一种高导热高耐热疲劳蠕墨铸铁及其制备方法与流程

1.本发明属于钢铁制备技术领域，特别涉及一种高导热高耐热疲劳蠕墨铸铁及其制备方法。


背景技术：

2.现代民用乘用车和商用车辆面临两大升级挑战：高负载化和轻量化。高负载化要求制动系统可承受更高制动能而不失效，轻量化则要求尽可能地减小各零部件的壁厚，降低整车重量，从而减少燃料消耗。不断提升的制动要求已接近传统灰铸铁刹车盘的极限，具有更高耐热冲击/热疲劳性能以及耐磨损性能的蠕墨铸铁将成为下一代重载车刹车盘的首选材料。
3.蠕墨铸铁兼具灰铸铁与球墨铸铁的特点。相对于灰铸铁，蠕墨铸铁拥有更高的抗拉强度、延伸率和抗氧化能力。相对于球墨铸铁，蠕墨铸铁又表现出更高的导热率、减震性能和抗变形能力。理论上讲，蠕墨铸铁是一种优异的刹车盘制造材料。
4.但现实情况是蠕墨铸铁刹车盘在乘用/商用车中的使用并不多见。因为蠕墨铸铁的应用大多集中在柴/汽油发动机燃烧构件上，这类产品失效方式更多的是热/机械疲劳，其材料的设计基准是在稳定导热系数的前提下尽量提高抗拉强度。而刹车盘的工况更接近热冲击疲劳，其材料设计基准便应该是稳定抗拉强度的前提下提高导热系数，以获得在快速升温和冷却条件下更高的耐热疲劳性能。


技术实现要素：

5.为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种高导热高耐热疲劳蠕墨铸铁及其制备方法，本发明通过控制化学成分以在铸态下获得高的蠕化率和高的铁素体含量，开发出一种兼具高导热和高耐热疲劳强度的蠕墨铸铁材料。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种高导热高耐热疲劳蠕墨铸铁，由fe元素、c元素、si元素以及其它元素组成，所述其它元素包括mn、p、s、mo、sn中的多种或全部，以重量百分比计，所述蠕墨铸铁中各元素的含量为：3.5％≤c≤3.9％；1.8％≤si≤2.4％；其它元素≤0.9％；其余元素为fe。
8.所述其它元素包括mn、p、s、mo、sn，所述其它元素的含量为：0.05％≤mn≤0.35％；0.01％≤p≤0.03％；0.005％≤s≤0.02％；mo≤0.3％；sn≤0.035％。
9.所述蠕墨铸铁中铁素体含量≥50％，蠕化率保持在75％～95％之间。
10.所述的高导热高耐热疲劳蠕墨铸铁在室温时的导热系数为41～47w/(m
·
k)，伸长率≥3.5％，抗拉强度≥350mpa。
11.一种高导热高耐热疲劳蠕墨铸铁的制备方法，包括以下步骤；
12.将原料优质低硫低磷生铁、低锰碳钢、钼铁及纯锡板按照所述化学成分范围混合进行熔炼，炉料溶清后在1530～1550℃保温5～10分钟获得高温铁水；
13.得到的高温铁水在保温时间结束后采用石油焦增碳剂调节碳含量，并于1500～
1530℃出铁，将3.6～4.0％(占铁水重量比)孕育剂和3.9～4.5％(占铁水重量比)蠕化剂放在钢包底部，铁水出炉后直接冲入钢包进行孕育和一次蠕化，后通过喂丝方法进行二次蠕化，铁水在浇注时进行二次随流孕育，得到高导热高耐热疲劳蠕墨铸铁。
14.所述优质生铁的p≤0.04％，s≤0.03％；所述低锰碳钢的mn≤0.5％。
15.所述高导热高耐热疲劳蠕墨铸铁的制成品包括乘用车和商用车的刹车盘或刹车鼓。
16.本发明的有益效果：
17.提高碳含量和蠕化率可提高蠕墨铸铁的导热系数，但同时也会强烈地降低蠕墨铸铁的力学性能。现有技术中蠕墨铸铁的导热系数仅有30～40w/(m
·
k)。本发明打破传统蠕墨铸铁的设计思路，采用低硅、低合金元素以及纯净基体组成的蠕墨铸铁，在保持蠕墨铸铁良好的力学性能前提下，可提高蠕墨铸铁的导热性能和耐热疲劳强度。本发明施例提供的蠕墨铸铁抗拉强度可达350mpa以上，伸长率超过3.5％。同时导热系数可以维持在41～47w/(m
·
k)，兼具高导热、高强度和高伸长率，可获得优异的耐热疲劳性能，能够满足高性能乘用车和商用车刹车盘和刹车鼓对制动性能和安全性的要求。
附图说明：
18.图1为实施例1制备的高导热高耐热疲劳蠕墨铸铁的金相组织。
19.图2为实施例1制备的高导热高耐热疲劳蠕墨铸铁在45
±
5℃～560
±
5℃热循环1000次后的表面热疲劳裂纹。
20.图3为实施例2制备的高导热高耐热疲劳蠕墨铸铁的金相组织。
21.图4为实施例2制备的高导热高耐热疲劳蠕墨铸铁在45
±
5℃～560
±
5℃热循环1000次后的表面热疲劳裂纹。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
23.常规热循环条件下使用的蠕墨铸铁主要以提高蠕化率来获得高的导热系数，但这种方法会大大降低材料的抗拉强度，使得整体工件的耐热疲劳性能下降。本发明打破传统的蠕墨铸铁设计思路，首次采用高碳低锰、低合金元素制备的蠕墨铸铁，不仅能在铸态下获得较高的铁素体/珠光体比例来提高材料的导热性能，并在此基础上适当下降蠕化率以获得更好的裂纹形核和扩展抗力，在热冲击条件下获得优异的耐热疲劳性能，能够满足乘用车和商用上刹车盘或刹车鼓在制动过程中的使用要求。
24.实施例1
25.一种高导热高耐热疲劳蠕墨铸铁，其化学成分为3.75wt％c，2.39wt％si，0.41wt％mn，0.03wt％s，0.012wt％p，0.003wt％sn，其余为fe及天然存在杂质。具体制备步骤为：将经过表面除锈和油污后的低磷低锰废钢和生铁、增碳剂、硅铁、钼铁、纯锡板称量后置入无芯感应中频炉中进行铁液熔炼。炉料熔清后，在1530～1550℃保温5～10分钟。保温
期结束后采用石油焦增碳剂调节碳含量。1500～1550℃出铁，将孕育剂和蠕化剂放在堤坝钢包底部，铁水出炉后直接冲入钢包进行孕育和蠕化处理，所用蠕化剂包括但不限于镁硅系合金蠕化剂、稀土镁硅系蠕化剂和纯镁蠕化剂。铁水静置后根据残镁含量进行喂丝处理，随后在1380～1420℃进行浇注。获得的蠕墨铸铁的室温组织见图1所示，在低硅和低合金元素的设计思路下，铸态蠕墨铸铁的组织由铁素体、珠光体和蠕状石墨组成，其中蠕化率为85.3％，基体的铁素体/珠光体比例为1.62。所制备蠕墨铸铁的铸态性能如下：抗拉强度为362mpa，伸长率3.7％，室温导热系数为41.9w/(m
·
k)。
26.采用uddeholm自约束法测试了实施例1所制备蠕墨铸铁的耐热疲劳性能(图2所示)，在45
±
5℃～560
±
5℃快速循环1000此后，其表面网状裂纹数量较常规350ht灰铸铁减少20％以上。
27.实施例2
28.一种高导热高耐热疲劳蠕墨铸铁，其化学成分为3.57wt％c，2.33wt％si，0.40wt％mn，0.012wt％s，0.03wt％p，0.24wt％mo，0.003wt％sr，其余为fe及天然存在杂质。具体制备步骤为：将经过表面除锈和油污后的纯净废钢和生铁、增碳剂、硅铁、钼铁、纯锡板称量后置入无芯感应中频炉中进行铁液熔炼。炉料熔清后，在1530～1550℃保温5～10分钟。保温期结束后采用石油焦增碳剂调节碳含量。1500～1550℃出铁，将孕育剂和蠕化剂放在堤坝钢包底部，铁水出炉后直接冲入钢包进行孕育和蠕化处理，所用蠕化剂包括但不限于镁硅系合金蠕化剂、稀土镁硅系蠕化剂和纯镁蠕化剂。铁水静置后根据残镁含量进行喂丝处理，随后在1380～1420℃进行浇注。获得的蠕墨铸铁的室温组织见图3所示，在低硅和低合金元素的设计思路下，铸态蠕墨铸铁的组织由铁素体、珠光体和蠕状石墨组成，其中蠕化率为88.1％，基体的铁素体/珠光体比例为1.94。所制备蠕墨铸铁的铸态性能如下：抗拉强度为434.4mpa，伸长率4.4％，室温导热系数为46.2w/(m
·
k)。
29.采用uddeholm自约束法测试了实施例1所制备蠕墨铸铁的耐热疲劳性能(图4所示)，在45
±
5℃～560
±
5℃快速循环1000此后，其表面网状裂纹数量较常规350ht灰铸铁减少35％以上。
30.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，任何对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应在本发明权利要求书确定的保护范围内。