微合金化高强度灰铸铁
阅读：4发布：2021-06-05
专利汇可以提供微合金化高强度灰铸铁专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种新型微 合金 化高强度灰 铸 铁 ，特别适用于生产大 马 力 柴油 发动机 缸体及其它高强度 灰 铸铁 铸件。通过优化合金成分设计与加入V、N等元素进行微合金化处理，最终获得具有优良抗拉性能与加工性能的新型微合金化高强度灰铸铁。其重量百分比成分为：C：2.92～3.48；Si：1.52～2.36；Mn：0.22～0.78；P：0.011～0.048；S：0.03～0.15；Cr：0.15～0.50；Cu：0.3～0.78；Sn：0.011～0.098；V：0～0.100；N：0～0.100。本发明突破了目前世界上为提高强度加钼、镍等元素进行合金化的问题。，下面是微合金化高强度灰铸铁专利的具体信息内容。
技术领域
本发明的微合金化高强度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 产大马力柴油发动机缸体及其它高强度灰铸铁铸件的新型灰铸铁材料。
背景技术
随着交通运输对超载、超限日益严格的控制，大吨位的重型卡车销售正以每年60％的 速度剧增，增幅高居汽车行业之首。专家预测，未来几年我国重卡市场将迎来一个“爆发 式”增长期，估计年均增长将达到17％。因此作为汽车的“心脏”和汽车核心技术的发动 机正在向大马力和高速度的方向发展。
由于大马力柴油发动机缸体在工作过程中需承受更高的机械应力和热应力，因此，要 求其铸铁材质必须具有较好的断面均匀性，包括性能、组织、成分均匀等，以及优异的力 学性能和铸造性能。一般要求生产大马力柴油发动机缸体的灰铸铁的试棒强度大于320兆 帕，试棒直径为30毫米，缸体本体强度大于240兆帕。
为了提高灰铸铁的的强度，国内外在大马力柴油发动机缸体及其它高强度灰铸铁铸件 材质的合金成分设计、微合金化以及孕育等方面开展了大量研究工作，取得了一定的成果。 目前，国内外生产大马力柴油发动机缸体以及其它高强度灰铸铁铸件主要还是通过加入一 定量的铬、钼、铜和镍等合金元素来生产，由表1、2可见。随着世界范围内钼铁和镍等 铁合金价格的飙升，按传统工艺生产高强度灰铸铁所带来的成本压力成为摆在各个生产厂 家面前的一道不可逾越的鸿沟。因此，为了降低高强度灰铸铁的生产成本，目前急需发明 一种低成本的新型高强度灰铸铁。
表1国内灰铸铁发动机缸体与缸盖的化学成分
序 号 化学成分(重量百分比) 铸件 C Si Mn P S Cr Cu Mo 1 3.0-3.3 1.8-2.2 0.5-1.0 ≤0.15 ≤0.13 X105、X100缸体、盖 2 3.0-3.3 1.8-2.2 0.5-1.0 ≤0.15 ≤0.13 0.15-0.35 0.4-0.7 X485缸盖 3 3.2-3.4 1.8-2.0 0.5-0.8 ≤0.07 ≤0.12 0.4-0.6 0.4-0.6 缸盖 4 3.2-3.4 1.9-2.1 0.6-0.9 ≤0.08 ≤0.12 0.25-0.35 EQ-140缸盖 5 3.25-3.45 1.8-2.2 0.6-0.9 ≤0.08 ≤0.1 0.25-0.35 0.35-0.45 R1000缸体、缸盖 6 3.15-3.3 1.6-2.1 0.75-1.0 ≤0.2 ≤0.1 0.2-0.4 0.5-1.0 0.3-0.5 缸盖 7 3.15-3.4 2.1-2.5 0.6-0.75 0.06 0.06 0.25-0.35 0.3-0.4 475Q缸体 8 3.2-3.5 2.0-2.4 0.6-1.0 ≤0.15 ≤0.1 0.3-0.4 0.7-1.0 195缸盖
表2国外灰铸铁发动机缸体与缸盖的化学成分
序号 国别 公司 铸件 化学成分(重量百分比) 抗拉强度 (兆帕) C Si Mn P S Cr Mo Cu Sn Ni 1 日本 五十铃 缸盖 3.2 2.28 0.73 0.041 ≤0.1 0.17 2 德国 M.A.N 单缸盖 3.4-3.5 1.9-2.0 0.6-0.7 ≤0.1 ≤0.13 0.15 0.25 0.2 ≥250 双缸盖 3.5-3.55 1.7-1.8 0.6-0.65 ≤0.13 0.3 0.75 ≥250 3 德国 Moto-rtey 双缸盖 3.4-3.5 1.8 0.65 ≤0.1 0.3 0.35-0.45 1.0-1.1 ≥280 4 德国 M.W.M 单缸盖 3.25-3.45 1.7-1.9 0.6-0.8 ≤0.1 ≤0.1 0.2-0.3 0.08 0.4-0.6 ≥250 5 英国 Rolls-Royce 缸体 3.3-3.5 1.8-2.4 0.8 ≤0.1 ≤0.06 0.25-0.4 0.4 0.5 ≥260 6 法国 C.A 缸盖 3.3-3.4 1.8-2.2 0.6-0.7 ≤0.15 ≤0.15 0.2-0.3 0.5 ≥250 7 美国 John.Deere 缸盖 3.0-3.4 1.7-2.25 0.6-0.9 ≤0.2 ≤0.12 0.2-0.4 0.3-0.5 0.75-1.0 1.0-1.2 ≥300 缸盖 3.2-3.6 2.0-2.5 0.4-0.9 ≤0.15 ≤0.15 0.2-0.4 0.3-0.5 0.75-1.0 1.0-1.2 ≥225
由于大马力柴油发动机缸体在工作过程中需承受更高的机械应力和热应力，因此，要 求其铸铁材质必须具有较好的断面均匀性，包括性能、组织、成分均匀等，以及优异的力 学性能和铸造性能。一般要求生产大马力柴油发动机缸体的灰铸铁的试棒强度大于320兆 帕，试棒直径为30毫米，缸体本体强度大于240兆帕。
为了提高灰铸铁的的强度，国内外在大马力柴油发动机缸体及其它高强度灰铸铁铸件 材质的合金成分设计、微合金化以及孕育等方面开展了大量研究工作，取得了一定的成果。 目前，国内外生产大马力柴油发动机缸体以及其它高强度灰铸铁铸件主要还是通过加入一 定量的铬、钼、铜和镍等合金元素来生产，由表1、2可见。随着世界范围内钼铁和镍等 铁合金价格的飙升，按传统工艺生产高强度灰铸铁所带来的成本压力成为摆在各个生产厂 家面前的一道不可逾越的鸿沟。因此，为了降低高强度灰铸铁的生产成本，目前急需发明 一种低成本的新型高强度灰铸铁。
表1国内灰铸铁发动机缸体与缸盖的化学成分
序 号 化学成分(重量百分比) 铸件 C Si Mn P S Cr Cu Mo 1 3.0-3.3 1.8-2.2 0.5-1.0 ≤0.15 ≤0.13 X105、X100缸体、盖 2 3.0-3.3 1.8-2.2 0.5-1.0 ≤0.15 ≤0.13 0.15-0.35 0.4-0.7 X485缸盖 3 3.2-3.4 1.8-2.0 0.5-0.8 ≤0.07 ≤0.12 0.4-0.6 0.4-0.6 缸盖 4 3.2-3.4 1.9-2.1 0.6-0.9 ≤0.08 ≤0.12 0.25-0.35 EQ-140缸盖 5 3.25-3.45 1.8-2.2 0.6-0.9 ≤0.08 ≤0.1 0.25-0.35 0.35-0.45 R1000缸体、缸盖 6 3.15-3.3 1.6-2.1 0.75-1.0 ≤0.2 ≤0.1 0.2-0.4 0.5-1.0 0.3-0.5 缸盖 7 3.15-3.4 2.1-2.5 0.6-0.75 0.06 0.06 0.25-0.35 0.3-0.4 475Q缸体 8 3.2-3.5 2.0-2.4 0.6-1.0 ≤0.15 ≤0.1 0.3-0.4 0.7-1.0 195缸盖
表2国外灰铸铁发动机缸体与缸盖的化学成分
序号 国别 公司 铸件 化学成分(重量百分比) 抗拉强度 (兆帕) C Si Mn P S Cr Mo Cu Sn Ni 1 日本 五十铃 缸盖 3.2 2.28 0.73 0.041 ≤0.1 0.17 2 德国 M.A.N 单缸盖 3.4-3.5 1.9-2.0 0.6-0.7 ≤0.1 ≤0.13 0.15 0.25 0.2 ≥250 双缸盖 3.5-3.55 1.7-1.8 0.6-0.65 ≤0.13 0.3 0.75 ≥250 3 德国 Moto-rtey 双缸盖 3.4-3.5 1.8 0.65 ≤0.1 0.3 0.35-0.45 1.0-1.1 ≥280 4 德国 M.W.M 单缸盖 3.25-3.45 1.7-1.9 0.6-0.8 ≤0.1 ≤0.1 0.2-0.3 0.08 0.4-0.6 ≥250 5 英国 Rolls-Royce 缸体 3.3-3.5 1.8-2.4 0.8 ≤0.1 ≤0.06 0.25-0.4 0.4 0.5 ≥260 6 法国 C.A 缸盖 3.3-3.4 1.8-2.2 0.6-0.7 ≤0.15 ≤0.15 0.2-0.3 0.5 ≥250 7 美国 John.Deere 缸盖 3.0-3.4 1.7-2.25 0.6-0.9 ≤0.2 ≤0.12 0.2-0.4 0.3-0.5 0.75-1.0 1.0-1.2 ≥300 缸盖 3.2-3.6 2.0-2.5 0.4-0.9 ≤0.15 ≤0.15 0.2-0.4 0.3-0.5 0.75-1.0 1.0-1.2 ≥225
发明内容
本发明的目的是：在保证目前加入钼或者钼和镍的高强度灰铸铁所具有的抗拉强度的 前提下，提供一种通过微合金化取代钼和镍等元素，大大降低高强度灰铸铁的生产成本的 微合金化高强度灰铸铁。
本发明的上述目的是这样实现的，结合附图说明如下：一种微合金化高强度灰铸铁包 括C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu和Sn等元素，通过优化这些元素，又添加了微量的V和 N元素，其重量百分比化学成分为：
C：2.92～3.48；Si：1.52～2.36；Mn：0.22～0.78；P：0.011～0.048；
S：0.03～0.15；Cr：0.15～0.50；Cu：0.3～0.78；Sn：0.011～0.098；
V：0～0.100；N：0～0.100。
本发明新型微合金化高强度灰铸铁的铸态组织为A型石墨，4～6级；珠光体 含量≥95％，如图1和图2所示。直径为30毫米的试棒抗拉强度≥320兆帕。
本发明新型微合金化高强度灰铸铁与目前传统的高强度灰铸铁相比，具有的主要技术 优点是：目前传统的高强度灰铸铁为了提高灰铸铁的抗拉强度必需加入大量的钼或者钼与 镍元素，而本发明只需加入极少量的钒和氮元素，就可以达到加入大量钼或钼与镍的抗拉 强度水平。由主要技术优点带来的经济成本优势将使高强度灰铸铁的生产成本大大降低。 因为，目前钼铁的价格在急剧增长，当前钼铁的价格已经涨到43万人民币元/吨左右。生 产高强度灰铸铁每吨一般要加入4公斤的钼铁，成本为1720人民币元。而本发明的新型 微合金化高强度灰铸铁每吨新增成本仅300人民币元左右，这样的话每吨可降低成本1400 人民币元左右。规模化生产所带来的经济效益将是十分可观的。
图例说明
图1是本发明新型微合金化高强度灰铸铁的石墨形态(A型石墨为主)。
图2是本发明新型微合金化高强度灰铸铁的基体组织(珠光体+1％铁素体)。
图3是大马力道依茨柴油发动机缸体外观照片。
图4是用本发明新型微合金化高强度灰铸铁生产的缸体本体石墨形态(A型石墨为 主)。
图5是用本发明新型微合金化高强度灰铸铁生产的缸体本体基体组织(珠光体+1％铁 素体)。
本发明的上述目的是这样实现的，结合附图说明如下：一种微合金化高强度灰铸铁包 括C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu和Sn等元素，通过优化这些元素，又添加了微量的V和 N元素，其重量百分比化学成分为：
C：2.92～3.48；Si：1.52～2.36；Mn：0.22～0.78；P：0.011～0.048；
S：0.03～0.15；Cr：0.15～0.50；Cu：0.3～0.78；Sn：0.011～0.098；
V：0～0.100；N：0～0.100。
本发明新型微合金化高强度灰铸铁的铸态组织为A型石墨，4～6级；珠光体 含量≥95％，如图1和图2所示。直径为30毫米的试棒抗拉强度≥320兆帕。
本发明新型微合金化高强度灰铸铁与目前传统的高强度灰铸铁相比，具有的主要技术 优点是：目前传统的高强度灰铸铁为了提高灰铸铁的抗拉强度必需加入大量的钼或者钼与 镍元素，而本发明只需加入极少量的钒和氮元素，就可以达到加入大量钼或钼与镍的抗拉 强度水平。由主要技术优点带来的经济成本优势将使高强度灰铸铁的生产成本大大降低。 因为，目前钼铁的价格在急剧增长，当前钼铁的价格已经涨到43万人民币元/吨左右。生 产高强度灰铸铁每吨一般要加入4公斤的钼铁，成本为1720人民币元。而本发明的新型 微合金化高强度灰铸铁每吨新增成本仅300人民币元左右，这样的话每吨可降低成本1400 人民币元左右。规模化生产所带来的经济效益将是十分可观的。
图例说明
图1是本发明新型微合金化高强度灰铸铁的石墨形态(A型石墨为主)。
图2是本发明新型微合金化高强度灰铸铁的基体组织(珠光体+1％铁素体)。
图3是大马力道依茨柴油发动机缸体外观照片。
图4是用本发明新型微合金化高强度灰铸铁生产的缸体本体石墨形态(A型石墨为 主)。
图5是用本发明新型微合金化高强度灰铸铁生产的缸体本体基体组织(珠光体+1％铁 素体)。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例，进一步说明本发明的具体内容。
实施例一：本发明优化灰铸铁的合金成分设计及微合金化的积极效果在于取代钼和镍 等元素，而提高灰铸铁的抗拉强度，其效果十分明显，抗拉强度得到明显的提高。新型微 合金化高强度灰铸铁的成分与力学性能如表3所示。
表3新型微合金化高强度灰铸铁的成分与力学性能
试样号 化学成分(重量百分比) 力学性能 C Si Mn P S Cr Mo Cu V Sn N 抗拉强度(兆帕) 硬度(HB) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3.27 3.15 3.05 2.92 3.31 3.48 3.27 3.25 3.41 3.28 1.76 1.80 1.99 2.06 2.10 2.36 2.15 2.09 1.82 2.12 0.34 0.72 0.51 0.25 0.35 0.61 0.78 0.66 0.54 0.44 0.016 0.034 0.020 0.042 0.041 0.039 0.028 0.033 0.048 0.032 0.09 0.11 0.12 0.08 0.07 0.14 0.04 0.13 0.15 0.06 0.29 0.20 0.35 0.48 0.50 0.49 0.33 0.45 0.39 0.18 / 0.2 / / / / / / / / 0.55 0.63 0.50 0.51 0.75 0.62 0.50 0.60 0.58 0.56 / / 0.017 0.035 0.051 0.048 0.088 0.100 0.075 0.100 / 0.06 0.02 0.018 0.042 0.051 0.066 0.07 0.09 0.03 / / 0.007 0.0092 0.01 0.05 0.09 0.082 0.100 0.094 300 330 340 365 360 360 370 390 375 395 208 239 228 229 231 230 233 240 237 242
注：(1)1号试样为普通高强度灰铸铁；2号试样为加钼高强度灰铸铁；3号～10号试样为本发明新型微合金化高强度灰铸铁。
(2)试样的制备分别采用150和50公斤中频感应电炉。1480～1520℃出水，在浇包内加入75硅铁进行孕育，在砂型中浇 注φ30×280mm圆棒形试棒，从该试棒中制取抗拉强度试棒以及金相试样。
实施例二
用本发明新型微合金化高强度灰铸铁在一汽铸造公司试生产道依茨缸体。大马力道依 茨柴油发动机缸体结构复杂，壁厚差大，其薄的部位5～6mm，厚的部位达20～70mm，是 典型的不均匀壁厚的高强度灰铸铁件，如图3所示。其厚大部分在使用过程中由于强度低 在高的机械应力和热应力下容易发生开裂。采用本发明新型微合金化高强度灰铸铁制造这 种缸体，在满足其强度设计要求的前提下，将大大降低其生产成本。对试生产的缸体解剖 结果见表4，金相组织照片见图4和图5。
表4采用本发明新型微合金化高强度灰铸铁试生产的缸体解剖后的结果
由表4可以看出采用本发明新型微合金化高强度灰铸铁生产出的缸体，其抗拉强度完 全能满足强度设计要求。同时，强度均匀性好，并且硬度低于加钼高强度灰铸铁，这将有 利于改善缸体的加工性能。此外，在缸体的尖角和飞边等部位没有出现过冷石墨与碳化物， 石墨形态良好。从而表明采用加入V、N等元素进行微合金化处理的本发明新型微合金化 高强度灰铸铁完全可以取代加入钼、镍等元素的传统高强度灰铸铁，生产出相同强度性能 水平的大马力柴油发动机缸体及其它高强度的灰铸铁铸件。
如一个大马力柴油发动机缸体生产企业的年产量为10万缸体，将用3万吨铁水，如 采用本发明的新型微合金化高强度灰铸铁，将节约成本4000万人民币元左右，同时，将 为国家节约大量钼、镍等世界紧缺资源。
实施例一：本发明优化灰铸铁的合金成分设计及微合金化的积极效果在于取代钼和镍 等元素，而提高灰铸铁的抗拉强度，其效果十分明显，抗拉强度得到明显的提高。新型微 合金化高强度灰铸铁的成分与力学性能如表3所示。
表3新型微合金化高强度灰铸铁的成分与力学性能
试样号 化学成分(重量百分比) 力学性能 C Si Mn P S Cr Mo Cu V Sn N 抗拉强度(兆帕) 硬度(HB) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3.27 3.15 3.05 2.92 3.31 3.48 3.27 3.25 3.41 3.28 1.76 1.80 1.99 2.06 2.10 2.36 2.15 2.09 1.82 2.12 0.34 0.72 0.51 0.25 0.35 0.61 0.78 0.66 0.54 0.44 0.016 0.034 0.020 0.042 0.041 0.039 0.028 0.033 0.048 0.032 0.09 0.11 0.12 0.08 0.07 0.14 0.04 0.13 0.15 0.06 0.29 0.20 0.35 0.48 0.50 0.49 0.33 0.45 0.39 0.18 / 0.2 / / / / / / / / 0.55 0.63 0.50 0.51 0.75 0.62 0.50 0.60 0.58 0.56 / / 0.017 0.035 0.051 0.048 0.088 0.100 0.075 0.100 / 0.06 0.02 0.018 0.042 0.051 0.066 0.07 0.09 0.03 / / 0.007 0.0092 0.01 0.05 0.09 0.082 0.100 0.094 300 330 340 365 360 360 370 390 375 395 208 239 228 229 231 230 233 240 237 242
注：(1)1号试样为普通高强度灰铸铁；2号试样为加钼高强度灰铸铁；3号～10号试样为本发明新型微合金化高强度灰铸铁。
(2)试样的制备分别采用150和50公斤中频感应电炉。1480～1520℃出水，在浇包内加入75硅铁进行孕育，在砂型中浇 注φ30×280mm圆棒形试棒，从该试棒中制取抗拉强度试棒以及金相试样。
实施例二
用本发明新型微合金化高强度灰铸铁在一汽铸造公司试生产道依茨缸体。大马力道依 茨柴油发动机缸体结构复杂，壁厚差大，其薄的部位5～6mm，厚的部位达20～70mm，是 典型的不均匀壁厚的高强度灰铸铁件，如图3所示。其厚大部分在使用过程中由于强度低 在高的机械应力和热应力下容易发生开裂。采用本发明新型微合金化高强度灰铸铁制造这 种缸体，在满足其强度设计要求的前提下，将大大降低其生产成本。对试生产的缸体解剖 结果见表4，金相组织照片见图4和图5。
表4采用本发明新型微合金化高强度灰铸铁试生产的缸体解剖后的结果
由表4可以看出采用本发明新型微合金化高强度灰铸铁生产出的缸体，其抗拉强度完 全能满足强度设计要求。同时，强度均匀性好，并且硬度低于加钼高强度灰铸铁，这将有 利于改善缸体的加工性能。此外，在缸体的尖角和飞边等部位没有出现过冷石墨与碳化物， 石墨形态良好。从而表明采用加入V、N等元素进行微合金化处理的本发明新型微合金化 高强度灰铸铁完全可以取代加入钼、镍等元素的传统高强度灰铸铁，生产出相同强度性能 水平的大马力柴油发动机缸体及其它高强度的灰铸铁铸件。
如一个大马力柴油发动机缸体生产企业的年产量为10万缸体，将用3万吨铁水，如 采用本发明的新型微合金化高强度灰铸铁，将节约成本4000万人民币元左右，同时，将 为国家节约大量钼、镍等世界紧缺资源。
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