一種汽車飛輪用高強球墨鑄鐵及其高致密化鑄造成形方法

一種汽車飛輪用高強球墨鑄鐵及其高致密化鑄造成形方法
【專利摘要】本發明公開一種汽車飛輪用高強球墨鑄鐵及其高致密鑄造成形方法，高強球墨鑄鐵基體的珠光體含量在90％～95％，鐵素體含量在5％～10％，同時添加少量的Mn、Ni、Cr和微量的Nb進行合金強化，合金元素組成及質量百分比為：C：3.2％～3.8％，Si：2.0％～2.5％，Mn：0.1％～0.5％，Ni：0.1％～1.0％，Cr：0.2％～1.0％，Nb：0.01％～0.25％，P：≤0.08％，S≤0.025％，Mg：0.02％～0.06％，Re：0.01％～0.05％，余量為Fe。該球墨鑄鐵在室溫抗拉強度大于700MPa，HB大于280，500℃高溫抗拉強度大于560MPa。同時，本發明在熱冒口上設置兩個彼此獨立的扁平冒口頸，獲得了高致密飛輪鑄件，飛輪的動不平衡量低于1270g·cm，提高了動平衡性和安全性。
【專利說明】
一種汽車飛輪用高強球墨鑄鐵及其高致密化鑄造成形方法

【技術領域】
[0001]本發明屬鋼鐵材料領域，具體涉及一種汽車飛輪用高強球墨鑄鐵及其高致密化鑄造成形方法。

【背景技術】
[0002]隨著汽車行業的快速發展，發動機的安全性能逐漸引起人們的重視。飛輪是柴油發動機中結構相對簡單但起儲能和驅動作用的零件，它通過儲存發動機做功沖程外的能量，使曲柄連桿機構順利越過上、下止點以完成輔助沖程，從而減小發動機運轉過程中的速度波動；與此同時，飛輪在汽車傳動系中又常常擔起驅動摩擦離合器的任務。因此，飛輪的安全性能對于發動機的安全性能乃至整車運行的平穩性能具有重要的影響。
[0003]球墨鑄鐵因具有高的比強度和比剛度、優良的減振性能，以及能夠通過鑄造成形獲得具有高承載能力的結構件，常用來制作高轉速、大馬力柴油發動機上的飛輪。球墨鑄鐵飛輪作為發動機摩擦離合器的主動部件，在服役過程中與離合器摩擦片高速摩擦并產生高溫，致使飛輪表面磨損無法避免。在使用期間，若飛輪表面磨損量小且磨損均勻，則對飛輪的動平衡性和安全性影響較小；而磨損較大或不均勻磨損會加快飛輪的損傷，在高速旋轉所產生的交變應力作用及高溫工況條件下，飛輪容易產生裂紋，不僅使發動機無法正常啟動，而且容易引發飛輪解體，造成人身安全事故。因此，提高飛輪用球墨鑄鐵的高溫強度和耐磨性能對于提高發動機的整體安全性能顯得尤為重要。
[0004]我國近年來關于鑄鐵飛輪的研究多集中于飛輪結構的改進，尚無提升飛輪所用球墨鑄鐵材料性能的研究，如:
[0005]中國專利CN201763497U公開了一種“汽油機飛輪”，飛輪的結構為:飛輪中心到邊緣有四個以上的加強筋，其余部位鏤空，此結構節省了制作材料，但鏤空的飛輪體結構不利于球墨鑄鐵凝固時的補縮，對鑄造工藝提出了更高的要求，同時沒有涉及飛輪所用球墨鑄鐵材料性能提升的研究。
[0006]中國專利CN101270794 A公開了一種“發動機的帶塑料風葉的組合飛輪”，將帶葉片的鑄鐵飛輪整體件改為塑料風葉輪與鑄鐵飛輪的組合件，不僅降低了制造成本，還提高了發動機的經濟性，但同樣沒有涉及飛輪所用球墨鑄鐵材料性能提升的研究。
[0007]中國專利CN202250542U公開了一種“通用汽油機球墨鑄鐵飛輪”，將飛輪本體與齒圈用球墨鑄鐵一次性澆鑄成形，這種整體式結構不僅克服了齒圈通過熱壓工藝裝配在本體上而導致的配合精度降低的缺陷，而且飛輪的強度高、重量輕、使用安全可靠，但同樣沒有涉及飛輪所用球墨鑄鐵材料性能提升的研究。
[0008]高速旋轉下的飛輪承受巨大的慣性力，只有具備良好的動平衡性才能保證其自身在工作過程中運行平穩，這對鑄件的內在質量同樣提出了很高的要求。因此，決定飛輪安全性的因素除了飛輪所用材料以外，飛輪內部的質量對其亦有重要影響。目前球墨鑄鐵的糊狀凝固方式以及砂型較差的導熱性使得縮孔、縮松成為球墨鑄鐵件內部最常見的缺陷，特別是對于壁厚差較大的飛輪類鑄件，要完全消除縮孔和縮松缺陷，得到內部組織致密的零件相當困難。飛輪中縮孔和縮松等缺陷聚集的部位因容易出現應力集中而誘發微裂紋，在交變應力作用下，微裂紋不斷擴展、匯集、交叉，形成宏觀裂紋并導致飛輪突然裂解。
[0009]汽車的高速化及裝載重型化對發動機飛輪質量提出了更高的要求，傳統的球墨鑄鐵飛輪因存在動平衡性差以及裝車使用中發生裂解等問題，已難以滿足日益增高的性能要求。而近年來，我國關于鑄鐵飛輪的研究多集中在飛輪結構的改進，對飛輪所用鑄鐵材料的性能提升尚無相關報道，對提高飛輪內部質量的高致密化鑄造成形方法尚無詳細研究。因此，開發新型汽車飛輪用的高強球墨鑄鐵及其高致密化鑄造成形方法，對進一步提高發動機的可靠性和安全性，促進我國汽車產業的發展具有重要意義。


【發明內容】

[0010]針對以上問題，本發明提供一種汽車飛輪用高強球墨鑄鐵及其高致密化鑄造成形方法，該球墨鑄鐵在室溫及500°c高溫下具有較好的力學性和耐磨性，其室溫抗拉強度大于700MPa，HB大于280，500°C高溫抗拉強度大于560MPa。飛輪的動不平衡量低于1270g *cm,提高了飛輪的動平衡性和安全性。
[0011]本發明的技術方案如下:
[0012](I) 一種汽車飛輪用高強球墨鑄鐵。
[0013]高強球墨鑄鐵的基體的珠光體含量在90%?95%，鐵素體含量在5%?10%，同時添加少量的Mn、N1、Cr和微量的Nb進行合金強化。合金元素組成及質量百分比范圍為:C:3.2%?3.8%，S1:2.0%?2.5%，Mn:0.1%?0.5%，N1:0.1%?1.0%，Cr:0.2%?1.0%，Nb:0.01%?0.05%，P:彡 0.08%，S 彡 0.025%,Mg:0.02%?0.06%，Re:0.01%?
0.05%，余量為Fe。
[0014](2) 一種汽車飛輪用高強球墨鑄鐵的高致密化鑄造成形方法，包括以下步驟:
[0015]步驟1:配料:原料為QlO生鐵、普通低碳廢鋼、飛輪專用回爐料、硅鐵、錳鐵、電解鎳、鉻鐵、鈮鐵；各原料質量百分比為:Q10生鐵:60%?70%，普通低碳廢鋼:15%?20%，飛輪專用回爐料:15%?20%，硅鐵0.5%?1.0%，錳鐵0.5%?1.0%，電解鎳:0.12%?
1.2%，鉻鐵:0.3%~ 1.2%，鈮鐵:0.02%?0.1V0o
[0016]步驟2:澆注系統設計:澆注系統由澆口杯、直澆道、橫澆道、帶有雙冒口頸的熱冒口以及內澆口組成。熱冒口上的兩個冒口頸彼此獨立，冒口頸截面為扁平的矩形，面積大于500_2，兩個冒口頸的尺寸滿足以下條件:①冒口頸厚度<飛輪厚度的1/2 ;②冒口頸截面的厚度1mm?14mm,寬度50mm?80mm,厚寬比< 1/5,消除了飛輪內部的縮孔縮松缺陷。
[0017]步驟3:造型:將普通粘土濕型砂填入砂箱后在震壓造型機上造型，砂型硬度控制在80?90范圍內，型腔中心部位的硬度高于85。
[0018]步驟4:熔煉:采用中頻感應電爐熔煉，將步驟I )配好的原材料，按加料順序為:普通低碳廢鋼+飛輪專用回爐料一QlO生鐵一硅鐵+錳鐵+鉻鐵+鈮鐵進行熔煉，待上述原料熔清后加入電解鎳，成分均勻后準備出爐，鐵液出爐溫度控制在1450°C?1480°C。
[0019]步驟5:球化處理:選用市售商用FeSiMg8RE3合金作為球化劑，采用蓋包法進行球化處理，球化劑的粒度范圍為5mm?30mm，加入量為鐵液質量的1.0%?2.0%。
[0020]步驟6:孕育處理:選用市售商用BaSiFe合金作為孕育劑,采用包內孕育和隨流孕育相結合的孕育工藝。其中包內孕育是將孕育劑鋪在球化劑上，表面以鐵屑覆蓋并搗實，力口入的孕育劑為鐵液質量的1.0%?1.5%，粒度范圍為1mm?30mm，包內孕育溫度控制在1440°C?1460°C ;澆注時進行隨流孕育，孕育劑加入量為鐵液質量的0.1%?0.15%，粒度范圍為0.4mm?0.8mm。
[0021]步驟7:澆注:鐵液澆注溫度控制在1350°C?1420°C，為避免球化衰退，每包鐵液的澆注時間不超過20min，澆注時進行隨流孕育。
[0022]進一步的，步驟4中加入少量的Mn在共析轉變過程中促進珠光體轉變，穩定和細化珠光體，提高鑄鐵的高溫強度和硬度。
[0023]進一步的，步驟4中加入少量的Cr細化珠光體，形成穩定的共晶碳化物，提高鑄鐵的耐熱性和耐磨性。
[0024]進一步的，步驟4中加入少量的Ni促進石墨化，抑制鐵素體，提聞球墨鑄鐵的強度。
[0025]進一步的，步驟4中加入微量的Nb，與鐵液中的碳和氮形成穩定的富鈮硬質相Nb(C, N)，較大幅提高耐磨性，同時，鈮具有固溶強化和凈化晶界的作用，可提高鑄鐵的強度和韌性。
[0026]進一步的，步驟4中上述合金元素的添加量很少，對材料的制備成本影響較小。
[0027]熱冒口與鑄件相連處容易形成接觸熱節，加之高溫鐵液均要流過冒口頸，使得冒口頸成為最大的物理熱節，實際生產中這一位置常常出現縮孔缺陷，直接導致飛輪報廢。扁平冒口頸散熱面積大，既可對流經的鐵液進行冷卻降溫，減小型腔內鐵液的液態收縮量，又能在充型完畢后適時凝固，充分利用了型腔內球墨鑄鐵石墨化膨脹的自補縮，消除了飛輪內部的縮孔縮松。因此，根據均衡凝固理論，在熱冒口上設置兩個彼此獨立的扁平冒口頸，不僅消除了飛輪內部的縮孔縮松缺陷，也消除了飛輪與扁平冒口頸相連處的縮孔缺陷。
[0028]本發明的有益效果是:聞強球墨鑄鐵的基體以珠光體為主，含有少量的鐵素體，以合金化為手段，通過添加少量的Mn、N1、Cr和微量的Nb，可大幅提高飛輪的高溫強度、硬度和耐磨性。兩個彼此獨立、結構扁平的冒口頸減小了冒口對飛輪的熱影響，且扁平雙冒口頸截面面積大，補縮通道順暢，對扁平冒口頸與飛輪連接處的補縮效果好，消除了該部位的縮孔缺陷，提升了飛輪的內部質量，提高了飛輪的動平衡性和安全性，廢品率降至1.9%。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是帶扁平雙冒口頸冒口的結構示意圖。
[0030]圖2是聞強球墨鑄鐵的鑄態金相組織圖。
[0031]圖1中標記為:1.鑄件2.直澆道3.橫澆道4.熱冒口 5.扁平雙冒口頸

【具體實施方式】
[0032]以下結合附圖和具體實施例，對本發明作詳細描述。
[0033]實施例1
[0034]將普通粘土濕型砂填入砂箱后在震壓造型機上造型，造型完畢后砂型的硬度為90。砂型的澆注系統結構參見圖1，按照鐵液的流動順序，由澆口杯2、直澆道、橫澆道3、熱冒口 4、扁平雙冒口頸5以及內澆口組成，鐵液最終流入鑄件I。扁平雙冒口頸5的截面均為10mmX60mm的矩形。原材料配比如下:Q10生鐵:64%，普通低碳廢鋼:17%，飛輪專用回爐料:15.4 %，硅鐵0.81%，錳鐵0.7%，電解鎳:1.0 %，鉻鐵:1.0 %，鈮鐵:0.09 %。將上述原材料加入中頻感應電爐熔煉:普通低碳廢鋼+飛輪專用回爐料一QlO生鐵一硅鐵+錳鐵+鉻鐵+鈮鐵，熔清后再加入電解鎳。以平均粒度為26mm的FeSiMg8RE3合金作為球化齊U，加入量為鐵液質量的1.7%;以平均粒度為30mm的BaSiFe合金作為包內孕育劑，將其鋪在球化劑上，加入量為鐵液質量的1.2%，用鐵屑覆蓋球化劑表面并搗實。鐵液出爐溫度為1480°C，出水完畢后進行澆注，澆注溫度為1380°C。澆注時進行隨流孕育，孕育劑平均粒度0.8_，加入量為鐵液質量的0.12%。取出飛輪鑄件后對其工作面和裝配面進行車削加工，隨后進行動平衡測試。最后從飛輪半徑二分之一處截取試樣進行常溫和500°C高溫下的拉伸性能測試。
[0035]實施例2
[0036]將普通粘土濕型砂填入砂箱后在震壓造型機上造型，造型完畢后砂型的硬度為85。砂型的澆注系統結構參見圖1，按照鐵液的流動順序，由澆口杯2、直澆道、橫澆道3、熱冒口 4、扁平雙冒口頸5以及內澆口組成，鐵液最終流入鑄件I。扁平雙冒口頸5的截面均為1mmX55mm的矩形。原材料配比如下:Q10生鐵:64%,普通低碳廢鋼:18%,飛輪專用回爐料:14.26 %，硅鐵0.95%，錳鐵0.9%，電解鎳:0.92 %，鉻鐵:0.9 %，鈮鐵:0.07 %。將上述原材料加入中頻感應電爐熔煉:普通低碳廢鋼+飛輪專用回爐料一QlO生鐵一硅鐵+錳鐵+鉻鐵+鈮鐵，熔清后再加入電解鎳。以平均粒度為26mm的FeSiMg8RE3合金作為球化齊U，加入量為鐵液質量的1.5%;以平均粒度為30mm的BaSiFe合金作為包內孕育劑，將其鋪在球化劑上，加入量為鐵液質量的1.5%，用鐵屑覆蓋球化劑表面并搗實。鐵液出爐溫度為1460°C，出水完畢后進行澆注，澆注溫度為1400°C。澆注時進行隨流孕育，孕育劑平均粒度0.8_，加入量為鐵液質量的0.15%。取出飛輪鑄件后對其工作面和裝配面進行車削加工，隨后進行動平衡測試。最后從飛輪半徑二分之一處截取試樣進行常溫和500°C高溫下的拉伸性能測試。
[0037]實施例3
[0038]將普通粘土濕型砂填入砂箱后在震壓造型機上造型，造型完畢后砂型的硬度為
80。砂型的澆注系統結構參見圖1，按照鐵液的流動順序，由澆口杯2、直澆道、橫澆道3、熱冒口 4、扁平雙冒口頸5以及內澆口組成，鐵液最終流入鑄件I。扁平雙冒口頸5的截面均為10mmX50mm的矩形。原材料配比如下:Q10生鐵:60%，普通低碳廢鋼:22%，飛輪專用回爐料:13.96%，硅鐵0.96%，錳鐵1.0%，電解鎳:0.9%，鉻鐵:1.1%，鈮鐵:0.08%。將上述原材料加入中頻感應電爐熔煉:普通低碳廢鋼+飛輪專用回爐料一QlO生鐵一硅鐵+錳鐵+鉻鐵+鈮鐵，熔清后再加入電解鎳。以平均粒度為26mm的FeSiMg8RE3合金作為球化齊U，加入量為鐵液質量的2.0 %;以平均粒度為30mm的BaSiFe合金作為包內孕育劑，將其鋪在球化劑上，加入量為鐵液質量的1.3%，用鐵屑覆蓋球化劑表面并搗實。鐵液出爐溫度為1470°C，出水完畢后進行澆注，澆注溫度為1360°C。澆注時進行隨流孕育，孕育劑平均粒度
0.8_，加入量為鐵液質量的0.13%。取出飛輪鑄件后對其工作面和裝配面進行車削加工，隨后進行動平衡測試。最后從飛輪半徑二分之一處截取試樣進行常溫和500°C高溫下的拉伸性能測試。
[0039]實施例4
[0040]按實施例1所不的聞強球墨鑄鐵的制備及其聞致密鑄造成形方法制備的聞強球墨鑄鐵飛輪，其成分含量為:c:3.58%, Si:2.17%, Mn:0.33%, N1:0.93%, Cr:0.63%,Nb:0.047%,P:0.033%,S:0.019%,Mg:0.04%,Re:0.015%，余量為 Fe。飛輪的動不平衡質量為786g.cm,室溫抗拉強度713MPa，HB值299，500°C高溫抗拉強度578MPa。
[0041]實施例5
[0042]按實施例2所不的聞強球墨鑄鐵的制備及其聞致密化鑄造成形方法制備的聞強球墨鑄鐵飛輪，其成分含量為:C:3.71%, Si:2.24%, Mn:0.39%, N1:0.85%，Cr:0.59%,Nb:0.043%,P:0.041%,S:0.013%,Mg:0.03%,Re:0.026%，余量為 Fe。飛輪的動不平衡量為1262g.cm，室溫抗拉強度701MPa，HB值289，500°C高溫抗拉強度561MPa。
[0043]實施例6
[0044]按實施例3所不的聞強球墨鑄鐵的制備及其聞致密鑄造成形方法制備的聞強球墨鑄鐵飛輪，其成分含量為:C:3.43%, Si:2.09%, Mn:0.41%, N1:0.79%, Cr:0.71%,Nb:0.046%, P:0.08%, S:0.017%, Mg:0.03%, Re:0.021%，余量為 Fe。飛輪的動不平衡量為935g.cm,室溫抗拉強度706MPa，HB值301，500°C高溫抗拉強度569MPa。
[0045]以上是對本發明進行了示例性的描述，顯然本發明的實現并不受上述方式的限制，只要采用了本發明技術方案進行的各種改進，或未經改進將本發明的構思和技術方案直接應用于其它場合的，均在本發明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種汽車飛輪用高強球墨鑄鐵的高致密化鑄造成形方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:配料:各原料及其質量百分比為:Q10生鐵:60%?70%，普通低碳廢鋼:15%?20%，飛輪專用回爐料:15%?20%，硅鐵0.5%?L 0%，錳鐵0.5%?L 0%，電解鎳:0.12%?1.2%，鉻鐵:0.3%?1.2%，鈮鐵:0.02%?0.1% ； 步驟2:澆注系統設計:澆注系統由澆口杯、直澆道、橫澆道、帶有雙冒口頸的熱冒口以及內澆口組成； 步驟3:造型:將普通粘土濕型砂填入砂箱后在震壓造型機上造型，砂型硬度控制在80?90范圍內，型腔中心部位的硬度高于85 ； 步驟4:熔煉:采用中頻感應電爐熔煉，將步驟I配好的原材料，按加料順序為:普通低碳廢鋼+飛輪專用回爐料一QlO生鐵一硅鐵+錳鐵+鉻鐵+鈮鐵進行熔煉，待上述原料熔清后加入電解鎳，成分均勻后準備出爐，鐵液出爐溫度控制在1450°C?1480°C ； 步驟5:球化處理:選用FeSiMg8RE3合金作為球化劑，采用蓋包法進行球化處理； 步驟6:孕育處理:選用BaSiFe合金作為孕育劑，采用包內孕育和隨流孕育相結合的孕育工藝處理； 步驟7:澆注:鐵液澆注溫度控制在1350°C?1420°C，每包鐵液的澆注時間不超過20min，澆注時進行隨流孕育。
2.根據權利要求1所述的一種汽車飛輪用高強球墨鑄鐵的高致密化鑄造成形方法，其特征在于，步驟2中澆注系統的熱冒口上的兩個冒口頸彼此獨立，冒口頸截面為扁平的矩形，面積大于500_2，兩個冒口頸的尺寸滿足以下條件:①冒口頸厚度<飛輪厚度的1/2 ；②冒口頸截面的厚度1mm?14mm,寬度50mm?80mm,厚寬比< 1/5。
3.根據權利要求1所述的一種汽車飛輪用高強球墨鑄鐵的高致密化鑄造成形方法，其特征在于，步驟5中球化劑的粒度范圍為5_?30_，加入量為鐵液質量的1.0%?2.0%。
4.根據權利要求1所述的一種汽車飛輪用高強球墨鑄鐵的高致密化鑄造成形方法，其特征在于，步驟6中的包內孕育為將孕育劑鋪在球化劑上，表面以鐵屑覆蓋并搗實，加入的孕育劑為鐵液質量的1.0%?1.5%，粒度范圍為1mm?30mm，溫度控制在1440°C?1460。。。
5.根據權利要求1所述的一種汽車飛輪用高強球墨鑄鐵的高致密化鑄造成形方法，其特征在于，步驟7澆注時進行隨流孕育，孕育劑加入量為鐵液質量的0.1 %?0.15%，粒度范圍為0.4mm?0.8mm。
6.一種汽車飛輪用高強球墨鑄鐵，其特征在于，高強球墨鑄鐵基體的珠光體含量在90%?95%，鐵素體含量在5%?10%，添加少量的Mn、N1、Cr和微量的Nb，合金元素組成及質量百分比范圍為:C:3.2%?3.8%，S1:2.0%?2.5%，Mn:0.1%?0.5%，N1:0.1%?1.0%, Cr:0.2%?1.0%, Nb:0.01%?0.05%, P:彡 0.08%, S 彡 0.025%, Mg:0.02%?0.06%, Re:0.01%?0.05%，余量為 Fe。
7.一種汽車飛輪用高強球墨鑄鐵，其特征在于，按權利要求1-5任一項所述的方法制成。
【文檔編號】C22C37/10GK104404363SQ201410830809
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月26日 優先權日:2014年12月26日
【發明者】呂書林, 吳樹森, 郭元洲, 王德根, 王友福 申請人:湖北丹江口志成鑄造有限公司