CN102041426A - 合金铸铁铸造气缸套工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种合金铸铁铸造气缸套工艺：1.熔炼工艺：在铸铁熔炼中，决定铸铁材质性能的关键点之一在于碳在铸铁中存在形式，取决于碳在铸铁中的石墨形态与石墨数量；2.浇注工艺：离心铸造以其组织致密、工效高的特点，特别适合作为规则回转体的气缸套毛坯浇注；3.孕育技术：在炉前或浇注前向铁水中添加适量的、以硅为主的铁合金颗粒成为孕育处理，通过孕育处理可以在铁水中提供大量的石墨借以生长的生核质点，有效的孕育将促进石墨的析出，消除白口，细化片状石墨并使过冷石墨转变为无方向性均布的A型石墨，可大幅度提高缸套机械性能；4.合金化工艺：目前在生产中经常加入铸铁中的元素有：Cr、Mo、Cu、V、Ti、P、Ni、W、Sb、Sn、B等，这些元素大多数用以改变基体组织、硬质相数量及分布情况、石墨的分布与形态，合金化的主要作用是提高铸件材质的强度和硬度；5.炉料的影响：从国内外的生产实践来看，用生铁必须使用高牌生铁(Si不低于3％、Mn接近1％)，不论是冲天炉或电炉，都难以采用低牌号生铁加硅铁、锰铁生产出优质铸件。分析原因，主要是“遗传性”和成分波动较大。

Description

合金铸铁铸造气缸套工艺

技术领域

本发明涉及工艺，具体涉及一种合金铸铁铸造气缸套工艺。

背景技术

气缸套作为发动机核心部件，又是发动机中承受高温、高压工况较恶劣的部件，其性能直接影响着整机的大修周期与功率稳定，因此需要气缸套采用性能好、品质优良的材质。合金元素在铸铁材质中对微观组织的作用和宏观表现特性，合金元素在气缸套加工过程中对切削性能的影响、在工作过程中的磨损机理，主要取决于合金铸铁铸造工艺。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种合金铸铁铸造工艺。

利用本发明的一种合金铸铁铸造工艺，制造气缸套能显著的提高缸套的机械性能，尤其是金相组织A型石墨的比例较高，有利于发动机润滑和储油性能，有利于改善发动机尾气排放和延长发动机使用寿命。

1.熔炼工艺

在铸铁熔炼中，决定铸铁材质性能的关键点之一在于碳在铸铁中存在形式，取决于碳在铸铁中的石墨形态与石墨数量。传统工艺方法采用降低铁水中的碳、硅含量来获得较高强度铸铁，但碳当量在亚共晶时又会出现D、E型石墨，增强了白口化趋势，恶化铸铁的机械性能。当前，在铸铁熔炼工艺中，碳的获得方式主要有两种，一种是利用原材料如生铁、废钢等本身所含有的，另一种是通过增碳剂对铁水渗碳获得。其中利用添加生铁、废钢来调整铸铁中碳量的方法简单易行，在机械性能要求不高的场合被普遍采用，但该工艺方法获得的铸铁材质，石墨形态较差，不适宜在耐磨、抗拉、硬度等机械性能要求高的气缸套中采用，根据气缸套高温、高压、高磨损的工况需求，气缸套铸铁材质的碳当量更适宜通过铁水渗碳方式来获得和控制，其优点是石墨形态好，分布均匀，大小合适。

在铸铁熔炼领域，有着一条普遍的观点：高温治百病。在采用冲天炉进行熔炼过程中，要保证达到足够高的铁水温度时间，要着力控制炉内的增碳量，以满足铁水低碳成分的要求。国内冲天炉大多采用冷风送风，铁水熔炼温度受到抑制，焦炭的渗碳量低，铁水中的碳只能通过添加生铁来获得，而生铁加入量越多，材质的性能就会越差，同时低温熔炼时碳的氧化减弱而铁的氧化加重，易造成铁水严重氧化、粘度加大、铁水中夹渣多且不宜排出，生核质点表面的渣化严重，不能起促进异质生核细化晶粒的作用，从而降低铸铁材质性能。而国外冲天炉熔炼都是采用热风送风，有的还加适量的氧，焦炭质量好，铁水熔炼温度高，焦炭在铁水中渗碳率高，铁水中的碳基本都是通过焦炭的碳原子扩散来获得，因此，生铁加入量很少。与国外冲天炉相比，国内冲天炉熔炼存在工艺条件、设备等先天不足。如果用冲天炉熔炼高性能合金铸铁气缸套，必须采用高温熔炼、在炉料中配入大量废钢，同时还应提高焦炭质量、采用热风操作、合理选用焦铁比等。

对于电炉熔炼同样存在碳的获得方式问题，要想获得理想的石墨形态及石墨数量，并非是只用生铁和废钢简单的配料，而在一定程度上是要通过加入渗碳剂来增碳，减少生铁的加入量，从根本上改善石墨的形态，提高合金铸铁的性能。

2.浇注工艺

离心铸造以其组织致密、工效高的特点，特别适合作为规则回转体的气缸套毛坯浇注，因此，已被世界上大约有90％的缸套制造商采用。目前，我国约有5000万只缸套是通过离心铸造工艺来生产的。但是在离心铸造生产合金铸铁气缸套时，由于铸型是金属模具，冷却速度较大，使得组织中容易形成D、E型石墨，导致抗拉强度低、硬度升高，切削性能较差。而高性能合金铸铁气缸套既要有高的强度和硬度，同时还应在较好的切削性能和配副性能。材料组织结构要求均匀分布、形态适中的A型石墨。基体以细片状珠光体较为理想，基体间存在极少的游离渗碳体和磷共晶。

在浇注过程中，铁水冷却速度的快慢会对石墨形态和金相组织产生很大影响，冷却的目的一是保持高的温度梯度，使液体金属的凝固为合理的顺序凝固；二是保护铸型、延长铸型的使用寿命；三是为了获得合格的金相组织。浇注完至水冷必须设置一定间隔时间，让浇注机作空冷状态，为的就是避免一次结晶时出现渗碳体组织，铸件水冷时间见下表：

气缸套毛坯离心铸造水冷时间

毛坯重量(Kg)	水冷时间(s)
		5-10	50-80
10-20	80-110
		20-30	110-130
30-40	130-150

3.孕育技术

在路前或浇注前向铁水中添加适量的、以硅为主的铁合金颗粒成为孕育处理，通过孕育处理可以在铁水中提供大量的石墨借以生长的生核质点，有效的孕育将促进石墨的析出，消除白口，细化片状石墨并使过冷石墨转变为无方向性均布的A型石墨，可大幅度提高缸套机械性能。随流孕育是生产高性能合金气缸套的关键技术，为使孕育有效，原铁水应具有较低的碳当量，碳当量越低，孕育效果越好，强度越高。由于硅可以用加入孕育剂的方法来调整，故原铁水的碳维持在2.8-3.2％左右，硅控制在稍低于能显著促进石墨化临界值，然后加入孕育剂使硅量超过临界值，获得良好的孕育效果。

随流孕育技术是高性能铸铁气缸套铸造生产中的一项非常关键的技术，随流孕育能有效的将孕育剂均匀地融入铁水中，从而在铁水中产生大量的均匀分布的晶核，改善石墨形态，促进石墨均匀析出，还能减少基体中游离分布的渗碳体和磷共晶，使珠光体组织片层间距均匀。

4.合金化工艺

目前在生产中经常加入铸铁中的元素有：Cr、Mo、Cu、V、Ti、P、Ni、W、Sb、Sn、B等，这些元素大多数用以改变基体组织、硬质相数量及分布情况、石墨的分布与形态，合金化的主要作用是提高铸件材质的强度和硬度。

Cu是生产合金铸铁最常加入的合金元素，主要原因是由于该元素在共晶凝固时有减小过冷，抑制渗碳体作用，在共析转变时具有促进并细化珠光体的作用，同时其熔点低，易熔化，合金效果好，并能有效降低铁水的白口倾向，改善了材质的切削性能。由于铜与氧亲和力比铁弱，铁可以保护其免受氧化，故在冲天炉熔炼时可在炉后添加。铜的适宜加入量为0.2-0.4％。

Ti在铁水中与氧、碳的亲和力强，容易形成氮化钛颗粒。一定数量的氮化钛或碳化钛颗粒分布在基体中可以提高气缸套的耐磨性，但碳化物对机械性能、加工性能不利，尤其在精镗、珩磨工序中严重影响加工质量，钛含量过多会使石墨过冷，容易产生大量D、E型石墨，因此必须限制钛的含量，一般小于0.05％，由于钛易氧化烧损，不宜炉后加入，而钛的熔点1660℃，难熔化，又不宜炉前加入，故应采用熔点较低的钛合金，如高温硅钛铁(熔点1250℃)在炉前加入铁水中。

Cr的合金效果非常强烈，铬的加入量可显著提高合金铸铁的强度、硬度，但铬使铁水白口倾向增加，并促使基体组织中产生大量索氏体，铸件易收缩，产生废品，恶化切削性能，一般控制铬含量0.2-0.3％，多采用铬锰硅合金用包内冲入法加入，铁水的白口倾向与收缩倾向并不明显。

Sb和Sn都是强烈稳定珠光体的合金元素，在冷却条件较差时，加入少量的锑和锡能明显提高铸件的硬度，锑的合金化作用比锡更强烈，锡对石墨形态影响较小，锑能明显缩短石墨长度，但并不细化石墨，容易出现C型石墨，因此要控制锑的含量在0.02％以下，否则会使材质脆化，产生负面影响。

5.炉料的影响

从国内外的生产实践来看，用生铁必须使用高牌生铁(Si不低于3％、Mn接近1％)，不论是冲天炉或电炉，都难以采用低牌号生铁加硅铁、锰铁生产出优质铸件。分析原因，主要是“遗传性”和成分波动较大。

本发明的有益效果是：通过一种合金铸铁铸造工艺制造气缸套，起到了防止白口倾向、细化金相组织、增加A型石墨比例，增强铸件机械性能，改善表面加工性能，显著提高铸件的铸造质量，达到高强度耐磨效果。

具体实施方式

1.熔炼工艺

在铸铁熔炼中，决定铸铁材质性能的关键点之一在于碳在铸铁中存在形式，取决于碳在铸铁中的石墨形态与石墨数量。传统工艺方法采用降低铁水中的碳、硅含量来获得较高强度铸铁，但碳当量在亚共晶时又会出现D、E型石墨，增强了白口化趋势，恶化铸铁的机械性能。当前，在铸铁熔炼工艺中，碳的获得方式主要有两种，一种是利用原材料如生铁、废钢等本身所含有的，另一种是通过增碳剂对铁水渗碳获得。其中利用添加生铁、废钢来调整铸铁中碳量的方法简单易行，在机械性能要求不高的场合被普遍采用，但该工艺方法获得的铸铁材质，石墨形态较差，不适宜在耐磨、抗拉、硬度等机械性能要求高的气缸套中采用，根据气缸套高温、高压、高磨损的工况需求，气缸套铸铁材质的碳当量更适宜通过铁水渗碳方式来获得和控制，其优点是石墨形态好，分布均匀，大小合适。

在铸铁熔炼领域，有着一条普遍的观点：高温治百病。在采用冲天炉进行熔炼过程中，要保证达到足够高的铁水温度时间，要着力控制炉内的增碳量，以满足铁水低碳成分的要求。国内冲天炉大多采用

冷风送风，铁水熔炼温度受到抑制，焦炭的渗碳量低，铁水中的碳只能通过添加生铁来获得，而生铁加入量越多，材质的性能就会越差，同时低温熔炼时碳的氧化减弱而铁的氧化加重，易造成铁水严重氧化、粘度加大、铁水中夹渣多且不宜排出，生核质点表面的渣化严重，不能起促进异质生核细化晶粒的作用，从而降低铸铁材质性能。而国外冲天炉熔炼都是采用热风送风，有的还加适量的氧，焦炭质量好，铁水熔炼温度高，焦炭在铁水中渗碳率高，铁水中的碳基本都是通过焦炭的碳原子扩散来获得，因此，生铁加入量很少。与国外冲天炉相比，国内冲天炉熔炼存在工艺条件、设备等先天不足。如果用冲天炉熔炼高性能合金铸铁气缸套，必须采用高温熔炼、在炉料中配入大量废钢，同时还应提高焦炭质量、采用热风操作、合理选用焦铁比等。

对于电炉熔炼同样存在碳的获得方式问题，要想获得理想的石墨形态及石墨数量，并非是只用生铁和废钢简单的配料，而在一定程度上是要通过加入渗碳剂来增碳，减少生铁的加入量，从根本上改善石墨的形态，提高合金铸铁的性能。

2.浇注工艺

离心铸造以其组织致密、工效高的特点，特别适合作为规则回转体的气缸套毛坯浇注，因此，已被世界上大约有90％的缸套制造商采用。目前，我国约有5000万只缸套是通过离心铸造工艺来生产的。但是在离心铸造生产合金铸铁气缸套时，由于铸型是金属模具，冷却速度较大，使得组织中容易形成D、E型石墨，导致抗拉强度低、硬度升高，切削性能较差。而高性能合金铸铁气缸套既要有高的强度和硬度，同时还应在较好的切削性能和配副性能。材料组织结构要求均匀分布、形态适中的A型石墨。基体以细片状珠光体较为理想，基体间存在极少的游离渗碳体和磷共晶。

在浇注过程中，铁水冷却速度的快慢会对石墨形态和金相组织产生很大影响，冷却的目的一是保持高的温度梯度，使液体金属的凝固

为合理的顺序凝固；二是保护铸型、延长铸型的使用寿命；三是为了获得合格的金相组织。浇注完至水冷必须设置一定间隔时间，让浇注机作空冷状态，为的就是避免一次结晶时出现渗碳体组织，铸件水冷时间见下表：

气缸套毛坯离心铸造水冷时间

毛坯重量(Kg)	水冷时间(s)
		5-10	50-80
10-20	80-110
		20-30	110-130
30-40	130-150

3.孕育技术

在路前或浇注前向铁水中添加适量的、以硅为主的铁合金颗粒成为孕育处理，通过孕育处理可以在铁水中提供大量的石墨借以生长的生核质点，有效的孕育将促进石墨的析出，消除白口，细化片状石墨并使过冷石墨转变为无方向性均布的A型石墨，可大幅度提高缸套机械性能。随流孕育是生产高性能合金气缸套的关键技术，为使孕育有效，原铁水应具有较低的碳当量，碳当量越低，孕育效果越好，强度越高。由于硅可以用加入孕育剂的方法来调整，故原铁水的碳维持在2.8-3.2％左右，硅控制在稍低于能显著促进石墨化临界值，然后加入孕育剂使硅量超过临界值，获得良好的孕育效果。

随流孕育技术是高性能铸铁气缸套铸造生产中的一项非常关键的技术，随流孕育能有效的将孕育剂均匀地融入铁水中，从而在铁水中产生大量的均匀分布的晶核，改善石墨形态，促进石墨均匀析出，还能减少基体中游离分布的渗碳体和磷共晶，使珠光体组织片层间距均匀。

4.合金化工艺

目前在生产中经常加入铸铁中的元素有：Cr、Mo、Cu、V、Ti、P、Ni、W、Sb、Sn、B等，这些元素大多数用以改变基体组织、硬质相数量及分布情况、石墨的分布与形态，合金化的主要作用是提高铸件材质的强度和硬度。

Cu是生产合金铸铁最常加入的合金元素，主要原因是由于该元素在共晶凝固时有减小过冷，抑制渗碳体作用，在共析转变时具有促进并细化珠光体的作用，同时其熔点低，易熔化，合金效果好，并能有效降低铁水的白口倾向，改善了材质的切削性能。由于铜与氧亲和力比铁弱，铁可以保护其免受氧化，故在冲天炉熔炼时可在炉后添加。铜的适宜加入量为0.2-0.4％。

Ti在铁水中与氧、碳的亲和力强，容易形成氮化钛颗粒。一定数量的氮化钛或碳化钛颗粒分布在基体中可以提高气缸套的耐磨性，但碳化物对机械性能、加工性能不利，尤其在精镗、珩磨工序中严重影响加工质量，钛含量过多会使石墨过冷，容易产生大量D、E型石墨，因此必须限制钛的含量，一般小于0.05％，由于钛易氧化烧损，不宜炉后加入，而钛的熔点1660℃，难熔化，又不宜炉前加入，故应采用熔点较低的钛合金，如高温硅钛铁(熔点1250℃)在炉前加入铁水中。

Cr的合金效果非常强烈，铬的加入量可显著提高合金铸铁的强度、硬度，但铬使铁水白口倾向增加，并促使基体组织中产生大量索氏体，铸件易收缩，产生废品，恶化切削性能，一般控制铬含量0.2-0.3％，多采用铬锰硅合金用包内冲入法加入，铁水的白口倾向与收缩倾向并不明显。

Sb和Sn都是强烈稳定珠光体的合金元素，在冷却条件较差时，加入少量的锑和锡能明显提高铸件的硬度，锑的合金化作用比锡更强烈，锡对石墨形态影响较小，锑能明显缩短石墨长度，但并不细化石墨，容易出现C型石墨，因此要控制锑的含量在0.02％以下，否则会使材质脆化，产生负面影响。

5.炉料的影响

从国内外的生产实践来看，用生铁必须使用高牌生铁(S i不低于3％、Mn接近1％)，不论是冲天炉或电炉，都难以采用低牌号生铁加硅铁、锰铁生产出优质铸件。分析原因，主要是“遗传性”和成分波动较大。

本发明的有益效果是：通过一种合金铸铁铸造工艺制造气缸套，起到了防止白口倾向、细化金相组织、增加A型石墨比例，增强铸件机械性能，改善表面加工性能，显著提高铸件的铸造质量，达到高强度耐磨效果。

Claims (5)

1.一种合金铸铁铸造工艺，其特征在于：利用本发明的一种合金铸铁铸造工艺，制造气缸套能显著的提高缸套的机械性能，尤其是金相组织A型石墨的比例较高，有利于发动机润滑和储油性能，有利于改善发动机尾气排放和延长发动机使用寿命。

2.根据权利要求1所述一种合金铸铁铸造工艺，其特征在于：在铸铁熔炼中，决定铸铁材质性能的关键点之一在于碳在铸铁中存在形式，取决于碳在铸铁中的石墨形态与石墨数量。

3.根据权利要求1所述一种合金铸铁铸造工艺，其特征在于：离心铸造以其组织致密、工效高的特点，特别适合作为规则回转体的气缸套毛坯浇注。

4.根据权利要求1所述一种合金铸铁铸造工艺，其特征在于：在炉前或浇注前向铁水中添加适量的、以硅为主的铁合金颗粒成为孕育处理。

5.根据权利要求1所述一种合金铸铁铸造工艺，其特征在于：加入Cr、Mo、Cu、V、Ti、P、Ni、W、Sb、Sn、B等，这些元素大多数用以改变基体组织、硬质相数量及分布情况、石墨的分布与形态，合金化的主要作用是提高铸件材质的强度和硬度。