CN102888551A

CN102888551A - 一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁及其制备方法

Info

Publication number: CN102888551A
Application number: CN2012104239493A
Authority: CN
Inventors: 鲍玉龙; 刘峰
Original assignee: Qiqihar Jingzhuliang Casting Co Ltd
Current assignee: Qiqihar inger Machinery Co., Ltd
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: CN102888551B

Abstract

一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁及其制备方法，它涉及一种排气歧管球墨铸铁及其制备方法，本发明是为解决现有的排气歧管球墨铸铁热强性差以及高热循环温度下，失效的循环次数低的技术问题，本发明的一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁制备方法按以下步骤实现：一、熔炼铁液，二、球化及孕育处理。经本发明的制备方法得到的一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁，铁素体体积分数达到95%~99%，在高温650℃条件下，抗拉强度为160N/mm²，热强性好，在温度为500~700℃的热循环温度下，失效的循环次数为410~440次，高温抗蠕变和抗蠕变断裂能力好，可应用在汽车发动机排气歧管中。

Description

一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种排气歧管球墨铸铁及其制备方法。

背景技术

近年来，出于保护环境和节约资源方面的考虑，在提高压缩比、改善燃料燃烧效率和减少排放等方面，不断对汽车发动机提出新的要求，为适应催化技术和涡轮增压技术应用以后，发动机排气温度不断升高的要求，对汽车发动机排气歧管的高温力学性能和抗氧化性能的要求越来越高，国外对汽车发动机排气歧管耐高温要求已经达到了900℃左右，而国内现有的排气歧管材料一般只能满足在温度为750℃左右时的使用要求；随着发动机性能的进一步提高，特别是涡轮增压技术的不断提高，排气歧管的工作温度也将提高，此外，排气歧管长期在高温循环交变状态下工作，受热温度不均匀，表层与内腔相差数百度，工作条件恶劣，排气歧管材料在高温下的抗氧化性能直接影响了排气岐管的使用寿命，普通球铁材料在温度为650℃的条件下，其抗拉强度仍为50N/mm²左右，热强性差，在500-700℃的热循环温度下，失效的循环次数为100次左右，高温抗蠕变和抗蠕变断裂能力较差，已经无法满足对排气歧管材料高温力学性能和抗氧化的要求。

发明内容

本发明是为解决现有的排气歧管球墨铸铁热强性差以及高热循环温度下，失效的循环次数低的技术问题，而提供一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁及其制备方法。

本发明的一种耐高温抗氧化排气岐管球墨铸铁由质量分数分别为3.15%~3.25%、4.15%~4.35%、1.20%~1.30%、0.20%~0.24%、0.15%~0.18%、0.012%~0.014%、0.027%~0.031%、0.048%~0.055%的C、Si、Mo、V、Mn、S、P、Mg和余量的Fe组成；其中还包括质量分数为0.019%~0.024%的残余稀土元素Re。

本发明的一种耐高温抗氧化排气岐管球墨铸铁的制备方法按以下步骤进行：

一、熔炼铁液：先按Q12生铁和废钢的质量份数为70~75和25~30，称取Q12生铁和废钢，再按钼铁合金的质量与Q12生铁和废钢的总质量之比为（2~2.5）：100，按钒合金的质量与Q12生铁和废钢的总质量之比为（0.4~0.5）：100，按硅铁合金的质量与Q12生铁和废钢的总质量之比为（2.0~2.3）：100，称取钼铁合金、钒合金和硅铁合金，然后将称取的Q12生铁、废钢、钼铁合金、钒合金和硅铁合金加入到中频炉中，升温至温度为1500~1550℃，静置2~4min，出炉，得到铁液；

二、球化及孕育处理：首先按球化剂的质量与Q12生铁和废钢的总质量之比为（1.5~1.7）：100，再按硅铁孕育剂的质量与Q12生铁和废钢的总质量之比为（2.0~2.4）：100、硅钡孕育剂的质量与Q12生铁和废钢的总质量之比为（0.10~0.15）：100，称取球化剂、硅铁孕育剂和硅钡孕育剂，然后将称取的球化剂放于浇注包的堤坝一侧，将称取的硅铁孕育剂均匀覆盖在球化剂上，再将步骤一的铁液在浇注温度为1380~1420℃的条件下，浇注到包中，浇注过程中随流加入称取的硅钡孕育剂，在温度为1430~1450℃的条件下，保温0.4~0.6min完成球化及孕育，得到热处理前的耐高温抗氧化排气岐管球墨铸铁；

本发明的有益效果

本发明的制备方法首先通过控制铁液中Si元素的含量，使铸件获得铁素体基体，铁素体体积分数达到95%~99%，铁素体基体由于不含有渗碳体，高温下不易发生分解，不会引起体积膨胀而使铸件破坏，且在高温下促进铸铁形成致密的二氧化硅氧化膜层，有效阻止氧离子向铸件内部的渗透侵入，防止进一步氧化，使铸件抗氧化生长性能大大提高；其次通过控制Mo元素的含量，使铸件的高温力学性能大幅提高，而V元素在铁素体球铁铸件中通过形成细小均匀分布的碳化物来提高铸件热强性，普通的球铁材料在温度为500~700℃的热循环温度条件下，失效的循环次数为100次左右，而本发明的耐高温抗氧化排气岐管球墨铸铁在温度为500~700℃的热循环温度下，失效的循环次数为410~440次，大幅提高铸件的高温抗蠕变和抗蠕变断裂能力，在温度为650℃的条件下，其高温抗拉强度仍为150~160N/mm²，热强性好，铸件不易产生变形，且普通的球铁材料在室温下的屈强比仅为0.6-0.7，而本发明的耐高温抗氧化排气岐管球墨铸铁，在室温条件下，抗拉强度为620~650N/mm²、屈服强度为500~530N/mm²、延伸率为4.5%~5.5%、硬度为246~255HBW，屈强比达到0.8~0.9，屈强比高，此外本发明的制备方法中，采用两次孕育，第一次主要进行孕育脱硫、脱氧，改善断面中心部位的球化状况，使得球径变小，第二次孕育，使球墨数量能达到≥200个/mm²，由于球状石墨之间相互不连续，孤立存在，氧不能深入到内部氧化，因此材料的抗氧化性进一步增强，形成了稳定的金相显微组织，使得铸件在工作温度范围内尽可能不发生或少发生相变，而使铸件体积的不易发生变形，延长了铸件的使用寿命，满足了汽车发动机排气歧管对球墨铸铁高温力学性能和抗氧化性能的要求，可应用在汽车发动机排气歧管中。

附图说明

图1为实施例1制备的耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁的石墨球化级别金相显微镜照片；

图2为实施例1制备的耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁的基体组织金相显微镜照片。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式的一种耐高温抗氧化排气岐管球墨铸铁由质量分数分别为3.15%~3.25%、4.15%~4.35%、1.20%~1.30%、0.20%~0.24%、0.15%~0.18%、0.012%~0.014%、0.027%~0.031%、0.048%~0.055%的C、Si、Mo、V、Mn、S、P、Mg和余量的Fe组成；其中还包括质量分数为0.019%~0.024%的残余稀土元素Re。

具体实施方式二：本实施方式的一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁的制备方法按以下步骤进行：

二、球化及孕育处理：首先按球化剂的质量与Q12生铁和废钢的总质量之比为（1.5~1.7）：100，再按硅铁孕育剂的质量与Q12生铁和废钢的总质量之比为（2.0~2.4）：100、硅钡孕育剂的质量与Q12生铁和废钢的总质量之比为（0.10~0.15）：100，称取球化剂、硅铁孕育剂和硅钡孕育剂，然后将称取的球化剂放于浇注包的堤坝一侧，将称取的硅铁孕育剂均匀覆盖在球化剂上，再将步骤一的铁液在浇注温度为1380~1420℃的条件下，浇注到包中，浇注过程中随流加入称取的硅钡孕育剂，在温度为1430~1450℃的条件下，保温0.4~0.6min完成球化及孕育，得到热处理前的耐高温抗氧化排气岐管球墨铸铁。

本实施方式的制备方法首先通过控制铁液中Si元素的含量，使铸件获得铁素体基体，铁素体体积分数达到95%~99%，铁素体基体由于不含有渗碳体，高温下不易发生分解，不会引起体积膨胀而使铸件破坏，且在高温下促进铸铁形成致密的二氧化硅氧化膜层，有效阻止氧离子向铸件内部的渗透侵入，防止进一步氧化，使铸件抗氧化生长性能大大提高；其次通过控制Mo元素的含量，使铸件的高温力学性能大幅提高，而V元素在铁素体球铁铸件中通过形成细小均匀分布的碳化物来提高铸件热强性，普通的球铁材料在温度为500~700℃的热循环温度条件下，失效的循环次数为100次左右，而本实施方式的耐高温抗氧化排气岐管球墨铸铁在温度为500~700℃的热循环温度下，失效的循环次数为410~440次，大幅提高铸件的高温抗蠕变和抗蠕变断裂能力，在温度为650℃的条件下，其高温抗拉强度仍为150~160N/mm²，热强性好，铸件不易产生变形，且普通的球铁材料在室温下的屈强比仅为0.6-0.7，而本实施方式的耐高温抗氧化排气岐管球墨铸铁，在室温条件下，抗拉强度为620~650N/mm²、屈服强度为500~530N/mm²、延伸率为4.5%~5.5%、硬度为246~255HBW，屈强比达到0.8~0.9，屈强比高，此外本实施方式的制备方法中，采用两次孕育，第一次主要进行孕育脱硫、脱氧，改善断面中心部位的球化状况，使得球径变小，第二次孕育，使球墨数量能达到≥200个/mm²，由于球状石墨之间相互不连续，孤立存在，氧不能深入到内部氧化，因此材料的抗氧化性进一步增强，形成了稳定的金相显微组织，使得铸件在工作温度范围内尽可能不发生或少发生相变，而使铸件体积的不易发生变形，延长了铸件的使用寿命，满足了汽车发动机排气歧管对球墨铸铁高温力学性能和抗氧化性能的要求，可应用在汽车发动机排气歧管中。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤一中废钢中成分及各成分质量分数为：C：0.17%~0.21%、S：0.012%~0.016%、P：0.020%~0.025%、Mn：0.24%~0.28%、Si：0.30%~0.40%，其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是：步骤一中硅铁合金为FeSi75合金，其中Si的质量分数为65%-75%，其他步骤及参数与具体实施方式二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是：步骤一中钼铁合金中Mo的质量分数为56%~56%，其他步骤及参数与具体实施方式二至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是：步骤一中钒合金中V的质量分数为45%~55%，其他步骤及参数与具体实施方式二至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是：步骤二中球化剂为稀土镁合金FeSiMg8Re7球化剂，其他步骤及参数与具体实施方式二至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二至七之一不同的是：步骤二中硅铁孕育剂为FeSi75合金，其中Si的质量分数为65%-75%，其他步骤及参数与具体实施方式二至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二至八之一不同的是：步骤二中硅钡孕育剂中Si的质量分数为45%-48%，硅钡孕育剂的粒度为0.2~0.7mm，其他步骤及参数与具体实施方式二至八之一相同。

用以下试验验证本发明的有益效果

实施例1、一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁的制备方法按以下步骤进行：

一、熔炼铁液：先按Q12生铁和废钢的质量份数为75和25，称取Q12生铁和废钢，再按钼铁合金的质量与Q12生铁和废钢的总质量之比为2.5：100，按钒合金的质量与Q12生铁和废钢的总质量之比为0.45：100，按硅铁合金的质量与与Q12生铁和废钢的总质量之比为2.2：100，称取钼铁合金、钒合金和硅铁合金，然后将称取的Q12生铁、废钢、钼铁合金、钒合金和硅铁合金加入到中频炉中，升温至温度为1530℃，静置3min，出炉，得到铁液；

二、球化及孕育处理：首先按球化剂的质量与Q12生铁和废钢的总质量之比为1.6：100，再按硅铁孕育剂的质量与Q12生铁和废钢的总质量之比为2.3：100、硅钡孕育剂的质量与Q12生铁和废钢的总质量之比为0.13：100，称取球化剂、硅铁孕育剂和硅钡孕育剂，然后将称取的球化剂放于浇注包的堤坝一侧，将称取的硅铁孕育剂均匀覆盖在球化剂上，再将步骤一的铁液在浇注温度为1400℃的条件下，浇注到包中，浇注过程中随流加入称取的硅钡孕育剂，在温度为1440℃的条件下，保温0.5min完成球化及孕育，得到热处理前的耐高温抗氧化排气岐管球墨铸铁。

本实施例的制备方法首先通过控制铁液中Si元素的含量，使铸件获得铁素体基体，铁素体基体由于不含有渗碳体，高温下不易发生分解，不会引起体积膨胀而使铸件破坏，且在高温下促进铸铁形成致密的二氧化硅氧化膜层，有效阻止氧离子向铸件内部的渗透侵入，防止进一步氧化，使铸件抗氧化生长性能大大提高；其次通过控制Mo元素的含量，使铸件的高温力学性能大幅提高，而V元素在铁素体球铁铸件中通过形成细小均匀分布的碳化物来提高铸件热强性，此外本实施例的制备方法中，采用两次孕育，第一次主要进行孕育脱硫、脱氧，改善断面中心部位的球化状况，使得球径变小，第二次孕育，使球墨数量能达到≥200个/mm²，由于球状石墨之间相互不连续，孤立存在，氧不能深入到内部氧化，因此材料的抗氧化性进一步增强，形成了稳定的金相显微组织，使得铸件在工作温度范围内尽可能不发生或少发生相变，而使铸件体积的不易发生变形，延长了铸件的使用寿命，满足了汽车发动机排气歧管对球墨铸铁高温力学性能和抗氧化性能的要求，可应用在汽车发动机排气歧管中。

试验一、对实施例1制备的一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁进行理化试验，结果如下：

实施例1制备的一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁的化学成分及各成分质量分数为：C：3.22%、Si：4.31%、Mn：0.15%、Mo：1.21%、V：0.23%、S：0.013、P：0.029、Mg：0.048%和余量的Fe；其中和Re的残余量为0.021%。

试验二、对实施例1制备的一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁进行金相组织分析试验，试验过程如下：

在室温条件下，采用4XB型金相显微镜，对实施例1制备的一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁试样进行金相组织分析，得到如图1和图2所示的金相显微镜照片，从图1可以看出，球化率为96%，球径小，球数多，从图2可以看出，热处理后基体组织铁素体含量为97%，且铁素体晶粒细小，分布均匀，塑性高。

试验三、对实施例1制备的一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁进行常规机械性能试验，试验过程如下：

现根据GB/T228-2002测试标准，用CSS-88300型电子拉力试验机，在室温25℃条件下，对实施例1制备的一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁进行常规机械性能试验，测试三次，结果如下

试验四、对实施例1制备的一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁进行高温抗拉强度试验，试验过程如下：

现根据GB/T228-2002测试标准，用QJ211B型高低温电子拉力试验机，在高温650℃条件下，对实施例1制备的一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁进行高温条件下抗拉强度试验，测得其抗拉强度为160N/mm²，热强性好。

试验五、对实施例1制备的一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁进行高温疲劳试验，试验过程如下：

现根据GB3075测试标准，采用SEN高温疲劳试验机，分别在高温400-500℃、450~550℃和500~650℃的条件下，对实施例1制备的一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁进行疲劳测试，得到测试结果如下：

综上所述实施例1的制备方法首先通过控制铁液中Si元素的含量，使铸件获得铁素体基体，铁素体体积分数达到97%，铁素体基体由于不含有渗碳体，高温下不易发生分解，不会引起体积膨胀而使铸件破坏，且在高温下促进铸铁形成致密的二氧化硅氧化膜层，有效阻止氧离子向铸件内部的渗透侵入，防止进一步氧化，使铸件抗氧化生长性能大大提高；其次通过控制Mo元素的含量，使铸件的高温力学性能大幅提高，而V元素在铁素体球铁铸件中通过形成细小均匀分布的碳化物来提高铸件热强性，实施例1的耐高温抗氧化排气岐管球墨铸铁在温度为500~650℃的热循环温度下，失效的循环次数仍为410次，大幅提高铸件的高温抗蠕变和抗蠕变断裂能力，在温度为650℃的条件下，其高温抗拉强度仍为160N/mm²，热强性好，铸件不易产生变形，且实施例1的耐高温抗氧化排气岐管球墨铸铁，在室温条件下，抗拉强度为640N/mm²、屈服强度为520N/mm²、延伸率为4.5%、硬度为252HBW，屈强比达到0.81，屈强比高，可应用在汽车发动机排气歧管中。

Claims

1.一种耐高温抗氧化排气岐管球墨铸铁，其特征在于一种耐高温抗氧化排气岐管球墨铸铁由质量分数分别为3.15%~3.25%、4.15%~4.35%、1.20%~1.30%、0.20%~0.24%、0.15%~0.18%、0.012%~0.014%、0.027%~0.031%、0.048%~0.055%的C、Si、Mo、V、Mn、S、P、Mg和余量的Fe组成；其中还包括质量分数为0.019%~0.024%的残余稀土元素Re。

2.制备如权利要求1所述的一种耐高温抗氧化排气岐管球墨铸铁的方法，其特征在于该制备方法按以下步骤进行：

二、球化及孕育处理：首先按球化剂的质量与Q12生铁和废钢的总质量之比为（1.5~1.7）：100，再按硅铁孕育剂的质量与Q12生铁和废钢的总质量之比为（2.0~2.4）：100、硅钡孕育剂的质量与Q12生铁和废钢的总质量之比为（0.10~0.15）：100，称取球化剂、硅铁孕育剂和硅钡孕育剂，然后将称取的球化剂放于浇注包的堤坝一侧，将称取的硅铁孕育剂均匀覆盖在球化剂上，再将步骤一的铁液在浇注温度为1380~1420℃的条件下，浇注到包中，浇注过程中随流加入称取的硅钡孕育剂，在温度为1430~1450℃的条件下，保温0.4~0.6min完成球化及孕育，得到耐高温抗氧化排气岐管球墨铸铁。

3.根据权利要求2所述的一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁的制备方法，其特征在于步骤一中废钢中成分及各成分质量分数为：C：0.17%~0.21%、S：0.012%~0.016%、P：0.020%~0.025%、Mn：0.24%~0.28%、Si：0.30%~0.40%。

4.根据权利要求2或3所述的一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁的制备方法，其特征在于步骤一中硅铁合金为FeSi75合金，其中Si的质量分数为65%-75%。

5.根据权利要求4所述的一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁的制备方法，其特征在于步骤一中钼铁合金中Mo的质量分数为56%~56%。

6.根据权利要求4所述的一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁的制备方法，其特征在于步骤一中钒合金中V的质量分数为45%~55%。

7.根据权利要求4所述的一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁的制备方法，其特征在于步骤二中球化剂为稀土镁合金FeSiMg8Re7球化剂。

8.根据权利要求4所述的一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁的制备方法，其特征在于步骤二中硅铁孕育剂为FeSi75合金，其中Si的质量分数为65%-75%。

9.根据权利要求4所述的一种耐高温抗氧化排气歧管球墨铸铁的制备方法，其特征在于步骤二中硅钡孕育剂中Si的质量分数为45%-48%，硅钡孕育剂的粒度为0.2~0.7mm。