[发明专利]高导热高韧性球墨铸铁及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高导热高韧性球墨铸铁，由Fe元素、C元素、Si元素以及其他元素组成，所述其他元素包括Mn、P、S、Mg中的多种或全部，以重量百分比计，所述球墨铸铁中各元素的含量为：C≥3.9％；Si≤1.5％；其他元素≤0.3％；余量为Fe。本发明还涉及所述球墨铸铁的制备方法。本发明所制备的球墨铸铁，其性能在20℃～300℃的导热系数为40W/m K～45W/m K，在400℃～500℃的导热系数为35W/m K～40W/m K，伸长率≥25％，抗拉强度≥300MPa。本发明进一步涉及一种制成品，由所述的球墨铸铁制成。

本申请要求于2020年11月11日提交中国专利局、申请号为2020112517989发明名称为“高导热高韧性球墨铸铁及其制备方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及合金技术领域，特别是涉及一种高导热高韧性球墨铸铁及其制备方法。

背景技术

铸铁是以Fe、C、Si为主要元素的多元共晶型合金。铸铁由于具有良好的物理和力学性能、优异的铸造性能及低廉的成本等优点，是目前用量最多的铸造金属材料。其中，球墨铸铁是指铁液凝固时碳以石墨形式呈球状形态析出的铸铁。由于球状石墨减小了应力集中和对基体的割裂作用，所以球墨铸铁的力学性能明显优于其他类型铸铁，抗拉强度甚至高于普通碳钢。球墨铸铁正是基于其优异的力学性能和低廉的成本，已广泛用于受力复杂，强度、韧性、耐磨性、疲劳强度要求较高的结构零部件。近年来，球墨铸铁已发展为仅次于灰铸铁、应用十分广泛的铸铁材料。

灰铸铁的导热系数一般为40W/m K～55W/m K，球墨铸铁尽管具有十分优异的力学性能，但其室温导热系数一般往往只有20W/m K～35W/m K，其导热系数远低于灰铸铁的导热系数。因此，对于那些需要经受热循环载荷的产品，如发动机的缸体、缸盖及在较高温度下使用的模具等产品，球墨铸铁的抗热机械疲劳性能反而不如灰铸铁。低的导热系数限制了球墨铸铁在高温场合的应用。近年来，随着发动机的爆压和功率密度不断提高，作为缸体和缸盖材质的灰铸铁材料已经从最初的HT200上升至HT300。进一步通过合金化的方式提升灰铸铁的抗拉强度已非常困难，并且导热性能还会大幅度降低，同时失去灰铸铁的成本优势。另外，由于片状石墨会割裂基体，灰铸铁的延伸率极低，其在承受热载荷时容易在片状石墨周围萌生热裂纹，从而降低产品的使用寿命。因此，提高球墨铸铁的导热系数以发展为适用于现代发动机缸体、缸盖和高温使用的模具等耐热产品的材质成为亟待解决的问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种同时兼具高导热和高韧性的球墨铸铁。

本发明提供一种高导热高韧性球墨铸铁，由Fe元素、C元素、Si元素以及其他元素组成，所述其他元素包括Mn、P、S、Mg中的多种或全部，以重量百分比计，所述球墨铸铁中各元素的含量为：C≥3.9％；Si≤1.5％；其他元素≤0.3％；余量为Fe。

在其中一个实施例中，所述球墨铸铁中C元素含量为3.9％～4.1％。

在其中一个实施例中，所述球墨铸铁中Si元素的含量为0.8％～1.5％。

在其中一个实施例中，所述球墨铸铁中所述其他元素包括Mn、P、S和Mg，所述其他元素的含量为：Mn：0.04％～0.25％，P：0.01％～0.03％，S：0.005％～0.02％，Mg：0.04％～0.06％。

在其中一个实施例中，所述球墨铸铁在20℃～300℃的导热系数为40W/m K～45W/m K，在400℃～500℃时导热系数为35W/m K～40W/m K，伸长率≥25％，抗拉强度≥300MPa。

本发明提供一种所述的高导热高韧性球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

将优质生铁和低锰碳钢混合进行熔炼，形成铁水；

将所述铁水进行球化、孕育和浇注处理，所述孕育包括一次孕育和随流孕育。