一种高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁及其制备方法与应用

摘要

本发明提供了一种高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁及其制备方法与应用，属于合金制备技术领域。包括以下质量百分比的元素：C 2.80～3.20％，Si 4.20～4.80％，Mn≤0.30％，P≤0.050％，S≤0.020％，Ni≤0.20％，Mo 0.40～0.90％，Mg 0.010～0.020％，Cu≤0.20％，Ti 0.10～0.20％，RE≤0.05％，Al≤0.05％，余量为铁。本发明的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁通过元素的相互作用，使该蠕墨铸铁具有优异的高温强度、及在高温中具有良好的尺寸稳定性和较好的导热能力，可以用作汽车涡轮壳及排气管。同时，该蠕墨铸铁的制备方法得到了满足应用要求的蠕墨铸铁。

说明书

技术领域

本发明涉及合金制备技术领域，尤其涉及一种高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁及其制备方法与应用。

背景技术

汽车工业是国民经济的支柱产业，汽车工业的每一次技术进步，都会带来显著的经济和社会效益，降低能耗，减少环境污染以及节约有限资源为当今汽车工业发展所面临的十分重要而且紧迫的问题。提高发动机效率和降低废气排放污染是汽车发动机技术发展的主要方向，增压器技术的使用是提高发动机效率，降低燃油消耗，降低燃油消耗的有效手段。涡轮增压器的工作温度较高，柴油机用涡轮增压器的工作温度一般在650℃左右，汽油发动机用涡轮增压器工作温度要高达800至900℃，特种车辆发动机用涡轮增压器工作温度要高达900至1050℃。随着涡轮增压器工作温度要求的提高，制造涡轮增压器的材质也在不断的更新换代。此外，用作汽车涡轮壳及排气管的材料不仅需要能够耐受足够的高温强度，还要在长期服役在高温作业中具有良好的尺寸稳定性和较好导热能力，因此仍需要不断改进汽车涡轮壳及排气管用的耐热材料。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁及其制备方法与应用。本发明提供的蠕墨铸铁具有优异的高温强度及在高温下具有良好的尺寸稳定性和较好的导热能力，能够作为涡轮增压器及排气管。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁，包括以下质量百分比的元素：C2.80～3.20％，Si4.20～4.80％，Mn≤0.30％，P≤0.050％，S≤0.020％，Ni≤0.20％，Mo0.40～0.90％，Mg0.010～0.020％，Cu≤0.20％，Ti0.10～0.20％，RE≤0.05％，Al≤0.05％，余量为铁。

本发明还提供了上述技术方案所述的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

称取生铁、废钢、回炉料、钛铁、钼铁、增碳剂和硅铁并熔炼，得到熔炼液；

将所述熔炼液进行喂丝蠕化，得到蠕化铁水；

将所述蠕化铁水进行浇注，得到所述高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁。

优选地，所述熔炼液的热分析参数为：液相线温度为1140～1160℃；共晶转变最低温度为1142～1148℃；再辉温度为2～8℃；共晶度为30～60；共晶奥氏体析出时间为60～120s。

优选地，所述喂丝蠕化所用的包芯线包括以下质量百分比的元素：

Si40～50％，Mg18～24％，Ca2.0～5.0％，RE1.0～5.0％，Al0.5～3.0％，余量为铁。

优选地，所述包芯线的质量为熔炼液质量的0.50～0.60％。

优选地，所述包芯线的喂丝速度为18～24m/min。

优选地，所述喂丝蠕化结束后，还包括去除所得喂丝蠕化产物中的浮渣，并静置3～6min。

优选地，在所述浇注的过程中加入瞬间孕育剂；所述瞬间孕育剂包括以下质量百分比的元素：Si60～70％，Ca1.0～3.0％，Ba0.5～3.0％，Al0.5～2.0％，余量为铁。

优选地，所述瞬间孕育剂的质量为蠕化铁水质量的0.08～0.12％。

本发明还提供了上述技术方案所述的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁或上述技术方案所述的制备方法所得高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁作为汽车涡轮壳及排气管的应用。

本发明提供了一种高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁，包括以下质量百分比的元素：C2.80～3.20％，Si4.20～4.80％，Mn≤0.30％，P≤0.050％，S≤0.020％，Ni≤0.20％，Mo0.40～0.90％，Mg0.010～0.020％，Cu≤0.20％，Ti0.10～0.20％，RE≤0.05％，Al≤0.05％，余量为铁。本发明的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁具有蠕虫状石墨、完全铁素体基体金相组织的合金，使该蠕墨铸铁具有优异的高温强度及在高温下具有良好的尺寸稳定性和较好的导热能力。实施例的数据表明：该蠕墨铸铁具有较高的机械性能和优异的热传导性能。

本发明还提供了上述技术方案所述的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁的制备方法，本发明的制备方法将熔炼液进行蠕化处理，减小浇注产品不同位置由于成分偏析造成蠕化率偏高或者偏低的缺点，从而使蠕墨铸铁具有稳定均匀的蠕化率，进而使蠕墨铸铁具有优异的高温强度，在高温下具有较好的导热能力和尺寸稳定性，大幅度提升蠕墨铸铁的使用寿命。另外，该制备方法合理，成本低。

本发明还提供了上述技术方案所述的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁或上述技术方案所述的制备方法得到的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁作为汽车涡轮壳及排气管的应用。由于本发明的铸铁具有优异的高温强度，在高温下具有较好的导热能力和尺寸稳定性，大幅度提升了蠕墨铸铁的使用寿命，使其可以作为汽车涡轮壳及排气管。

附图说明

图1为实施例1所得高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁的金相照片；

图2为实施例1所得高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁腐蚀后的金相照片；

图3为实施例2所得高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁的金相照片；

图4为实施例2所得高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁腐蚀后的金相照片。

具体实施方式

本发明提供了一种高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁，包括以下质量百分比的元素：C2.80～3.20％，Si4.20～4.80％，Mn≤0.30％，P≤0.050％，S≤0.020％，Ni≤0.20％，Mo0.40～0.90％，Mg0.010～0.020％，Cu≤0.20％，Ti0.10～0.20％，RE≤0.05％，Al≤0.05％，余量为铁。

本发明提供的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁包括质量百分比为2.80～3.20％的C。在本发明的蠕墨铸铁中，碳元素在镁元素和钛元素的综合作用下，形成蠕虫状石墨形态，提高了蠕墨铸铁的热扩散性能和导热性能。

本发明提供的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁包括质量百分比为4.20～4.80％的Si，本发明的Si含量为4.20～4.80％，通过硅元素固溶于铁素体基体当中，起到固溶强化铁素体基体的作用，提高了蠕墨铸铁的室温及高温机械性能；硅元素在涡轮壳或者排气管使用过程中，在铸件表面形成一层致密的氧化膜，提高材料的抗氧化性能。

本发明提供的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁包括质量百分比≤0.30％的Mn。

本发明提供的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁包括质量百分比≤0.050％的P。

本发明提供的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁包括质量百分比≤0.020％的S。本发明的硫元素在蠕墨铸铁中的主要作用是稳定蠕化率，减小壁厚尺寸对蠕化率的敏感性。

本发明提供的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁包括质量百分比≤0.20％的Ni。

本发明提供的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁包括质量百分比为0.40～0.90％的Mo。本发明的Mo含量为0.40～0.90％，通过与碳元素共同作用，形成了钼的碳化物，提高了蠕墨铸铁的室温及高温机械性能。

本发明提供的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁包括质量百分比为0.010～0.020％的Mg。本发明的Mg含量为0.010～0.020％，使碳元素在凝固过程当中以蠕虫状石墨的形态析出，蠕虫状石墨形态提高了蠕墨铸铁的导热性能。

本发明提供的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁包括质量百分比为≤0.20％的Cu。

本发明提供的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁包括质量百分比为0.10～0.20％的Ti。本发明的钛元素促进蠕虫状石墨的形成，特别是在铸件薄壁位置作用更加明显，从而减小了不同壁厚对蠕化率的敏感性。

本发明提供的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁包括质量百分比≤0.05％的RE；所述RE优选包括Ce和/或La元素。本发明的稀土元素也是促进蠕化的主要元素，稀土元素的蠕化作用相对于镁元素蠕化作用较弱，所以稀土元素含量在较大范围内变化也能获得稳定的蠕化率。

本发明提供的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁包括质量百分比≤0.05％的Al。

本发明提供的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁包括余量的铁。

本发明的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁通过元素的相互作用，使蠕墨铸铁具有优良的高温强度，同时在高温下具有较好的导热能力(热膨胀系数小、热传导系数高和热扩散速度快)和尺寸稳定性。

本发明还提供了上述技术方案所述的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

称取生铁、废钢、回炉料、钛铁、钼铁、增碳剂和硅铁并熔炼，得到熔炼液；

将所述熔炼液进行喂丝蠕化，得到蠕化铁水；

将所述蠕化铁水进行浇注，得到所述高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁。

本发明称取生铁、废钢、回炉料、钛铁、钼铁、增碳剂和硅铁并熔炼，得到熔炼液。

本发明对所述熔炼的温度不做具体限定，只要能够使上述原料熔融且混合均匀即可。在本发明中，所述熔炼优选在中频感应电炉中进行；具体过程优选为：将上述原料投入中频感应电炉内，然后送电升温，当投入的原料完全熔开，继续将中频感应电炉内的温度升至1500℃。

在本发明中，所述熔炼液优选含有以下重量百分比的元素：C2.80～3.20％，Si4.20～4.80％，Mn≤0.30％，P≤0.050％，S≤0.020％，Ni≤0.20％，Mo0.40～0.90％，Al≤0.05％，Cu≤0.20％，Ti0.10～0.20％，RE≤0.05％，余量为铁。

本发明对所述生铁、废钢、回炉料、钛铁、钼铁、增碳剂和硅铁的类型及用量不做具体限定，只要使熔炼液中各元素含量满足上述要求即可。在本发明的具体实施例中，优选按照以下质量百分比称取原料：生铁10～12.4％、废钢10～15.3％、回炉料72～75％、钛铁0.15～0.2％、钼铁0.25～0.4％、增碳剂0.2～0.5％和硅铁1.6～2.0％。

在本发明中，所述熔炼液的热分析参数优选为：液相线温度为1140～1160℃；共晶转变最低温度为1142～1148℃；再辉温度为2～8℃；共晶度为30～60；共晶奥氏体析出时间为60～120s；进一步优选为：液相线温度为1140～1151℃；共晶转变最低温度为1146℃；再辉温度为4.0℃；共晶度为35；共晶奥氏体析出时间为105s。

本发明优选先对熔炼液进行化学成分分析，当所述熔炼液的化学成分不满足上述要求，将所述熔炼液进行调质处理。

当所述熔炼液的化学成分满足上述要求后，再对所述熔炼液进行热分析；当所述熔炼液的热分析参数符合上述要求后，将所述熔炼液进行后续的喂丝蠕化；当所述熔炼液的热分析参数不符合上述要求后，将所述熔炼液进行倒回熔解炉进行重新调质处理。

熔炼液经化学成分分析和热分析均符合要求后，本发明优选还包括将所述熔炼液继续升温至1520℃，去除熔炼液表面的浮渣。

本发明通过化学成分分析和热分析对熔炼液进行质量管制，使熔炼液的的冶金质量稳定(如：形核率、收缩倾向等)，只有熔炼液冶金质量稳定，在后续的喂丝蠕化处理过程中才能获得稳定的蠕化率及优良的金相组织和性能)。另外，控制熔炼液的成分和热分析参数在一定范围，能够减小不同炉次间铁水冶金质量的差异。

得到熔炼液后，本发明将所述熔炼液进行喂丝蠕化，得到蠕化铁水。

在本发明中，所述喂丝蠕化用包芯线优选包括以下质量百分比的元素：Si40～50％，Mg18～24％，Ca2.0～5.0％，稀土1.0～5.0％，Al0.5～3.0％，余量为Fe；进一步优选为Si42～48％，Mg19～23％，Ca3.0～4.0％，稀土2.0～4.0％，Al1.0～2.5％，余量为Fe；更优选为Si44～46％，Mg20～22％，Ca3.5％，稀土2.0～3.0％，Al1.5～2.0％，余量为Fe；本发明对所述RE的种类不做具体限定，具体优选为Ce、La中的一种或两种，进一步优选为Ce。在本发明中，所述包芯线的质量优选为熔炼液质量的0.50～0.60％，进一步优选为0.50％；所述包芯线的喂丝速度优选为18～24m/min，进一步优选为20m/min。本发明包芯线中Mg、RE、Si、Ca合理配比，使喂丝蠕化反应程度平稳，镁元素吸收率高；且蠕化率稳定、石墨偏析程度小(所谓的蠕化率稳定、石墨偏析程度小，即：在整个铸件的所有位置，不同壁厚、不同热节部位都能获得稳定均匀的蠕化率，提供材料本身的均一性，从而提高材料高温性能和导热性能均一、稳定，提高铸件的使用寿命)，降低了因蠕化率不符合规格而报废的比例；另外，喂丝蠕化过程中包芯线的加入量小，从而降低了生产成本。

在本发明中，所述喂丝蠕化优选在铁水包中进行，具体的过程为：将中频感应电炉中的熔炼液平稳地转移至预热后的铁水包，然后将所述包芯线喂入铁水包中的熔炼液中；所述预热后铁水包的温度优选为800～1000℃。

喂丝蠕化结束后，本发明优选还包括去除所得喂丝蠕化产物中的浮渣，并静置3～6min。本发明将所得喂丝蠕化产物静置3～6min，使其中的成分充分均匀化，防止成分偏析造成铸件局部蠕化率过高或者过低。

得到蠕化铁水后，本发明将所述蠕化铁水进行浇注，得到所述高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁。

在本发明中，所述浇注的温度优选为1350～1400℃；所述浇注的流速优选为5.0～8.0kg/s；所述浇注的流速针对的一个模型而言；所述浇注的时间优选为10min以内。在本发明中，在所述浇注的过程中优选加入瞬间孕育剂；所述瞬间孕育剂优选包括以下质量百分比的元素：Si60～70％，Ca1.0～3.0％，Ba0.5～3.0％，Al0.5～2.0％，余量为铁。在本发明中，所述瞬间孕育剂的质量优选为蠕化铁水质量的0.08～0.12％，进一步优选为0.010％。在本发明中，所述瞬间孕育剂的加入时机为与蠕化铁水同时进入铸模，以保证浇注到铸模内的蠕化铁水都能孕育到。

本发明通过优化瞬间孕育剂的成分，可促进蠕墨铸铁石墨化改善石墨形态和分布状况，增加共晶团数量，细化基体组织，使蠕墨铸铁具有均一的金相组织。

浇注完成后，本发明优选还包括浇注结束后45min后拆箱，拆箱以后进行洗砂、研磨、修整、检验工序后，得到铸件毛坯，随后铸件毛坯即可入库，得到成品高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁。

本发明还提供了上述技术方案所述的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁或上述技术方案所述的制备方法得到的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁作为汽车涡轮壳及排气管的应用。由于本发明的蠕墨铸铁具有较好的高温强度，同时在高温下具有较好的导热能力和尺寸稳定性，大幅度提升铸铁的使用寿命，使其可以作为汽车涡轮壳及排气管。

下面结合实施例对本发明提供的高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁及其制备方法与应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

配料：按以下质量百分称取原料：生铁＝10％，废钢＝15.3％，回炉料＝72％，钛铁＝0.20％，钼铁＝0.40％，增碳剂＝0.50％，硅铁＝1.60％；将上述原料投入中频感应电炉内，然后送电升温；当投入的物料完全熔开，继续将中频感应电炉内的温度升至1500℃，得到熔炼液；取分光分析试片对中频感应电炉内的熔炼液进行分光分析，分析结果见表1所示。

表1炉内料液化学成分

元素CSiMnPSCuTiMoNiCeAlFe含量(％)3.044.560.270.0190.0140.020.160.660.180.00210.008791.066

取热分析试样对熔炼液进行热分析，分析结果见表2所示。

表2炉内料液热分析结果

当所述熔炼液的化学成分和热分析参数满足要求后，中频感应电炉内熔炼液继续升温至1520℃出汤，出汤前断电静置3min后扒去熔炼液表面的浮渣。

将预热充分的铁水包定位至感应电炉出铁水口处准备出熔炼液，速度平稳地出熔炼液，每个铁水包中熔炼液的重量控制为800kg；出汤完毕后将熔炼液转运至蠕化处理站，进行喂丝蠕化处理，使用专用包芯线，包芯线包括以下重量百分比的元素：Si45％，Mg22％，Ca2.5％，稀土2.5％，Al1.5％，余量为铁；所述包芯线的质量为熔炼液的0.50％，所述包芯线的喂丝速度为20m/min；喂丝蠕化完毕后除去表面浮渣，静置3min后，得到蠕化铁水；

将所述蠕化铁水转运至造型线，蠕化铁水转入浇注包(测定温度为1380℃)浇注到铸型内，浇注过程中加入占蠕化铁水质量0.10％的瞬间孕育剂，所述瞬间孕育剂包括以下质量百分比的元素：Si65％，Ca2.8％，Ba2.3％，Al1.6％，余量为铁；浇注时间控制在9min，浇注完毕45min以后拆箱；拆箱以后进行洗砂、研磨、修整、检验工序后，得到铸件毛坯，随后铸件毛坯即可入库，得到成品高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁。

取浇注后期浇注包内的料液进行最终产品的化学成分确认，分析结果见表3所示：

表3最终产品的化学成分

元素CSiMnPSMgCuTiMoNiCeAlFe含量％2.984.660.270.0190.0120.0140.020.160.660.180.00410.01391.008

本实施例所得高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁的金相照片如图1所示，从图1可以看出：所得高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁蠕化率高，石墨尺寸合适，石墨形态圆钝。

将所得高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁放入5％硝酸酒精中，进行腐蚀，28s后，所得腐蚀后高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁的金相照片如图2所示。从图2可以看出：基体组织主要为铁素体，伴随少量碳化物。

所得高硅钼铁素体蠕墨铸铁在800℃下的性能如表4所示。

表4实施例1所得高硅钼铁素体蠕墨铸铁高温性能汇总(800℃)

实施例2

配料：按以下质量百分称取原料：生铁＝10％，废钢＝12.5％，回炉料＝75％，钛铁＝0.20％，钼铁＝0.35％，增碳剂＝0.45％，硅铁＝1.50％；将上述原料投入中频感应电炉内，然后送电升温；当投入的物料完全熔开，继续将中频感应电炉内的温度升至1500℃，得到熔炼液；取分光分析试片对中频感应电炉内的熔炼液进行分光分析，分析结果见表5所示。

表5炉内料液化学成分

元素CSiMnPSCuTiMoNiCeAlFe含量(％)3.054.530.250.0200.0150.030.190.650.170.00200.008591.085

取热分析试样对熔炼液进行热分析，分析结果见表6所示。

表6炉内料液热分析结果

参数液相线温度共晶转变最低温度再辉温度共晶度共晶奥氏体析出时间结果1150℃1145℃3.5℃36107秒

当所述熔炼液的化学成分和热分析参数满足要求后，中频感应电炉内熔炼液继续升温至1520℃出汤，出汤前断电静置3min后扒去熔炼液表面的浮渣。

将预热充分的铁水包定位至感应电炉出铁水口处准备出熔炼液，速度平稳地出熔炼液，每个铁水包中熔炼液的重量控制为800kg；出汤完毕后将熔炼液转运至蠕化处理站，进行喂丝蠕化处理，使用专用包芯线，包芯线包括以下重量百分比的元素：Si46％，Mg21.5％，Ca3.0％，稀土3.0％，Al2.0％，余量为铁；所述包芯线的质量为熔炼液的0.55％，所述包芯线的喂丝速度为20m/min；喂丝蠕化完毕后除去表面浮渣，静置3min后，得到蠕化铁水；

将所述蠕化铁水转运至造型线，蠕化铁水转入浇注包浇注到铸型内，浇注过程中加入蠕化铁水质量0.08％的瞬间孕育剂，所述瞬间孕育剂包括以下质量百分比的元素：Si65％，Ca1.8％，Ba2.3％，Al0.98％，余量为铁；浇注时间控制在9min，浇注完毕45min以后拆箱；拆箱以后进行洗砂、研磨、修整、检验等工序后，得到铸件毛坯，随后铸件毛坯即可入库，得到成品高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁。

取浇注后期浇注包内的料液进行最终产品的化学成分确认，分析结果见表7所示：

表7最终产品的化学成分

元素CSiMnPSMgCuTiMoNiCeAlFe含量％2.994.670.240.0200.0130.0150.030.180.650.170.00450.01291.005

本实施例所得高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁的金相照片如图3所示，从图3可以看出：基体主要以铁素体位置，包含少量碳化物。

将所得高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁放入5％硝酸酒精中，进行腐蚀，30s后，所得腐蚀后高硅钼铁素体耐热蠕墨铸铁的金相照片如图4所示。从图4可以看出：基体主要以铁素体位置，包含少量碳化物。

所得高硅钼铁素体蠕墨铸铁在800℃下的性能如表8所示。

表8实施例2所得高硅钼铁素体蠕墨铸铁高温性能汇总(800℃)

从表4和表8可以看出：本发明提供的蠕墨铸铁具有作为涡轮壳、排气管的特点：高的热传导系数、热扩散系数和高温抗拉强度，较低的热膨胀系数和优良抗氧化性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。