[发明专利]含铌的高强度灰铸铁

说明书

技术领域

本发明总体涉及灰铸铁，更具体而言，本发明涉及具有高强度的灰铸铁。

背景技术

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缚住碳，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。为了避免在吸气冲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0.15百分比的硫。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5-7ASTM。由510专利的合金铸造的样品还显示出抗拉强度为至少40000psi(≈276MPa)，硬度为大约179至大约229BHN。

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。