本發(fā)明屬于灰鑄鐵生產(chǎn)
技術領域：
，涉及一種碳化鈦-鋁中間合金作為灰鑄鐵孕育劑的應用。
背景技術：
：在國內外的鑄件生產(chǎn)總量中，灰鑄鐵作為一種傳統(tǒng)的金屬材料占有非常大的比重，這主要與其良好的鑄造成型性、低廉的價格、優(yōu)良的耐腐蝕、耐磨損、高硬度、鑄件質量易控制等特性有關。隨著現(xiàn)代汽車行業(yè)向輕量化、大功率的發(fā)展，對灰鑄鐵材料的薄壁高強度性能要求也是越來越高。因此，亟需開發(fā)新型高效的孕育劑使灰鑄鐵的力學性能得到大幅度提高。常用的提高灰鑄鐵力學性能的方法中，孕育處理能夠將鑄鐵件的機械性能提高至少1-2個牌號。常用的孕育劑主要分為兩類：石墨化孕育劑和穩(wěn)定化孕育劑。石墨化孕育劑可以促進石墨化，減少白口，主要包括含碳系列、含硅普通系列及特殊硅系列。但是含碳系列孕育劑的熔點溫度一般較高(>1450℃)，需選擇一定的孕育劑加入方式；特殊硅系列孕育劑雖衰退的速度很慢，但孕育效果卻不是非常明顯；穩(wěn)定化孕育劑不僅能夠促進石墨化，還能夠穩(wěn)定珠光體組織，如含Cr、N等元素的孕育劑。但是現(xiàn)階段常用的孕育劑還不能達到大幅度提高灰鑄鐵力學性能的目的。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種碳化鈦-鋁中間合金作為灰鑄鐵孕育劑的應用，該應用方法孕育劑加入量少、成本低、工藝簡單，能夠改變灰鑄鐵凝固過程中初生奧氏體的生長形貌，形成空間結構復雜的網(wǎng)絡，限制共晶石墨的生長空間，從而得到細小、彎曲的石墨組織，能夠大幅度提高灰鑄鐵的抗拉強度。所述孕育劑中，碳化鈦顆粒尺寸為80～600nm，碳化鈦顆粒的體積含量為20vol.％-40vol.％；孕育劑按照碳化鈦顆粒質量分數(shù)0.25wt.％～0.5wt.％加入于灰鑄鐵熔體中。碳化鈦顆粒尺寸優(yōu)選為80nm,孕育劑按照碳化鈦顆粒質量分數(shù)為0.5wt.％加入于灰鑄鐵熔體中。所述孕育劑通過鋁-鈦-碳體系熱爆合成方法制備，孕育劑中含有微米尺寸、亞微米尺寸及納米尺寸的碳化鈦顆粒。所述的灰鑄鐵，合金成分按質量百分比計：3.2～3.5C、1.5～1.8Si、0.8～1.0Mn、≤0.15P、≤0.12S，采用中頻感應爐熔煉，紅外線測溫儀測溫，鐵水出爐溫度1530℃，澆包內孕育，充分攪拌后在樹脂砂型中澆注。根據(jù)理論計算，TiC與奧氏體晶格錯配度<15％，具有成為初生奧氏體異質核心的基本條件，從而增加初生奧氏體的數(shù)量并得到復雜的空間網(wǎng)絡框架結構，進而影響灰鑄鐵組織中石墨的形態(tài)、尺寸、數(shù)量和分布，從而提高灰鑄鐵的力學性能。實驗證明，本發(fā)明將碳化鈦-鋁中間合金作為灰鑄鐵孕育劑，改變了灰鑄鐵的顯微組織，顯著提高了灰鑄鐵的力學性能。附圖說明下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明。圖1是實施例1微米尺寸TiC顆粒形貌。圖2是實施例2亞微米尺寸TiC顆粒形貌。圖3是實施例3納米尺寸TiC顆粒形貌。圖4是對比例1試驗灰鑄鐵A初生奧氏體組織。圖5是實施例1試驗灰鑄鐵B初生奧氏體組織。圖6是實施例2試驗灰鑄鐵C初生奧氏體組織。圖7是實施例3試驗灰鑄鐵D初生奧氏體組織。圖8是對比例2試驗灰鑄鐵a石墨組織。圖9是實施例4試驗灰鑄鐵b石墨組織。圖10是實施例5試驗灰鑄鐵c石墨組織。圖11是實施例6試驗灰鑄鐵d石墨組織。具體實施方式所述孕育劑采用下述方法制備：將鋁粉、鈦粉和碳粉混合、球磨，通過熱爆合成反應制備出含有TiC顆粒的碳化鈦-鋁中間合金(參見“一種原位納米TiC陶瓷顆粒增強鋁基復合材料及其制備方法”，申請?zhí)枺?01110209567.6，公開日期：2011.11.30；“MorphologyevolutionofTiCxgrainsduringSHSinanAl-Ti-Csystem”,CrystalGrowth&Design,9(2009)646-649)，然后破碎成5-10毫米尺寸的顆粒。所述孕育劑采用澆包內孕育處理的方法加入到灰鑄鐵熔體中。實施例1采用鈦粉、鋁粉和約0.1μm的碳黑，按照C與Ti原子比為1：1，鋁體積含量為40vol.％的比例制備出含有微米尺寸碳化鈦顆粒的碳化鈦-鋁中間合金；微米尺寸碳化鈦顆粒形貌如圖1所示。采用中頻感應爐熔煉灰鑄鐵，紅外線測溫儀測溫，鐵水出爐溫度1530℃，將含有微米尺寸碳化鈦顆粒的碳化鈦-鋁中間合金破碎為5-10毫米尺寸的顆粒，采用澆包內孕育處理的方法加入到灰鑄鐵熔體中，充分攪拌后在樹脂砂型中澆注，得到抗拉強度測定及組織分析試樣B。實施例2采用鈦粉、鋁粉和CNTs(20-30nm)，按照C與Ti原子比為1：1，鋁體積含量為60vol.％的比例制備出含有亞微米尺寸碳化鈦顆粒的碳化鈦-鋁中間合金；亞微米尺寸碳化鈦顆粒形貌如圖2所示。采用中頻感應爐熔煉灰鑄鐵，紅外線測溫儀測溫，鐵水出爐溫度1530℃，將含有亞微米尺寸碳化鈦顆粒的碳化鈦-鋁中間合金破碎為5-10毫米尺寸的顆粒，采用澆包內孕育處理的方法加入到灰鑄鐵熔體中，充分攪拌后在樹脂砂型中澆注，得到抗拉強度測定及組織分析試樣C。實施例3采用鈦粉、鋁粉和CNTs(20-30nm)，按照C與Ti原子比為1：1，鋁體積含量為80vol.％的比例制備出含有納米尺寸碳化鈦顆粒的碳化鈦-鋁中間合金；納米尺寸碳化鈦顆粒形貌如圖3所示。采用中頻感應爐熔煉灰鑄鐵，紅外線測溫儀測溫，鐵水出爐溫度1530℃，將含有納米尺寸碳化鈦顆粒的碳化鈦-鋁中間合金破碎為5-10毫米尺寸的顆粒，采用澆包內孕育處理的方法加入到灰鑄鐵熔體中，充分攪拌后在樹脂砂型中澆注，得到抗拉強度測定及組織分析試樣D。試樣B、C、D中碳化鈦顆粒尺寸及碳化鈦在灰鑄鐵熔體中的質量分數(shù)如表1所示。表1注：表中試樣A為對比例試樣，除了在熔煉時所有試樣都加入的SiFe孕育劑，未加入其他任何孕育劑。圖4-圖7為對比例A和實施例1-3試驗灰鑄鐵經(jīng)過奧氏體化退火處理后的組織。其中呈黑色條狀的為石墨，亮白色的為初生奧氏體組織，而灰黑色的為珠光體組織?？梢钥闯鰶]有加入本發(fā)明孕育劑的試樣如圖4，初生奧氏體枝晶數(shù)量較少，一次枝晶的晶軸粗大，晶臂間距較大，分布較簡單沒有構成空間網(wǎng)絡結構。隨著孕育劑TiC顆粒尺寸的減小，初生奧氏體的數(shù)量不斷增多，一次晶軸細化、枝晶間距縮小、縱橫交錯，形成了結構復雜的空間網(wǎng)絡結構，如圖5、6、7所示。根據(jù)異質形核理論，TiC的熔點為3410℃，高于液態(tài)金屬的熔點，同時根據(jù)計算TiC(100)晶面與γ-Fe(110)晶面的二維錯配度為12.7％，TiC(100)晶面與γ-Fe(111)晶面的二維錯配度是10.0％，可見，TiC與γ-Fe晶格錯配度小于15％，具有成為初生奧氏體的異質核心的基本條件。因此TiC的加入使得初生奧氏體的結晶核心增多，初生奧氏體的空間結構變得更加復雜，網(wǎng)絡結構中的間隙變得狹窄，從而減小了共晶反應中石墨析出的空間，為獲得細小、彎曲的石墨建立了條件。共晶石墨作為共晶反應的領先相在生長過程中遇到初生奧氏體枝晶時必然改變其生長方向，石墨形態(tài)變得彎曲。由于片狀石墨的強度幾乎為零，相當于基體組織中的微裂紋，片狀石墨的尺寸越大、形狀越平直，則對基體組織的割裂作用越明顯，造成灰鑄鐵的力學性能降低，而彎曲、細小的石墨可以減小這種割裂作用，使得力學性能得到提高。表2為實驗灰鑄鐵的抗拉強度測定結果，可見，碳化鈦-鋁中間合金孕育劑的加入提高了灰鑄鐵的抗拉強度，而且隨著孕育劑中碳化鈦顆粒尺寸的減小，灰鑄鐵的抗拉強度提高更加明顯。表2試樣編號ABCD抗拉強度(MPa)236247259355實施例4采用鈦粉、鋁粉和CNTs(20-30nm)，按照C與Ti原子比為1：1，鋁體積含量為80vol.％的比例制備出含有納米尺寸碳化鈦顆粒的碳化鈦-鋁中間合金。采用中頻感應爐熔煉灰鑄鐵，紅外線測溫儀測溫，鐵水出爐溫度1530℃，將含有納米尺寸碳化鈦顆粒的碳化鈦-鋁中間合金破碎為5-10毫米尺寸的顆粒，采用澆包內孕育處理的方法加入到灰鑄鐵熔體中，充分攪拌后在樹脂砂型中澆注，得到抗拉強度測定及組織分析試樣b。碳化鈦在灰鑄鐵熔體中的質量分數(shù)為0.25wt.％。實施例5采用鈦粉、鋁粉和CNTs(20-30nm)，按照C與Ti原子比為1：1，鋁體積含量為80vol.％的比例制備出含有納米尺寸碳化鈦顆粒的碳化鈦-鋁中間合金。采用中頻感應爐熔煉灰鑄鐵，紅外線測溫儀測溫，鐵水出爐溫度1530℃，將含有納米尺寸碳化鈦顆粒的碳化鈦-鋁中間合金破碎為5-10毫米尺寸的顆粒，采用澆包內孕育處理的方法加入到灰鑄鐵熔體中，充分攪拌后在樹脂砂型中澆注，得到抗拉強度測定及組織分析試樣c的比例。碳化鈦在灰鑄鐵熔體中的質量分數(shù)為0.5wt.％。實施例6采用鈦粉、鋁粉和CNTs(20-30nm)，按照C與Ti原子比為1：1，鋁體積含量為80vol.％的比例制備出含有納米尺寸碳化鈦顆粒的碳化鈦-鋁中間合金。采用中頻感應爐熔煉灰鑄鐵，紅外線測溫儀測溫，鐵水出爐溫度1530℃，將含有納米尺寸碳化鈦顆粒的碳化鈦-鋁中間合金破碎為5-10毫米尺寸的顆粒，采用澆包內孕育處理的方法加入到灰鑄鐵熔體中，充分攪拌后在樹脂砂型中澆注，得到抗拉強度測定及組織分析試樣b。碳化鈦在灰鑄鐵熔體中的質量分數(shù)為0.75wt.％。試樣b、c、d中碳化鈦在灰鑄鐵熔體中的質量分數(shù)如表3所示。表3試樣編號abcd孕育劑加入量——0.25wt.％TiC0.5wt.％TiC0.75wt.％TiC注：表中試樣a為對比例試樣，除了在熔煉時所有試樣都加入的SiFe孕育劑，未加入其他任何孕育劑。圖8-圖11為實驗灰鑄鐵的石墨組織，可以看出：隨著本發(fā)明孕育劑加入量的增加，實驗灰鑄鐵的石墨組織變得細小、彎曲，但當孕育劑的加入量達到0.75wt.％時，試樣中除了存在細小、彎曲的A型石墨，同時出現(xiàn)了點狀的D、E型石墨?；诣T鐵材料中加入不同含量納米碳化鈦顆粒(TiCp)，能夠改變初生奧氏體枝晶的數(shù)量和形態(tài)，使初生奧氏體枝晶骨架變得越來越復雜，形成密集的等軸網(wǎng)絡結構。且隨著納米TiCp的加入，鐵液中初生奧氏體數(shù)量增多，同時也存在奧氏體枝干與枝晶臂端部的相互交錯、搭接，枝晶呈現(xiàn)相互交錯的框架狀結構。由于共晶反應是在奧氏體枝晶間進行，奧氏體空間結構越復雜、枝晶間距越小，越容易獲得細小、彎曲的石墨組織。但當加入的納米TiCp含量繼續(xù)增加，納米TiCp開始發(fā)生團聚，降低了TiCp對奧氏體組織的影響。團聚后的納米顆粒類似于較大尺寸的微米級顆粒不均勻的分布在鐵液中。此時，部分TiCp可以作為初生奧氏體異質形核核心，但數(shù)量減少；另一方面，部分TiCp分布在初生奧氏體枝晶一次晶生長前沿使奧氏體枝晶生長困難，一定程度上妨礙了奧氏體枝晶之間的搭接、不能形成空間結構復雜的網(wǎng)絡結構，從而影響了灰鑄鐵中石墨的形態(tài)和尺寸。表4為采用本發(fā)明孕育劑處理灰鑄鐵的力學性能測定結果，可見，碳化鈦-鋁中間合金孕育劑加入量增加，使灰鑄鐵的抗拉強度得到了明顯提高，但過量的添加，反而使抗拉強度降低。表4試樣編號abcd抗拉強度(MPa)236308355272當前第1頁1 2 3