一种碳化钛-铝中间合金作为灰铸铁孕育剂的应用

权利要求

1.一种碳化钛-铝中间合金作为灰铸铁孕育剂的应用，所述孕育剂中，碳化钛颗粒尺寸为80～600nm，碳化钛颗粒的体积含量为20vol.％-40vol.％；孕育剂按照碳化钛颗粒质量分数0.25wt.％～0.5wt.％加入于灰铸铁熔体中。

2.根据权利要求1所述的碳化钛-铝中间合金作为灰铸铁孕育剂的应用，其特征在于所述碳化钛颗粒尺寸为80nm，孕育剂按照碳化钛颗粒质量分数为0.50wt.％加入于灰铸铁熔体中。

说明书

一种碳化钛-铝中间合金作为灰铸铁孕育剂的应用

技术领域

[0001] 本发明属于灰铸铁生产技术领域，涉及一种碳化钛-铝中间合金作为灰铸铁孕育剂的应用。

背景技术

[0002] 在国内外的铸件生产总量中，灰铸铁作为一种传统的金属材料占有非常大的比重，这主要与其良好的铸造成型性、低廉的价格、优良的耐腐蚀、耐磨损、高硬度、铸件质量易控制等特性有关。随着现代汽车行业向轻量化、大功率的发展，对灰铸铁材料的薄壁高强度性能要求也是越来越高。因此，亟需开发新型高效的孕育剂使灰铸铁的力学性能得到大幅度提高。

[0003] 常用的提高灰铸铁力学性能的方法中，孕育处理能够将铸铁件的机械性能提高至少1-2个牌号。常用的孕育剂主要分为两类：石墨化孕育剂和稳定化孕育剂。石墨化孕育剂可以促进石墨化，减少白口，主要包括含碳系列、含硅普通系列及特殊硅系列。但是含碳系列孕育剂的熔点温度一般较高(>1450℃)，需选择一定的孕育剂加入方式；特殊硅系列孕育剂虽衰退的速度很慢，但孕育效果却不是非常明显；稳定化孕育剂不仅能够促进石墨化，还能够稳定珠光体组织，如含Cr、N等元素的孕育剂。但是现阶段常用的孕育剂还不能达到大幅度提高灰铸铁力学性能的目的。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种碳化钛-铝中间合金作为灰铸铁孕育剂的应用，该应用方法孕育剂加入量少、成本低、工艺简单，能够改变灰铸铁凝固过程中初生奥氏体的生长形貌，形成空间结构复杂的网络，限制共晶石墨的生长空间，从而得到细小、弯曲的石墨组织，能够大幅度提高灰铸铁的抗拉强度。

[0005] 所述孕育剂中，碳化钛颗粒尺寸为80～600nm，碳化钛颗粒的体积含量为20vol.％-40vol.％；孕育剂按照碳化钛颗粒质量分数0.25wt.％～0.5wt.％加入于灰铸铁熔体中。

[0006] 碳化钛颗粒尺寸优选为80nm,孕育剂按照碳化钛颗粒质量分数为0.5wt.％加入于灰铸铁熔体中。

[0007] 所述孕育剂通过铝-钛-碳体系热爆合成方法制备，孕育剂中含有微米尺寸、亚微米尺寸及纳米尺寸的碳化钛颗粒。

[0008] 所述的灰铸铁，合金成分按质量百分比计：3.2～3.5C、1.5～1.8Si、0.8～1.0Mn、≤0.15P、≤0.12S，采用中频感应炉熔炼，红外线测温仪测温，铁水出炉温度1530℃，浇包内孕育，充分搅拌后在树脂砂型中浇注。

[0009] 根据理论计算，TiC与奥氏体晶格错配度<15％，具有成为初生奥氏体异质核心的基本条件，从而增加初生奥氏体的数量并得到复杂的空间网络框架结构，进而影响灰铸铁组织中石墨的形态、尺寸、数量和分布，从而提高灰铸铁的力学性能。

[0010] 实验证明，本发明将碳化钛-铝中间合金作为灰铸铁孕育剂，改变了灰铸铁的显微组织，显著提高了灰铸铁的力学性能。

附图说明

[0011] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

[0012] 图1是实施例1微米尺寸TiC颗粒形貌。

[0013] 图2是实施例2亚微米尺寸TiC颗粒形貌。

[0014] 图3是实施例3纳米尺寸TiC颗粒形貌。

[0015] 图4是对比例1试验灰铸铁A初生奥氏体组织。

[0016] 图5是实施例1试验灰铸铁B初生奥氏体组织。

[0017] 图6是实施例2试验灰铸铁C初生奥氏体组织。

[0018] 图7是实施例3试验灰铸铁D初生奥氏体组织。

[0019] 图8是对比例2试验灰铸铁a石墨组织。

[0020] 图9是实施例4试验灰铸铁b石墨组织。

[0021] 图10是实施例5试验灰铸铁c石墨组织。

[0022] 图11是实施例6试验灰铸铁d石墨组织。

具体实施方式

[0023] 所述孕育剂采用下述方法制备：将铝粉、钛粉和碳粉混合、球磨，通过热爆合成反应制备出含有TiC颗粒的碳化钛-铝中间合金(参见“一种原位纳米TiC陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制备方法”，申请号：201110209567.6，公开日期：2011.11.30；“Morphology evolution of TiCx grains during SHS in an Al-Ti-C system”,Crystal Growth&Design,9(2009)646-649)，然后破碎成5-10毫米尺寸的颗粒。

[0024] 所述孕育剂采用浇包内孕育处理的方法加入到灰铸铁熔体中。

[0025] 实施例1

[0026] 采用钛粉、铝粉和约0.1μm的碳黑，按照C与Ti原子比为1：1，铝体积含量为40vol.％的比例制备出含有微米尺寸碳化钛颗粒的碳化钛-铝中间合金；微米尺寸碳化钛颗粒形貌如图1所示。采用中频感应炉熔炼灰铸铁，红外线测温仪测温，铁水出炉温度1530℃，将含有微米尺寸碳化钛颗粒的碳化钛-铝中间合金破碎为5-10毫米尺寸的颗粒，采用浇包内孕育处理的方法加入到灰铸铁熔体中，充分搅拌后在树脂砂型中浇注，得到抗拉强度测定及组织分析试样B。

[0027] 实施例2

[0028] 采用钛粉、铝粉和CNTs(20-30nm)，按照C与Ti原子比为1：1，铝体积含量为60vol.％的比例制备出含有亚微米尺寸碳化钛颗粒的碳化钛-铝中间合金；亚微米尺寸碳化钛颗粒形貌如图2所示。采用中频感应炉熔炼灰铸铁，红外线测温仪测温，铁水出炉温度
1530℃，将含有亚微米尺寸碳化钛颗粒的碳化钛-铝中间合金破碎为5-10毫米尺寸的颗粒，采用浇包内孕育处理的方法加入到灰铸铁熔体中，充分搅拌后在树脂砂型中浇注，得到抗拉强度测定及组织分析试样C。

[0029] 实施例3

[0030] 采用钛粉、铝粉和CNTs(20-30nm)，按照C与Ti原子比为1：1，铝体积含量为80vol.％的比例制备出含有纳米尺寸碳化钛颗粒的碳化钛-铝中间合金；纳米尺寸碳化钛颗粒形貌如图3所示。采用中频感应炉熔炼灰铸铁，红外线测温仪测温，铁水出炉温度1530℃，将含有纳米尺寸碳化钛颗粒的碳化钛-铝中间合金破碎为5-10毫米尺寸的颗粒，采用浇包内孕育处理的方法加入到灰铸铁熔体中，充分搅拌后在树脂砂型中浇注，得到抗拉强度测定及组织分析试样D。

[0031] 试样B、C、D中碳化钛颗粒尺寸及碳化钛在灰铸铁熔体中的质量分数如表1所示。

[0032] 表1

[0033]

[0034] 注：表中试样A为对比例试样，除了在熔炼时所有试样都加入的SiFe孕育剂，未加入其他任何孕育剂。

[0035] 图4-图7为对比例A和实施例1-3试验灰铸铁经过奥氏体化退火处理后的组织。其中呈黑色条状的为石墨，亮白色的为初生奥氏体组织，而灰黑色的为珠光体组织。

[0036] 可以看出没有加入本发明孕育剂的试样如图4，初生奥氏体枝晶数量较少，一次枝晶的晶轴粗大，晶臂间距较大，分布较简单没有构成空间网络结构。随着孕育剂TiC颗粒尺寸的减小，初生奥氏体的数量不断增多，一次晶轴细化、枝晶间距缩小、纵横交错，形成了结构复杂的空间网络结构，如图5、6、7所示。

[0037] 根据异质形核理论，TiC的熔点为3410℃，高于液态金属的熔点，同时根据计算TiC(100)晶面与γ-Fe(110)晶面的二维错配度为12.7％，TiC(100)晶面与γ-Fe(111)晶面的二维错配度是10.0％，可见，TiC与γ-Fe晶格错配度小于15％，具有成为初生奥氏体的异质核心的基本条件。因此TiC的加入使得初生奥氏体的结晶核心增多，初生奥氏体的空间结构变得更加复杂，网络结构中的间隙变得狭窄，从而减小了共晶反应中石墨析出的空间，为获得细小、弯曲的石墨建立了条件。共晶石墨作为共晶反应的领先相在生长过程中遇到初生奥氏体枝晶时必然改变其生长方向，石墨形态变得弯曲。由于片状石墨的强度几乎为零，相当于基体组织中的微裂纹，片状石墨的尺寸越大、形状越平直，则对基体组织的割裂作用越明显，造成灰铸铁的力学性能降低，而弯曲、细小的石墨可以减小这种割裂作用，使得力学性能得到提高。表2为实验灰铸铁的抗拉强度测定结果，可见，碳化钛-铝中间合金孕育剂的加入提高了灰铸铁的抗拉强度，而且随着孕育剂中碳化钛颗粒尺寸的减小，灰铸铁的抗拉强度提高更加明显。

[0038] 表2

[0039]试样编号 A B C D
抗拉强度(MPa) 236 247 259 355

[0040] 实施例4

[0041] 采用钛粉、铝粉和CNTs(20-30nm)，按照C与Ti原子比为1：1，铝体积含量为80vol.％的比例制备出含有纳米尺寸碳化钛颗粒的碳化钛-铝中间合金。采用中频感应炉熔炼灰铸铁，红外线测温仪测温，铁水出炉温度1530℃，将含有纳米尺寸碳化钛颗粒的碳化钛-铝中间合金破碎为5-10毫米尺寸的颗粒，采用浇包内孕育处理的方法加入到灰铸铁熔体中，充分搅拌后在树脂砂型中浇注，得到抗拉强度测定及组织分析试样b。碳化钛在灰铸铁熔体中的质量分数为0.25wt.％。

[0042] 实施例5

[0043] 采用钛粉、铝粉和CNTs(20-30nm)，按照C与Ti原子比为1：1，铝体积含量为80vol.％的比例制备出含有纳米尺寸碳化钛颗粒的碳化钛-铝中间合金。采用中频感应炉熔炼灰铸铁，红外线测温仪测温，铁水出炉温度1530℃，将含有纳米尺寸碳化钛颗粒的碳化钛-铝中间合金破碎为5-10毫米尺寸的颗粒，采用浇包内孕育处理的方法加入到灰铸铁熔体中，充分搅拌后在树脂砂型中浇注，得到抗拉强度测定及组织分析试样c的比例。碳化钛在灰铸铁熔体中的质量分数为0.5wt.％。

[0044] 实施例6

[0045] 采用钛粉、铝粉和CNTs(20-30nm)，按照C与Ti原子比为1：1，铝体积含量为80vol.％的比例制备出含有纳米尺寸碳化钛颗粒的碳化钛-铝中间合金。采用中频感应炉熔炼灰铸铁，红外线测温仪测温，铁水出炉温度1530℃，将含有纳米尺寸碳化钛颗粒的碳化钛-铝中间合金破碎为5-10毫米尺寸的颗粒，采用浇包内孕育处理的方法加入到灰铸铁熔体中，充分搅拌后在树脂砂型中浇注，得到抗拉强度测定及组织分析试样b。碳化钛在灰铸铁熔体中的质量分数为0.75wt.％。

[0046] 试样b、c、d中碳化钛在灰铸铁熔体中的质量分数如表3所示。

[0047] 表3

[0048]试样编号 a b c d
孕育剂加入量 —— 0.25wt.％TiC 0.5wt.％TiC 0.75wt.％TiC

[0049] 注：表中试样a为对比例试样，除了在熔炼时所有试样都加入的SiFe孕育剂，未加入其他任何孕育剂。

[0050] 图8-图11为实验灰铸铁的石墨组织，可以看出：随着本发明孕育剂加入量的增加，实验灰铸铁的石墨组织变得细小、弯曲，但当孕育剂的加入量达到0.75wt.％时，试样中除了存在细小、弯曲的A型石墨，同时出现了点状的D、E型石墨。

[0051] 灰铸铁材料中加入不同含量纳米碳化钛颗粒(TiCp)，能够改变初生奥氏体枝晶的数量和形态，使初生奥氏体枝晶骨架变得越来越复杂，形成密集的等轴网络结构。且随着纳米TiCp的加入，铁液中初生奥氏体数量增多，同时也存在奥氏体枝干与枝晶臂端部的相互交错、搭接，枝晶呈现相互交错的框架状结构。由于共晶反应是在奥氏体枝晶间进行，奥氏体空间结构越复杂、枝晶间距越小，越容易获得细小、弯曲的石墨组织。但当加入的纳米TiCp含量继续增加，纳米TiCp开始发生团聚，降低了TiCp对奥氏体组织的影响。团聚后的纳米颗粒类似于较大尺寸的微米级颗粒不均匀的分布在铁液中。此时，部分TiCp可以作为初生奥氏体异质形核核心，但数量减少；另一方面，部分TiCp分布在初生奥氏体枝晶一次晶生长前沿使奥氏体枝晶生长困难，一定程度上妨碍了奥氏体枝晶之间的搭接、不能形成空间结构复杂的网络结构，从而影响了灰铸铁中石墨的形态和尺寸。

[0052] 表4为采用本发明孕育剂处理灰铸铁的力学性能测定结果，可见，碳化钛-铝中间合金孕育剂加入量增加，使灰铸铁的抗拉强度得到了明显提高，但过量的添加，反而使抗拉强度降低。

[0053] 表4

[0054]试样编号 a b c d
抗拉强度(MPa) 236 308 355 272