CN104404363A - 一种汽车飞轮用高强球墨铸铁及其高致密化铸造成形方法 - Google Patents

一种汽车飞轮用高强球墨铸铁及其高致密化铸造成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种汽车飞轮用高强球墨铸铁及其高致密铸造成形方法，高强球墨铸铁基体的珠光体含量在90％～95％，铁素体含量在5％～10％，同时添加少量的Mn、Ni、Cr和微量的Nb进行合金强化，合金元素组成及质量百分比为：C：3.2％～3.8％，Si：2.0％～2.5％，Mn：0.1％～0.5％，Ni：0.1％～1.0％，Cr：0.2％～1.0％，Nb：0.01％～0.25％，P：≤0.08％，S≤0.025％，Mg：0.02％～0.06％，Re：0.01％～0.05％，余量为Fe。该球墨铸铁在室温抗拉强度大于700MPa，HB大于280，500℃高温抗拉强度大于560MPa。同时，本发明在热冒口上设置两个彼此独立的扁平冒口颈，获得了高致密飞轮铸件，飞轮的动不平衡量低于1270g·cm，提高了动平衡性和安全性。

Description

一种汽车飞轮用高强球墨铸铁及其高致密化铸造成形方法
技术领域
本发明属钢铁材料领域，具体涉及一种汽车飞轮用高强球墨铸铁及其高致密化铸造成形方法。
背景技术
随着汽车行业的快速发展，发动机的安全性能逐渐引起人们的重视。飞轮是柴油发动机中结构相对简单但起储能和驱动作用的零件，它通过储存发动机做功冲程外的能量，使曲柄连杆机构顺利越过上、下止点以完成辅助冲程，从而减小发动机运转过程中的速度波动；与此同时，飞轮在汽车传动系中又常常担起驱动摩擦离合器的任务。因此，飞轮的安全性能对于发动机的安全性能乃至整车运行的平稳性能具有重要的影响。
球墨铸铁因具有高的比强度和比刚度、优良的减振性能，以及能够通过铸造成形获得具有高承载能力的结构件，常用来制作高转速、大马力柴油发动机上的飞轮。球墨铸铁飞轮作为发动机摩擦离合器的主动部件，在服役过程中与离合器摩擦片高速摩擦并产生高温，致使飞轮表面磨损无法避免。在使用期间，若飞轮表面磨损量小且磨损均匀，则对飞轮的动平衡性和安全性影响较小；而磨损较大或不均匀磨损会加快飞轮的损伤，在高速旋转所产生的交变应力作用及高温工况条件下，飞轮容易产生裂纹，不仅使发动机无法正常启动，而且容易引发飞轮解体，造成人身安全事故。因此，提高飞轮用球墨铸铁的高温强度和耐磨性能对于提高发动机的整体安全性能显得尤为重要。
我国近年来关于铸铁飞轮的研究多集中于飞轮结构的改进，尚无提升飞轮所用球墨铸铁材料性能的研究，如：
中国专利CN201763497U公开了一种“汽油机飞轮”，飞轮的结构为：飞轮中心到边缘有四个以上的加强筋，其余部位镂空，此结构节省了制作材料，但镂空的飞轮体结构不利于球墨铸***固时的补缩，对铸造工艺提出了更高的要求，同时没有涉及飞轮所用球墨铸铁材料性能提升的研究。
中国专利CN101270794 A公开了一种“发动机的带塑料风叶的组合飞轮”，将带叶片的铸铁飞轮整体件改为塑料风叶轮与铸铁飞轮的组合件，不仅降低了制造成本，还提高了发动机的经济性，但同样没有涉及飞轮所用球墨铸铁材料性能提升的研究。
中国专利CN202250542U公开了一种“通用汽油机球墨铸铁飞轮”，将飞轮本体与齿圈用球墨铸铁一次性浇铸成形，这种整体式结构不仅克服了齿圈通过热压工艺装配在本体上而导致的配合精度降低的缺陷，而且飞轮的强度高、重量轻、使用安全可靠，但同样没有涉及飞轮所用球墨铸铁材料性能提升的研究。
高速旋转下的飞轮承受巨大的惯性力，只有具备良好的动平衡性才能保证其自身在工作过程中运行平稳，这对铸件的内在质量同样提出了很高的要求。因此，决定飞轮安全性的因素除了飞轮所用材料以外，飞轮内部的质量对其亦有重要影响。目前球墨铸铁的糊状凝固方式以及砂型较差的导热性使得缩孔、缩松成为球墨铸铁件内部最常见的缺陷，特别是对于壁厚差较大的飞轮类铸件，要完全消除缩孔和缩松缺陷，得到内部组织致密的零件相当困难。飞轮中缩孔和缩松等缺陷聚集的部位因容易出现应力集中而诱发微裂纹，在交变应力作用下，微裂纹不断扩展、汇集、交叉，形成宏观裂纹并导致飞轮突然裂解。
汽车的高速化及装载重型化对发动机飞轮质量提出了更高的要求，传统的球墨铸铁飞轮因存在动平衡性差以及装车使用中发生裂解等问题，已难以满足日益增高的性能要求。而近年来，我国关于铸铁飞轮的研究多集中在飞轮结构的改进，对飞轮所用铸铁材料的性能提升尚无相关报道，对提高飞轮内部质量的高致密化铸造成形方法尚无详细研究。因此，开发新型汽车飞轮用的高强球墨铸铁及其高致密化铸造成形方法，对进一步提高发动机的可靠性和安全性，促进我国汽车产业的发展具有重要意义。
发明内容
针对以上问题，本发明提供一种汽车飞轮用高强球墨铸铁及其高致密化铸造成形方法，该球墨铸铁在室温及500℃高温下具有较好的力学性和耐磨性，其室温抗拉强度大于700MPa，HB大于280，500℃高温抗拉强度大于560MPa。飞轮的动不平衡量低于1270g·cm，提高了飞轮的动平衡性和安全性。
本发明的技术方案如下：
(1)一种汽车飞轮用高强球墨铸铁。
高强球墨铸铁的基体的珠光体含量在90％～95％，铁素体含量在5％～10％，同时添加少量的Mn、Ni、Cr和微量的Nb进行合金强化。合金元素组成及质量百分比范围为：C：3.2％～3.8％，Si：2.0％～2.5％，Mn：0.1％～0.5％，Ni：0.1％～1.0％，Cr：0.2％～1.0％，Nb：0.01％～0.05％，P：≤0.08％，S≤0.025％，Mg：0.02％～0.06％，Re：0.01％～0.05％，余量为Fe。
(2)一种汽车飞轮用高强球墨铸铁的高致密化铸造成形方法，包括以下步骤：
步骤1：配料：原料为Q10生铁、普通低碳废钢、飞轮专用回炉料、硅铁、锰铁、电解镍、铬铁、铌铁；各原料质量百分比为：Q10生铁：60％～70％，普通低碳废钢：15％～20％，飞轮专用回炉料：15％～20％，硅铁0.5％～1.0％，锰铁0.5％～1.0％，电解镍：0.12％～1.2％，铬铁：0.3％～1.2％，铌铁：0.02％～0.1％。
步骤2：浇注***设计：浇注***由浇口杯、直浇道、横浇道、带有双冒口颈的热冒口以及内浇口组成。热冒口上的两个冒口颈彼此独立，冒口颈截面为扁平的矩形，面积大于500mm2，两个冒口颈的尺寸满足以下条件：①冒口颈厚度≤飞轮厚度的1/2；②冒口颈截面的厚度10mm～14mm，宽度50mm～80mm，厚宽比≤1/5，消除了飞轮内部的缩孔缩松缺陷。
步骤3：造型：将普通粘土湿型砂填入砂箱后在震压造型机上造型，砂型硬度控制在80～90范围内，型腔中心部位的硬度高于85。
步骤4：熔炼：采用中频感应电炉熔炼，将步骤Ⅰ)配好的原材料，按加料顺序为：普通低碳废钢+飞轮专用回炉料→Q10生铁→硅铁+锰铁+铬铁+铌铁进行熔炼，待上述原料熔清后加入电解镍，成分均匀后准备出炉，铁液出炉温度控制在1450℃～1480℃。
步骤5：球化处理：选用市售商用FeSiMg8RE3合金作为球化剂，采用盖包法进行球化处理，球化剂的粒度范围为5mm～30mm，加入量为铁液质量的1.0％～2.0％。
步骤6：孕育处理：选用市售商用BaSiFe合金作为孕育剂，采用包内孕育和随流孕育相结合的孕育工艺。其中包内孕育是将孕育剂铺在球化剂上，表面以铁屑覆盖并捣实，加入的孕育剂为铁液质量的1.0％～1.5％，粒度范围为10mm～30mm，包内孕育温度控制在1440℃～1460℃；浇注时进行随流孕育，孕育剂加入量为铁液质量的0.1％～0.15％，粒度范围为0.4mm～0.8mm。
步骤7：浇注：铁液浇注温度控制在1350℃～1420℃，为避免球化衰退，每包铁液的浇注时间不超过20min，浇注时进行随流孕育。
进一步的，步骤4中加入少量的Mn在共析转变过程中促进珠光体转变，稳定和细化珠光体，提高铸铁的高温强度和硬度。
进一步的，步骤4中加入少量的Cr细化珠光体，形成稳定的共晶碳化物，提高铸铁的耐热性和耐磨性。
进一步的，步骤4中加入少量的Ni促进石墨化，抑制铁素体，提高球墨铸铁的强度。
进一步的，步骤4中加入微量的Nb，与铁液中的碳和氮形成稳定的富铌硬质相Nb(C,N)，较大幅提高耐磨性，同时，铌具有固溶强化和净化晶界的作用，可提高铸铁的强度和韧性。
进一步的，步骤4中上述合金元素的添加量很少，对材料的制备成本影响较小。
热冒口与铸件相连处容易形成接触热节，加之高温铁液均要流过冒口颈，使得冒口颈成为最大的物理热节，实际生产中这一位置常常出现缩孔缺陷，直接导致飞轮报废。扁平冒口颈散热面积大，既可对流经的铁液进行冷却降温，减小型腔内铁液的液态收缩量，又能在充型完毕后适时凝固，充分利用了型腔内球墨铸铁石墨化膨胀的自补缩，消除了飞轮内部的缩孔缩松。因此，根据均衡凝固理论，在热冒口上设置两个彼此独立的扁平冒口颈，不仅消除了飞轮内部的缩孔缩松缺陷，也消除了飞轮与扁平冒口颈相连处的缩孔缺陷。
本发明的有益效果是：高强球墨铸铁的基体以珠光体为主，含有少量的铁素体，以合金化为手段，通过添加少量的Mn、Ni、Cr和微量的Nb，可大幅提高飞轮的高温强度、硬度和耐磨性。两个彼此独立、结构扁平的冒口颈减小了冒口对飞轮的热影响，且扁平双冒口颈截面面积大，补缩通道顺畅，对扁平冒口颈与飞轮连接处的补缩效果好，消除了该部位的缩孔缺陷，提升了飞轮的内部质量，提高了飞轮的动平衡性和安全性，废品率降至1.9％。
附图说明
图1是带扁平双冒口颈冒口的结构示意图。
图2是高强球墨铸铁的铸态金相组织图。
图1中标记为：1.铸件2.直浇道3.横浇道4.热冒口5.扁平双冒口颈
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作详细描述。
实施例1
将普通粘土湿型砂填入砂箱后在震压造型机上造型，造型完毕后砂型的硬度为90。砂型的浇注***结构参见图1，按照铁液的流动顺序，由浇口杯2、直浇道、横浇道3、热冒口4、扁平双冒口颈5以及内浇口组成，铁液最终流入铸件1。扁平双冒口颈5的截面均为10mm×60mm的矩形。原材料配比如下：Q10生铁：64％，普通低碳废钢：17％，飞轮专用回炉料：15.4％，硅铁0.81％，锰铁0.7％，电解镍：1.0％，铬铁：1.0％，铌铁：0.09％。将上述原材料加入中频感应电炉熔炼：普通低碳废钢+飞轮专用回炉料→Q10生铁→硅铁+锰铁+铬铁+铌铁，熔清后再加入电解镍。以平均粒度为26mm的FeSiMg8RE3合金作为球化剂，加入量为铁液质量的1.7％；以平均粒度为30mm的BaSiFe合金作为包内孕育剂，将其铺在球化剂上，加入量为铁液质量的1.2％，用铁屑覆盖球化剂表面并捣实。铁液出炉温度为1480℃，出水完毕后进行浇注，浇注温度为1380℃。浇注时进行随流孕育，孕育剂平均粒度0.8mm，加入量为铁液质量的0.12％。取出飞轮铸件后对其工作面和装配面进行车削加工，随后进行动平衡测试。最后从飞轮半径二分之一处截取试样进行常温和500℃高温下的拉伸性能测试。
实施例2
将普通粘土湿型砂填入砂箱后在震压造型机上造型，造型完毕后砂型的硬度为85。砂型的浇注***结构参见图1，按照铁液的流动顺序，由浇口杯2、直浇道、横浇道3、热冒口4、扁平双冒口颈5以及内浇口组成，铁液最终流入铸件1。扁平双冒口颈5的截面均为10mm×55mm的矩形。原材料配比如下：Q10生铁：64％，普通低碳废钢：18％，飞轮专用回炉料：14.26％，硅铁0.95％，锰铁0.9％，电解镍：0.92％，铬铁：0.9％，铌铁：0.07％。将上述原材料加入中频感应电炉熔炼：普通低碳废钢+飞轮专用回炉料→Q10生铁→硅铁+锰铁+铬铁+铌铁，熔清后再加入电解镍。以平均粒度为26mm的FeSiMg8RE3合金作为球化剂，加入量为铁液质量的1.5％；以平均粒度为30mm的BaSiFe合金作为包内孕育剂，将其铺在球化剂上，加入量为铁液质量的1.5％，用铁屑覆盖球化剂表面并捣实。铁液出炉温度为1460℃，出水完毕后进行浇注，浇注温度为1400℃。浇注时进行随流孕育，孕育剂平均粒度0.8mm，加入量为铁液质量的0.15％。取出飞轮铸件后对其工作面和装配面进行车削加工，随后进行动平衡测试。最后从飞轮半径二分之一处截取试样进行常温和500℃高温下的拉伸性能测试。
实施例3
将普通粘土湿型砂填入砂箱后在震压造型机上造型，造型完毕后砂型的硬度为80。砂型的浇注***结构参见图1，按照铁液的流动顺序，由浇口杯2、直浇道、横浇道3、热冒口4、扁平双冒口颈5以及内浇口组成，铁液最终流入铸件1。扁平双冒口颈5的截面均为10mm×50mm的矩形。原材料配比如下：Q10生铁：60％，普通低碳废钢：22％，飞轮专用回炉料：13.96％，硅铁0.96％，锰铁1.0％，电解镍：0.9％，铬铁：1.1％，铌铁：0.08％。将上述原材料加入中频感应电炉熔炼：普通低碳废钢+飞轮专用回炉料→Q10生铁→硅铁+锰铁+铬铁+铌铁，熔清后再加入电解镍。以平均粒度为26mm的FeSiMg8RE3合金作为球化剂，加入量为铁液质量的2.0％；以平均粒度为30mm的BaSiFe合金作为包内孕育剂，将其铺在球化剂上，加入量为铁液质量的1.3％，用铁屑覆盖球化剂表面并捣实。铁液出炉温度为1470℃，出水完毕后进行浇注，浇注温度为1360℃。浇注时进行随流孕育，孕育剂平均粒度0.8mm，加入量为铁液质量的0.13％。取出飞轮铸件后对其工作面和装配面进行车削加工，随后进行动平衡测试。最后从飞轮半径二分之一处截取试样进行常温和500℃高温下的拉伸性能测试。
实施例4
按实施例1所示的高强球墨铸铁的制备及其高致密铸造成形方法制备的高强球墨铸铁飞轮，其成分含量为：C：3.58％，Si：2.17％，Mn：0.33％，Ni：0.93％，Cr：0.63％，Nb：0.047％，P：0.033％，S:0.019％，Mg：0.04％，Re：0.015％，余量为Fe。飞轮的动不平衡质量为786g·cm，室温抗拉强度713MPa，HB值299，500℃高温抗拉强度578MPa。
实施例5
按实施例2所示的高强球墨铸铁的制备及其高致密化铸造成形方法制备的高强球墨铸铁飞轮，其成分含量为：C：3.71％，Si：2.24％，Mn：0.39％，Ni：0.85％，Cr：0.59％，Nb：0.043％，P：0.041％，S:0.013％，Mg：0.03％，Re：0.026％，余量为Fe。飞轮的动不平衡量为1262g·cm，室温抗拉强度701MPa，HB值289，500℃高温抗拉强度561MPa。
实施例6
按实施例3所示的高强球墨铸铁的制备及其高致密铸造成形方法制备的高强球墨铸铁飞轮，其成分含量为：C：3.43％，Si：2.09％，Mn：0.41％，Ni：0.79％，Cr：0.71％，Nb：0.046％，P:0.08％，S:0.017％，Mg：0.03％，Re：0.021％，余量为Fe。飞轮的动不平衡量为935g·cm，室温抗拉强度706MPa，HB值301，500℃高温抗拉强度569MPa。
以上是对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种汽车飞轮用高强球墨铸铁的高致密化铸造成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：配料：各原料及其质量百分比为：Q10生铁：60％～70％，普通低碳废钢：15％～20％，飞轮专用回炉料：15％～20％，硅铁0.5％～1.0％，锰铁0.5％～1.0％，电解镍：0.12％～1.2％，铬铁：0.3％～1.2％，铌铁：0.02％～0.1％；
步骤2：浇注***设计：浇注***由浇口杯、直浇道、横浇道、带有双冒口颈的热冒口以及内浇口组成；
步骤3：造型：将普通粘土湿型砂填入砂箱后在震压造型机上造型，砂型硬度控制在80～90范围内，型腔中心部位的硬度高于85；
步骤4：熔炼：采用中频感应电炉熔炼，将步骤1配好的原材料，按加料顺序为：普通低碳废钢+飞轮专用回炉料→Q10生铁→硅铁+锰铁+铬铁+铌铁进行熔炼，待上述原料熔清后加入电解镍，成分均匀后准备出炉，铁液出炉温度控制在1450℃～1480℃；
步骤5：球化处理：选用FeSiMg8RE3合金作为球化剂，采用盖包法进行球化处理；
步骤6：孕育处理：选用BaSiFe合金作为孕育剂，采用包内孕育和随流孕育相结合的孕育工艺处理；
步骤7：浇注：铁液浇注温度控制在1350℃～1420℃，每包铁液的浇注时间不超过20min，浇注时进行随流孕育。
2.根据权利要求1所述的一种汽车飞轮用高强球墨铸铁的高致密化铸造成形方法，其特征在于，步骤2中浇注***的热冒口上的两个冒口颈彼此独立，冒口颈截面为扁平的矩形，面积大于500mm2，两个冒口颈的尺寸满足以下条件：①冒口颈厚度≤飞轮厚度的1/2；②冒口颈截面的厚度10mm～14mm，宽度50mm～80mm，厚宽比≤1/5。
3.根据权利要求1所述的一种汽车飞轮用高强球墨铸铁的高致密化铸造成形方法，其特征在于，步骤5中球化剂的粒度范围为5mm～30mm，加入量为铁液质量的1.0％～2.0％。
4.根据权利要求1所述的一种汽车飞轮用高强球墨铸铁的高致密化铸造成形方法，其特征在于，步骤6中的包内孕育为将孕育剂铺在球化剂上，表面以铁屑覆盖并捣实，加入的孕育剂为铁液质量的1.0％～1.5％，粒度范围为10mm～30mm，温度控制在1440℃～1460℃。
5.根据权利要求1所述的一种汽车飞轮用高强球墨铸铁的高致密化铸造成形方法，其特征在于，步骤7浇注时进行随流孕育，孕育剂加入量为铁液质量的0.1％～0.15％，粒度范围为0.4mm～0.8mm。
6.一种汽车飞轮用高强球墨铸铁，其特征在于，高强球墨铸铁基体的珠光体含量在90％～95％，铁素体含量在5％～10％，添加少量的Mn、Ni、Cr和微量的Nb，合金元素组成及质量百分比范围为：C：3.2％～3.8％，Si：2.0％～2.5％，Mn：0.1％～0.5％，Ni：0.1％～1.0％，Cr：0.2％～1.0％，Nb：0.01％～0.05％，P：≤0.08％，S≤0.025％，Mg：0.02％～0.06％，Re：0.01％～0.05％，余量为Fe。
7.一种汽车飞轮用高强球墨铸铁，其特征在于，按权利要求1-5任一项所述的方法制成。
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