[发明专利]一种高碳当量高强度灰铸铁及其制备方法

说明书

一种高碳当量高强度灰铸铁及其制备方法，属于灰铸铁材料领域，高碳当量高强度灰铸铁主要组成成分及其重量百分比为：C:3.1%~3.5%、Si:1.7%~2.3%、Nb:0.04%~0.2%、N:0.03%~0.1%、Mn:0.5%~1.0%、S:0.03%~0.15%、P≤0.06%、Cu:0.65%~0.9%、Cr:0.31%~0.5%、Mo:0.1%~0.4%、Re:0.01%~0.04%，余量为Fe和不可避免杂质。本发明制备方法包括合金熔炼、孕育处理、浇注，通过优化常规化学元素并复合加入Nb和N元素，有效地解决了灰铸铁零件难以同时满足高碳当量、高强度和低铸造缺陷的技术难题，解决了高碳当量灰铸铁零件因强度低而开裂的问题。

技术领域

本发明涉及高碳当量高强度灰铸铁领域，特别涉及一种大马力柴油发动机缸盖所用高强度灰铸铁。

背景技术

当前为了提升灰铸铁材料强度，通常采用降低碳当量(CE)等工艺措施，但这降低了零件的充型能力、导热性能、铸造工艺性能和机械加工性能等，大大增加了铸件的收缩倾向，使得发动机缸盖产品由于缩松引起的泄露、漏水、开裂等废品率居高不下。因此，一种高碳当量高强度灰铸铁材料亟待被开发。

为了提高高碳当量灰铸铁的强度，国内外研究者在合金优化等方面进行了大量的工作，主要是通过加入一定量的Cr、Mo、Cu、Ni、Sn、V等合金元素来提升强度，但强度提升有限，并增加了材料成本。为此，研究者们对其他合金元素对灰铸铁性能的影响进行了大量研究。中国专利公布号：CN 10336154A，专利公布日：2013年10月23日，专利名称《低合金高强度灰铸铁及其制备方法》，其中灰铸铁的组分及其质量百分比为：C：3.0％～3.4％，Si：1.8％～2.2％，Mn：0.8％～1.5％，P：≤0.05％，S：0.08％～0.13％，Cr:0.2％～1.0％，Cu：0.4％～0.6％，N：0.02％～0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质。该发明的低合金高强度灰铸铁强度高，金相组织以A型石墨为主，生产成本低，合金成分中N元素相对含量较高，但成分中无固N元素，容易出现氮气孔缺陷。另外，没有添加抗热疲劳和抗高温蠕变的Mo、Nb等元素，难以满足未来大马力柴油发动机材料耐高温需求。中国专利公布号：CN 747367 A，专利公布日：2012年10月24日，专利名称《微合金化超高强度高碳当量灰铸铁》，所述微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的化学成分重量百分比为：C:3.1％～3.3％，Si:1.9％～2.5％，Mn:0.2％～0.4％，S:0.08％～0.11％，P:0.02％～0.04％，Cu:0.5％～0.6％，Cr:0.2％～0.3％，Sn:0.02％～0.05％，V:0.02％～0.04％，N:0.11％～0.15％，Zr:0.01％～0.10％，Ti:0.01％～0.10％。该材料通过优化合金成分设计和添加微量的Zr、Ti、V和N元素，提升灰铸铁材料强度。但灰铸铁所采用的合金材料种类较多，生产工艺控制相对难，容易产生白口组织，恶化加工性能，且N含量相对固N元素高，容易在铸件时产生气泡。中国专利公开号：CN1759797A，专利公开日期：2006年4月12日，专利名称《用于发动机气缸体和汽缸盖的灰口铸铁》，所述的灰铸铁的化学成分重量百分比为：C:2.7％～3.8％，Si：1.0％～2.2％，Mn：0.3％～1.2％，P：0.02％～0.1％，S：0.04％～0.15％，N：0.0095％～0.0160％，V＜0.025％，Sn：0.05％～0.15％，Cu：1.5％，Cr：0.6％，Mo：0.6％，Al＜0.02％，Ti＜0.02％，其余的为Fe和杂质。该发明通过添加N元素，提升了材料的力学性能，但限制加入固氮元素，容易出现氮气孔缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种高碳当量、高强度、无明显铸造缺陷的灰铸铁材料及其制备方法。