CN101591750A - 铜硼铬高性能低成本缸套材料 - Google Patents
铜硼铬高性能低成本缸套材料 Download PDFInfo
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Abstract
一种铜硼铬缸套材料，在灰口铸铁基础上，由按重量百分比计的以下合金化添加元素组成：C 2.9％～3.3％；S 0.08％；P 0.1％～0.3％；Mn 0.7％～1.0％；Si 2.2％～2.7％；Cr 0.45％～0.55％；Ti 0.05％～0.1％；B 0.06％～0.08％；Cu0.3％～0.5％。该材料的石墨形态要求A型或B型＞85％、(D+E)≤15％，工艺上采用大比例复合孕育剂孕育铁水及使用高保温性涂料，材料的性能达到抗拉强度≥270MPa、抗弯强度≥500MPa、弹性模量≥100GPa、快速磨损径向磨损值≤0.065mm；其综合性能优于原缸套钒钛材质性能，同时材料成本得到降低，从而提高了市场竞争力。
Description
技术领域
本发明涉及合金材料，特别是用于缸套生产的高性能低成本的合金材料。
背景技术
当前，国内生产缸套的专业生产厂家有数十家，相互之间竞争十分激烈。除产品质量竞争激烈外，价格竞争也十分突出，客户对产品的要求是质量好、价格低，只有质好、价低的产品才能在激烈的竞争市场里处于优势；否则，产品的销售会受到极大的影响。这就要求缸套生产厂家除不断提高产品质量外，还得不断降低缸套生产成本。本申请人是生产缸套和活塞专业厂家，为早期上市公司之一，至今生产缸套已有几十年历史，产品质量在同行业一直处于领先水平。目前，所生产的缸套材质有四大类，其中钒钛材质缸套因其具有优异的耐磨性，一直深受客户青睐，每年该类材质缸套产量也最大，约占本企业生产的缸套总产量的65％左右，但是，近几年来，钒钛材质缸套材料中主要的合金化元素钒的价格不断攀升，致使钒钛材质缸套的生产成本大幅度提高，使其销售量受到显著影响。为了解决这一问题，研发低成本、高耐磨性的新型缸套材料势在必行。
发明内容
本发明的目的是提供一种性能高、成本低的铜硼铬高性能低成本缸套材料。
本发明的目的是这样实现的：一种铜硼铬缸套材料，其特征是：在灰口铸铁基础上，由按重量百分比计的以下合金化添加元素组成：
C 2.9％～3.3％；S ≤0.08％；P 0.1％～0.3％；Mn 0.7％～1.0％；Si 2.2％～2.7％；Cr 0.45％～0.55％；Ti 0.05％～0.1％；B 0.06％～0.08％；Cu 0.3％～0.5％。
本发明缸套材料命名为YHG06，目的是代替钒钛材质，性能上与钒钛相当或超越，成本比钒钛材料低。钒钛材质缸套我公司已生产近30年，该材料具有很好的综合性能，经长期实际应用，优化出该缸套材料的抗拉强度为260MPa～280MPa，抗弯强度约500MPa～550MPa，材料快速磨损径向磨损值在0.05～0.065mm范围。虽然，原生产的钒钛缸套经过长期实际应用客户反映性能优异，且占据很大的国内市场份额，但是，该材料存在弹性模量值偏低，约为85GPa，造成缸套壁厚不得不加厚，缸套单件过重。此外，经核算每吨钒钛缸套材料目前成本较高，其中，每吨铸件中金属钒的成本占总材料成本12％左右。
YHG06缸套材料的性能指标和成本目标如下：
1、抗拉强度≥270MPa；
2、抗弯强度≥500MPa；
3、弹性模量≥100GPa；
4、快速磨损径向磨损值≤0.065mm；
5、材料成本降低5％以上。
采取的技术工艺措施：
为了使新研发的YHG06材料达到甚至超过钒钛材质的综合性能，同时又兼顾降低铸造成本，在全面综述国内外关于灰口铸铁研究成果的基础上，参考我们生产缸套的多年经验积累，拟定在普通硼材质材料基础上研发一种铜硼铬材料，同时还添加部分新的合金化元素，并且研究相应的新技术和工艺措施。整体技术要求及措施分析如下：
1、将材料的硬度提高到HB250～HB280。目的是除耐磨相起耐磨作用外，提高缸套的基体硬度，提高缸套材料的整体耐磨性能。同时，提高缸套材料的硬度，使缸套材料的抗拉强度和抗弯强度相应提高。
2、严格控制石墨形态，提高缸套的耐磨性。要求石墨形态以A型或B型为主，(D+E)≤15％。由于A型石墨呈片状，石墨在缸套与活塞环工作时可以起到耐磨剂作用，并且，石墨脱落后留下的孔洞可以起到储油作用，这样保证或提高缸套的耐磨性的稳定性；同时，保证缸套材料具有高的韧性。如果D、E型石墨数量较多，不仅没起到提高耐磨性作用，反而因其呈方向性分布，降低共晶团结合力，导致材料的强度降低。
3、加入铜(Cu)元素进行合金化。目的是通过铜原子对基体的固溶强化作用，增强共晶体的结合力，达到材料的抗拉、抗弯强度的提高，同时，可以提高材料的弹性模量；此外，铜属于石墨化元素，铜元素合金化可以减少碳和硅的添加量，一方面降低灰口铸铁白口化倾向；另一方面，减少灰口铸铁的石墨体积百分比，有效地提高其弹性模量。但是，金属铜的价格较高，其添加量需要酌情考虑。
4、加入较高的铬(Cr)元素合金化。目的是提高材料的硬度和强度。铬的加入，可以起到细化共晶体晶团的作用，使基体组织更加致密，从而提高材料的硬度和强度；铬属于强碳化物形成元素，铬的添加，促使灰口铸铁基体中碳化物的形成，致使基体形成珠光体；同时铬的碳化物具有高硬度、高耐磨性，可以提高缸套材料的耐磨性能。但是，铬属于灰口铸铁促使白口化的合金化元素，它的添加，会对石墨形态产生影响，石墨形态会变差，同时会促进渗碳体的产生，减低材料的强度。
5、在研究的新型缸套灰口铸铁中还添加硼(B)、磷(P)和钛(Ti)等合金化元素。硼是强碳化物形成元素，可以形成超高硬度的硼化物；磷的添加，在灰口铸铁中形成磷的三元共晶体或磷的二元共晶体，在含硼的灰口铸铁中，可以形成三维P-B-Fe多元共晶体，具有很高的耐磨性能，并且，它与基体具有很强的把持能力；强碳化物钛的添加，可以形成碳化钛化合物和硼化钛，这两者化合物均具有较高的硬度，可以作为硬质点相提高材料的耐磨性能。本材料的研发，基于形成多种不同物性的硬质点相组成的复合耐磨体，保证材料具有优异的耐磨性能。
6、为了利于A型石墨的获得，采用了多级孕育和合金化孕育处理一体化，强化了孕育效能，保证在强碳化物元素添加时，研发的缸套灰口铸铁仍然具有良好的A型石墨形态。
7、为了减缓缸套冷却速度，减少碳化物的形成，减小缸套内外硬度差，利于A型或B型石墨的获得，采用了高保温涂料，保证在强碳化物形成的同时，缸套不易出现白口组织。
本发明YHG06缸套材料，通过试验和性能参数测试，以及材料成本核算，可以得知具有以下创新点：
1、化学成分创新
为了使材料具有高的强度、高的弹性模量、特别是优异的耐磨性，以及良好的加工性，我们在普通硼材质材料基础上，研发出加铜(Cu)、铬(Cr)、钛(Ti)等元素成分，从而使得该材料的综合性能达到、甚至优于原缸套钒钛材质性能，特别是弹性模量和耐磨性提高十分突出。
2、工艺创新
为了在加入反石墨化元素成分后，仍然保证稳定获得A型或B型石墨，在生产中采用了大剂量、多级孕育工艺，以及研发使用了高保温涂料，并取得良好的效果。
3、社会效益和经济效益突出
所研发的YHG06缸套材料，由于添加的合金元素成分为普通合金，而钒钛材质中加入的钒为稀有资源金属，两者相比，YHG06缸套材料的成功研发大大节约了稀有资源，创造了一定的社会效益；此外YHG06缸套材料性能上优于钒钛材质，接近YHG05材料，但吨材料成本比YHG05材料降低许多，从而可为公司创制良好的经济效益。
具体实施方式
本发明缸套材料合金化成分及性能指标等如下：
1、化学成分：通过对关键合金化元素的优化实验，得到最优合金化添加元素成分范围，如铬、铜、钛等如下表所示：
| 元素 | C | S | P | Mn | Si | Cr | Ti | B | Cu |
| 含量(％) | 2.9~3.3 | ≤0.08 | 0.1~0.3 | 0.7~1.0 | 2.2~2.7 | 0.45~0.55 | 0.05~0.1 | 0.06~0.08 | 0.3~0.5 |
2、孕育比例：
在实验过程中，通过优化，该材料生产时采用75硅铁、硅钡复合孕育剂进行孕育，总孕育量控制在0.7％～1.2％范围内；
3、硬度控制：
综合考虑缸套灰口铸铁材料的强度、弹性模量、基体的耐磨性，以及材料机加工的加工性能，将该材料的硬度控制在HB250～HB280范围内；
4、石墨形态和量的控制：
为了保证缸套耐磨性能，通过试验确认，该材料的石墨形态应以A型或B型为主，(D+E)≤15％，这样既利于缸套的耐磨，又有利于强度的提高；减少石墨含量，以提高材料的弹性模量；
5、性能指标；
按照以上要求进行控制，通过研发和试制，研发出的YHG06缸套材料，其各项性能指标实际值如下：
抗拉强度：284MPa～315MPa，较原缸套钒钛材质提高了约10％；
抗弯强度：506MPa～546MPa，与原缸套钒钛材质相当；
弹性模量：105GPa～125GPa，较原缸套钒钛材质提高30％以上；
快速磨损径向磨损值：0.044mm(洛阳拖拉机研究所测试)，比原缸套钒钛材质提高30％以上；
由权威技术检测的性能指标对比看出，新研发的YHG06缸套材料的综合性能指标大大优于原钒钛材质缸套，基本上与我们研发的YHG05材料性能相当；
6、材料化学成分对石墨和性能的影响：
研发过程中我们对关键元素如C、Cr、Cu等对石墨或性能的影响作了对比试验，具体情况如下：
(1)、碳(C)的影响(下表中为元素的重量百分比省略％，下同)：
| C | S | P | Mn | Si | Cr | Ti | B | Cu | 石墨形态 | 硬度HB | 抗拉强度 | 抗弯强度 | 弹性模量 | 加工性能 |
| 2.89 | 0.03 | 0.16 | 0.85 | 2.56 | 0.5 | 0.08 | 0.065 | 0.42 | A、E＜15％ | 289 | 302 | 531 | 122 | 不好 |
| 3.15 | 0.032 | 0.17 | 0.86 | 2.55 | 0.51 | 0.07 | 0.065 | 0.42 | A、D＜10％ | 269 | 310 | 540 | 123 | 好 |
| 3.32 | 0.03 | 0.17 | 0.88 | 2.52 | 0.51 | 0.08 | 0.064 | 0.43 | A | 252 | 280 | 510 | 101 | 很好 |
从检测的数据可以看出：碳(C)较低时虽然强度指标较好，但硬度很高，石墨形态也变差，加工性能变差；碳(C)较高时，硬度较低、石墨形态较好，且易加工，但性能指标降低较多。
(2)、铬(Cr)的影响
| C | S | P | Mn | Si | Cr | Ti | B | Cu | 石墨形态 | 硬度HB | 抗拉强度 | 抗弯强度 | 弹性模量 | 加工性能 |
| 3.21 | 0.04 | 0.19 | 0.8 | 2.5 | 0.44 | 0.09 | 0.067 | 0.45 | A | 262 | 283 | 504 | 99 | 好 |
| 3.2 | 0.038 | 0.19 | 0.82 | 2.52 | 0.5 | 0.08 | 0.066 | 0.44 | A、D＜10％ | 269 | 302 | 521 | 112 | 好 |
| 3.19 | 0.037 | 0.18 | 0.82 | 2.5 | 0.56 | 0.08 | 0.066 | 0.45 | A、E＜10％ | 279 | 301 | 521 | 118.5 | 不好 |
从检测的数据可以看出：铬(Cr)较低时，石墨形态较好，硬度适中、易加工，但强度指标较低，而铬(Cr)较高时，硬度较高、石墨形态变差，强度指标未能提高，反而不易加工。
(3)、铜(Cu)的影响
| C | S | P | Mn | Si | Cr | Ti | B | Cu | 石墨形态 | 硬度HB | 抗拉强度 | 抗弯强度 | 弹性模量 | 加工性能 |
| 3.17 | 0.032 | 0.21 | 0.9 | 2.45 | 0.5 | 0.06 | 0.062 | 0.3 | A | 256 | 272 | 486 | 98 | 好 |
| 3.18 | 0.03 | 0.21 | 0.93 | 2.48 | 0.48 | 0.07 | 0.062 | 0.4 | A | 262 | 291 | 504 | 108 | 好 |
| 3.18 | 0.032 | 0.22 | 0.92 | 2.46 | 0.49 | 0.06 | 0.063 | 0.5 | A | 272 | 301 | 521 | 119 | 好 |
从检测的数据可以看出：铜(Cu)高或低时，石墨形态均很好，加工性能也理想，但铜(Cu)较低时，硬度、强度和弹性模量均较低，随着铜的增加，硬度、强度、弹性模量随之提高，尤其弹性模量特显突出，但考虑成本因素，在达到各项指标前提下，尽量控制铜量的多加入。
7、成本分析
在新研发的YHG06缸套材料中，合金化加入的为普通合金，如铬铁、铜、硼合金等，市场售价每吨仅几千元～几万元，而钒钛材质加入的钒合金因属于稀有资源金属，市场售价每吨达10多万元，因此，两种材料的价格存在显著差距，经材料成本核算，新研发的YHG06缸套材料与原缸套钒钛材质相比，材料成本约有降低，同YHG05缸套材料相比，材料成本降低较大。
Claims (8)
1、一种铜硼铬缸套材料，其特征是：在灰口铸铁基础上，由按重量百分比计的以下合金化添加元素组成：
C 2.9％～3.3％；S≤0.08％；P 0.1％～0.3％；Mn 0.7％～1.0％；Si 2.2％～2.7％；Cr 0.45％～0.55％；Ti 0.05％～0.1％；B 0.06％～0.08％；Cu 0.3％～0.5％。
2、根据权利要求1所述铜硼铬缸套材料，其特征是：所述合金化元素组成为：
C 3.15％；S≤0.032％；P 0.17％；Mn 0.86％；Si 2.55％；Cr 0.51％；Ti 0.07％；B 0.065％；Cu 0.42％。
3、根据权利要求1所述铜硼铬缸套材料，其特征是：所述合金化元素组成为：
C 3.2％；S≤0.038％；P 0.19％；Mn 0.82％；Si 2.52％；Cr 0.5％；Ti0.08％；B 0.066％；Cu 0.44％。
4、根据权利要求1所述铜硼铬缸套材料，其特征是：所述合金化元素组成为：
C 3.17％；S≤0.032％；P 0.21％；Mn 0.9％；Si 2.45％；Cr 0.5％；Ti0.06％；B 0.062％；Cu 0.3％。
5、根据权利要求1所述铜硼铬缸套材料，其特征是：所述合金化元素组成为：
C 3.18％；S≤0.03％；P 0.21％；Mn 0.93％；Si 2.48％；Cr 0.48％；Ti 0.07％；B 0.062％；Cu 0.4％。
6、根据权利要求1所述铜硼铬缸套材料，其特征是：所述合金化元素组成为：
C 3.18％；S≤0.032％；P 0.22％；Mn 0.92％；Si 2.46％；Cr 0.49％；Ti 0.06％；B 0.063％；Cu 0.5％。
7、根据权利要求1所述铜硼铬缸套材料，其特征是：所述材料的石墨形态A型或B型＞85％，石墨形态(D+E)≤15％。
8、根据权利要求1所述铜硼铬缸套材料，其特征是：所述材料生产时需采用75硅铁、硅钡复合孕育剂进行孕育，总孕育量控制在0.7％～1.2％范围内。
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