[发明专利]微合金化超高强度高碳当量灰铸铁

说明书

技术领域

本发明的微合金化超高强度高碳当量灰铸铁涉及一种新型铸铁材料，特别是涉及一种主要用于生产大马力发动机缸体及其它超高强度高碳当量灰铸铁铸件的新型高碳当量灰铸铁材料。

背景技术

节省资源、能源和减少环境污染一直是全世界努力奋斗的目标之一。为了减少汽车尾气排放。全世界在汽车设计上一直在努力提高发动机工作效率，导致发动机缸内的最大爆发压力越来越高，带来的瓶颈问题是对发动机缸体强度的要求也越来越高，未来的发展趋势要求超级重型载重汽车的高碳当量灰铸铁大马力柴油发动机缸体的本体强度大于300兆帕（标准试棒的抗拉强度必须大于400兆帕）。因此，材料科学工作者必须面对“提高高碳当量灰铸铁强度”这一世界性重大技术难题的挑战。同时，这一重大难题也是我国自主研发与制造重型、超级重型载重汽车发动机缸体的重大、关键、瓶颈难题。

提高高碳当量灰铸铁强度的途径主要有如下四个方面：⑴增加初生奥氏体枝晶的个数（人们形象的把初生奥氏体枝晶对灰铸铁强度的作用比作钢筋混凝土中的钢筋或者复合材料中的纤维相）；⑵细化珠光体片间距；⑶细化石墨、使石墨弯曲和钝化；⑷细化共晶团。

为了提高高碳当量灰铸铁的强度，国内外铸铁科技工作者在合金成分设计、微合金化等方面开展了大量研究工作，取得了一定的成果。主要是通过加入一定量的铬、钼、铜、镍、钒和稀土等合金元素来提高强度。目前，世界上报道的微合金化高碳当量灰铸铁标准试棒的抗拉强度最高值为395兆帕，详见发明专利“微合金化高强度灰铸铁”（专利号：2005100168785），还没达到400兆帕以上。本发明通过微合金化，获得了网络框架结构的初生奥氏体枝晶，且枝晶细小、个数增多；细小层片厚度与片间距的交错排布的珠光体团簇；石墨个数增多、细小、弯曲、尖角钝化；共晶团细化的组织，使高碳当量灰铸铁标准试棒的抗拉强度达到440兆帕。

技术内容

本发明的目的是：提供一种微合金化超高强度高碳当量灰铸铁，通过微合金化获得网络框架结构的初生奥氏体枝晶，且枝晶细小、个数增多；细小层片厚度与片间距的交错排布的珠光体团簇；石墨个数增多、细小、弯曲、尖角钝化；共晶团细化的组织，使高碳当量灰铸铁标准试棒的抗拉强度达到440兆帕。

本发明的上述目的是这样实现的：一种微合金化超高强度高碳当量灰铸铁包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Sn等元素，通过优化这些元素，又添加了微量的的Zr、Ti、V和N元素，其重量百分比化学成分为：

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。

本发明新型微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的铸态组织与加Mo合金化高碳当量灰铸铁相比，初生奥氏体由普通的粗大、非等轴枝晶转变为等轴、细小的网络框架结构枝晶，且枝晶个数增多；珠光体由大片间距、厚的铁素体和渗碳体层片转变为小片间距、薄的铁素体和渗碳体层片，且由两个团簇晶界处层片的小角排布转变为大角排布；石墨个数增多、细小、弯曲、尖角钝化；共晶团细化，参阅图1-4所示的本发明微合金化超高强度高碳当量灰铸铁与Mo合金化高强度高碳当量灰铸铁的组织对比。在高碳当量灰铸铁的强度方面取得了意想不到效果，标准试棒的抗拉强度达到了440兆帕。

本发明新型微合金化超高强度高碳当量灰铸铁与目前传统的高强度高碳当量灰铸铁相比，具有的主要技术优点是：目前传统的高强度高碳当量灰铸铁为了提高灰铸铁的抗拉强度加入钼、镍元素或者采用钒和氮元素进行微合金化处理。本发明在微合金化高强度高碳当量灰铸铁包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Sn、V和N等元素的基础上，又添加了微量的Zr、Ti、V和N元素，使强度得到了进一步显著提高，标准试棒的抗拉强度达到440兆帕，目前，世界上报道的最高值为395兆帕。由主要技术优点带来的效果是解决了为了提高发动机工作效率，带来的对发动机缸体强度的要求也越来越高瓶颈难题。尤其是解决了我国自主研发与制造重型、超级重型载重汽车柴油发动机缸体强度达不到要求这一重大难题。同时，带来的经济成本优势将使超高强度高碳当量灰铸铁的生产成本低于加Mo合金化高强度高碳当量灰铸铁，每吨材料成本大约节省200-400人民币元。大规模产业化生产所带来的经济效益将是十分可观的。

图例说明