含铌的高强度灰铸铁制造技术

本发明专利技术涉及一种灰铸铁合金。所述灰铸铁合金包含大约３．０５至大约３．４０重量百分比的碳、大约０．０５至大约０．３重量百分比的铌和大约１．７５至大约２．３重量百分比的硅。所述灰铸铁合金还包含小于或等于大约０．０６重量百分比的镍。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体涉及灰铸铁，更具体而言，本专利技术涉及具有高强度的 灰铸铁。
技术介绍
一般而言，铸铁是铁、碳和硅的合金，其中，碳的存在量比共晶 温度下奥氏体固态溶液中可能保持的碳更多。铸铁中碳的含量通常大于1.7%和小于4.5%。工业应用中存在着多种类型的铸铁。作为炼铁 高炉产物的生铁可以被认为是铸铁，因为它是被铸造成锭或块(其随 后用于再熔和铸造成最终形式)的铁。另外一种合金铁是奥氏体铸铁， 其通过添加镍和其它元素进行改造以降低其转变温度，以使得在室温 或常温下其结构是奥氏体的。奥氏体铸铁通常被用于需要高度耐腐蚀 性的应用中。白铸铁是铸铁的一种类型，其中，几乎所有的碳与铁相 结合形成渗碳体。通常白铸铁被用于需要高耐磨性的应用中。另一类 的铸铁被称为可锻铸铁。可锻铸铁是通过将白铸铁进行退火以改变铁 中碳的结构而制成的。通过退火，白铸铁中的渗碳体分解成为小的石 墨致密颗粒(而不是灰铸铁中观察到的片状石墨)，从而增加了材料 的延展性。还有另外两类铸铁，它们是可延展的，被称为球墨铸铁 (nodular iron)和延性铸铁(ductile cast iron)。球墨和延性铸铁是 通过添加锰或铝制成的，其或者以结合状态束縛住碳，或者使游离碳 成为球形或结节状。这一结构为铸造提供了更大的延展性或可锻性。 此外还有包含少量铬、镍、钼、铜或其它用于提供特定性质的元素的 合金铸铁。这些合金通常提供更高强度的铸铁。高强度铁的主要用途 之一 为铸造汽车曲轴。这些合金有时候被称为半钢或以其专用商标名 称相称。应用最广的铸铁类型被称为灰铁。其大规模的产量超过了其它任 何铸造金属的产量。灰铁的组成各式各样，但是通常情况下其基质(matrix)结构主要是在整个范围内分散着许多片状石墨的珠光体。 灰铸铁的弯曲能力和延展性非常低。延展性低是由于存在片状石墨， 其起到间断面的作用。灰铸铁具有多种材料性质，例如低浇注温度、 高流动性、低液态至固态收缩性等，这些性质使得灰铸铁适宜铸造。 灰铸铁还容易得到，并且是最便宜的铁质材料形式之一。广泛应用灰 铸铁的 一个工业领域是汽车工业。使用合金元素调整灰铸铁性质的能 力使其适用于制造不同的汽车部件。例如，经过调整具有耐热疲劳性 的灰铸铁组合物被用于制造发动机组和气缸盖，而经过调整具有高热 传导性和比热容的灰铸铁组合物被用于制造刹车片。为了满足新的性能要求和更加严格的汽车排放标准，要求发动机 比以前制造的发动机在更高的温度和更高的压力下运行。更高的温度 和更高的压力需要增加灰铸铁的强度和提高灰铸铁的耐热疲劳性。这 对于发动机气缸盖而言尤为重要。发动机气缸盖由于与燃烧室非常 近，其最容易受到热疲劳损伤和发生蠕变。在燃料燃烧过程中，燃料 室中的气体温度可接近1300°F,压力可接近160MPa。该热量可以传 导至气缸盖。为了避免在吸气沖程中热量传导回燃烧室内的吸入空气 中(其降低吸气效率并最终降低发动机效率)，可以使冷却液经过气缸盖中的通道进行循环来冷却气缸盖。在发动机操作过程中对气缸盖 进行的循环加热和冷却与由气缸壁上的压力产生的高机械应力相结 合，使得气缸盖非常容易发生热疲劳和蠕变。研究显示，灰铸铁气缸 盖的抗热疲劳和蠕变性取决于灰铸铁中合金元素的组成。传统上，钼(Mo)和钒(V)是已知提高耐热疲劳性的最有效的 促进剂。在传统合金元素中，这两种元素被认为对于优化灰铸铁的共 晶团(eutectic cell)大小以提高耐热疲劳性是独一无二的。于1993 年9月7日授权于Begin的美国专利5242510 (下面称为510专利) 公开了含钼的灰铸铁，用以提高汽车组件的高温热疲劳抗性。510专 利中公开的铸铁合金的碳含量为3.4重量百分比至3.6重量百分比，主要的合金添加物为含量为0.25百分比至0.4百分比的钼和含量为大 约0.3百分比至0.6百分比的铜的组合。510专利中的铸铁合金还包含 大约1.8百分比至2.1百分比的硅、大约0.5至0.9百分比的锰，以及 不大于0.25百分比的铬和0.15百分比的碌"由专利510的铁合金铸 造的样品显示了具有优化的共晶团大小的全珠光体基质的微观结构。 该微观结构还显示出任意位向的基本均匀的石墨分布。510专利微观 结构中的石墨的片大小主要为5 _ 7 ASTM。由510专利的合金铸造的 样品还显示出抗拉强度为至少40000psi (-276 MPa),硬度为大约 179至大约229 BHN。尽管510专利中的灰铸铁合金具有可接受的耐热疲劳性和强度， 但是含钼灰铸铁合金的成本可能很高。随之灰铸铁材料成本的增加会 对该材料在汽车(和其它商业)应用中的适用性造成负面影响。因此， 在商业应用中需要具有良好的耐热疲劳性和强度的低成本灰铸铁合 金。本专利技术旨在克服现有技术中高强度灰铸铁的 一个或多个缺陷。
技术实现思路
本专利技术的一个方面公开了一种灰铸铁合金。该合金包含大约3.05 至大约3.40重量百分比的碳、大约0.05至大约0.3重量百分比的铌和 大约1.75至大约2.3重量百分比的硅。该合金还包含小于或等于大约 0.06重量百分比的^^。本专利技术的另一个方面公开了一种包含大约3.05至大约3.40重量 百分比的碳、大约0.05至大约0.3重量百分比的铌和大约0.04至大约 0.15重量百分比的硫的灰铸铁合金。该合金中的碳基本以ASTM A247 中限定的具有3-6的片大小的A型构型片状石墨形式存在。本专利技术的再另一个方面公开了一种由灰铸铁合金制成的铸件。该 铸件包含大约3.05至大约3.40重量百分比的碳。该铸件中的碳基本 以ASTM A247 A型片状石墨的形式存在。该铸件还包含大约0.05至 大约0.3重量百分比的铌、大约1.75至大约2.3重量百分比的硅，以页及小于或等于大约4.1重量百分比的碳当量。该铸件在室温下的抗拉强度为大约290 MPa至大约360 MPa。 具体实施例方式灰铸铁之所以这样命名是由于其断面呈灰色。灰铸铁在由铁素 体、珠光体或二者的组合物构成的基质中包含片状石墨形式的碳。这 些片状石墨的形状和分布可能会影响灰铁铸件的性质。确定石墨分布 和大小的标准方法是基于美国金属测试协会(ASTM)规范A247，其 对石墨的形式、分布和大小进行了分类。在ASTMA247中，片状形 态被分为五类(A型-E型)。A型是大小基本均匀的片的随机分布。 当在液态铁中存在高成核(nucleation)度时，通常形成A型片状石 墨，从而促进接近于平衡石墨共晶体的固化。B型石墨是以菊花 (rosette)模式形成。由于成核度较低，B型石墨的共晶团大小较大。在 菊花的中心由于过冷(undercooling)形成细片，且随着结构的生长，这 些细片变粗。C型结构通常出现在过共晶铁(见下文描述)中，其中， 最初形成的石墨主要为漂浮石墨。D型和E型是在石墨核不足的快速 冷却铁中形成的细的、过冷的片状石墨。这一石墨形态阻止全珠光体 基质的形成。ASTM规范还提供了测量片状石墨大小的标准。该测量是通过将 100X的标准放大倍率下合金的抛光样本与规范中提供的 一 系列标准 图进行对比来完成的。片状石墨的大小和类型主要取决于固化温度、 冷却速率和熔体的成核状态。片状石墨起到应力集中部位(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种灰铸铁合金，包含：　大约３．０５至大约３．４０重量百分比的碳；　大约０．０５至大约０．３重量百分比的铌；　大约１．７５至大约２．３重量百分比的硅；　小于或等于大约４．１重量百分比的碳当量；和　小于或等于大约 ０．０６重量百分比的镍。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：JW埃登伯恩已故，JK贾斯扎罗维斯基，RW康科林，LW玛西尼，MJ莫蒂尔，
申请(专利权)人：卡特彼勒公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]