專利名稱：微合金化超高強度高碳當量灰鑄鐵的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的微合金化超高強度高碳當量灰鑄鐵涉及一種新型鑄鐵材料，特別是涉及一種主要用于生產大馬力發(fā)動機缸體及其它超高強度高碳當量灰鑄鐵鑄件的新型高碳當量灰鑄鐵材料。
背景技術：
節(jié)省資源、能源和減少環(huán)境污 染一直是全世界努力奮斗的目標之一。為了減少汽車尾氣排放。全世界在汽車設計上一直在努力提高發(fā)動機工作效率，導致發(fā)動機缸內的最大爆發(fā)壓力越來越高，帶來的瓶頸問題是對發(fā)動機缸體強度的要求也越來越高，未來的發(fā)展趨勢要求超級重型載重汽車的高碳當量灰鑄鐵大馬力柴油發(fā)動機缸體的本體強度大于300兆帕(標準試棒的抗拉強度必須大于400兆帕)。因此，材料科學工作者必須面對“提高高碳當量灰鑄鐵強度”這一世界性重大技術難題的挑戰(zhàn)。同時，這一重大難題也是我國自主研發(fā)與制造重型、超級重型載重汽車發(fā)動機缸體的重大、關鍵、瓶頸難題。提高高碳當量灰鑄鐵強度的途徑主要有如下四個方面⑴增加初生奧氏體枝晶的個數(shù)(人們形象的把初生奧氏體枝晶對灰鑄鐵強度的作用比作鋼筋混凝土中的鋼筋或者復合材料中的纖維相)；⑵細化珠光體片間距；⑶細化石墨、使石墨彎曲和鈍化；⑷細化共晶團。為了提高高碳當量灰鑄鐵的強度，國內外鑄鐵科技工作者在合金成分設計、微合金化等方面開展了大量研究工作，取得了一定的成果。主要是通過加入一定量的鉻、鑰、銅、鎳、釩和稀土等合金元素來提高強度。目前，世界上報道的微合金化高碳當量灰鑄鐵標準試棒的抗拉強度最高值為395兆帕，詳見發(fā)明專利“微合金化高強度灰鑄鐵”(專利號2005100168785)，還沒達到400兆帕以上。本發(fā)明通過微合金化，獲得了網絡框架結構的初生奧氏體枝晶，且枝晶細小、個數(shù)增多；細小層片厚度與片間距的交錯排布的珠光體團簇；石墨個數(shù)增多、細小、彎曲、尖角鈍化；共晶團細化的組織，使高碳當量灰鑄鐵標準試棒的抗拉強度達到440兆帕。技術內容本發(fā)明的目的是提供一種微合金化超高強度高碳當量灰鑄鐵，通過微合金化獲得網絡框架結構的初生奧氏體枝晶，且枝晶細小、個數(shù)增多；細小層片厚度與片間距的交錯排布的珠光體團簇；石墨個數(shù)增多、細小、彎曲、尖角鈍化；共晶團細化的組織，使高碳當量灰鑄鐵標準試棒的抗拉強度達到440兆帕。本發(fā)明的上述目的是這樣實現(xiàn)的一種微合金化超高強度高碳當量灰鑄鐵包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Sn等元素，通過優(yōu)化這些元素，又添加了微量的的Zr、Ti、V和N元素，其重量百分比化學成分為C :3. 10 3. 30 ；Si :1. 90 2. 50 ；Mn :0. 20 0. 40 ；P :0. 02 0. 04 ；S 0. 08 0. 11 ；Cr :0. 20 0. 30 ；Cu :0. 50 0. 60 ；Sn :0. 02 0. 05 ；V 0. 20 0. 40 ；N :0. 11 0. 15 ；Zr :0. 01 0. 10 ；Ti :0. 01 0. 10。
本發(fā)明新型微合金化超高強度高碳當量灰鑄鐵的鑄態(tài)組織與加Mo合金化高碳當量灰鑄鐵相比，初生奧氏體由普通的粗大、非等軸枝晶轉變?yōu)榈容S、細小的網絡框架結構枝晶，且枝晶個數(shù)增多；珠光體由大片間距、厚的鐵素體和滲碳體層片轉變?yōu)樾∑g距、薄的鐵素體和滲碳體層片，且由兩個團簇晶界處層片的小角排布轉變?yōu)榇蠼桥挪?；石墨個數(shù)增多、細小、彎曲、尖角鈍化；共晶團細化，參閱

圖1-4所示的本發(fā)明微合金化超高強度高碳當量灰鑄鐵與Mo合金化高強度高碳當量灰鑄鐵的組織對比。在高碳當量灰鑄鐵的強度方面取得了意想不到效果，標準試棒的抗拉強度達到了 440兆帕。本發(fā)明新型微合金化超高強度高碳當量灰鑄鐵與目前傳統(tǒng)的高強度高碳當量灰鑄鐵相比，具有的主要技術優(yōu)點是目如傳統(tǒng)的聞強度聞碳當量灰鑄鐵為了提聞灰鑄鐵的抗拉強度加入鑰、鎳元素或者采用釩和氮元素進行微合金化處理。本發(fā)明在微合金化高強度高碳當量灰鑄鐵包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Sn、V和N等元素的基礎上，又添加了微量的Zr、Ti、V和N元素，使強度得到了進一步顯著提高，標準試棒的抗拉強度達到440兆帕，目前，世界上報道的最高值為395兆帕。由主要技術優(yōu)點帶來的效果是解決了為了提高發(fā)動機工作效率，帶來的對發(fā)動機缸體強度的要求也越來越高瓶頸難題。尤其是解決了我國自主研發(fā)與制造重型、超級重型載重汽車柴油發(fā)動機缸體強度達不到要求這一重大難題。同時,帶來的經濟成本優(yōu)勢將使超高強度高碳當量灰鑄鐵的生產成本低于加Mo合金化高強度高碳當量灰鑄鐵，每噸材料成本大約節(jié)省200-400人民幣元。大規(guī)模產業(yè)化生產所帶來的經濟效益將是十分可觀的。圖例說明本發(fā)明微合金化超高強度高碳當量灰鑄鐵與Mo合金化高強度高碳當量灰鑄鐵的組織圖I初生奧氏體枝晶形態(tài)(a)Mo合金化高強度高碳當量灰鑄鐵的普通、粗大、非等軸網絡框架結構奧氏體枝晶；(b)本發(fā)明微合金化超高強度高碳當量灰鑄鐵的細小、等軸網絡框架結構奧氏體枝晶。圖2珠光體形態(tài)(a)Mo合金化高強度高碳當量灰鑄鐵的珠光體的層片厚度與間距大，同時，珠光體團簇平行排布；(b)本發(fā)明微合金化超高強度高碳當量灰鑄鐵的珠光體的層片厚度與片間距細小，且珠光體團簇交錯排布。圖3石墨形態(tài)(a)Mo合金化高強度高碳當量灰鑄鐵的石墨平直、粗大、個數(shù)少、分布不均勻；(b)本發(fā)明微合金化超高強度高碳當量灰鑄鐵的石墨彎曲、細小、個數(shù)多、分布均勻。圖4共晶團形態(tài)(a)Mo合金化高強度高碳當量灰鑄鐵的共晶團尺寸大、個數(shù)少；(b)本發(fā)明微合金化超高強度高碳當量灰鑄鐵的共晶團尺寸小、個數(shù)多。
具體實施例方式下面結合附圖所示實施例，進一步說明本發(fā)明的具體內容。本發(fā)明優(yōu)化高碳當量灰鑄鐵的合金成分設計和微合金化元素的組成及加入量的積極效果在于改善高碳當量灰鑄鐵初生奧氏體枝晶、珠光體、石墨和共晶團組織，從而提高高碳當量灰鑄鐵的抗拉強度，得到了意想不到的顯著效果，標準試棒的抗拉強度達到了 440兆帕。、
添加微合金化元素Ti、Zr、V、N，在高溫的鐵液(溫度大于1600°C)中形成TiN、TiC、ZrN, ZrC、VN 和 VC，它們的熔點分別為 3290°C、3067°C、2960°C、3540°C、2340°C和 2800°C,它們的(001)晶面與奧氏體(Fe-r)的(110)晶面的晶格錯配度均小于15% (TiN (001)//Fe-r (110) =13.4%, TiC (001)//Fe-r (110) =13.2%, ZrN (001)//Fe-r (110) =12.4%,ZrC (001)//Fe-r (110) =13.6%, VN (001)//Fe-r (110) =14%, VC (001)//Fe-r (110)=13. 9%。)。因此，TiN、TiC、ZrN、ZrC、VN和VC均可作為初生奧氏體結晶的非自發(fā)核心，使高碳當量灰鑄鐵中的初生奧氏體枝晶個數(shù)增多、枝晶細化、形成等軸網絡框架結構，參閱圖
1(b)所示。同時，得到了層片厚度與片間距細小的珠光體，且珠光體團簇交錯排布，參閱圖
2(b)所示。初生奧氏體枝晶的二次枝晶細化、個數(shù)多及二次枝晶臂間距的減小，導致了奧氏體枝晶的等軸網絡框架結構的空間數(shù)量增多、尺寸變小，造成石墨形核率增多，生長受到限制，使石墨變得更加細小、彎曲、個數(shù)增多，參閱圖3(b)所示。Ti、Zr和V均能增加共晶團的數(shù)量，使共晶團尺寸減小、個數(shù)增多，參閱圖4 (b )所示。本發(fā)明“微合金化超高強度高碳當量灰鑄鐵”的強化原理①大量彎曲、細小、尖角鈍化的石墨(參閱圖3(b)所示)使裂紋不易萌生、擴展時不斷改變方向；②共晶團細小(參閱圖4(b)所示)，使裂紋擴展路徑更加曲折，阻力增大；③裂紋擴展時必然受到眾多的等軸網絡框架結構分布的尺寸、層片厚度與片間距細小的珠光體團簇(該團簇交錯排布)(參閱圖1(b)和2(b)所示)的嚴重阻礙，造成裂紋必須穿過框架結構分布的珠光體才能擴展，消耗更大的能量，同時，珠光體團簇交錯排布，進一步消耗能量。上述三種阻礙裂紋擴展的機制，為“微合金化超高強度高碳當量灰鑄鐵”的新的強化原理。提出了網絡框架結構分布的細小層片厚度與片間距的交錯排布的珠光體團簇組織和大量、細小、彎曲、尖角鈍化的石墨與細小的共晶團組織極大地提高高碳當量灰鑄鐵強度的新的強化技術。本發(fā)明“微合金化超高強度高碳當量灰鑄鐵”的成分與力學性能參閱表I所示，由表I表明，本發(fā)明“微合金化超高強度高碳當量灰鑄鐵”的標準試棒的抗拉強度達到了 440兆帕。
權利要求
1.一種微合金化超高強度高碳當量灰鑄鐵，包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Sn元素，其特征在于，添加了微量的Zr、Ti、V和N元素，其重量百分比化學成分為C :3. 10 3. 30 ；Si 1. 90 2. 50 ；Mn :0. 20 0. 40 ；P :0. 02 0. 04 ;S :0. 08 0. 11 ；Cr 0. 20 0. 30 ；Cu :0. 50 0. 60 ；Sn :0. 02 0. 05 ;V :0. 20 0. 40 ；N 0. 11 0. 15 ；Zr :0. 01 0. 10 ；Ti :0. 01 0. 10。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種微合金化超高強度高碳當量灰鑄鐵，其特征在于，所述添加微合金化元素Ti、Zr、V、N，在溫度大于160 0°C的高溫鐵液中形成TiN、TiC、ZrN、ZrC,VN 和 VC，它們的熔點分別為 32900C >30670C >29600C >35400C >23400C2800°C，它們的 001晶面與奧氏體Fe-r的110晶面的晶格錯配度均小于15%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種“微合金化超高強度高碳當量灰鑄鐵”，特別適用于生產超級重型載重汽車柴油發(fā)動機缸體及其它要求高強度的高碳當量灰鑄鐵鑄件。通過優(yōu)化合金成分設計和添加微量的Zr、Ti、V和N元素，使強度得到顯著提高，標準試棒的抗拉強度達到440兆帕(目前，世界上報道的最高值為395兆帕)。最終獲得了一種“微合金化超高強度高碳當量灰鑄鐵”，其重量百分比化學成分為C3.10～3.30；Si1.90～2.50；Mn0.20～0.40；P0.02～0.04；S0.08～0.11；Cr0.20～0.30；Cu0.50～0.60；Sn0.02～0.05；V0.20～0.40；N0.11～0.15；Zr0.01～0.10；Ti0.01～0.10。
文檔編號C22C37/10GK102747267SQ20121022315
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月1日 優(yōu)先權日2012年7月1日
發(fā)明者侯駿, 姜啟川, 王金國, 逄偉 申請人:吉林大學