一种高碳当量高强度灰铸铁及其制备方法技术

一种高碳当量高强度灰铸铁及其制备方法，属于灰铸铁材料领域，高碳当量高强度灰铸铁主要组成成分及其重量百分比为：C:3.1%~3.5%、Si:1.7%~2.3%、Nb:0.04%~0.2%、N:0.03%~0.1%、Mn:0.5%~1.0%、S:0.03%~0.15%、P≤0.06%、Cu:0.65%~0.9%、Cr:0.31%~0.5%、Mo:0.1%~0.4%、Re:0.01%~0.04%，余量为Fe和不可避免杂质。本发明专利技术制备方法包括合金熔炼、孕育处理、浇注，通过优化常规化学元素并复合加入Nb和N元素，有效地解决了灰铸铁零件难以同时满足高碳当量、高强度和低铸造缺陷的技术难题，解决了高碳当量灰铸铁零件因强度低而开裂的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种高碳当量高强度灰铸铁及其制备方法
本专利技术涉及高碳当量高强度灰铸铁领域，特别涉及一种大马力柴油发动机缸盖所用高强度灰铸铁。
技术介绍
当前为了提升灰铸铁材料强度，通常采用降低碳当量(CE)等工艺措施，但这降低了零件的充型能力、导热性能、铸造工艺性能和机械加工性能等，大大增加了铸件的收缩倾向，使得发动机缸盖产品由于缩松引起的泄露、漏水、开裂等废品率居高不下。因此，一种高碳当量高强度灰铸铁材料亟待被开发。为了提高高碳当量灰铸铁的强度，国内外研究者在合金优化等方面进行了大量的工作，主要是通过加入一定量的Cr、Mo、Cu、Ni、Sn、V等合金元素来提升强度，但强度提升有限，并增加了材料成本。为此，研究者们对其他合金元素对灰铸铁性能的影响进行了大量研究。中国专利公布号：CN10336154A，专利公布日：2013年10月23日，专利名称《低合金高强度灰铸铁及其制备方法》，其中灰铸铁的组分及其质量百分比为：C：3.0％～3.4％，Si：1.8％～2.2％，Mn：0.8％～1.5％，P：≤0.05％，S：0.08％～0.13％，Cr:0.2％～1.0％，Cu：0.4％～0.6％，N：0.02％～0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质。该专利技术的低合金高强度灰铸铁强度高，金相组织以A型石墨为主，生产成本低，合金成分中N元素相对含量较高，但成分中无固N元素，容易出现氮气孔缺陷。另外，没有添加抗热疲劳和抗高温蠕变的Mo、Nb等元素，难以满足未来大马力柴油发动机材料耐高温需求。中国专利公布号：CN747367A，专利公布日：2012年10月24日，专利名称《微合金化超高强度高碳当量灰铸铁》，所述微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的化学成分重量百分比为：C:3.1％～3.3％，Si:1.9％～2.5％，Mn:0.2％～0.4％，S:0.08％～0.11％，P:0.02％～0.04％，Cu:0.5％～0.6％，Cr:0.2％～0.3％，Sn:0.02％～0.05％，V:0.02％～0.04％，N:0.11％～0.15％，Zr:0.01％～0.10％，Ti:0.01％～0.10％。该材料通过优化合金成分设计和添加微量的Zr、Ti、V和N元素，提升灰铸铁材料强度。但灰铸铁所采用的合金材料种类较多，生产工艺控制相对难，容易产生白口组织，恶化加工性能，且N含量相对固N元素高，容易在铸件时产生气泡。中国专利公开号：CN1759797A，专利公开日期：2006年4月12日，专利名称《用于发动机气缸体和汽缸盖的灰口铸铁》，所述的灰铸铁的化学成分重量百分比为：C:2.7％～3.8％，Si：1.0％～2.2％，Mn：0.3％～1.2％，P：0.02％～0.1％，S：0.04％～0.15％，N：0.0095％～0.0160％，V＜0.025％，Sn：0.05％～0.15％，Cu：1.5％，Cr：0.6％，Mo：0.6％，Al＜0.02％，Ti＜0.02％，其余的为Fe和杂质。该专利技术通过添加N元素，提升了材料的力学性能，但限制加入固氮元素，容易出现氮气孔缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高碳当量、高强度、无明显铸造缺陷的灰铸铁材料及其制备方法。本专利技术解决方案是：一种高碳当量高强度灰铸铁，灰铸铁的组成成分及其重量百分比为：C:3.1％～3.5％、Si:1.7％～2.3％、Nb:0.03％～0.2％、N:0.03％～0.1％、Mn:0.45％～0.9％、P≤0.06％、S:0.03％～0.15％、Cu:0.65％～0.8％、Cr:0.31％～0.5％、Mo:0.1％～0.4％，Re:0.01％～0.04％，余量为Fe和不可避免杂质。所述的高碳当量高强度灰铸铁中碳当量(CE)为3.8％～4.2％。一种高碳当量高强度灰铸铁的制备方法，包括以下步骤：(1)合金熔炼：采用中频熔炼炉进行熔炼，炉料为生铁、废钢、回炉料、锰铁、铌铁、铬铁、铜、硫铁、钼铁、增碳剂、氮化铁合金，根据炉内铁液成分化验结果调整化学成分，当铁水温度达到1470℃～1560℃后，静置5～25min，然后出炉；(2)孕育处理：将铁水倒入浇包内进行孕育处理，撒入集渣剂，进行浇注；(3)浇注：将孕育处理后的铁水在温度1360℃～1440℃时进行浇注，在浇注的同时加入孕育剂进行随流孕育，孕育剂为75SiFe。所述步骤(1)中氮化铁合金为氮化锰、氮化铬或氮化硅锰中的至少一种。所述步骤(1)中氮化铁合金在出炉前1～5min加入熔炼炉内或加入到浇注包内。所述步骤(1)中添加的氮化铁合金粒径小于等于3mm。所述步骤(2)中在孕育处理前加入稀土，稀土为铈镧混合稀土。与现有技术相比本专利技术的有益效果是：拥有较高的碳当量，使组织中拥有更多的石墨，保证材料具有良好的导热性能、铸造工艺性能、减震性能、切削加工性能等优点，减小材料缩孔缩松倾向。通过在常规合金元素基础上，添加微量的Nb和N来提升高碳当量灰铸铁材料强度，同时固N元素Nb比N元素多，不会出现氮气孔的缺陷。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术进一步说明，但本专利技术并不限于以下实施例。一种高碳当量高强度灰铸铁，灰铸铁的组成成分及其重量百分比为：C:3.1％～3.5％、Si:1.7％～2.3％、Nb:0.03％～0.2％、N:0.03％～0.1％、Mn:0.45％～0.9％、P≤0.06％、S:0.03％～0.15％、Cu:0.65％～0.8％、Cr:0.31％～0.5％、Mo:0.1％～0.4％，Re:0.01％～0.04％，余量为Fe和不可避免杂质。所述的高碳当量高强度灰铸铁中碳当量(CE)为3.8％～4.2％。一种高碳当量高强度灰铸铁的制备方法，包括以下步骤：(1)合金熔炼：采用中频熔炼炉进行熔炼，炉料为生铁、废钢、回炉料、锰铁、铌铁、铬铁、铜、硫铁、钼铁、增碳剂、氮化铁合金，根据炉内铁液成分化验结果调整化学成分，当铁水温度达到1470℃～1560℃后，静置5～25min，然后出炉；(2)孕育处理：将铁水倒入浇包内进行孕育处理，撒入集渣剂，进行浇注；(3)浇注：将孕育处理后的铁水在温度1360℃～1440℃时进行浇注，在浇注的同时加入孕育剂进行随流孕育，孕育剂为75SiFe。所述步骤(1)中氮化铁合金为氮化锰、氮化铬或氮化硅锰中的至少一种。所述步骤(1)中氮化铁合金在出炉前1～5min加入熔炼炉内或加入到浇注包内。所述步骤(1)中添加的氮化铁合金粒径小于等于3mm。所述步骤(2)中在孕育处理前加入稀土，稀土为铈镧混合稀土。本专利技术材料和制备方法的原理说明如下：C：为强烈促进石墨化元素，对于一些对材料致密性、导热性能等有要求的铸件(如缸盖)，组织中要求有一定数量的石墨。C含量过高，铸铁中石墨变粗大、数量增多，珠光体变粗，力学性能下降。C含量较低，组织中石墨量少，会增加铸件收缩倾向，降低材料铸造和机加工性能。为了保证有一定数量的石墨，本专利技术中将C含量提高到3.1％～3.5％的范围内。Si：强烈促进石墨化元素，Si降低了C在铁中的溶解度，促进C元素生成石墨组织。但随着Si量的增加，基体中铁素体含量逐渐增多，珠光体含量减少，材料力学性能降低。本专利技术材料采用高Si低C成分配比，通过添加合金元素抑制铁素体生产，Si含量范围为1.7％～2.3％。碳当量(CE)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高碳当量高强度灰铸铁，其特征在于：所述的高碳当量高强度灰铸铁的组成成分及其重量百分比为：C:3.1%~3.5%、Si:1.7%~2.3%、Nb:0.03%~0.2%、N:0.03%~0.1%、Mn:0.45%~0.9%、P≤0.06%、S:0.03%~0.15%、Cu:0.65%~0.8%、Cr:0.31%~0.5%、Mo:0.1%~0.4%，Re:0.01%~0.04%，余量为Fe和不可避免杂质。

【技术特征摘要】
1.一种高碳当量高强度灰铸铁，其特征在于：所述的高碳当量高强度灰铸铁的组成成分及其重量百分比为：C:3.1%~3.5%、Si:1.7%~2.3%、Nb:0.03%~0.2%、N:0.03%~0.1%、Mn:0.45%~0.9%、P≤0.06%、S:0.03%~0.15%、Cu:0.65%~0.8%、Cr:0.31%~0.5%、Mo:0.1%~0.4%，Re:0.01%~0.04%，余量为Fe和不可避免杂质。2.根据权利要求1所述一种高碳当量高强度灰铸铁，其特征在于：所述的高碳当量高强度灰铸铁中碳当量为3.8%~4.2%。3.权利要求1和2中所述一种高碳当量高强度灰铸铁的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）合金熔炼：采用中频熔炼炉进行熔炼，炉料为生铁、废钢、回炉料、锰铁、铌铁、铬铁、铜、硫铁、钼铁、增碳剂、氮化铁合金，根据炉内铁液成分化验结果调整化学成分，当铁水温度达到1...

【专利技术属性】
技术研发人员：金通，袁福安，晏克春，霍卯田，涂欣达，冯世荣，王作勇，
申请(专利权)人：东风商用车有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42