CN102168223B - 铝活塞镶圈的耐磨材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铝活塞镶圈的耐磨材料，其包括以下质量分数的成分，C3.4-5.2％，Si 2.4-3.7％，Ni 2.5-4.5％，Mn 5.5-9.5％，Cu 5.1-6.3％，B 0.005-0.03％，S 0-0.1％，P 0-0.1％，Mg或Re0.03-0.05％，余量为Fe；本发明所公开的用于铝活塞镶圈的铸铁材料，镍含量只有目前使用的标准铸铁材料的30％-60％，成本上大大的降低，而主要的各项性能指标均达到或超过目前行业使用的铸铁材料标准，所以该材料可以取代当前市面上使用的主流铸铁材料，成为新型的内燃机铝活塞镶圈材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种奥氏体铸铁材料，特别是属于一种用于铝活塞镶圈的耐磨材料。
背景技术
传统的铝活塞就是用铝合金浇注，加工而成；而发动机内部的工作环境是相当恶劣的。我们先来了解一下活塞在汽车发动机内部的工作原理：活塞在汽车发动机中是做上下直线运动的；活塞顶部在曲轴旋转中心最远的位置叫上死点、最近的位置叫下死点、从上死点到下死点的距离叫活塞冲程。活塞式航空发动机大多是四冲程发动机，即一个气缸完成一个工作循环，活塞在气缸内要经过四个冲程，依次是进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。
从进气冲程吸入新鲜混合气体起，到排气冲程排出废气止，汽油的热能通过燃烧转化为推动活塞运动的机械能，带动螺旋桨旋转而作功，这一总的过程叫做一个“循环”。这是一种周而复始的运动。由于其中包含着热能到机械能的转化，所以又叫做“热循环”。所以说，活塞在发动机内部的工作环境是相当恶劣的；只要发动机在工作，活塞，活塞环就一直在做上下往复运动，在这一过程中，铝活塞与汽缸壁的摩擦就一直在进行着；活塞为铝材料，汽缸为铸铁件，由于材料的不同，摩擦系数不同，工作环境的恶劣导致铝活塞的磨损较快，由于铝活塞磨损最终降低汽车发动机的功率。要想延长发动机功率寿命，就要保证铝活塞在发动机汽缸内的磨损缓慢。
奥氏体铸铁用做内燃机活塞镶圈，是由于其热膨胀系数与铸造铝合金的热膨胀系数非常接近。此外，奥氏体铸铁还具有良好的耐磨性和导热性，因而这种材料在内燃机活塞行业得到了大量的应用。现有的铝活塞镶圈材料一般采用国际标准IS02892((奥氏体铸铁》中牌号为L-NiCuCrl562的奥氏体灰铸铁，其化学成分中的镍含量高，而镍为稀缺金属，价格昂贵，因此生产这种活塞镶圈成本较高。随着汽车行业的发展，对铝活塞镶圈的需求不断加大，由于金属镍价格的上浮，导致铝活塞镶圈的制造成本大幅增加。在铝活塞镶圈的价格不能及时响应随之上涨的前提下。这种现象给活塞镶圈的制造商造成了极大地压力。
另外，中国专利文献CN1526843A公布了一种低铝低镍中锰奥氏体铸铁及工艺方法，其化学成分按质量百分比计为：C 3.0-4.0％，Si2.0-3.0％，Ni 1.0-4.0％，Mn8.0-10.0％，Cu＜0.3％，Al≤0.3％。该材料具有较低的镍含量，降低了生产的成本，但是镍含量太低，会导致铸铁弹性较差，易断裂，且达到的奥氏体稳定性较差。此外，该材料含锰量较高，易形成合金碳化物，导致铸件性能恶化，且硬度较高，难以进行机加工。
发明内容
本发明的目的即在于提供一种新型的用于铝活塞镶圈的铸铁材料，克服现有材料存在的问题，在保证其机械性能的基础上，达到降低成本的目的。
一种铝活塞镶圈的耐磨材料，其包括以下质量分数的成分，C 3.4-5.2％，Si 2.4-3.7％，Ni 2.5-4.5％，Mn 5.5-8.5％，Cu 5.1-6.3％，B 0.005-0.03％，S 0-0.1％，P 0-0.1％，Mg或Re0.03-0.05％，余量为Fe。
上述铝活塞镶圈的耐磨材料，其包括以下质量分数的成分，C 4.82％，Si3.43％，Ni 4.27％，Mn 7.66％，Cu 5.31％，B 0.025％，S 0.05％，P 0.06％，Mg或Re0.042％，余量为Fe。
本发明通过合理的成分设计，调节Ni、Mn、Cu三元素含量及添加微量元素B成分，成功的开发出了一种用于铝活塞镶圈的奥氏体灰铸铁材料，成分选择的理由与效果：
(1)C、Si：主要根据碳当量CE与Si/C比确定。CE接近共晶成分时，铁液具有较好的流动性：CE一定时，Si/C比从0.5-0.7-0.9变化时，石墨片的分布类型由E型-A型-D型变化。本发明选择的C、Si含量既保证了碳当量CE接近共晶成分，也保证了合适的Si/C比。
(2)Ni、Mn、Cu：扩大奥氏体相区、稳定奥氏体组织的元素。金属镍价格昂贵，企业生产成本太高；镍含量太低，产品质量难以保证。因此，本发明选择中镍含量的奥氏体灰铸铁作为本发明的突破口。Mn过高，易与碳、铁结合形成合金渗碳体(Fe，Mn)3C，使铸件硬度提高，机械加工困难。此外，Mn是阻碍石墨化的元素，故锰含量不易过高。锰含量太低，取代镍含量有限，达不到降低成本的目的。因此，本发明选用5.5-9.5％中等含量的锰。铜过高，则会以单质铜的形式游离于组织中，对铸件性能不利，同时铜过剩使成本提高，有违本发明本意。
(3)B：硼元素的加入最重要的作用是细化了石墨，从而得到细片状的A型石墨，对铸铁的抗拉强度与抗弯强度影响不大，硬度有所提高。此时铸铁具备了良好的减摩性和耐磨性。石墨具有良好的润滑作用，起到了减摩作用，即使在摩擦磨损过程中石墨脱落，石墨留下的孔洞也可以储存润滑油，继续起到减摩作用。但是，随着B含量的增加，硼碳化结构将变得复杂，数量增加，宏观上硬度与脆度均会增加，而韧性会降低，因此硼含量不宜过高，0.005-0.03％较为适宜。
(4)Mg或Re：能够改善铸铁材料的热加工性能，并提高产品成材率；并且，Re可以使铸铁材料的铁水使其微金化，由连续网状碳化物变为断网状碳化物。
同时，该材料也具有良好的耐磨性。铸铁中的硼碳化物硬度较高，从而使材料具有极好的耐磨性。
本发明所公开的用于铝活塞镶圈的铸铁材料，金相组织为奥氏体基体和分布在基体上的细片状A型石墨及少量的硼碳化物。主要性能指标有：抗拉强度≥170Mpa，抗弯强度≥340Mpa，硬度HBW130-170。各项性能指标均达到或超过国际标准IS02892《奥氏体铸铁》中的奥氏体铸铁的要求，尤其是最重要的物理性能指标：20-200℃平均线膨胀系数，与铝合金的热膨胀系数非常接近，用作铝活塞镶圈时与铝合金的热膨胀系数能够很好的匹配，能够减少热应力带来的不利影响。
本发明所公开的用于铝活塞镶圈的铸铁材料，镍含量只有目前通用的铸铁材料的30％-60％，成本上大大的降低，而主要的各项性能指标均达到或超过目前的行业要求的技术标准，所以该材料可以取代目前主流的铸铁材料，成为新型的内燃机铝活塞镶圈材料。
由于具有上述结构，本发明相比现有技术有以下优点：
1、本发明铝活塞镶圈的耐磨材料，由于降低了镍含量，使得产品的成本大大降低。
2、本发明铝活塞镶圈的耐磨材料，由于加入了硼，使石墨细片化，使铸铁材料具备良好的减磨性和耐磨性。
3、本发明铝活塞镶圈的耐磨材料，由于加入了Mg或Re，提高了铸铁材料的加工性能，使铸铁材料镍降低的同时，任然具有良好的加工性能。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一：化学组分质量份数为：C 3.4％，Si 2.4％，Ni 4.5％，Mn 5.5％，Cu 5.1％，B 0.005％，Mg 0.05％。
(1)将铸铁、锰铁、纯镍、硼铁、镁等原材料，按相应成分的质量之比依次加入到中频感应炉中。
(2)待炉内铁水温度达到1450℃左右时，加入聚渣剂进行聚渣，捞渣。
(3)在烧包内加入75-硅铁，硅铁的加入量为原料总量的0.6-0.7％；当铁水温度达到1500℃左右时，倒入烧包，进行包内孕育。
(4)1450℃左右将铁水倒入离心铸造机进行浇注。
经化学成分检测，该材料的化学成分按质量百分比计为：
C 3.42％，Si2.41％，Ni 4.47％，Mn 5.52％，Cu 5.19％，B 0.005％，Mg0.05％，S 0.03％，P 0.1％，余量为Fe。
试样经过4％硝酸酒精腐蚀，金相组织为奥氏体基体及分布在其上的细片状A型石墨和少量的硼碳化物。石墨形态主要为A型，且分布均匀。
实施例二：化学组分质量份数为：C 5.2％，Si 3.7％，Ni 2.5％，Mn 8.5％，Cu 6.3％，B 0.03％，Re 0.05％。
(1)将铸铁、锰铁、纯镍、硼铁、稀土等原材料，按相应成分的质量之比依次加入到中频感应炉中。
(2)待炉内铁水温度达到1450℃左右时，加入聚渣剂进行聚渣，捞渣。
(3)在烧包内加入75-硅铁，硅铁的加入量为原料总量的0.6-0.7％；当铁水温度达到1500℃左右时，倒入烧包，进行包内孕育。
(4)1450℃左右将铁水倒入离心铸造机进行浇注。
经化学成分检测，该材料的化学成分按质量百分比计为：
C 5.18％，Si3.69％，Ni 2.55％，Mn 8.32％，Cu 6.13％，B 0.005％，Re 0.05％，S 0.1％，P 0.05％，余量为Fe。
试样经过4％硝酸酒精腐蚀，金相组织为奥氏体基体及分布在其上的细片状A型石墨和少量的硼碳化物。石墨形态主要为A型，且分布均匀。
实施例三：化学组分质量份数为：C 4.82％，Si 3.43％，Ni 4.27％，Mn 7.66％，Cu 5.31％，B 0.025％，Re0.042％。
(1)将铸铁、锰铁、纯镍、硼铁、稀土等原材料，按相应成分的质量之比依次加入到中频感应炉中。
(2)待炉内铁水温度达到1450℃左右时，加入聚渣剂进行聚渣，捞渣。
(3)在烧包内加入75-硅铁，硅铁的加入量为原料总量的0.6-0.7％；当铁水温度达到1500℃左右时，倒入烧包，进行包内孕育。
(4)1450℃左右将铁水倒入离心铸造机进行浇注。
经化学成分检测，该材料的化学成分按质量百分比计为：
C 4.83％，Si3.49％，Ni 4.25％，Mn 7.67％，Cu 5.33％，B 0.022％，Re 0.05％，S 0.05％，P 0.07％，余量为Fe。
试样经过4％硝酸酒精腐蚀，金相组织为奥氏体基体及分布在其上的细片状A型石墨和少量的硼碳化物。石墨形态主要为A型，且分布均匀。
将实施例三制得的试样经物理及理学性能检测，主要性能指标如下：20-200℃平均线膨胀系数：19.8×106/℃；抗拉强度：193.6Mpa；抗弯强度：383.7Mpa；硬度HBW：158.3。与目前行业中该类型铸铁材料的性能指标对比如下表：
由上表可知，本发明提供的铝活基镶圈的耐磨材料主要的各项性能指标均达到或超过目前行业使用的铸铁材料标准，并且其镍含量只有当前市面上主要铸铁材料的30％-60％，而且由于加入了Mg或Re，使其在镍含量降低的情况下，任然具有良好的加工性能，所以该材料可以取代当前市面上使用的主流铸铁材料，成为新型的内燃机铝活塞镶圈材料。
Claims (2)
1.一种铝活塞镶圈的耐磨材料，其特征在于：包括以下质量分数的成分，C3.4-5.2％，S i 2.4-3.7％，Ni 2.5-4.5％，Mn 5.5-8.5％，Cu 5.1-6.3％，B0.005-0.03％，S 0-0.1％，P 0-0.1％，Mg或RE0.03-0.05％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的铝活塞镶圈的耐磨材料，其特征在于：包括以下质量分数的成分，C 4.82％，S i 3.43％，Ni 4.27％，Mn 7.66％，Cu 5.31％，B 0.025％，S 0.05％，P 0.06％，Mg或RE0.042％，余量为Fe。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20110831 Assignee: SHIYAN TONGLU INDUSTRIAL Co.,Ltd. Assignor: Wang Tao Contract record no.: 2013420000100 Denomination of invention: Wear-resistant material of aluminum piston inlaid ring Granted publication date: 20130424 License type: Exclusive License Record date: 20130726 |
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| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20160531 Address after: Fig 442003 Shiyan city of Hubei province Ningxia Zhangwan District Road No. 8 Patentee after: HUBEI TONGLU AUTO PARTS CO.,LTD. Address before: 442000 Shiyan City, Hubei province city Zhangwan District Road No. 106 Patentee before: Wang Tao |
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Denomination of invention: Wear resistant material for aluminum piston insert ring Effective date of registration: 20220413 Granted publication date: 20130424 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Shiyan branch Pledgor: HUBEI TONGLU AUTO PARTS CO.,LTD. Registration number: Y2022980004204 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130424 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |