CN100469933C - 奥氏体灰铸铁材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种奥氏体灰铸铁材料，其化学成分按重量百分比计为：C：1.5～2.9%，Si：1.5～3.0%，Mn：5.0～7.5%，Ni：5.0～8.0%，Cu：3.0～6.0%，0＜Al≤0.3%，杂质总量≤0.25%，其余为Fe。这种奥氏体灰铸铁材料，其金相组织为奥氏体基体上分布着A型石墨和数量不超过4%的细小碳化物。这种材料的制备方法是：先用中频感应炉熔炼炉料，1500℃时倒入浇包，用75硅铁和ZL109的碎块进行包内孕育，温度到1450℃左右进行浇注。这种材料可用于活塞镶圈，其成本低于L-NiCuCr1562的奥氏体灰铸铁，其性能与L-NiCuCr1562奥氏体灰铸铁接近或相当。
Description
技术领域
本发明涉及一种合金材料，具体来说是活塞上的镶圈用的铸铁材料。
背景技术
活塞镶圈：是在活塞第一环槽部位镶嵌的一个环形圆圈，它一般是奥氏体灰铸铁材料，其主要作用是提高活塞环槽处的耐磨性、耐热性，增强活塞与活塞环的密封性能，从而提高活塞的使用寿命和内燃机运行的可靠性。
用奥氏体灰铸铁做内燃机活塞镶圈，是因为这种材料的热膨胀系数非常接近铸造铝合金的热膨胀系数(21×10-6/℃)，而且其耐磨性、导热性好，有良好的力学性能和机械加工性能。
现有镶圈材料一般采用国际标准ISO2892《奥氏体铸铁》中牌号为L-NiCuCr1562的奥氏体灰铸铁，其化学成分(重量百分比)是：
C≤3.0％，Si 1.0～2.8％，Mn 0.5～1.5％，Ni 13.5％～17.5％，Cu 5.5～7.5％，Cr 1.0～2.5％，余量为Fe。这种奥氏体灰铸铁的力学性能(随铸件一起浇注的试样的测试数据)：
弹性模数E为85～105×103MPa；抗拉强度σb为170～210MPa；硬度为140～200HBS。
物理性能(随铸件一起浇注的试样的测试数据)：
密度ρ为7.3g/cm3；热导率λ为37.7～41.9W/m·K；热膨胀系数α为18.7×10-6/K。
在这种铸铁中，Ni发挥着重要作用，主要表现在：使共晶点向左向上移动，每增加5％Ni，共晶含碳量减低0.4％，每增加1％Ni，提高共晶温度约6℃。Ni溶于Fe，加速Fe的自扩散速度，减弱Fe与C的结合力，因而促进石墨化，其作用相当于Si的1/3。Ni溶于奥氏体，使其强化，提高铸铁的强度和硬度。Ni的主要作用是扩大奥氏体区，镍含量合适时，室温下获得稳定的奥氏体组织。
但是，镍是稀有金属，价格昂贵，这种材料的镍含量高达13.5％～17.5％，因此使这种镶圈材料成本及价格较高。因此，有必要开发一种新型的合金材料以替代现在的L-NiCuCr1562，在降低材料成本的前提下要保证新的合金材料符合活塞镶圈的要求。
中国专利文献CN1526843A介绍了一种低铝低镍中锰奥氏体铸铁及其工艺方法，其化学成分(重量百分比)为：C 3.0～4.0％，Si 2.0～3.0％，Mn 8.0～10.0％，Ni 1.0～4.0％，Cu<3.0％，Al≤0.3％。该文献记载，这种奥氏体铸铁适用于工作温度低于500℃的电器设备零件以及发动机活塞镶圈和缸套。但这种铸铁如用作活塞镶圈材料，存在的不足是：这种材料Mn含量高，会使奥氏体基体具有类似高锰钢的特性，很容易加工硬化而导致铸件无法加工；成分配比易使组织中出现B型、C型、F型等石墨形态，影响铸件性能；工艺中的随流孕育方法使孕育剂的加入量不易精确控制，增加了批量生产的难度；铸件中易出现气孔、夹渣等缺陷。因此，综合考虑，这种铸铁材料并不是理想的活塞镶圈材料，无法真正取代L-NiCuCr1562。
中国专利文献CN1055772A也公开了一种铸铁材料，但用于镶圈材料所体现出来的不足是：铸铁的强度性能和耐磨性能都相当高，因而降低了材料的机械加工性能，造成刀具磨损快。因此，在活塞镶圈材料上推广应用有其局限性。
然而，由于合金材料所体现出来的特性是合金中各元素相互影响、相互作用的结果，某一元素含量的调整都会影响合金材料的综合性能，而特别是Ni在奥氏体合金中的作用是广泛的，所以如果单纯降低Ni元素的含量，将会影响最终合金材料的性能，难以符合活塞镶圈的要求。因此，目前还没有现成的合金材料可以使用。这也是研发新的L-NiCuCr1562替代产品的一个难点，即在降低镍含量的同时，要保证新的合金材料的力学性能和物理性能与现有的L-NiCuCr1562性能接近或相当，才能满足活塞镶圈的使用性能和加工性能的要求。
发明内容
针对目前的活塞镶圈合金材料中镍含量高造成的成本和价格高的问题，本发明的目的在于提供一种新的低Ni活塞镶圈合金材料，以降低这种活塞镶圈的成本及价格。
为了实现本发明的第一个目的，采用如下技术方案：一种奥氏体灰铸铁材料，其化学成分按重量百分比计为：
C 1.5～2.9％，Si 1.5～3.0％，Mn 5.0～7.5％，Ni 5.0～8.0％，Cu 3.0～6.0％，0<Al≤0.3％，杂质≤0.25％，其余为Fe。
Cr是非添加元素，为熔炼过程中从生铁、废钢中带入，视为杂质元素；另外，P，S等是有害元素，一般是从生铁、废钢中带入的，也视为杂质，其总量应控制在0.1％以内。
更优选的是，这种奥氏体灰铸铁材料的化学成分按重量百分比计为：C 2.6％，Si 2.8％，Mn 6.9％，Ni 6.2％，Cu 4.9％，Al 0.3％，杂质≤0.25％，余量为Fe。
本发明还提供了这种奥氏体铸铁材料的制备方法，其特征在于：
(1)将生铁、废钢、75锰铁、75硅铁、电解镍、电解铜、回炉料等原材料，根据本发明材料中各元素的含量及各原材料中对应元素的含量进行配比计算后，按一定比例和加料顺序加入中频感应炉中；
(2)待炉内铁水温度达1450℃时，加入碎玻璃进行聚渣，捞渣；
(3)在浇包内加入75硅铁和ZL109碎块作为孕育剂；当铁水温度达1500℃时，倒入上述浇包，进行包内孕育；
(5)于1450℃以上进行浇注，浇注成离心铸造毛坯。
由于浇包内高温铁水遇到水时会产生飞溅，因此在加入75硅铁和ZL109碎块前可以先将75硅铁和ZL109碎块进行预热烘干，预热温度可以为200℃左右。
本发明选用1.5～2.9％的含碳量和1.5～3.0％的含硅量，在于碳硅合适的搭配，使碳硅含量接近有利于铸铁按Fe-C平衡相图的稳定系进行结晶的碳硅含量，促进石墨化，从而形成奥氏体-石墨共晶组织，而不是按介稳定系结晶的莱氏体(即奥氏体-渗碳体)组织。碳过低会缺少石墨核心，不利于石墨化；碳过高则会有先共晶石墨产生，恶化铸件组织和性能。硅过低，减弱促进石墨化的作用；硅过高，会缩小奥氏体区，不利于形成室温奥氏体。
本发明选用5.0～8.0％的镍含量和5.0～7.5％的锰含量以及3.0～6.0％的铜含量，在于镍锰铜合适的搭配，使奥氏体区扩大，使共析转变温度降至室温以下，利于在室温下获得奥氏体基体组织，同时镍铜亦促进石墨化。镍锰铜含量过低，室温下易出现非奥氏体基体组织。镍过高则增加材料成本，有违发明本意；锰过高，锰易与碳、铁结合形成合金渗碳体(FeMn)3C，出现白口组织，使铸件硬度提高，恶化机械加工性能，同时奥氏体基体含锰高，会使基体具有高锰钢的特性，即很容易加工硬化而相当耐磨，使铸件无法进行机械加工；铜过高，则会以单质铜的形式析出于组织之中，于铸件性能不利，同时铜过剩亦是资源浪费。
本发明把镍的含量降低到5.0～8.0％，大幅度降低了贵重金属镍的用量，同时适当的降低铜含量，把铬作为非添加元素进行控制，在降低了材料成本的同时，使材料的金相组织和各种性能接近或达到L-NiCuCr1562材料的水平，能够满足活塞镶圈合金材料的需要。同时，除能够用于活塞镶圈外，也可以应用作其它合金制品。
本发明的制备方法中，在合金熔炼时不加入铝，而是利用铝在用量小于4％时强烈地促进石墨化的特性，在浇包中加入ZL109碎块，进行包内孕育处理。不但可避免因在合金熔炼时加入铝而带来的氧化、烧损，使铸件产生气孔、夹渣的缺陷；而且，同时采用75硅铁和ZL109在浇包内进行孕育处理，铸件获得奥氏体基体和A型石墨及少量的碳化物，铸件的硬度适合于机械加工而又具有耐磨性。同时，可精确控制铝的加入量。
附图说明
图1为实施例1中铸铁石墨形态的金相显微组织照片。
图2为实施例1中铸铁碳化物含量及分布的金相显微组织照片。
图3为实施例2中铸铁石墨形态的金相显微组织照片。
图4为实施例2中铸铁碳化物含量及分布的金相显微组织照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
在中频感应炉中加入以下炉料：
生铁55％：含C 4.1％，Si 1.6％，Mn 0.24％，余量为Fe；
废钢14％：含C 0.3％，Si 0.3％，Mn 0.5％，余量为Fe；
75锰铁8％：含C 1.6％，Si 1.15％，Mn 77％；Cr 0.2％，余量为Fe；
75硅铁2％：含C 0.1％，Si 76％，Mn 0.35％；Cr 0.24％，余量为Fe；
电解镍6％：含Ni 99.9％以上；
电解铜5％：含Cu 99.9％以上；
回炉料10％：含C 2.87％，Si 2.18％，Ni 5.25％，Mn 7.4％，Cu 4.8％，余量为Fe。
待炉内铁水温度达1450℃时，加入碎玻璃作为聚渣剂进行聚渣，捞渣；
根据炉内所加原料的总量计，在浇包内加入已预热至200℃左右的75硅铁0.6％和ZL109碎块0.6％；铁水温度达1500℃时，倒入上述浇包，进行包内孕育；于1450℃以上，采用离心浇注机浇注成离心套筒。分析其化学成分如下(重量百分比平均值)：
C 2.6％，Si 2.8％，Ni 6.2％，Mn 6.9％，Cu 4.9％，Cr 0.12％，Al 0.3％，S 0.01％，P 0.05％，余量为Fe和原料中带入的少量杂质。
得到的合金的石墨形态的金相显微组织见图1，试样抛光未浸蚀100×。铸件金相组织为：在奥氏体基体上分布着A型石墨和少量碳化物。石墨形态为A型，石墨长度50～100μm，符合JB/T10407-2004《内燃机铝活塞奥氏体铸铁镶圈金相检验》标准中1级石墨形态。
碳化物含量及分布的金相显微组织见图2，试样用硝酸酒精浸蚀100×。碳化物分布均匀，尺寸细小，含量约1％。符合JB/T10407-2004《内燃机铝活塞奥氏体铸铁镶圈金相检验》标准中1级碳化物。
通过对合金材料进行测试，其力学及物理性能如下：
硬度：156～163HBS
密度：ρ＝7.3g/cm3
抗拉强度：σb＝180 MPa
弹性模量：E＝120×103MPa
线膨胀系数：α＝18.4×10-6/℃。
导热系数：λ＝46W/m·℃
从测试结果可以看出，本发明的活塞镶圈合金材料达到了国际标准IS02892《奥氏体铸铁》中牌号为L-NiCuCr1562材料的要求。
实施例2
在中频感应炉中依次加入以下炉料：
生铁56％：含C 4.1％，Si 1.6％，Mn 0.24％，余量为Fe；
废钢14％：含C 0.3％，Si 0.3％，Mn 0.5％，余量为Fe；
75锰铁7％：含C 1.6％，Si 1.15％，Mn 77％；Cr 0.2％，余量为Fe；
75硅铁1％：含C 0.1％，Si 76％，Mn 0.35％；Cr 0.24％，余量为Fe；
电解镍7％：含Ni 99.9％以上；
电解铜5％：含Cu 99.9％以上；
回炉料10％：含C 2.6％，Si 2.8％，Ni 4.5％，Mn 7.0％，Cu 3.0％，余量为Fe。
待炉内铁水温度达1450℃时，加入碎玻璃进行聚渣，捞渣；
根据炉内所加原料的总量计，在浇包内加入已预热至200℃左右的75硅铁0.6％和ZL109碎块0.6％；铁水温度达1500℃时，倒入上述浇包，进行包内孕育；于1450℃以上，采用离心浇注机浇注成离心套筒。分析其化学成分如下(重量百分比平均值)：
C 2.6％，Si 2.6％，Mn 6.2％，Ni 7.4％，Cu 4.4％，Cr 0.07％，Al 0.28％，S 0.006％，P 0.05％，余量为Fe和原料中带入的少量杂质。
得到的合金的石墨形态的金相显微组织见图3，试样抛光未浸蚀100×。铸件金相组织为：在奥氏体基体上分布着A型石墨和少量碳化物。石墨形态为A型，石墨长度50～100μm，符合JB/T10407-2004《内燃机铝活塞奥氏体铸铁镶圈金相检验》标准中1级石墨形态。
碳化物含量及分布的金相显微组织见图4，试样用硝酸酒精溶液浸蚀400×。碳化物分布均匀，尺寸细小，含量小于1％。符合JB/T10407-2004《内燃机铝活塞奥氏体铸铁镶圈金相检验》标准中1级碳化物。
通过对合金材料进行测试，其力学及物理性能如下：
硬度：156～167HBS
密度：ρ＝7.3g/cm3
抗拉强度：σb＝178 MPa
弹性模量：E＝120×103MPa
线膨胀系数：α＝18.2×10-6/℃。
导热系数：λ＝43W/m·℃
从测试结果可以看出，综合性能仍达到或超过了国际标准ISO2892《奥氏体铸铁》的要求。
Claims (7)
1、一种奥氏体灰铸铁材料，其化学成分按重量百分比计为：
C1.5～2.9％，Si1.5～3.0％，Mn5.0～7.5％，Ni5.0～8.0％，Cu3.0～6.0％，0<Al≤0.3％，杂质总量≤0.25％，其余为Fe。
2、如权利要求1所述的奥氏体灰铸铁材料，其特征在于：其化学成分按重量百分比计为：
C2.6％，Si2.8％，Mn6.9％，Ni6.2％，Cu4.9％，Al0.3％，杂质总量≤0.25％，余量为Fe。
3、如权利要求1所述的奥氏体灰铸铁材料，其特征在于：其化学成分按重量百分比计为：C2.6％，Si2.6％，Mn6.2％，Ni7.4％，Cu4.4％，Al0.28％，杂质总量≤0.25％，余量为Fe。
4、一种权利要求1所述的奥氏体灰铸铁材料的制备方法，其特征在于：
(1)将生铁、废钢、75锰铁、75硅铁、电解镍、电解铜和回炉料，根据所生产的奥氏体灰铸铁中各元素的含量及各原材料中对应元素的含量进行配比计算后，按比例加入中频感应炉中；
(2)待炉内铁水温度达1450℃时，加入聚渣剂进行聚渣，捞渣；
(3)在浇包内加入75硅铁和ZL109碎块；当铁水温度达1500℃时，倒入浇包，进行包内孕育；
(4)于1450℃以上进行浇注，浇注成离心铸造毛坯。
5、如权利要求4所述的奥氏体灰铸铁材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中75硅铁和ZL109在加入浇包前先预热烘干。
6、如权利要求4或5所述的奥氏体灰铸铁材料的制备方法，其特征在于：在所述的步骤(3)中孕育硅铁的加入量为步骤(1)中原材料总重量的0.3～0.7％。
7、如权利要求4或5所述的奥氏体灰铸铁材料的制备方法，其特征在于：在所述的步骤(3)中ZL109的加入量为步骤(1)中原材料总重量的0.3～0.7％。
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