CN101781734A - 钒钛铸铁及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钒钛铸铁及其生产方法，属于铸铁合金领域。本发明所解决的技术问题是提供了一种力学性能达到汽车制动鼓要求的钒钛铸铁。本发明钒钛铸铁，按重量配比其化学成分为：3.25～3.6％C，1.8～2.2％ Si，0.6～0.9％ Mn，0.15～0.25％ V，0.1～0.25％ Ti，余量为Fe和不可避免的杂质；其中，钒钛铸铁中的珠光体含量为95～98％。本发明钒钛铸铁，其力学性能超过了普通灰铸铁制动鼓材料HT250，抗拉强度达到250Mpa以上，硬度HBS值达到200以上，耐磨性能好，摩擦系数高，生产成本低，可用于制备汽车用制动鼓，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及钒钛铸铁及其生产方法，属于铸铁合金领域。
背景技术
制动鼓是汽车重要的保安配件。用于重型汽车上的制动鼓要求在重载下运行不破裂，有长的使用寿命，对蹄片的磨损较小，满足汽车的制动距离，因此对制动鼓的材质有着特殊的要求。目前国内外生产制动鼓的材质主要有普通灰铸铁和低合金铸铁两类。由于普通灰铸铁的材料强度、硬度较低，易出现磨损严重或热疲劳裂纹情况，已不能满足现在汽车高负荷、高速度的要求，普通灰铸铁制动鼓已有被淘汰的趋势。由于通过加入合金元素可得到高强度合金铸铁，因此，目前各国主要采用低合金铸铁生产制动鼓。如：英、美等国主要采用高C低合金V、Mo铸铁，俄罗斯等国主要采用Cr、Ni、Mo合金铸铁，由于加入了Ni、Mo等贵金属合金元素，使上述合金铸铁的生产成本较高。
钒钛铸铁由于其成本相对较低，综合性能较好，已有采用钒钛铸铁生产汽车制动鼓的相关报道。如：攀枝花钒钛铸铁重型汽车制动鼓系列产品(89-465)，中国科技成果库90212013中公开了采用合理成分，应用特种工艺熔炼和相应的浇铸***制得高强度、高耐磨、抗热裂的汽车制动鼓，但未公开所用钒钛铸铁的具体成分和熔炼工艺。专利号为ZL 85103914，发明名称为“钒钛铸铁钢锭模”的发明专利公开了一种钒钛铸铁合金材料及其制备方法，其成分为(重量百分数)：3.5～4.0％C，1.5～2.0％Si，0.3～0.8％Mn，≤0.1％P，≤0.12％S，0.15～0.35％V，0.05～0.15％Ti，余量为Fe和其它微量成分。但该钒钛铸铁合金中90％以上为铁素体组织，其力学性能(硬度较低)不能达到制动鼓的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种力学性能达到汽车制动鼓要求的钒钛铸铁。
本发明钒钛铸铁，按重量配比其化学成分为：3.25～3.6％C，1.8～2.2％Si，0.6～0.9％Mn，0.15～0.25％V，0.1～0.25％Ti，余量为Fe和不可避免的杂质；其中，钒钛铸铁中的珠光体含量为95～98％。
本发明还提供了上述钒钛铸铁的生产方法，其包括如下步骤：
a、熔炼：配制原料，原料中各化学成分的重量配比为3.25～3.6％C，1.8～2.2％Si，0.6～0.9％Mn，0.15～0.25％V，0.1～0.25％Ti，余量为Fe和不可避免的杂质；将配制的原料于1520～1580℃熔炼，得到铁水；
b、孕育：a步骤所得铁水倒入浇包中进行包内孕育，孕育时间为8～12min；其中，铁水倒入浇包时的出炉温度为1480～1500℃，浇包在倒入铁水前先加入铁水重量0.2～0.5％的75SiFe；
c、浇铸，即得钒钛铸铁。
本发明钒钛铸铁，其力学性能超过了普通灰铸铁制动鼓材料HT250，抗拉强度达到250Mpa以上，硬度HBS值达到200以上，耐磨性能好，摩擦系数高，生产成本低，可用于制备汽车用制动鼓，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是1号试样金相组织图，图1a为100倍放大，图1b为400倍放大图；
图2是2号试样金相组织图，图2a为100倍放大，图2b为400倍放大图；
图3是3号试样金相组织图，图3a为100倍放大，图3b为400倍放大图；
图4是4号试样金相组织图，图4a为100倍放大，图4b为400倍放大图。
具体实施方式
本发明钒钛铸铁，按重量配比其化学成分为：3.25～3.6％C，1.8～2.2％Si，0.6～0.9％Mn，0.15～0.25％V，0.1～0.25％Ti，余量为Fe和不可避免的杂质；其中，钒钛铸铁中的珠光体含量为95～98％。
其中，上述的不可避免的杂质包括P和S，S是铸铁中的有害元素，使铸铁产生热裂倾向，本发明钒钛铸铁中的S含量控制为≤0.12％。P使铸铁有产生冷裂的倾向，本发明钒钛铸铁中控制P含量≤0.1％。
本发明钒钛铸铁中的C和Si都是强烈促进石墨化的元素。C、Si含量高，铸铁组织中石墨数量就多。对用于生产制动鼓这一性能特殊(耐热、耐磨)的铁，组织中要求有一定数量的石墨，即有较高碳当量CE，CE＝C+1/3(Si+P)。但CE不能过高，否则组织中的珠光体数量不足，使力学性能(抗拉强度和硬度)降低，而达不到HT250(HT250为灰铸铁，是常用的制动鼓材料)的力学性能要求。本发明发明人经过大量实验分析，得出C含量控制在3.25～3.6％范围较为适宜。为获得较高的CE和好的切削加工性能，Si含量控制在1.8～2.2％范围内。为了保证满足基本的力学性能指标的基础上有足够的石墨数量和良好的孕育效果，本发明钒钛铸铁中的碳当量CE优选为4.00～4.25。
本发明钒钛铸铁中的Mn的主要作用是平衡S的不良影响。当Mn的含量大于(1.7S+0.3)时，有稳定珠光体的作用，故灰铸铁中Mn的含量较高。但由于本发明钒钛铸铁中含有V和Ti，使晶粒细化，基体得到强化，Mn的含量可相应减少。当Mn＞1.0％时，铸铁表面易出现白口，使机加工困难；当Mn＜0.5％时，铸铁硬度不易保证，因此本发明钒钛铸铁中的Mn控制为0.6～0.9％。
本发明钒钛铸铁中的V和Ti可以使铸铁的石墨和基体得到显著细化，同时V和Ti与碳有较高的亲和力而形成显微硬度极高的硬化相V、Ti碳化合物，因此本发明钒钛铸铁除具有灰铸铁的一般特性外，还兼有制动鼓性能所不可缺少的高强度、高耐磨性能。
本发明生产钒钛铸铁的方法包括如下步骤：
a、熔炼：配制原料，原料中各化学成分的重量配比为3.25～3.6％C，1.8～2.2％Si，0.6～0.9％Mn，0.15～0.25％V，0.1～0.25％Ti，余量为Fe和不可避免的杂质；将配制的原料于1520～1580℃熔炼(此温度可以保证熔体的纯净度，熔炼温度优选为1550℃)，得到铁水；其中，为了节约成本，上述原料优选为废铁和生铁，废铁和生铁的加入量以保证各化学成分含量符合要求即可；
b、孕育：a步骤所得铁水倒入浇包中进行包内孕育(孕育可以消除白口，提高铸铁的机械性能)，孕育时间为8～12min；其中，铁水倒入浇包时的出炉温度为1480～1500℃，浇包在倒入铁水前先加入铁水重量0.2～0.5％的75SiFe；
c、浇铸，即得钒钛铸铁。
其中，上述c步骤浇铸时，根据产品需要，注入模具中，即可得到相应的产品，如：浇铸入制动鼓模具中即可得到制动鼓。
其中，上述a步骤所述的不可避免的杂质包括P和S，其中，P、S杂质的含量分别为：P≤0.1％，≤0.12％。
进一步的，为了提高造渣作用，上述a步骤所述的炉料中还加入炉料总重量1.0～1.5％的粒度为30～50mm的石灰石或冰晶石。
其中，上述的75SiFe起孕育剂作用，上述的75SiFe的粒度优选为0.5～2.0mm。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例本发明钒钛铸铁的生产
在500Kg中频感应炉内加入经烘干的废钢和生铁共500kg，升温熔炼，熔炼温度控制为1550℃，以保证熔体的纯净度。熔体中加入粒度为30～50mm的石灰石作为造渣剂，加入量为1.0～1.5％。炉前检验化学成分，成分合格后，浇注湿砂型三角试块，三角试块的白口宽度应≤3～5mm。然后将铁水出炉倒入500Kg浇包中，出炉温度控制为1480～1500℃，出炉前在浇包底部加入0.2～0.5％的75SiFe作为孕育剂(粒度范围：0.5～2.0mm，预热烘烤)，进行包内孕育。孕育后浇注湿砂型三角试块，三角试块的白口宽度≤1～2mm则孕育合格。孕育合格后在6min内浇注，浇注温度控制在1400～1430℃。在石英粘土砂的湿砂型中浇注成φ30×300的试样棒(按照GB9439-88标准)。
按上述方法制备得到表1的铸铁试样棒。
表1试样棒化学成分
上述表1中的1号试样棒为钒钛铸铁碳下限试样棒，2号试样为钒钛铸铁碳靠上限试样棒，3号试样为钒钛铸铁碳上限试样棒，4号试样为普通灰铸铁HT250试样棒。
试验例本发明钒钛铸铁的性能测定
1、试样制备
将上述实施例浇注的试样棒按GB977-84标准各加工5根抗拉强度试样；按GB/T12444.2-2006标准各加工2块耐磨性试样；按GB231-84标准各加工3块硬度试样；同时从抗拉强度试样上切取不同成分的金相试样。
2、测试设备、条件
拉伸实验在CMT5305(300kN)电子拉伸试验机(深圳三思有限公司生产)上，室温条件下进行。硬度实验在HB3000型布氏硬度计(山东掖县材料试验机厂生产)进行，压头直径5mm。耐磨试验在MRH-3型高速环块磨损实验机上进行(济南试验机厂生产)，试验条件为：干摩擦，载荷49N，对磨材料GCr15钢，对磨环转速300r/min，外环直径49.22mm，摩擦时间30min。金相试样经磨光、抛光后在XJP-6A型光学显微镜(重庆光学仪器厂生产)100倍下观察石墨的尺寸大小及形态，然后用1％的HNO3酒精腐蚀，在400倍显微镜下观察基体(珠光体、铁素体)及磷共晶等金相组织。
3、试验结果及分析
3.1抗拉强度及硬度测试结果
抗拉强度及硬度测试数据结果见表2。
表2抗拉强度及硬度测试数据
由表2可以看出，钒钛铸铁随含碳量的增加抗拉强度逐渐减小，当C＝3.61％时，抗拉强度σb＜250Mpa；而硬度随含碳量的增加，总体有下降的趋势，当C＝3.61％，HBS＜200。由此可知，钒钛铸铁的含碳量在3.25～3.60％范围内(CE＝4.0～4.25)，可达到和超过HT250的力学性能要求。由表2也可看出，本发明钒钛铸铁的力学性能优于普通灰铸铁，比普通灰铸铁抗拉强度高7～23％左右。
3.2金相组织检测结果
金相组织检测结果见图1、2、3、4。
从图1a、2a、3a可以看出，钒钛铸铁组织中的初生石墨均为片状A型石墨，石墨长度均达到2～3级，随着含碳量的增加，组织中的初生石墨数量也随之增加，且石墨片的长度增加。从图4a可以看出，由于含碳量低和碳当量低，普通灰铸铁组织中的初生石墨数量较少，且石墨长度也只能达到3级。
钒钛铸铁的基体组织见图1b、2b、3b。它们均由片层状珠光体、少量铁素体(图中白色)、磷共晶(图中块状灰白色)和钒、钛碳氧化合物(分布在铁素体基体上的黑色点状物)所组成。随着含碳量的增加珠光体量有所减少，铁素体量有所增加。根据观察，三种成分组织中的珠光体量均达到95％以上。从图4b可以看出，由于普通灰铸铁的含碳量低，初生石墨数量少，而形成了共晶石墨，组织中几乎没有铁素体，基体组织基本上由珠光体组成，因此表现出很高的硬度。
由上述金相组织的分析可以看出，在保证基体组织中的珠光体≥95％，合金的σb≥250Mpa的条件下，提高含碳量和碳当量，可以增加组织中的石墨的数量以及获得较好的孕育效果，从而细化片状石墨并增加石墨片的长度(见图2)，提高基体组织的摩擦润滑性和导热能力。当含碳量和碳当量过高，又会增加铁素体数量和减少珠光体数量(见图3)，致使合金的力学性能难以达到要求。当含碳量和碳当量过低，孕育不可能充分，孕育效率差，组织中的初生石墨数量少，珠光体数量多(见图4)，虽然可提高合金的强度和硬度，但其润滑作用差，导热能力差，合金呈显脆性。
3.3耐磨性检测结果
耐磨性检测结果见表3。
表3耐磨性试验结果
表3中：u＝(M1-M2)V/M1PL，式中：V＝12.32×12.32×19.05/109m3；
P-载荷，P＝49N；L-相对磨损距离，单位m；
L＝πdvt，d＝49.22×10-3m，v＝300r/min，t＝30min。
从表3可以看出，随着含碳量和碳当量的增加，试样的磨损率逐步下降，摩擦系数有所提高，说明组织中的石墨起到了较好的润滑作用而降低了磨损量，有利于耐磨性的提高和减少对摩擦副即蹄片的磨损，同时摩擦系数的提高也有利于刹车时制动距离的缩短。从这个意义上讲，提高合金的含碳量和碳当量对材料的耐磨性是有利的。从表3也可以看出，1号、2号、3号钒钛铸铁和4号普通灰铸铁相比，磨损率降低5％～17％，摩擦系数提高9％～12％，证明本发明钒钛铸铁的耐磨性优于普通灰铸铁的耐磨性。
Claims (8)
1.钒钛铸铁，其特征在于：按重量配比其化学成分为：3.25～3.6％C，1.8～2.2％Si，0.6～0.9％Mn，0.15～0.25％V，0.1～0.25％Ti，余量为Fe和不可避免的杂质；其中，钒钛铸铁中的珠光体含量为95～98％。
2.根据权利要求1所述的钒钛铸铁，其特征在于：所述的不可避免的杂质包括P和S，其中，P、S杂质的含量分别为：P≤0.1％，S≤0.12％。
3.根据权利要求1或2所述的钒钛铸铁，其特征在于：其碳当量CE为4.00～4.25，其中，CE＝C+1/3(Si+P)。
4.生产钒钛铸铁的方法，其特征在于：包括如下步骤：
a、熔炼：配制原料，原料中各化学成分的重量配比为3.25～3.6％C，1.8～2.2％Si，0.6～0.9％Mn，0.15～0.25％V，0.1～0.25％Ti，余量为Fe和不可避免的杂质；将配制的原料于1520～1580℃熔炼，得到铁水；
b、孕育：a步骤所得铁水倒入浇包中进行包内孕育，孕育时间为8～12min；其中，铁水倒入浇包时的出炉温度为1480～1500℃，浇包在倒入铁水前先加入铁水重量0.2～0.5％的75SiFe；
c、浇铸，即得钒钛铸铁。
5.根据权利要求4所述的钒钛铸铁的方法，其特征在于：a步骤所述的不可避免的杂质包括P和S，其中，P、S杂质的含量分别为：P≤0.1％，S≤0.12％。
6.根据权利要求4所述的钒钛铸铁的方法，其特征在于：a步骤所述的原料为废铁和生铁，熔炼温度为1550℃。
7.根据权利要求4～6任一项所述的钒钛铸铁的方法，其特征在于：a步骤所述的炉料中还加入炉料总重量1.0～1.5％的粒度为30～50mm的石灰石或冰晶石。
8.根据权利要求4所述的钒钛铸铁的方法，其特征在于：b步骤所述的75SiFe的粒度为0.5～2.0mm。
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