[发明专利]一种功能梯度铸铁材料及其制备方法

说明书

技术领域

   本发明属于金属材料领域，涉及一种功能梯度铸铁材料及其制备方法。

背景技术

随着可变涡轮增压技术和高压共轨直喷技术的发展，用户对柴油发动机升功率、结构紧凑性、铸件形状复杂程度和热负荷提出了越来越高的要求，对柴油机气缸盖材料及制造技术也提出更高的要求，其主要表现在：高功率柴油机铸铁缸盖不同部位的热负荷和机械负荷差异很大（参见图1），因而对材料性能的要求也不同，具体体现在以下几方面：

（1）构成燃烧室的火力面要求高强韧、高抗氧化性和抗疲劳性；（2）离开火力面的缸盖内部要求高导热，以缓解内部温度梯度和内应力；

（3）其他部位要求高强韧性、抗疲劳。因此，新型缸盖材料必须兼顾高强韧、高导热、抗疲劳和抗氧化等性能。

然而，传统铸铁材料的强韧性、抗疲劳性与导热性、抗氧化性相互矛盾，此消彼长现象非常严重（参见图2）。灰铸铁的导热性能优良，但强韧性、疲劳性和抗氧化剥落性差；球墨铸铁的强韧性、疲劳性和抗氧化剥落性优良，但导热性能差；蠕墨铸铁的强韧性、疲劳性适中，但导热性能和抗氧化剥落性较差。因此，传统均质铸铁材料均无法同时兼顾这些性能，致使国内外高功率柴油机气缸盖经常发生热应力开裂问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有缸盖用均质材料难兼顾强韧性、导热性、抗疲劳性和抗氧化性等缺点，建立缸盖材料石墨形态与缸盖结构的联系，提供一种功能梯度铸铁材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种功能梯度铸铁材料，其特别之处在于：按垂直于铸铁缸盖火力面沿高度方向的组成为：5～9mm厚球墨铸铁，2～10mm厚的灰铸铁，缸盖其它部位为蠕墨铸铁；

所述球墨铸铁、灰铸铁和蠕墨铸铁的基本化学成分相同，包括碳、硅、锰、铜、钼、锡、铁及不可避免的杂质，其化学成分按重量百分比分别为：

C：3.6～3.8%，Si：2.1～2.4%，Mn：0.2 ～0.4%，Cu：0.3～0.6%，Mo：0.2～0.4%，Cr：0.1～0.5%,Sn：0.02～0.1%，其余为铁和不可避免的杂质组成，其碳当量为4.3～4.6；

所述三种铸铁所用的孕育剂和变质剂分别为75硅-铁和镁-稀土蠕化剂，75硅-铁和镁-稀土蠕化剂的粒度均为2~6mm。

一种用于制备上述功能梯度铸铁材料的方法，其特别之处在于：包括下述的制备步骤：

a.合金熔配：采用中频感应炉熔配所需铸铁合金，出炉后倒入保温包，控制在1450~1500℃；

b.铁液处理：铁液流速控制在1kg/s，通过控制送料的速度来达到调整石墨形态，进而制备不同铸铁类型的作用；当孕育剂送料速度6～10g/s，变质剂送料速度为6～9g/s时，浇注的铸铁为球墨铸铁；当孕育剂送料速度3～6g/s，变质剂送料速度为0g/s时，浇注的铸铁为灰铸铁；当孕育剂送料速度6～10g/s，变质剂送料速度为4～6g/s时，浇注的铸铁为蠕墨铸铁；

c.浇注工艺：铁液出包在1460~1490℃，流槽末端的温度为1320～1340℃，依次浇注球墨铸铁、灰铸铁、蠕墨铸铁，每种铸铁浇注完成后停留5～20s；

d .检测控制：流槽末端设检测装置，检测熔体成分、浇注温度，结果反馈后经过计算机分析调节送料的速度。

本发明的有益效果是：本发明制备的功能梯度铸铁材料能够兼顾强韧性、导热性、抗疲劳性和抗氧化性等特点，建立铸铁材料石墨形态与缸盖结构的有机联系，综合利用各种铸铁材料的优点，规避各铸铁材料的不利方面，制备的柴油机气缸盖，满足新型高功率柴油机的考核。

说明书附图

图1中的（a）为现有的柴油机铸铁缸盖的负载模拟图、（b）为其各部位对材料要求示意图；

图2为铸铁的力学和物理性能与铸铁材料的关系示意图；

图3为本发明的功能梯度铸铁材料的制备原理图；

图4为实施例1的功能梯度铸铁材料界面处的显微组织示意图；

图5实施例2的功能梯度铸铁材料界面处的显微组织示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明内容进行详细说明

为了解决缸盖铸铁材料的强韧性、抗疲劳性、导热性和抗氧化剥落性的矛盾，结合缸盖的使用环境和材料要求，综合利用各种铸铁材料的优点，规避各铸铁材料的不利方面，建立铸铁材料石墨形态与缸盖结构的联系，开发新型功能梯度铸铁材料及其缸盖是新型高功率柴油机必然选择。