、Mo、W。考虑到成本及工艺问题，实际采用的只是Mg、Ti、Zr、V、Mo、W等几个掺杂元素。它们以液态铸铁为反应空间，与铸铁中的C、O、N、S等非金属元素形成高熔点化合物，这些化合物分子直径都很小，其熔点大多在2000℃以上。在铸铁冷凝过程中，这些化合物首先析出，成为六角石墨的结晶中心，并在石墨结晶过程中占据石墨层间位置。根据铸铁中石墨位错运动而产生内耗的机理，这类化合物的存在增加了位错运动的摩擦阻尼，同时，由于它占据石墨层间位置，也提高了石墨层间的分子键合力，从而提高了铸铁的强度。
本发明提出的掺杂微量元素中，ⅡA族元素的高熔点化合物是一种球化剂，其含量的增高可使通常铸铁中的片状石墨蠕化，最后形成球墨铸铁，从而大大提高铸铁强度。NB族元素的高熔点化合物对铸铁中的石墨是一种反球化剂，ⅡA族与ⅣB族元素应同时加入铸铁，以控制铸铁的球化率为10-55%，使得铸铁中石墨呈蠕虫状分布，从而使强度增加的同时，不使内耗有太大的降低。本发明提出的ⅤB和ⅥB族元素形成的高熔点化合物只起掺杂作用，并不影响石墨球化，可根据需要采用。但其中Cr的化合物会对位错运动造成强钉扎，不宜采用。
本发明的哑声减振蠕墨铸铁的制造方法是与普通铸铁一样，用化铁炉(可采用中频、工频电炉、冲天炉、反射炉、勺炉等)熔化生铁，温度1450-1520℃，控制Fe中C、Si、Mn、S、P的含量，将铁水注入包内。然后将所需金属元素Mg、Ti、Zr、V、Mo、W等加入包内的液态铸铁中，可以用压力加入法、冲入法等加入，但用这些金属元素的中间合金形式如Mg-Si、Mg-Si-Fe、Mg-Si-Ti-Fe、Ti-Fe、Zr-Fe、V-Fe、Mo-Fe、W-Fe等加入更为经济、方便。合金元素加入后应搅拌均匀，这些中间合金中的金属元素与液态铸铁中的C和残留的O、N、S形成高熔点化合物。最后加入铸铁重量0.4-0.6wt%的Si-Fe合金(Si的含量在碳当量中扣除)，再次搅拌后浇注，浇注温度1350-1400℃间。铸型可以是普通砂型、石英砂型、金属型或石腊精密浇注从铁水出炉到浇注这段时间控制在2-15分钟。
本发明的哑声减振蠕墨铸铁的化学组分如下碳当量CE4.0-5.5wt%，最佳为5.0-5.3wt%;
Mn0.1-1.5wt%，最佳为0.6-0.7wt%;
通常铸铁的杂质含量S、P及残余气体等;
少量的掺杂化合物ⅡA和ⅣB族元素与C、O、N、S形成的高熔点化合物0.02-0.2wt%，最佳为0.04-0.15wt%;
当有ⅤB或ⅥB族元素的化合物掺杂时，ⅤB或ⅥB族元素与C、O、N、S形成的高熔点化合物0.05-1.5wt%，最佳为0.1-0.8wt%。
表1列出了本发明的十一个实施例。
由表可见，本发明的哑声减振蠕墨铸铁具有较高的减振性能和强度，内耗Q-1多数在200×10-4以上，最高达535×10-4，抗拉强度σb在10-70kg/mm2之间。淬火后(900℃保温1.5小时，油淬)的性能稍有变化。
本发明的哑声减振蠕量铸铁具有蠕墨铸铁的强度，又具有高的减振性能，其综合性能大大优于已有技术的减振铸铁。它的减振能力为普通铸铁的数十倍，是普通钢的数百倍。因此，凡是受到振动和噪声危害的机电设备，使用本发明可获得良好的减振降噪效果。本发明的制造工艺与普通铸铁基本相同，使用的掺杂元素量少而价格较低，因而本发明的成本低廉，可代替机电工业上广泛使用的HT型铸铁，达到减振降噪的目的。使用本发明的哑声减振蠕墨铸铁除减振降噪外还可延长机电设备寿命，提高机电产品的动态稳定性和精度。
权利要求
1.一种哑声减振蠕墨铸铁，它是在高碳当量铸铁中加入掺杂金属熔炼浇注而成，其特征在于(1)加入的掺杂金属与铸铁中的C和残留的O、N、S形成高熔点掺杂化合物，这些掺杂金属是元素周期表中ⅡA族、ⅣB族、ⅤB或ⅥB族金属元素；(2)作为球化剂的ⅡA族元素与反球化剂的ⅣB族元素是同时加入的，控制球化率为10-55%；(3)其化学组分为碳当量CE4.0-5.5wt%，Mn 0.1-1.5wt%，通常铸铁的残留杂质S、P及残留气体，ⅡA与ⅣB族掺杂金属元素与铸铁中的C、O、N、S形成的高熔点化合物0.02-0.2wt%，有VB或ⅥB族元素掺杂时，VB或ⅥB族金属元素与铸铁中的C、O、N、S形成的高熔点化合物0.05-1.5wt%。
2.按权利要求1所述的哑声减振蠕墨铸铁，其特征在于哑声减振铸铁的最佳组分为碳当量CE5.0-5.3wt%，Mn0.6-0.7wt%，通常铸铁的残留杂质S、P及残留气体，ⅡA与ⅣB族掺杂金属与C、O、N、S形成的高熔点化合物0.04-0.15wt%，有ⅤB或ⅥB族元素掺杂时，ⅤB或ⅥB族元素与C、O、N、S形成的高熔点化合物0.1-0.8wt%。
3.按权利要求1或2所述的哑声减振蠕墨铸铁，其中所说的ⅡA族掺杂元素是Mg，ⅣB族掺杂元素是Ti、Zr，ⅤB或ⅥB族掺杂元素是V、Mo、W。
4.一种哑声减振蠕墨铸铁的制造方法，它包括铸铁的制造工艺将铁水熔化注入包内，然后浇注成型，本发明的特征是在1450-1520℃下熔化生铁、将铁水注入包内，将Mg、Ti、Zr、V、Mo、W等掺杂金属加入包内的液态铸铁中，充分搅拌后加入铸铁重量0.4-0.6wt%的Si-Fe合金，搅拌均匀后浇注，浇注温度1350-1400℃，从铁水出炉到浇注的时间控制在2-15分钟。
5.按权利要求4所述的哑声减振铸铁的制造方法，其特征在于Mg、Ti、Zr、V、Mo、W的加入是以中间合金如Mg-Fe、Mg-Si-Fe、Mg-Si-Ti-Fe、Ti-Fe、Zr-Fe、V-Fe、Mo-Fe、W-Fe合金形式加入的。
全文摘要
本发明是哑声减振蠕墨铸铁及其制造方法，属于铸铁合金、铸铁冶炼的技术领域。它通过在铸铁熔炼浇注过程中，加入作为球化剂和反球化剂的金属以及掺杂金属，这些金属与铸铁中残留的非金属杂质形成的高熔点掺杂化合物占据铸铁中石墨的层间位置，使其既增加强度，又提高内耗。它成本低廉，可广泛用于机电设备上代替HT型铸铁，达到减振降噪的效果，可延长机电产品寿命，提高机电产品的精度。
文档编号C21C1/10GK1031116SQ8710109
公开日1989年2月15日 申请日期1987年7月30日 优先权日1987年7月30日
发明者张鸿毅 申请人:中国科学院上海冶金研究所