[發明專利]一種功能梯度鑄鐵材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201410530098.1
• 申請日: 2014-10-10
• 公開（公告）號: CN104264036A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發明（設計）人: 楊忠;李建平;郭永春;梁民憲;楊通;高培虎;陶棟
• 申請（專利權）人: 西安工業大學
• 主分類號: C22C37/10
• 分類號: C22C37/10;C22C37/04;C22C33/08;C22C33/10
• 代理公司: 西安新思維專利商標事務所有限公司 61114
• 代理人: 黃秦芳

技術領域

???本發明屬于金屬材料領域，涉及一種功能梯度鑄鐵材料及其制備方法。

背景技術

隨著可變渦輪增壓技術和高壓共軌直噴技術的發展，用戶對柴油發動機升功率、結構緊湊性、鑄件形狀復雜程度和熱負荷提出了越來越高的要求，對柴油機氣缸蓋材料及制造技術也提出更高的要求，其主要表現在：高功率柴油機鑄鐵缸蓋不同部位的熱負荷和機械負荷差異很大（參見圖1），因而對材料性能的要求也不同，具體體現在以下幾方面：

（1）構成燃燒室的火力面要求高強韌、高抗氧化性和抗疲勞性；（2）離開火力面的缸蓋內部要求高導熱，以緩解內部溫度梯度和內應力；

（3）其他部位要求高強韌性、抗疲勞。因此，新型缸蓋材料必須兼顧高強韌、高導熱、抗疲勞和抗氧化等性能。

然而，傳統鑄鐵材料的強韌性、抗疲勞性與導熱性、抗氧化性相互矛盾，此消彼長現象非常嚴重（參見圖2）。灰鑄鐵的導熱性能優良，但強韌性、疲勞性和抗氧化剝落性差；球墨鑄鐵的強韌性、疲勞性和抗氧化剝落性優良，但導熱性能差；蠕墨鑄鐵的強韌性、疲勞性適中，但導熱性能和抗氧化剝落性較差。因此，傳統均質鑄鐵材料均無法同時兼顧這些性能，致使國內外高功率柴油機氣缸蓋經常發生熱應力開裂問題。

發明內容

本發明的目的是克服現有缸蓋用均質材料難兼顧強韌性、導熱性、抗疲勞性和抗氧化性等缺點，建立缸蓋材料石墨形態與缸蓋結構的聯系，提供一種功能梯度鑄鐵材料及其制備方法。

為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案為：一種功能梯度鑄鐵材料，其特別之處在于：按垂直于鑄鐵缸蓋火力面沿高度方向的組成為：5～9mm厚球墨鑄鐵，2～10mm厚的灰鑄鐵，缸蓋其它部位為蠕墨鑄鐵；

所述球墨鑄鐵、灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵的基本化學成分相同，包括碳、硅、錳、銅、鉬、錫、鐵及不可避免的雜質，其化學成分按重量百分比分別為：

C：3.6～3.8%，Si：2.1～2.4%，Mn：0.2?～0.4%，Cu：0.3～0.6%，Mo：0.2～0.4%，Cr：0.1～0.5%,Sn：0.02～0.1%，其余為鐵和不可避免的雜質組成，其碳當量為4.3～4.6；

所述三種鑄鐵所用的孕育劑和變質劑分別為75硅-鐵和鎂-稀土蠕化劑，75硅-鐵和鎂-稀土蠕化劑的粒度均為2~6mm。

一種用于制備上述功能梯度鑄鐵材料的方法，其特別之處在于：包括下述的制備步驟：

a.合金熔配：采用中頻感應爐熔配所需鑄鐵合金，出爐后倒入保溫包，控制在1450~1500℃；

b.鐵液處理：鐵液流速控制在1kg/s，通過控制送料的速度來達到調整石墨形態，進而制備不同鑄鐵類型的作用；當孕育劑送料速度6～10g/s，變質劑送料速度為6～9g/s時，澆注的鑄鐵為球墨鑄鐵；當孕育劑送料速度3～6g/s，變質劑送料速度為0g/s時，澆注的鑄鐵為灰鑄鐵；當孕育劑送料速度6～10g/s，變質劑送料速度為4～6g/s時，澆注的鑄鐵為蠕墨鑄鐵；

c.澆注工藝：鐵液出包在1460~1490℃，流槽末端的溫度為1320～1340℃，依次澆注球墨鑄鐵、灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵，每種鑄鐵澆注完成后停留5～20s；

d?.檢測控制：流槽末端設檢測裝置，檢測熔體成分、澆注溫度，結果反饋后經過計算機分析調節送料的速度。

本發明的有益效果是：本發明制備的功能梯度鑄鐵材料能夠兼顧強韌性、導熱性、抗疲勞性和抗氧化性等特點，建立鑄鐵材料石墨形態與缸蓋結構的有機聯系，綜合利用各種鑄鐵材料的優點，規避各鑄鐵材料的不利方面，制備的柴油機氣缸蓋，滿足新型高功率柴油機的考核。

說明書附圖

圖1中的（a）為現有的柴油機鑄鐵缸蓋的負載模擬圖、（b）為其各部位對材料要求示意圖；

圖2為鑄鐵的力學和物理性能與鑄鐵材料的關系示意圖；

圖3為本發明的功能梯度鑄鐵材料的制備原理圖；

圖4為實施例1的功能梯度鑄鐵材料界面處的顯微組織示意圖；

圖5實施例2的功能梯度鑄鐵材料界面處的顯微組織示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明內容進行詳細說明

為了解決缸蓋鑄鐵材料的強韌性、抗疲勞性、導熱性和抗氧化剝落性的矛盾，結合缸蓋的使用環境和材料要求，綜合利用各種鑄鐵材料的優點，規避各鑄鐵材料的不利方面，建立鑄鐵材料石墨形態與缸蓋結構的聯系，開發新型功能梯度鑄鐵材料及其缸蓋是新型高功率柴油機必然選擇。