CN101716665A - 高性能发动机合金缸套离心铸造工艺 - Google Patents
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Abstract
一种高性能发动机合金缸套离心铸造工艺，通过优化模具设计，改善铸件熔体凝固时的散热条件，同时在现有缸套材料中添加锡而合金化，同时减少总孕育量，适当增加浇包孕育，使石墨更加细化、珠光体稳定性提高，从而提高缸套材料的耐磨性能。
Description
技术领域
本发明涉及发动机合金缸套铸造工艺，特别是高性能发动机合金缸套离心铸造工艺。
背景技术
发动机缸套是在高温、高速和高压力环境下工作的，为此，要求其制备材料具有较高的室高温强度、良好的耐磨性能和高的组织结构稳定性。近年来，节能减排经济发展模式要求发动机缸套使用温度提高、自身重量尽量减轻、使用寿命增长，为此，广泛地采用高性能合金铸铁材质制备缸套。为了提高缸套工作温度、降低发动机自重、提高发动机寿命、减少废气排放，特别是在重型运载机车上，对于发动机缸套材料的石墨形态及基体要求更为严格。因此，为了满足越来越高的技术要求，必须在合金化制备高性能合金材质缸套基础上，进一步研发缸套离心铸造新工艺。
技术要求：某国际品牌合金材质缸套的成分规范及其性能要求，其合金材质气缸套化学成分质量规范(wt.％)：
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Cu | Fe |
| 3.2~3.5 | 1.8~2.2 | 0.6~1.0 | 0.3~0.5 | ≤0.12 | 0.2~0.5 | 0.2~0.5 | 余量 |
组织光学金相要求：
石墨及基体要求(在缸套成品任一部位均应达到下述要求)：
A型≥70％，大小为“ASTM”4~6级(40μm≤石墨长度≤160μm)；基体为片状珠光体，其中自由铁素体≤5％；磷共晶呈非连续网状分布。
力学性能要求：
抗拉强度：δb≥260MPa；硬度：HB220~HB280。
采用新型工艺前的生产现状及现状分析：
目前，在我国行业标准规定，针对离心铸造缸套的金相检测部位选择一般在距离近工作面2mm范围以内，而该缸套的组织光学金相检测要求远远高于行业要求：其要求在整个缸套截面上的组织均应符合要求。因此，采用传统离心铸造工艺，由于离心铸造过程熔体顺序凝固方式及离心力的作用，制备的缸套材料的抗拉强度及硬度虽然能满足产品力学性能要求，但是，缸套件在外圆部分的石墨能达到产品要求时，内圆石墨长度往往大于160μm；另一方面，在内圆石墨能达到产品要求时，外圆石墨形态中A型石墨百分比往往小于70％。组织不能满足产品石墨技术要求。
鉴于此，经过分析和研究，研发新的缸套离心铸造新工艺，其中，在满足外圆石墨形态的前提条件下，重点控制内圆石墨形态及长度。在此新工艺中，外圆石墨形态的保证主要措施是通过模具优化设计，以改善铸件熔体凝固时的散热条件。而控制内圆石墨形态及长度是通过添加微量合金元素细化珠光体基体，同时细化石墨；同时采取措施，减少铁水在顺序凝固中内层铁水的共晶团，从而抑制内层石墨生长。
发明内容
本发明的目的是提供一种高性能发动机合金缸套离心铸造工艺，旨在满足外圆石墨形状的前提条件下，重点控制内圆石墨形状及长度，使缸套合金材料的基体组织更加细化、均匀，从而提高缸套的耐磨性能。
本发明的目的是这样实现的：一种发动机合金缸套离心铸造工艺，按以下步骤进行：
a)、针对该合金材质缸套，将模具内腔设计为圆台形，减缓模具端部散热，提高缸套熔体及铸件的散热均匀性；同时，保证涂料涂挂更为均匀；
b)、优化设计毛坯加工余量，提高成形件截面组织均匀性。毛坯内腔设计为圆台型，毛坯外圆加工余量单边不少于2.5毫米，内腔余量单边不少于3.0毫米；
c)、在满足材料基本化学成分以重量百分比计(wt.％)：C 3.2～3.5，Si 1.8～2.2，Mn 0.6～1.0，P 0.3～0.5，S≤0.12，Cr 0.2～0.5，Cu 0.2～0.5，余量为F的基础上，添加0.05wt.％~0.20wt.％的锡合金化，随炉料加入或随孕育剂一起加入，以细化缸套材料的基体组织，细化石墨；
d)、孕育：总孕育量控制在0.3~0.8wt.％，在该孕育量范围内适当增加浇包孕育，浇包孕育量大于等于0.1％，保证铁水在顺序凝固过程中增加外层铁水共晶团，减少内层铁水共晶团，抑制内层石墨生长；
e)、浇注时，采用隔热效果较佳的石棉粉基涂料，涂料厚度控制在1.0~1.5毫米；
f)、浇注完至放水间隔时间为10~25秒，以减缓熔体的散热和铸件的冷却；放水激冷时间根据模具温度情况及铸件壁厚确定，保证有足够高的初始浇注模温。
采用新工艺的化学成分质量规范及材料的性能指标：
化学成分质量规范(wt.％)
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Cu | Sn | Fe |
| 3.2~3.5 | 1.8~2.2 | 0.6~1.0 | 0.2~0.5 | ≤0.12 | 0.2~0.5 | 0.2~0.5 | 0.05~0.20 | 余量 |
新工艺下材料的力学性能：抗拉强度σb≥280MPa；硬度HB240～HB280。
新型工艺条件下气缸套的金相组织：
由以上分析测试可知，采用新技术后的合金材质缸套材料，其显微组织及材料力学性能全面地达到了要求，相比传统缸套铸件离心铸造工艺，材料综合性能大幅度提高。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
合金材质缸套离心铸造新工艺：
1、通过添加微量锡进行合金化，使缸套材料的基体组织更加细化、均匀，同时，使石墨更加细化，珠光体稳定性提高，以提高缸套材料的耐磨性能。
2、减少孕育总量，适当增加浇包孕育，使铁水在顺序凝固过程中外层铁水共晶团的增加，内层铁水共晶团的减少，促进外层片状石墨形成，抑制内层石墨生长，解决内外石墨形态与石墨长度之间的矛盾。
3、采用圆台形模具，使模具散热均匀性得到提高；同时，提高了涂料的涂挂性及其均匀性，改善铸件熔体顺序凝固的可控性，促进外层石墨在离心铸造条件下形成片状石墨。
4、低熔点合金锡在加入时采用随炉料加入或随孕育剂一起加入，避免低熔点合金在铸造中产生偏析。
具体实施方式
一、合金材质缸套离心铸造工艺：
1、模具设计工艺：
针对该合金材质缸套，将模具内腔设计为圆台形，减缓模具端部散热，提高缸套熔体及铸件的散热均匀性；同时，保证涂料涂挂更为均匀。
优化设计毛坯加工余量，提高成形件截面组织均匀性。毛坯外圆加工余量单边不少于2.5毫米，内腔余量单边不少于3.0毫米。
2、熔炼工艺：
化学成分优化质量规范(％)：在满足材料基本化学成分基础上，添加0.05％～0.20％的锡(Sn)合金化，其目的是细化缸套材料的基体组织，细化石墨。
锡的加入方法：随炉料加入或随孕育剂一起加入。
孕育：总孕育量控制在0.3~0.8wt.％。在该孕育量范围内适当增加浇包孕育，浇包孕育量大于等于0.1％，保证铁水在顺序凝固过程中增加外层铁水共晶团，减少内层铁水共晶团，抑制内层石墨生长。
3、浇注工艺：
采用隔热效果较佳的石棉粉基涂料，涂料厚度控制在1.0～1.5毫米。
4、水冷参数：
浇注完至放水间隔时间为10～25秒，以减缓熔体的散热和铸件的冷却。
放水激冷时间根据模具温度情况及铸件壁厚确定。保证有足够高的初始浇注模温。
二、采用新工艺的化学成分质量规范及材料的性能
1、新工艺下的化学成分质量规范(wt.％)
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Cu | Sn | Fe |
| 3.2～3.5 | 1.8～2.2 | 0.6～1.0 | 0.2～0.5 | ≤0.12 | 0.2～0.5 | 0.2～0.5 | 0.05～0.20 | 余量 |
2、新工艺下材料的力学性能：抗拉强度σb≥280MPa；硬度HB240～HB280。
3、新型工艺条件下气缸套的金相组织：
由以上分析测试可知，采用新技术后的合金材质缸套材料，其显微组织及材料力学性能全面地达到了要求，相比传统缸套铸件离心铸造工艺，材料综合性能大幅度提高。
合金材质缸套离心铸造新工艺发明创新点：
通过添加微量锡进行合金化，使缸套材料的基体组织更加细化、均匀，同时，使石墨更加细化，珠光体稳定性提高，以提高缸套材料的耐磨性能。
减少孕育总量，适当增加浇包孕育，使铁水在顺序凝固过程中外层铁水共晶团的增加，内层铁水共晶团的减少，促进外层片状石墨形成，抑制内层石墨生长，解决内外石墨形态与石墨长度之间的矛盾。
采用圆台形模具，使模具散热均匀性得到提高；同时，提高了涂料的涂挂性及其均匀性，改善铸件熔体顺序凝固的可控性，促进外层石墨在离心铸造条件下形成片状石墨。
低熔点合金锡在加入时采用随炉料加入或随孕育剂一起加入，避免低熔点合金在铸造中产生偏析。
Claims (4)
1.一种发动机合金缸套离心铸造工艺，其特征是：按以下步骤进行：
a)、优化设计毛坯加工余量，提高成形件截面组织均匀性，毛坯外圆加工余量单边不少于2.5毫米，内腔余量单边不少于3.0毫米；
b)、在满足材料以重量百分比计基本化学成分：C 3.2～3.5，Si 1.8～2.2，Mn 0.6～1.0，P 0.3～0.5，S≤0.12，Cr 0.2～0.5，Cu 0.2～0.5，余量为铁的基础上，添加0.05wt.％~0.20wt.％的锡合金化；
c)、孕育：总孕育量控制在0.3~0.8wt.％，其中，浇包孕育的孕育量大于等于0.1％；
d)、浇注时，模具内腔涂料厚度控制在1.0毫米以上；
e)、浇注完至放水间隔时间为10~25秒；放水激冷时间根据模具温度情况及铸件壁厚确定，保证有足够高的初始浇注模温。
2.根据权利要求1所述的发动机合金缸套离心铸造工艺，其特征是：所述锡合金化时，锡随炉料加入或随孕育剂一起加入。
3.根据权利要求1或2所述的发动机合金缸套离心铸造工艺，其特征是：所述涂料为石棉粉基涂料。
4.根据权利要求3所述的发动机合金缸套离心铸造工艺，其特征是：所述加工毛坯内腔设计为圆台型。
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