[發明專利]一種具有綜合高熱性能和力學性能的高性能灰鑄鐵

在審

• 申請號: 201810100371.5
• 申請日: 2018-01-31
• 公開（公告）號: CN108588544A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 丁賢飛;南海;高威;朱郎平
• 申請（專利權）人: 中國航發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，屬于新材料技術領域。所述灰鑄鐵合金成分按照質量分數計算，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、剎車盤等相關受力導熱部件材料應用領域。

技術領域

本發明屬于新材料技術領域，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，主要應用于汽車飛輪、制動盤、缸體和缸蓋等相關部件。

背景技術

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

由于灰鑄鐵性能好、成本低，已被廣泛應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生的多余熱量，保持部件處于較低溫度，維持部件尺寸穩定性和減少內部應力。然而，隨著制造技術的進步和先進汽車發動機發展，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，同時還兼備高的熱傳導性能，傳統的灰鑄鐵性能已無法滿足現代汽車應用的需要。因此，開發具有綜合高熱性能和力學性能的高性能的鑄鐵將成為現代汽車發展的重要推動力。

在傳統灰鑄鐵中，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，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，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部在石墨片上產生的應力集中，減小裂紋源的產生及其擴展的通道。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和尺寸并優化石墨的分布，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、形態，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等元素含量的調整可以控制灰鑄鐵中石墨的含量與形態等，而Cr、Mo、Mn等元素含量的優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。