專利名稱：啞聲減振蠕墨鑄鐵及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明的啞聲減振蠕墨鑄鐵及其制造方法，屬于鑄鐵合金、鑄鐵冶煉的技術領域。
用金屬結構材料制造的各種機電設備，在運轉時不可避免地產(chǎn)生機械振動和噪聲。這不僅影響產(chǎn)品質量，降低設備壽命，而且有害人體健康。減少機電產(chǎn)品工作時的振動、降低噪聲已成為提高產(chǎn)品質量、防治噪聲污染的重要課題。除改進產(chǎn)品設計，提高加工精度外，采用減振結構材料是減振降噪的有效方法。減振結構材料是利用金屬結構材料本身的內耗特性，將振動機械能轉變?yōu)闊崮芏纳⒌?，達到減振降噪的目的。繼啞聲減振鋼之后，啞聲減振鑄鐵受到重視。這是因為鑄鐵的成本低，使用量大(機電設備中鑄鐵的用量約占60-90%)，其耐磨性和切削性能好，因而，減振鑄鐵比減振鋼有更大的應用價值。然而，啞聲減振鑄鐵的減振機理至今不甚清楚，它的抗拉強度和內耗性能之間的矛盾未能統(tǒng)一。日本三菱重工的一系列專利如特開昭51-45613和51-54821是在鑄鐵中添加Ni、Mo、Cu、Cr等元素，鑄鐵的抗拉強度σb～20kg/mm2，相應的內耗Q-1～120×10-4。特開昭52-4419提出了高Ni含量的奧氏體型減振鑄鐵，它以犧牲強度(σb＜10kg/mm2)來提高內耗(最高Q-1～285×10-4)，由于Ni含量高達20%，成本相當高。特開昭52-61117添加Zr，可使Q-1達到400×10-4，但σb僅6.2kg/mm2;加Cr強化后σb為12kg/mm2，但Q-1降低到200×10-4。日本久保田鐵工的申請專利特開昭53-65215和53-39921，用Cu、Cr、V、Mg、Ce、Mo、Ti等加入鑄鐵，最高性能為σb＝24kg/mm2，Q-1＝103×10-4。近年來，出現(xiàn)了性能介于球墨鑄鐵和灰鑄鐵之間的蠕墨鑄鐵，強度一般為30-45kg/mm2，但其內耗很低。(見日本文獻鑄物，V53，No 4，187，1981;V55，No 2，107，1985及日本專利特開昭57-134531;60-26609)。
一般認為，啞聲減振鑄鐵的內耗機理是鑄鐵的析出相(石墨)和母相(基體金屬)，在交變應力作用下分別產(chǎn)生塑性形變和彈性形變，而片狀石墨在發(fā)生塑性形變的同時，使能量逸散大大增加而產(chǎn)生內耗(見《上海金屬》有色分冊V4，No1，42，1983)。但這種復相型內耗理論無法解釋減振鑄鐵淬火后具有超高阻尼能力，也無法指導制造高強度兼高內耗鑄鐵的工作。
本發(fā)明是在認為鑄鐵的內耗主要起因于鑄鐵中石墨的位錯運動和堆垛層錯消耗能量的基礎上，制造具有良好阻尼特性和機械性能的啞聲減振蠕墨鑄鐵，使其內耗Q-1和抗拉強度σb能滿足各種機電設備對減振降噪的要求。
本發(fā)明采用高碳當量鑄鐵(碳當量CE＝Cwt%+ 1/3 Siwt%)以保證鑄鐵有較高的內耗。但高碳當量的鑄鐵強度很低。本發(fā)明在鑄鐵熔煉澆注過程中，利用鑄鐵中的C和殘留在液態(tài)鑄鐵中的O、N、S等元素與加入鑄鐵中的微量元素形成高熔點化合物，這些化合物在鑄鐵冷凝過程中對鑄鐵中的六角結晶石墨進行層間摻雜。這不僅增大了鑄鐵中石墨位錯運動的摩擦阻尼(我們認為，位錯運動消耗能量是鑄鐵的主要內耗機構)，而且對鑄鐵中石墨層間進行“彌散強化”，從而提高了鑄鐵的強度。
加入的微量元素可以是元素周期表ⅡA族的Be、Mg、Ca、Sr、Ba;1ⅤB族的Ti、Zr、H∫;ⅤB或ⅥB族(Cr除外)的V、Nb、Ta、Mo、W?？紤]到成本及工藝問題，實際采用的只是Mg、Ti、Zr、V、Mo、W等幾個摻雜元素。它們以液態(tài)鑄鐵為反應空間，與鑄鐵中的C、O、N、S等非金屬元素形成高熔點化合物，這些化合物分子直徑都很小，其熔點大多在2000℃以上。在鑄鐵冷凝過程中，這些化合物首先析出，成為六角石墨的結晶中心，并在石墨結晶過程中占據(jù)石墨層間位置。根據(jù)鑄鐵中石墨位錯運動而產(chǎn)生內耗的機理，這類化合物的存在增加了位錯運動的摩擦阻尼，同時，由于它占據(jù)石墨層間位置，也提高了石墨層間的分子鍵合力，從而提高了鑄鐵的強度。
本發(fā)明提出的摻雜微量元素中，ⅡA族元素的高熔點化合物是一種球化劑，其含量的增高可使通常鑄鐵中的片狀石墨蠕化，最后形成球墨鑄鐵，從而大大提高鑄鐵強度。NB族元素的高熔點化合物對鑄鐵中的石墨是一種反球化劑，ⅡA族與ⅣB族元素應同時加入鑄鐵，以控制鑄鐵的球化率為10-55%，使得鑄鐵中石墨呈蠕蟲狀分布，從而使強度增加的同時，不使內耗有太大的降低。本發(fā)明提出的ⅤB和ⅥB族元素形成的高熔點化合物只起摻雜作用，并不影響石墨球化，可根據(jù)需要采用。但其中Cr的化合物會對位錯運動造成強釘扎，不宜采用。
本發(fā)明的啞聲減振蠕墨鑄鐵的制造方法是與普通鑄鐵一樣，用化鐵爐(可采用中頻、工頻電爐、沖天爐、反射爐、勺爐等)熔化生鐵，溫度1450-1520℃，控制Fe中C、Si、Mn、S、P的含量，將鐵水注入包內。然后將所需金屬元素Mg、Ti、Zr、V、Mo、W等加入包內的液態(tài)鑄鐵中，可以用壓力加入法、沖入法等加入，但用這些金屬元素的中間合金形式如Mg-Si、Mg-Si-Fe、Mg-Si-Ti-Fe、Ti-Fe、Zr-Fe、V-Fe、Mo-Fe、W-Fe等加入更為經(jīng)濟、方便。合金元素加入后應攪拌均勻，這些中間合金中的金屬元素與液態(tài)鑄鐵中的C和殘留的O、N、S形成高熔點化合物。最后加入鑄鐵重量0.4-0.6wt%的Si-Fe合金(Si的含量在碳當量中扣除)，再次攪拌后澆注，澆注溫度1350-1400℃間。鑄型可以是普通砂型、石英砂型、金屬型或石臘精密澆注從鐵水出爐到澆注這段時間控制在2-15分鐘。
本發(fā)明的啞聲減振蠕墨鑄鐵的化學組分如下碳當量CE4.0-5.5wt%，最佳為5.0-5.3wt%;
Mn0.1-1.5wt%，最佳為0.6-0.7wt%;
通常鑄鐵的雜質含量S、P及殘余氣體等;
少量的摻雜化合物ⅡA和ⅣB族元素與C、O、N、S形成的高熔點化合物0.02-0.2wt%，最佳為0.04-0.15wt%;
當有ⅤB或ⅥB族元素的化合物摻雜時，ⅤB或ⅥB族元素與C、O、N、S形成的高熔點化合物0.05-1.5wt%，最佳為0.1-0.8wt%。
表1列出了本發(fā)明的十一個實施例。
由表可見，本發(fā)明的啞聲減振蠕墨鑄鐵具有較高的減振性能和強度，內耗Q-1多數(shù)在200×10-4以上，最高達535×10-4，抗拉強度σb在10-70kg/mm2之間。淬火后(900℃保溫1.5小時，油淬)的性能稍有變化。
本發(fā)明的啞聲減振蠕量鑄鐵具有蠕墨鑄鐵的強度，又具有高的減振性能，其綜合性能大大優(yōu)于已有技術的減振鑄鐵。它的減振能力為普通鑄鐵的數(shù)十倍，是普通鋼的數(shù)百倍。因此，凡是受到振動和噪聲危害的機電設備，使用本發(fā)明可獲得良好的減振降噪效果。本發(fā)明的制造工藝與普通鑄鐵基本相同，使用的摻雜元素量少而價格較低，因而本發(fā)明的成本低廉，可代替機電工業(yè)上廣泛使用的HT型鑄鐵，達到減振降噪的目的。使用本發(fā)明的啞聲減振蠕墨鑄鐵除減振降噪外還可延長機電設備壽命，提高機電產(chǎn)品的動態(tài)穩(wěn)定性和精度。
權利要求
1.一種啞聲減振蠕墨鑄鐵，它是在高碳當量鑄鐵中加入摻雜金屬熔煉澆注而成，其特征在于(1)加入的摻雜金屬與鑄鐵中的C和殘留的O、N、S形成高熔點摻雜化合物，這些摻雜金屬是元素周期表中ⅡA族、ⅣB族、ⅤB或ⅥB族金屬元素；(2)作為球化劑的ⅡA族元素與反球化劑的ⅣB族元素是同時加入的，控制球化率為10-55%；(3)其化學組分為碳當量CE4.0-5.5wt%，Mn 0.1-1.5wt%，通常鑄鐵的殘留雜質S、P及殘留氣體，ⅡA與ⅣB族摻雜金屬元素與鑄鐵中的C、O、N、S形成的高熔點化合物0.02-0.2wt%，有VB或ⅥB族元素摻雜時，VB或ⅥB族金屬元素與鑄鐵中的C、O、N、S形成的高熔點化合物0.05-1.5wt%。
2.按權利要求1所述的啞聲減振蠕墨鑄鐵，其特征在于啞聲減振鑄鐵的最佳組分為碳當量CE5.0-5.3wt%，Mn0.6-0.7wt%，通常鑄鐵的殘留雜質S、P及殘留氣體，ⅡA與ⅣB族摻雜金屬與C、O、N、S形成的高熔點化合物0.04-0.15wt%，有ⅤB或ⅥB族元素摻雜時，ⅤB或ⅥB族元素與C、O、N、S形成的高熔點化合物0.1-0.8wt%。
3.按權利要求1或2所述的啞聲減振蠕墨鑄鐵，其中所說的ⅡA族摻雜元素是Mg，ⅣB族摻雜元素是Ti、Zr，ⅤB或ⅥB族摻雜元素是V、Mo、W。
4.一種啞聲減振蠕墨鑄鐵的制造方法，它包括鑄鐵的制造工藝將鐵水熔化注入包內，然后澆注成型，本發(fā)明的特征是在1450-1520℃下熔化生鐵、將鐵水注入包內，將Mg、Ti、Zr、V、Mo、W等摻雜金屬加入包內的液態(tài)鑄鐵中，充分攪拌后加入鑄鐵重量0.4-0.6wt%的Si-Fe合金，攪拌均勻后澆注，澆注溫度1350-1400℃，從鐵水出爐到澆注的時間控制在2-15分鐘。
5.按權利要求4所述的啞聲減振鑄鐵的制造方法，其特征在于Mg、Ti、Zr、V、Mo、W的加入是以中間合金如Mg-Fe、Mg-Si-Fe、Mg-Si-Ti-Fe、Ti-Fe、Zr-Fe、V-Fe、Mo-Fe、W-Fe合金形式加入的。
全文摘要
本發(fā)明是啞聲減振蠕墨鑄鐵及其制造方法，屬于鑄鐵合金、鑄鐵冶煉的技術領域。它通過在鑄鐵熔煉澆注過程中，加入作為球化劑和反球化劑的金屬以及摻雜金屬，這些金屬與鑄鐵中殘留的非金屬雜質形成的高熔點摻雜化合物占據(jù)鑄鐵中石墨的層間位置，使其既增加強度，又提高內耗。它成本低廉，可廣泛用于機電設備上代替HT型鑄鐵，達到減振降噪的效果，可延長機電產(chǎn)品壽命，提高機電產(chǎn)品的精度。
文檔編號C21C1/10GK1031116SQ8710109
公開日1989年2月15日 申請日期1987年7月30日 優(yōu)先權日1987年7月30日
發(fā)明者張鴻毅 申請人:中國科學院上海冶金研究所