一种含铌高强度灰铸铁材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种含铌高强度灰铸铁材料及其制备方法，该含铌高强度灰铸铁材料，按重量百分比计由如下化学成分组成：C:3.20％～3.45％、Si:1.6％～2.1％、Mn:0.65％～0.85％、P＜0.06％、S:0.05％～0.12％、Nb:0.05％～0.14％、N:0.016％～0.028％、Sn:0.05％～0.08％、Cr:0.1％～0.3％，余量为Fe。本发明专利技术的含铌高强度灰铸铁材料采用高碳低硅的成分，合金元素添加量较少，保证材料拥有良好的导热性能，同时通过优化合金成分并添加微量的Nb和N元素，提升了材料的高温力学性能。

A Niobium-containing High Strength Gray Cast Iron Material and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种含铌高强度灰铸铁材料及其制备方法
本专利技术涉及灰铸铁及其制备工艺，具体地指一种含铌高强度灰铸铁材料及其制备方法。
技术介绍
灰铸铁作为一种常用的材料，拥有较好的导热性能、减震性能、机械加工性能、耐磨性能及铸造工艺性能等优点，广泛应用于汽车缸体、缸盖、制动鼓、飞轮等同时承受机械疲劳和热疲劳的零部件上。但普通灰铸铁力学性能并不高，随着市场对材料性能的要求日益提高，灰铸铁也需要在保证高温性能的基础上，进一步提升其力学性能。当前为了提升灰铸铁材料力学性能，国内外研究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，但加入大量合金使材料成本提高。为此，研究者们对其他合金元素(Nb、N等)对灰铸铁性能的影响进行了大量研究：中国专利技术专利CN102690987A公开一种微合金化高强度合成灰铸铁及其铸造方法，该专利技术通过添加Nb和Zn对灰铸铁进行强化。Nb合金添加量较高，增加了材料成本。Zn的沸点低于铸铁的熔点，Zn难以吸收，容易产生气孔等缺陷，并恶化工作环境。中国专利技术专利CN103361540A公开一种低合金高强度灰铸铁及其制备方法，包含以下化学成分，按重量百分比计为：C:3.0％-3.4％，Si:1.8％-2.2％，Mn:0.8％-1.5％，S:0.08％-0.13％，P≤0.05％，Cu:0.4％-0.6％，Cr:0.2％-1.0％，N:0.02％-0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质。该灰铸铁合金成分中N元素相对含量较高，成分中无固定N元素，容易出现氮气孔缺陷。中国专利技术专利CN1653202A公开一种灰铸铁合金和铸造内燃机部件，通过添加大量Nb、Mo、V、Cr等碳化物元素来提升材料疲劳强度，材料机械加工性能较差，材料收缩倾向较大，大大增加了材料成本。中国专利技术专利CN108913985A公开一种高碳当量高强度灰铸铁及其制备方法，该专利技术在高碳当量下通过添加一定量的Mo、Cu、Re、Nb、N等元素来增加强度，增加了材料成本，材料收缩倾向较大。
技术实现思路
本专利技术的目的就是要提供一种同时具有优良的高温性能和力学性能的低成本含铌高强度灰铸铁材料及其制备方法。为实现上述目的，本专利技术所提供的一种含铌高强度灰铸铁材料，按重量百分比计由如下化学成分组成：C:3.20％～3.45％、Si:1.6％～2.1％、Mn:0.65％～0.85％、P＜0.06％、S:0.05％～0.12％、Nb:0.05％～0.14％、N:0.016％～0.028％、Sn:0.05％～0.08％、Cr:0.1％～0.3％，余量为Fe。作为优选实施方式地，所述的含铌高强度灰铸铁材料按重量百分比计由如下化学成分组成：C:3.20％～3.36％、Si:1.6％～1.95％、Mn:0.75％～0.85％、P＜0.04％、S:0.067％～0.12％、Nb:0.09％～0.14％、N:0.016％～0.022％、Sn:0.07％～0.08％、Cr:0.15％～0.25％，余量为Fe。作为最佳实施方式地，所述的含铌高强度灰铸铁材料按重量百分比计由如下化学成分组成：C:3.31％、Si:1.88％、Mn:0.78％、P:0.02％、S:0.067％、Nb:0.13％、N:0.022％、Sn:0.07％、Cr:0.25％，余量为Fe。作为优选实施方式地，所述含铌高强度灰铸铁材料的化学成分中Si：C＝0.46～0.66:1；0.006％+Nb/7＜N＜0.012％+Nb/7。本专利技术还提供一种上述的含铌高强度灰铸铁材料的制备方法，包括如下步骤：1)合金熔炼：将生铁、废钢、回炉料、锰铁、铌铁、硫铁、增碳剂、氮化铁合金进行熔炼，根据炉内铁水成分化验结果调整化学成分，当铁水温度达到1470℃～1510℃后静置10～20min，出炉；2)孕育处理：在浇包内加入氮化铁合金，在氮化铁合金上面覆盖孕育剂，将铁水倒入浇包内进行孕育处理；3)浇注处理：将孕育处理后的铁水扒渣，在温度为1380℃～1420℃时进行浇注，浇注时随流孕育。作为优选实施方式地，所述步骤1)和2)中，氮化铁合金包括氮化锰和氮化铬；氮化锰按重量百分比计由如下化学成分组成：Mn＞85％，N＞7％，C＜1.0％，P＜0.03％，Si＜1％，S＜0.025％，余量为Fe及不可避免的杂质；氮化铬按重量百分比计由如下化学成分组成：Cr＞60％，N＞5％，C＜0.1％，P＜0.03％，Si＜2.5％，S＜0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质。作为优选实施方式地，所述步骤2)中，孕育处理采用的包内孕育剂为75SiFe，粒度为8mm～18mm；所述包内孕育剂的加入量为铁水重量的0.2％～0.4％。作为优选实施方式地，所述步骤2)中，氮化铁合金的粒度＜3mm。作为优选实施方式地，所述步骤3)中，随流孕育采用的孕育剂为FeSiSr，粒度为0.2mm～0.6mm。作为优选实施方式地，所述步骤3)中，孕育剂的加入量为铁水重量的0.06％～0.1％。本专利技术中各元素的作用：C：C为石墨化元素，石墨较少会降低铸铁导热性能、铸造工艺性能等，增加零件缩孔缩松倾向；石墨较多会造成力学性能下降。本专利技术C含量范围为3.20％-3.45％。Si：Si降低了C在铁中的溶解度，促进C元素生成石墨组织。Si含量较多会降低铸铁导热性能，增加基体铁素体含量使力学性能下降。本专利技术材料采用高C低Si成分配比，Si/C的比例为0.46～0.66:1，可保证材料的良好导热性能和力学性能，Si含量范围为1.6％～2.1％。Mn和S：S含量过多会在共晶团偏析，恶化铸铁的性能。少量的S会与Mn结合形成石墨核心，促进石墨形核，细化共晶团。铸铁中需要有一定含量的Mn与S结合，但Mn含量较高会使石墨粗大，恶化材料性能。本专利技术Mn含量范围0.65％～0.85％，S含量范围0.05％～0.12％。P：P一般为有害元素，在铸铁中以低熔点二元或三元磷共晶存在于晶界，磷含量过多降低铸铁的韧性和致密性，铸件冷裂倾向增加。对于对致密性有要求的柴油发动机零件，磷含量易控制在0.06％以内。Nb和N：一定量的Nb能细化珠光体和共晶团，提高材料的力学性能和热疲劳性能；过量的Nb将生成抑制石墨的析出，形成碳化物，恶化材料性能。N能细化共晶团、促进珠光体生成，并使石墨变短、弯曲、钝化；过量的N易形成气孔缺陷，加入一定量的Nb能够抑制氮气孔缺陷，生成弥散的硬质相，提升力学性能，强化Nb的有益作用。本专利技术Nb的范围为0.05％～0.14％，N的范围为0.016％～0.028％。Nb和N的添加量满足关系式：0.006％+Nb/7<N<0.012％+Nb/7，可以充分发挥Nb和N的有益效果，避免气孔缺陷。Sn：Sn是珠光体稳定元素，在凝固冷却过程中，偏析于奥氏体中，阻碍奥氏体中的C向石墨中扩散，使珠光体增多。Sn加入量过多使铸铁脆化，恶化材料力学性能。本专利技术Sn的范围为0.05％～0.08％Cr：灰铸铁中加入少量的铬，可以抑制铸铁组织中游离铁素体的形成并保证有完全珠光体，从而提高了抗拉强度和硬度。加入过量的Cr，会得到碳化物的白口组织，严重降低切削加工性能。本专利技术Cr的范围为0.1％～0.3％。本专利技术的含铌高强度灰铸铁材料采用高碳低硅的成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含铌高强度灰铸铁材料，其特征在于，按重量百分比计由如下化学成分组成：C:3.20％～3.45％、Si:1.6％～2.1％、Mn:0.65％～0.85％、P＜0.06％、S:0.05％～0.12％、Nb:0.05％～0.14％、N:0.016％～0.028％、Sn:0.05％～0.08％、Cr:0.1％～0.3％，余量为Fe。

【技术特征摘要】
1.一种含铌高强度灰铸铁材料，其特征在于，按重量百分比计由如下化学成分组成：C:3.20％～3.45％、Si:1.6％～2.1％、Mn:0.65％～0.85％、P＜0.06％、S:0.05％～0.12％、Nb:0.05％～0.14％、N:0.016％～0.028％、Sn:0.05％～0.08％、Cr:0.1％～0.3％，余量为Fe。2.根据权利要求1所述的含铌高强度灰铸铁材料，其特征在于，按重量百分比计由如下化学成分组成：C:3.20％～3.36％、Si:1.6％～1.95％、Mn:0.75％～0.85％、P＜0.04％、S:0.067％～0.12％、Nb:0.09％～0.14％、N:0.016％～0.022％、Sn:0.07％～0.08％、Cr:0.15％～0.25％，余量为Fe。3.根据权利要求1所述的含铌高强度灰铸铁材料，其特征在于，按重量百分比计由如下化学成分组成：C:3.31％、Si:1.88％、Mn:0.78％、P:0.02％、S:0.067％、Nb:0.13％、N:0.022％、Sn:0.07％、Cr:0.25％，余量为Fe。4.根据权利要求1所述的含铌高强度灰铸铁材料，其特征在于，所述含铌高强度灰铸铁材料的化学成分中Si：C＝0.46～0.66:1；0.006％+Nb/7＜N＜0.012％+Nb/7。5.一种权利要求1或2或3所述的含铌高强度灰铸铁材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)合金熔炼：将生铁、废钢、回炉料、锰铁、铌铁、硫铁、增碳剂、氮化铁合金进行熔炼，根据炉内铁...

【专利技术属性】
技术研发人员：金通，袁福安，康明，晏克春，涂欣达，霍卯田，王林，
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