專利名稱：微合金化超高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的微合金化超高強(qiáng)度高碳當(dāng)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(chǎn)大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)缸體及其它超高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵鑄件的新型高碳當(dāng)量灰鑄鐵材料。
背景技術(shù)：
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(biāo)之一。為了減少汽車(chē)尾氣排放。全世界在汽車(chē)設(shè)計(jì)上一直在努力提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的最大爆發(fā)壓力越來(lái)越高，帶來(lái)的瓶頸問(wèn)題是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體強(qiáng)度的要求也越來(lái)越高，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)要求超級(jí)重型載重汽車(chē)的高碳當(dāng)量灰鑄鐵大馬力柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的本體強(qiáng)度大于300兆帕(標(biāo)準(zhǔn)試棒的抗拉強(qiáng)度必須大于400兆帕)。因此，材料科學(xué)工作者必須面對(duì)“提高高碳當(dāng)量灰鑄鐵強(qiáng)度”這一世界性重大技術(shù)難題的挑戰(zhàn)。同時(shí)，這一重大難題也是我國(guó)自主研發(fā)與制造重型、超級(jí)重型載重汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的重大、關(guān)鍵、瓶頸難題。提高高碳當(dāng)量灰鑄鐵強(qiáng)度的途徑主要有如下四個(gè)方面⑴增加初生奧氏體枝晶的個(gè)數(shù)(人們形象的把初生奧氏體枝晶對(duì)灰鑄鐵強(qiáng)度的作用比作鋼筋混凝土中的鋼筋或者復(fù)合材料中的纖維相)；⑵細(xì)化珠光體片間距；⑶細(xì)化石墨、使石墨彎曲和鈍化；⑷細(xì)化共晶團(tuán)。為了提高高碳當(dāng)量灰鑄鐵的強(qiáng)度，國(guó)內(nèi)外鑄鐵科技工作者在合金成分設(shè)計(jì)、微合金化等方面開(kāi)展了大量研究工作，取得了一定的成果。主要是通過(guò)加入一定量的鉻、鑰、銅、鎳、釩和稀土等合金元素來(lái)提高強(qiáng)度。目前，世界上報(bào)道的微合金化高碳當(dāng)量灰鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)試棒的抗拉強(qiáng)度最高值為395兆帕，詳見(jiàn)發(fā)明專利“微合金化高強(qiáng)度灰鑄鐵”(專利號(hào)2005100168785)，還沒(méi)達(dá)到400兆帕以上。本發(fā)明通過(guò)微合金化，獲得了網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)的初生奧氏體枝晶，且枝晶細(xì)小、個(gè)數(shù)增多；細(xì)小層片厚度與片間距的交錯(cuò)排布的珠光體團(tuán)簇；石墨個(gè)數(shù)增多、細(xì)小、彎曲、尖角鈍化；共晶團(tuán)細(xì)化的組織，使高碳當(dāng)量灰鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)試棒的抗拉強(qiáng)度達(dá)到440兆帕。技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種微合金化超高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵，通過(guò)微合金化獲得網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)的初生奧氏體枝晶，且枝晶細(xì)小、個(gè)數(shù)增多；細(xì)小層片厚度與片間距的交錯(cuò)排布的珠光體團(tuán)簇；石墨個(gè)數(shù)增多、細(xì)小、彎曲、尖角鈍化；共晶團(tuán)細(xì)化的組織，使高碳當(dāng)量灰鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)試棒的抗拉強(qiáng)度達(dá)到440兆帕。本發(fā)明的上述目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種微合金化超高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Sn等元素，通過(guò)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(xué)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(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵的鑄態(tài)組織與加Mo合金化高碳當(dāng)量灰鑄鐵相比，初生奧氏體由普通的粗大、非等軸枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S、細(xì)小的網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)枝晶，且枝晶個(gè)數(shù)增多；珠光體由大片間距、厚的鐵素體和滲碳體層片轉(zhuǎn)變?yōu)樾∑g距、薄的鐵素體和滲碳體層片，且由兩個(gè)團(tuán)簇晶界處層片的小角排布轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠼桥挪迹皇珎€(gè)數(shù)增多、細(xì)小、彎曲、尖角鈍化；共晶團(tuán)細(xì)化，參閱

圖1-4所示的本發(fā)明微合金化超高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵與Mo合金化高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵的組織對(duì)比。在高碳當(dāng)量灰鑄鐵的強(qiáng)度方面取得了意想不到效果，標(biāo)準(zhǔn)試棒的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了 440兆帕。本發(fā)明新型微合金化超高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵與目前傳統(tǒng)的高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵相比，具有的主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是目如傳統(tǒng)的聞強(qiáng)度聞碳當(dāng)量灰鑄鐵為了提聞灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度加入鑰、鎳元素或者采用釩和氮元素進(jìn)行微合金化處理。本發(fā)明在微合金化高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Sn、V和N等元素的基礎(chǔ)上，又添加了微量的Zr、Ti、V和N元素，使強(qiáng)度得到了進(jìn)一步顯著提高，標(biāo)準(zhǔn)試棒的抗拉強(qiáng)度達(dá)到440兆帕，目前，世界上報(bào)道的最高值為395兆帕。由主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)帶來(lái)的效果是解決了為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率，帶來(lái)的對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體強(qiáng)度的要求也越來(lái)越高瓶頸難題。尤其是解決了我國(guó)自主研發(fā)與制造重型、超級(jí)重型載重汽車(chē)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體強(qiáng)度達(dá)不到要求這一重大難題。同時(shí),帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)勢(shì)將使超高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵的生產(chǎn)成本低于加Mo合金化高強(qiáng)度高碳當(dāng)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(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益將是十分可觀的。圖例說(shuō)明本發(fā)明微合金化超高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵與Mo合金化高強(qiáng)度高碳當(dāng)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(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵的普通、粗大、非等軸網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)奧氏體枝晶；(b)本發(fā)明微合金化超高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵的細(xì)小、等軸網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)奧氏體枝晶。圖2珠光體形態(tài)(a)Mo合金化高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵的珠光體的層片厚度與間距大，同時(shí)，珠光體團(tuán)簇平行排布；(b)本發(fā)明微合金化超高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵的珠光體的層片厚度與片間距細(xì)小，且珠光體團(tuán)簇交錯(cuò)排布。圖3石墨形態(tài)(a)Mo合金化高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵的石墨平直、粗大、個(gè)數(shù)少、分布不均勻；(b)本發(fā)明微合金化超高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵的石墨彎曲、細(xì)小、個(gè)數(shù)多、分布均勻。圖4共晶團(tuán)形態(tài)(a)Mo合金化高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵的共晶團(tuán)尺寸大、個(gè)數(shù)少；(b)本發(fā)明微合金化超高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵的共晶團(tuán)尺寸小、個(gè)數(shù)多。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖所示實(shí)施例，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體內(nèi)容。本發(fā)明優(yōu)化高碳當(dāng)量灰鑄鐵的合金成分設(shè)計(jì)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(dāng)量灰鑄鐵初生奧氏體枝晶、珠光體、石墨和共晶團(tuán)組織，從而提高高碳當(dāng)量灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度，得到了意想不到的顯著效果，標(biāo)準(zhǔn)試棒的抗拉強(qiáng)度達(dá)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(diǎn)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(cuò)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(jié)晶的非自發(fā)核心，使高碳當(dāng)量灰鑄鐵中的初生奧氏體枝晶個(gè)數(shù)增多、枝晶細(xì)化、形成等軸網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)，參閱圖
1(b)所示。同時(shí)，得到了層片厚度與片間距細(xì)小的珠光體，且珠光體團(tuán)簇交錯(cuò)排布，參閱圖
2(b)所示。初生奧氏體枝晶的二次枝晶細(xì)化、個(gè)數(shù)多及二次枝晶臂間距的減小，導(dǎo)致了奧氏體枝晶的等軸網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)的空間數(shù)量增多、尺寸變小，造成石墨形核率增多，生長(zhǎng)受到限制，使石墨變得更加細(xì)小、彎曲、個(gè)數(shù)增多，參閱圖3(b)所示。Ti、Zr和V均能增加共晶團(tuán)的數(shù)量，使共晶團(tuán)尺寸減小、個(gè)數(shù)增多，參閱圖4 (b )所示。本發(fā)明“微合金化超高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵”的強(qiáng)化原理①大量彎曲、細(xì)小、尖角鈍化的石墨(參閱圖3(b)所示)使裂紋不易萌生、擴(kuò)展時(shí)不斷改變方向；②共晶團(tuán)細(xì)小(參閱圖4(b)所示)，使裂紋擴(kuò)展路徑更加曲折，阻力增大；③裂紋擴(kuò)展時(shí)必然受到眾多的等軸網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)分布的尺寸、層片厚度與片間距細(xì)小的珠光體團(tuán)簇(該團(tuán)簇交錯(cuò)排布)(參閱圖1(b)和2(b)所示)的嚴(yán)重阻礙，造成裂紋必須穿過(guò)框架結(jié)構(gòu)分布的珠光體才能擴(kuò)展，消耗更大的能量，同時(shí)，珠光體團(tuán)簇交錯(cuò)排布，進(jìn)一步消耗能量。上述三種阻礙裂紋擴(kuò)展的機(jī)制，為“微合金化超高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵”的新的強(qiáng)化原理。提出了網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)分布的細(xì)小層片厚度與片間距的交錯(cuò)排布的珠光體團(tuán)簇組織和大量、細(xì)小、彎曲、尖角鈍化的石墨與細(xì)小的共晶團(tuán)組織極大地提高高碳當(dāng)量灰鑄鐵強(qiáng)度的新的強(qiáng)化技術(shù)。本發(fā)明“微合金化超高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵”的成分與力學(xué)性能參閱表I所示，由表I表明，本發(fā)明“微合金化超高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵”的標(biāo)準(zhǔn)試棒的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了 440兆帕。
權(quán)利要求
1.一種微合金化超高強(qiáng)度高碳當(dāng)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(xué)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(quán)利要求I所述的一種微合金化超高強(qiáng)度高碳當(dāng)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(diǎn)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(cuò)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(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵”，特別適用于生產(chǎn)超級(jí)重型載重汽車(chē)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體及其它要求高強(qiáng)度的高碳當(dāng)量灰鑄鐵鑄件。通過(guò)優(yōu)化合金成分設(shè)計(jì)和添加微量的Zr、Ti、V和N元素，使強(qiáng)度得到顯著提高，標(biāo)準(zhǔn)試棒的抗拉強(qiáng)度達(dá)到440兆帕(目前，世界上報(bào)道的最高值為395兆帕)。最終獲得了一種“微合金化超高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵”，其重量百分比化學(xué)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(hào)C22C37/10GK102747267SQ20121022315
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月1日
發(fā)明者侯駿, 姜啟川, 王金國(guó), 逄偉 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)