CN107365939B - 发动机用铸铁及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属材料领域，且特别涉及发动机用铸铁及其制备方法；原料组分按重量百分数计，包括碳3.2‑3.5％，锰0.8‑0.9％，硅1.5‑1.8％，磷0.06‑0.12％，铜0.08‑0.1％，镍0.5‑0.8％，钨1‑3％，锆1‑2％，余量为铁；将原料组分分次熔炼后、浇铸等即可制得该发动机用铸铁；该发动机用铸铁的加工性能好，且具有优异的强度、耐磨性好，能够提高发动机的强度，使发动机不容易受到损伤，进而能够延长发动机的使用寿命。

Description

发动机用铸铁及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料领域，且特别涉及发动机用铸铁及其制备方法。
背景技术
铸铁主要是由铁、碳和硅组成的合金的总称，通常可以分为灰口铸铁、白口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和合金铸铁件等。铸铁具有优良的铸造性，可以制成各种复杂的零件，具有广泛的用途，例如：用于制造气缸、齿轮、机座、气缸体、气缸盖、活塞等。
发动机是船舶、汽车等重要的能量来源，发动机中的每一个零部件都对发动机的工作效率、使用寿命、维修成本等具有较大的影响，因此，在发动机的生产上对发动机中使用的铸铁具有较高的性能要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发动机用铸铁，该发动机用铸铁的加工性能好，且具有优异的强度、耐磨性好，能够提高发动机的强度，使发动机不容易受到损伤，进而能够延长发动机的使用寿命。
本发明的另一目的在于提供一种发动机用铸铁的制备方法，该制备方法可以使制得的铸铁中各种原料熔炼混合的更加均匀，进而使得制备出来的铸铁的质量稳定，而且可以通过该制备方法更加进一步地提高制备出的铸铁的强度和耐磨性等。
本发明是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种发动机用铸铁，以重量百分比计，包括：碳3.2-3.5％，锰0.8-0.9％，硅1.5-1.8％，磷0.06-0.12％，铜0.08-0.1％，镍0.5-0.8％，钨1-3％，锆1-2％，余量为铁。
本发明提出一种发动机用铸铁的制备方法，其包括包括：按比例准备原料，将铁熔炼，再将锰和硅加入，并熔炼，得到第一熔炼混合物；在第一熔炼混合物中添加碳和磷，并熔炼，得到第二熔炼混合物；在第二熔炼混合物中添加铜和镍，并熔炼；得到第三熔炼混合物；在第三熔炼混合物的温度为1550-1600℃时，添加钨，熔炼，得到第四熔炼混合物；在第四熔炼混合物的温度为1500-1550℃时，添加锆，熔炼，得到第五熔炼混合物；将第五熔炼混合物浇铸；浇铸前往熔融的混合物中通入氦气，且氦气通入混合物的时间是5-10min；浇铸后还包括正火和回火；正火包括：以45-50℃/h的加温速率加热至800-900℃，并保温1-2h；再以20-30℃/h的加温速率加热至950-1000℃，并保温2-3h；回火包括：以50-60℃/h的升温速率升温至300-350℃，并保温3-5h；原料以重量百分比计，包括：碳3.2-3.5％，锰0.8-0.9％，硅1.5-1.8％，磷0.06-0.12％，铜0.08-0.1％，镍0.5-0.8％，钨1-3％，锆1-2％，余量为铁。
本发明实施例的发动机用铸铁及其制备方法的有益效果是：该发动机用铸铁的加工性能好，且具有优异的强度、耐磨性好，能够提高发动机的强度，使发动机不容易受到损伤，进而能够延长发动机的使用寿命。该发动机用铸铁的制备方法可以使制得的铸铁中各种原料熔炼混合的更加均匀，进而使得制备出来的铸铁的质量稳定，而且可以通过该制备方法更加进一步地提高制备出的铸铁的强度和耐磨性等。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的发动机用铸铁及其制备方法进行具体说明。
本发明实施例提供一种发动机用铸铁，其以重量百分数计包括碳3.2-3.5％，锰0.8-0.9％，硅1.5-1.8％，磷0.06-0.12％，铜0.08-0.1％，镍0.5-0.8％，钨1-3％，锆1-2％，余量为铁。
碳、磷、锰和硅添加于铁中，可以增加铁的抗拉强度、增强铁的减震性能、可塑性能等，以便添加了上述各元素的铸铁能够被应用于各种工件、机械中。
详细地，硅元素(Si)可以改善铸铁的流动性，且硅晶粒的化学稳定性好具有较强的硬度，在铸铁中添加少量的硅可以有效地增加铸铁的强度和耐磨性，且因为硅元素具有一定的稳定性，硅元素还可以与铸铁中的其它元素互作，进而提高其它元素的性能；上述的其它元素例如可以是钨、锆、铁等。但是，若在铸铁中添加过量的硅元素，可能会导致铸铁脆化，反而降低铸铁的强度和耐磨性。
碳(C)在铸铁中多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在，碳可以改善铸铁的显微组织和性能。在铸铁中添加碳可以改善铸铁的凝固收缩量、抗压强度、硬度、减震性能等，使得制得的铸铁具有优异的耐磨性和强度等，还具有良好的可塑性。
磷(P)在铸铁中能够形成高硬度的磷化物共晶体，提高铸铁的耐磨性。
锰(Mn)在铸铁中具有稳定和细化珠光体的作用，在铸铁中添加锰，一方面在制备的过程中可以保持其它元素的稳定性，另一方面可以改善铸铁内部的细微结构，还有一方面可以提高铸铁的机械强度和耐磨性等。详细地，锰具有阻止合金再结晶过程的作用，并提高再结晶温度，显著细化再结晶晶粒；再结晶晶粒的细化主要通过对再结晶晶粒长大进行阻碍，结晶晶粒被细化后，有利于整个铸铁在制备时，内部结构更加均匀一致，使得铸铁的性质更加的稳定、均匀。
铜(Cu)在合金中具有改善机械强度和抗腐蚀性的作用，当合金中同时具有铜和硅时，可以构成共晶体，改善硅对铸铁产生的不良影响，提高铸铁的强度和耐磨性能。铜还能够降低奥氏体转变的临界温度，因此铜能促进珠光体的形成，增加珠光体的含量，同时能细化珠光体和强化珠光体等，因而增加铸铁的硬度和强度。
镍元素(Ni)的主要作用是提高铸铁的抗腐蚀性能、延展性能、耐磨性等。
钨元素(Wu)具有硬度高，不易受到空气侵蚀等特性，在铸铁中，钨可以与二价铁离子以络合物的形态存在，冶炼后的钨熔点极高，硬度极大，能够有效地增加铸铁的硬度，进而提高铸铁耐磨性。作为优选，按重量百分数计，钨为1-2％，较低的钨含量即可满足提高铸铁耐磨性的作用，且还可以降低生产的成本。
锆元素(Zr)的表面可以形成氧化膜，氧化膜的形成可以提高铸铁的致密性，对铸铁中的其它元素也起到防护的作用，降低空气对铸铁的侵蚀，在铸铁表层的氧化膜，还可以直接对外界的损伤起到防护的作用，使铸铁不容易受到外界的机械损伤，即可以提高铸铁的耐磨性。作为优选，按重量百分数计，锆为1-1.5％，锆对气体吸收的能力较强，当锆的含量较低时，可以降低铸铁中可能吸入的气体的含量，进一步地确保优异的耐磨性能和机械性能。
需要说明的是，钨的硬度高，若钨的添加量过多，则可能会因为硬度过高而导致铸铁变脆，容易产生裂痕，反而降低铸铁的性能。锆所形成的氧化膜可以对铸铁形成保护，增强铸铁的耐磨性，但是锆具有一定的腐蚀性，若锆的含量过多，则可能因为腐蚀对铸铁造成损伤，使铸铁产生裂痕等，反而降低铸铁的性能。在此基础上，发明人通过调整钨和锆的比例，并且将钨和锆的比例大致调整为1-3:1-2，既可以提高铸铁的耐磨性，又可以避免铸铁变脆和避免腐蚀损坏。
按比例称取原料后，进行熔炼，浇铸，正火，回火等工序。
将铁熔炼，铁熔炼时的温度可以是1450-1500℃；在熔炼后的液态铁的温度降至1400-1450℃时，添加锰和硅，并熔炼，可得到第一熔炼混合物；添加锰和硅进行混合熔炼是的温度可以保持在1400-1450℃。先在熔炼后液态的铁中添加硅，可以提高液态铁的流动性，使得后期添加于混合熔融物中的其它物质可以快速的在其中分散开，进而提高铸铁的性质的一致性；添加锰可以起到细化结晶晶粒的作用，进而可以促使后续工序中的物质一边均匀的混入熔融物，一边被细化晶粒，进而使铸铁内部的结构更加致密、均匀，耐磨性更强。
在第一熔炼混合物中添加碳和磷，在1450-1500℃条件下继续熔炼，可以得到第二熔炼混合物。添加的碳元素可以改善第一熔炼混合物的显微组织，并且提升铸铁中各种物质的性能，还可以使铸铁中添加其它的物质后，依然保持良好的显微结构，并是铸铁具有良好的机械强度和耐磨性等。
在第二熔炼混合物中添加铜、镍，在1500-1600℃条件下进行熔炼，可以得到第三熔炼混合物。后期添加的铜，可以与前期添加的硅形成共晶体提高铸铁的强度和耐磨性。
将第三熔炼混合物的温度控制于1550-1600℃后，添加钨，并在1550-1600℃条件下熔炼，可得到第四熔炼混合物。将熔炼混合物的温度升高后，再添加钨，可以使钨快速熔化，并且均匀分散到混合熔融液中，与二价铁离子形成络合，避免钨挥发，进而确保钨能够充分的发挥其具有的抗侵蚀性能，使铸铁具有优异的耐磨性。
将第四熔炼混合物的温度控制于1500-1550℃后，添加锆，并在1500-1550℃条件下熔炼，可得到第五熔炼混合物。熔炼锆时，将温度适当的降低，除了使锆能够均匀、快速地混入熔融混合物中，还可以在锆混入混合物中后，快速地形成氧化膜，对铸铁形成保护，并增强铸铁的耐磨性。
按照上述的方法，分次将各种原料混合、熔炼，可以时铸铁中的各种原料混合的更加均匀，使制得的铸铁的性质更加的均匀稳定，并且使各个原料的作用被更充分的发挥。
将第五熔炼混合物进行浇铸，即可得到粗铸铁。浇铸的温度可以是1300-1350℃，时长可以是8-10min。
详细地，浇铸前还可以往熔融的混合物中通入氦气，且氦气通入混合物的时间可以是5-10min。锆的使用可能会导致铸铁中空气含量的增加，通入氦气可以有效排出铸铁中的多余气体，减少铸铁中的细小气孔和针孔，提高耐磨性能等。
在浇铸后还可以进行正火和回火的工序。正火可以包括：以45-50℃/h的加温速率加热至800-900℃，并保温1-2h；再以20-30℃/h的加温速率加热至950-1000℃，并保温2-3h，保温结束后冷却至室温(20-30℃)，冷却可以是自然冷却；回火包括：以50-60℃/h的升温速率升温至300-350℃，并保温3-5h。分段正火工艺可以提高铸铁的硬度，再进行回火，可以消除铸铁中残余的应力、避免铸铁变脆，进而保持铸铁优异的耐磨性和机械强度。
以下结合实施例对本发明的发动机用铸铁及其制备方法作进一步的详细描述。
实施例1
准备原料，以重量百分比计，包括：碳3.2％，锰0.8％，硅1.5％，磷0.06％，铜0.08％，镍0.5％，钨1％，锆1％，余量为铁。
将铁熔炼，铁熔炼时的温度是1450℃；在熔炼后的液态铁的温度降至1400℃时，添加锰和硅，并熔炼，得到第一熔炼混合物。在第一熔炼混合物中添加碳和磷，在1450℃条件下继续熔炼，得到第二熔炼混合物。在第二熔炼混合物中添加铜、镍，在1500℃条件下进行熔炼，得到第三熔炼混合物。将第三熔炼混合物的温度升高至1600℃后，添加钨，并在1600℃条件下熔炼，得到第四熔炼混合物。将第四熔炼混合物的温度降至1550℃后，添加锆，并在1550℃条件下熔炼，得到第五熔炼混合物。
将第五熔炼混合物进行浇铸，即可得到粗铸铁。浇铸的温度是1300℃，时长是8min。
在浇铸后进行正火和回火的工序。正火：以45℃/h的加温速率加热至900℃，并保温1h；再以30℃/h的加温速率加热至950℃，并保温2h，冷却至室温；回火：以50℃/h的升温速率升温至350℃，并保温3h。
实施例2
准备原料，以重量百分比计，包括：碳3.5％，锰0.9％，硅1.8％，磷0.12％，铜0.1％，镍0.8％，钨3％，锆2％，余量为铁。
将铁熔炼，铁熔炼时的温度是1500℃；在熔炼后的液态铁的温度降至1450℃时，添加锰和硅，并熔炼，得到第一熔炼混合物。在第一熔炼混合物中添加碳和磷，在1500℃条件下继续熔炼，得到第二熔炼混合物。在第二熔炼混合物中添加铜、镍，在1600℃条件下进行熔炼，得到第三熔炼混合物。将第三熔炼混合物的温度控制于1600℃后，添加钨，并在1600℃条件下熔炼，得到第四熔炼混合物。将第四熔炼混合物的温度降至1500℃后，添加锆，并在1500℃条件下熔炼，得到第五熔炼混合物。
将第五熔炼混合物进行浇铸，即得到粗铸铁。浇铸的温度是1300℃，时长是10min。
在浇铸后进行正火和回火的工序。正火：以50℃/h的加温速率加热至800℃，并保温2h；再以20℃/h的加温速率加热至1000℃，并保温3h，冷却至室温；回火：以60℃/h的升温速率升温至300℃，并保温3-5h。
实施例3
准备原料，以重量百分比计，包括：碳3.3％，锰0.85％，硅1.6％，磷0.1％，铜0.09％，镍0.6％，钨1.5％，锆1.5％，余量为铁。
将铁熔炼，铁熔炼时的温度是1480℃；在熔炼后的液态铁的温度降至1420℃时，添加锰和硅，并熔炼，得到第一熔炼混合物。在第一熔炼混合物中添加碳和磷，在1480℃条件下继续熔炼，得到第二熔炼混合物。在第二熔炼混合物中添加铜、镍，在1550℃条件下进行熔炼，得到第三熔炼混合物。将第三熔炼混合物的温度升高至1580℃后，添加钨，并在1580℃条件下熔炼，得到第四熔炼混合物。将第四熔炼混合物的温度降至1520℃后，添加锆，并在1520℃条件下熔炼，得到第五熔炼混合物。
将第五熔炼混合物进行浇铸，即可得到粗铸铁。浇铸的温度是1250℃，时长可以是9min。
在浇铸后进行正火和回火的工序。正火：以47℃/h的加温速率加热至820℃，并保温1.5h；再以25℃/h的加温速率加热至980℃，并保温2.5h，冷却至室温；回火：以55℃/h的升温速率升温至320℃，并保温3.5h。
实施例4
准备原料，以重量百分比计，包括：碳3.2％，锰0.9％，硅1.7％，磷0.85％，铜0.09％，镍0.5％，钨2％，锆2％，余量为铁。
将铁熔炼，铁熔炼时的温度是1490℃；在熔炼后的液态铁的温度降至1410℃时，添加锰和硅，并熔炼，得到第一熔炼混合物。在第一熔炼混合物中添加碳和磷，在1470℃条件下继续熔炼，得到第二熔炼混合物。在第二熔炼混合物中添加铜、镍，在1570℃条件下进行熔炼，得到第三熔炼混合物。将第三熔炼混合物的温度升高至1590℃后，添加钨，并在1590℃条件下熔炼，得到第四熔炼混合物。将第四熔炼混合物的温度降至1520℃后，添加锆，并在1520℃条件下熔炼，得到第五熔炼混合物。
在第五熔炼混合物中通入10min氦气再进行浇铸，即得到粗铸铁。浇铸的温度是1350℃，时长是8.5min。
在浇铸后进行正火和回火的工序。正火：以48℃/h的加温速率加热至820℃，并保温1.8h；再以24℃/h的加温速率加热至970℃，并保温2.4h，冷却至室温；回火：以53℃/h的升温速率升温至330℃，并保温4.5h。
实施例5
准备原料，以重量百分比计，包括：碳3.4％，锰0.85％，硅1.65％，磷0.09％，铜0.08％，镍0.75％，钨1.8％，锆1.1％，余量为铁。
将铁熔炼，铁熔炼时的温度是1460℃；在熔炼后的液态铁的温度降至1410℃时，添加锰和硅，并熔炼，得到第一熔炼混合物。在第一熔炼混合物中添加碳和磷，在1460℃条件下继续熔炼，得到第二熔炼混合物。在第二熔炼混合物中添加铜、镍，在1520℃条件下进行熔炼，得到第三熔炼混合物。将第三熔炼混合物的温度升高至1550℃后，添加钨，并在1550℃条件下熔炼，得到第四熔炼混合物。将第四熔炼混合物的温度降至1510℃后，添加锆，并在1510℃条件下熔炼，得到第五熔炼混合物。
在第五熔炼混合物中通入5min氦气再进行浇铸，即可得到粗铸铁。浇铸的温度是1270℃，时长是10min。
在浇铸后进行正火和回火的工序。正火：以46℃/h的加温速率加热至880℃，并保温1.2h；再以27℃/h的加温速率加热至960℃，并保温2.7h，冷却至室温；回火：以56℃/h的升温速率升温至335℃，并保温3.8h。
对比例1
对比例1的原料组分和实施例1的原料组分相似，但对比例1中的原料组分不含钨和锆。对比例1的制备方法参照实施例1进行。
对比例2
对比例2的原料组分和实施例1类似，不同之处在于，钨的含量为6％，锆的含量为1.2％。对比例2的制备方法参照实施例1进行。
对比例3
对比例3的原料组分和实施例1相同，不同之处在于制备方法，对比例3中没有将各组分分次熔炼，而是一次熔炼，再进行浇铸、正火、回火。
试验例
对实施例1-5和对比例1-3的铸铁进行抗压强度和硬度(布氏硬度)的测试，具体的测试方法参照GB/T 9439-2010进行。结果见表1。
表1各组铸铁的抗压强度和硬度(布氏硬度)
组号 抗压强度σlc/MPa 硬度/HBW
实施例1 1350 295
实施例2 1280 284
实施例3 1257 281
实施例4 1271 275
实施例5 1352 277
对比例1 1080 185
对比例2 1005 205
对比例3 1030 192
由表1的结果可知，实施例1-5中添加钨和锆的铸铁的硬度大于对比例1，即实施例1-5的铸铁的耐磨性优于对比例1的没有添加钨和锆的铸铁；试验例2添加的钨和锆的含量较高，制得的铸铁的抗压强度小于实施例1-5，即实施例1-5的铸铁的机械强度优于对比例2；试验例3的原料一次熔融，其制得的铸铁的抗压强度和硬度明显低于实施例1-5，即实施例1-5分次熔炼原料，可以增强铸铁的耐磨性和硬度等机械性能。
综上所述，本发明实施例的发动机用铸铁及其制备方法的有益效果是：该发动机用铸铁的加工性能好，且具有优异的强度、耐磨性好，能够提高发动机的强度，使发动机不容易受到损伤，进而能够延长发动机的使用寿命。该发动机用铸铁的制备方法可以使制得的铸铁中各种原料熔炼混合的更加均匀，进而使得制备出来的铸铁的质量稳定，而且可以通过该制备方法更加进一步地提高制备出的铸铁的强度和耐磨性等。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种发动机用铸铁的制备方法，其特征在于，包括：按比例准备原料，所述原料以重量百分比计，包括：碳3.2-3.5％，锰0.85-0.9％，硅1.7-1.8％，磷0.06-0.12％，铜0.09-0.1％，镍0.5-0.8％，钨1-3％，锆1-2％，余量为铁；将所述铁熔炼，再将所述锰和所述硅加入，并熔炼，得到第一熔炼混合物；
在所述第一熔炼混合物中添加所述碳和所述磷，并熔炼，得到第二熔炼混合物；
在所述第二熔炼混合物中添加所述铜和所述镍，并熔炼；得到第三熔炼混合物；
在所述第三熔炼混合物的温度为1550-1600℃时，添加所述钨，熔炼，得到第四熔炼混合物；
在所述第四熔炼混合物的温度为1500-1550℃时，添加所述锆，熔炼，得到第五熔炼混合物；将所述第五熔炼混合物浇铸；
所述浇铸前往熔融的混合物中通入氦气，且氦气通入混合物的时间是5-10min；
所述浇铸后还包括正火和回火；所述正火包括：以45-50℃/h的加温速率加热至800-900℃，并保温1-2h；再以20-30℃/h的加温速率加热至950-1000℃，并保温2-3h，保温结束后冷却至室温20-30℃；所述回火包括：以50-60℃/h的升温速率升温至300-350℃，并保温3-5h。
2.根据权利要求1所述的发动机用铸铁的制备方法，其特征在于，制备所述第一熔炼混合物时的熔炼温度为1400-1450℃。
3.根据权利要求1所述的发动机用铸铁的制备方法，其特征在于，制备所述第二熔炼混合物时的熔炼温度为1450-1500℃。
4.根据权利要求1所述的发动机用铸铁的制备方法，其特征在于，制备所述第三熔炼混合物时的熔炼温度为1500-1600℃。
5.根据权利要求1所述的发动机用铸铁的制备方法，其特征在于，所述发动机用铸铁按重量百分比计，包括所述钨1-2％。
6.根据权利要求1所述的发动机用铸铁的制备方法，其特征在于，所述发动机用铸铁按重量百分比计，包括所述锆1-1.5％。
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