[發(fā)明專利]一種具有綜合高熱性能和力學性能的高性能灰鑄鐵

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201810100371.5
• 申請日: 2018-01-31
• 公開（公告）號: CN108588544A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 丁賢飛;南海;高威;朱郎平
• 申請（專利權(quán)）人: 中國航發(fā)北京航空材料研究院
• 主分類號: C22C37/10
• 分類號: C22C37/10;C22C37/06;C22C33/08
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 仉宇

本發(fā)明公開了一種具有綜合高熱性能和力學性能的高性能灰鑄鐵，屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域。所述灰鑄鐵合金成分按照質(zhì)量分數(shù)計算，含有C：3.0％～3.4％、Si：1.6％～2.1％、Cr：0.1％～0.6％、Mo：0.01％～1.2％、Mn：0.5％～1.3％、Cu：0.02～0.2％。剩余為基體元素Fe及雜質(zhì)元素P<0.05％、S<0.05％、Ni<0.1％、Ti<0.01％、Sn<0.01％、N<0.01％、V<0.01％。本發(fā)明的高性能灰鑄鐵采用砂型鑄造方法制備，無需后期熱處理，工藝簡單。該高性能鑄鐵室溫抗拉強度為250?400MPa，室溫熱導率可達52～60W/(m*K)，具有綜合高的熱導率和力學性能，適用于汽車飛輪、剎車盤等相關(guān)受力導熱部件材料應(yīng)用領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有綜合高熱性能和力學性能的高性能灰鑄鐵，主要應(yīng)用于汽車飛輪、制動盤、缸體和缸蓋等相關(guān)部件。

背景技術(shù)

鑄鐵技術(shù)的發(fā)展是推動“產(chǎn)業(yè)革命”的重要動力之一。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，鑄鐵已應(yīng)用于橋梁、鐵軌、管道以及汽車等工業(yè)領(lǐng)域，成為當今金屬材料中最為廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)材料之一。灰鑄鐵由于其良好的鑄造性能，廣闊的使用空間，多種可實現(xiàn)的機械性能和較低的成本(比鋼20％-40％)，使其在工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)第49屆世界鑄件產(chǎn)量普查結(jié)果，在2014年，全球鑄件總產(chǎn)量已超過1.036億噸，其中鑄鐵的產(chǎn)量占總鑄件產(chǎn)量的70.8％，而灰鑄鐵的產(chǎn)量就占到了總鑄件產(chǎn)量的45.8％。

由于灰鑄鐵性能好、成本低，已被廣泛應(yīng)用于汽車零部件如剎車盤、飛輪等汽車部件。灰鑄鐵材料能夠快速消散部件中產(chǎn)生的多余熱量，保持部件處于較低溫度，維持部件尺寸穩(wěn)定性和減少內(nèi)部應(yīng)力。然而，隨著制造技術(shù)的進步和先進汽車發(fā)動機發(fā)展，對鑄鐵材料的性能提出了更高的要求，要求材料不僅具備高的強度，同時還兼?zhèn)涓叩臒醾鲗阅埽瑐鹘y(tǒng)的灰鑄鐵性能已無法滿足現(xiàn)代汽車應(yīng)用的需要。因此，開發(fā)具有綜合高熱性能和力學性能的高性能的鑄鐵將成為現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要推動力。

在傳統(tǒng)灰鑄鐵中，熱傳導性能和強度是一對相互矛盾的對立面。主要原因是：提高灰鑄鐵熱傳導性能主要通過增加灰鑄鐵顯微組織中A型片狀石墨的體積分數(shù)，并使片狀石墨的尺寸變大、長度增加，從而增強石墨的導熱效果，使熱量能迅速沿著石墨片傳導；而增加灰鑄鐵的強度勢必要減小石墨的體積分數(shù)，并減小石墨的尺寸，特別是減小石墨片的長度，以減小灰鑄鐵在受力過程中內(nèi)部在石墨片上產(chǎn)生的應(yīng)力集中，減小裂紋源的產(chǎn)生及其擴展的通道。因此，要獲得綜合高熱傳導性能和力學性能的高性能灰鑄鐵，必須平衡石墨的體積分數(shù)和尺寸并優(yōu)化石墨的分布，同時盡可能的提高基體的強度。

合金化能提高基體強度，還可以控制石墨分數(shù)、形態(tài)，改善良石墨分布，是提高灰鑄鐵熱傳導性能和力學性能的重要途徑。合金中C、Si等元素含量的調(diào)整可以控制灰鑄鐵中石墨的含量與形態(tài)等，而Cr、Mo、Mn等元素含量的優(yōu)化可以改善石墨的分布并提高其基體的性能。

碳元素含量對鑄鐵的性能起著決定性作用。在鑄鐵中，碳元素主要以石墨的形式存在，而碳元素的含量多少直接影響著鑄鐵中石墨含量的高低。碳元素含量對鑄鐵性能的影響通常也可以和硅元素、磷元素的含量一起，用碳當量(Carbon Equivalent，CE)表示，其計算公式如下：

有研究表明，當碳當量增加時，會直接導致鑄件強度和硬度的下降。