CN102534355A - 含铌富硅球墨铸铁、该球墨铸铁的制备方法及用球墨铸铁制成的活塞环 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含铌富硅球墨铸铁，该球墨铸铁由按重量配比的以下元素组成：C：2.9-3.4%；Si：4.3-4.8%；Mn：0-1.0%；P：0-0.1%；S：0-0.06%；Cr：0-0.2%；Cu：0-1.0%；Nb：0-0.6%；Mg：0-0.1%；Ce：0.02-0.03%，其余为Fe。铌富硅球墨铸铁是一种机械性能良好,表面处理性能优异，耐热、耐腐蚀性能强，且与PVD技术相匹配的新材料，尤其适用于制作活塞环。

Description

含铌富硅球墨铸铁、该球墨铸铁的制备方法及用球墨铸铁制成的活塞环
技术领域
本发明涉及一种含铌富硅球墨铸铁，尤其涉及一种用于活塞环PVD技术基材的球墨铸铁，属于机械制造业。
背景技术
柴油机目前发展的方向除趋向于高转速、大功率外，还需要具有优良的节能、减排功能，在对柴油机关键零部件活塞环表面处理技术提出更高要求的同时，其相应基材的耐磨、耐热、耐蚀、可表面处理性能也同步要求不断提高。传统的活塞环表面镀铬处理技术则具有工序复杂、对环境污染影响大等缺点，而 PVD的应用替代了传统的镀铬技术，不但避免了对环境的污染，而且提高了活塞环外圆工作面的使用寿命。 
球墨铸铁是20世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢，已应用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、弹性模量要求较高的零部件上，但球墨铸铁在表面无耐磨涂层时，其耐磨性不如合金铸铁。球铁环PVD涂层主要用于外圆面，对活塞环外圆面的耐磨性及耐蚀性有了较大的提高，但是现有的球墨铸铁活塞环自身的耐磨性、耐热性与PVD技术不能很好匹配和相容，成为提高活塞环性能的最大障碍。解决这一问题的办法有二，一是闪镀，提高耐磨性，但耐热性没有提高；二是提升球墨铸铁本身的耐磨性和耐热性。闪镀因为工序复杂及成本较高，同时闪镀使用的镀铬方法还涉及环保问题，不能满足现代化绿色工艺的要求，因此研发一种热稳定性及耐磨性更高的球墨铸铁，为PVD技术提供新的基材才是解决问题的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含铌富硅球墨铸铁，该球墨铸铁用于PVD基材时与PVD技术可以良好的匹配和相容。
本发明提供的含铌富硅球墨铸铁，由按重量配比的以下元素组成：C：2.9-3.4%；Si：4.3-4.8%；Mn：0-1.0%；P：0-0.1%；S：0-0.06%；Cr：0-0.2%；Cu：0-1.0%；Nb：0-0.6%；Mg：0-0.1%；Ce：0.02-0.03%，其余为Fe。
一种上述含铌富硅球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：
（1）在炉内有开炉块或剩余铁水的变频炉或中频炉中按比例进行配料、加料、熔化；
（2）在铁水升温到1420℃时扒渣、搅拌，取快速分析样，化验C、Si、S三元素的含量；
（3）在铁水升温到1540℃时扒渣，烫球化处理包，根据据快速分析结果加入适量SiC调整炉内C、Si含量；
（4）升温1580℃扒渣，加入球化剂0.8%-1.0%，加入锶硅孕育剂孕育处理；
（5）叠箱浇注、震动落砂机落砂、抛丸机清理、去毛刺机去毛刺后得含铌富硅球墨铸铁毛坯。
 一种用上述含铌富硅球墨铸铁制成的活塞环。
本发明提供的含铌富硅球墨铸铁，有以下优点：
一、含铌富硅球墨铸铁中石墨球径约20微米，为普通球铁的1/2，密度为800～1200个/mm2，球化率80%以上，均匀分布。使疲劳强度、抗弯强度、弹性模量有一定的提高；同时，由于球墨球径为普通球铁的1/2，有利于屏蔽石墨孔洞，在镀膜时膜覆盖球墨的能力明显优于普通球铁，可以采用薄的过渡层，膜基结合强度高，与PVD或过渡层的结合性能也更好。
二、含铌富硅球墨铸铁中基体为Nb(CN)硬质相、调质组织和富硅铁素体，前者是一种密度大、弥散分布均匀的硬质微粒，呈团块状，尺寸为3-8um，硬质相密度≥1100个/mm2,HV2000-2500，它使球墨铸铁具有良好的耐热、耐磨性能和抗擦伤能力。富硅铁素体本身具有较好的耐磨能力，经磨合后它和调质组织形成众多的小平台与微凹坑有序交错分布，改善了活塞环与缸套摩擦副的接触面，使其具有良好的储油、控油性能、耐磨性能。
三、由于含铌、富硅的影响，使含铌富硅球墨铸铁在耐热性试验中弹力消失率相当于普通球铁的1/2，因此在同等的高温条件下，含铌富硅球墨铸铁的弹力保持性能更好，密封性能更高。
四、含铌富硅球墨铸铁具有比普通球铁更好的机械性能和切削性能，含铌富硅球墨铸铁材质的硬度HRB107-111，比碳化物铸铁G2、F14材质的硬度略低，但含铌富硅球墨铸铁硬质相高度弥散分布，粒度只有3-8微米，对切削性能影响极小，机械性能对比如下表：
材质 硬度HRB 抗弯强度MPa 弹性模量MPa
普通球铁环 104-112 ＞860 150000-162000
H11-A环 107-111 ＞1000 160000-168000
附图说明
图1为含铌富硅球墨铸铁的金相石墨图片。
图2为含铌富硅球墨铸铁基体图片。
图3为含铌富硅球墨铸铁耐热性实验数据图。
图4为含铌富硅球墨铸铁耐腐蚀性实验结果图。
图5为普通球铁耐腐蚀性实验结果图。
图6为含铌富硅球墨铸铁膜基结合强度测试结果图。
图7为含铌富硅球墨铸铁装车实验结果图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1 含铌富硅球墨铸铁的制备
    在炉内有开炉块或剩余铁水的变频炉或中频炉中按权利要求1的成分进行配料、加料、熔化并捣料，在铁水升温到1420℃时扒渣、搅拌，取样快速分析，化验C、Si、S三元素的含量，在铁水升温到1540℃时扒渣，烫球化处理包，根据快速分析结果加入适量SiC，调节炉内C、Si含量，升温1580℃扒渣，加入球化剂0.8%-1.0%，加入锶硅孕育剂孕育处理，叠箱浇注、落砂机落砂、抛丸机清理、去毛刺机去毛刺后得含铌富硅球墨铸铁毛坯。
实施例2 耐热性实验
    对普通球铁和含铌富硅球墨铸铁进行耐热性实验，结果如图3。由图3可知耐热性试验中含铌富硅球墨铸铁弹力消失率只有普通球铁的1/2，因此在同样的高温条件下，含铌富硅球墨铸铁的弹力保持性能更好，密封性能更高。
实施例3 耐腐蚀性实验
采用浓度为5%硫酸溶液浸泡普通球铁和含铌富硅球墨铸铁，浸泡5小时后在金相显微镜下观察，结果如图4、图5，由图可见这两种材质的腐蚀程度明显不同，普通球铁的颜色深而灰暗，球状石墨的边缘比较模糊；含铌富硅球墨铸铁的颜色浅而白亮，球状石墨边缘比较清晰。该实验表明含铌富硅球墨铸铁的耐腐蚀性比普通球铁强。
实施例4 膜基结合强度测试
    目前PVD活塞环测定膜基结合强度常用三种方法：一是活塞环行业经验测试法：捏合活塞环至闭口间隙，松开再捏合，反覆几次听声响，看环背外圆面有无皱纹；扭转90°活塞环观察开口对方外圆表面有无皱纹、膜层有无剥落崩缺；拉断活塞环观察断口处膜层有无剥落崩缺。二是用HRB压坑法测试，将环的膜层在HRB硬度计上加载100㎏f测试，卸载后在金相显微镜下观察有无贯穿性裂纹；三是采用划痕测试法，划痕仪移动速度10mm/min，加载速度100N/min，载荷范围10-60N,观察出现裂纹时的载荷。
用镀镍或氮化过渡层的PVD处理后的含铌富硅球墨铸铁活塞环进行前两项测试，结果为捏合无声响，环背外圆表面无皱纹；扭转90°及拉断膜层无崩缺剥落。压坑法采用100㎏f测试，结果压坑及其附近没有出现小贯穿性裂纹，见图6。说明含铌富硅球墨铸铁具有优良的可表面处理性，膜基结合强度高。
实施例5 装车实验
    用492柴油机装在北汽福田（车型BJ1021MT42）上进行了比实际运载更为恶劣条件下的装车实验。其中一道环为铌富硅球墨铸铁基材、镀镍过渡层PVD处理，共行驶了10107公里。实验分为四个阶段：                                                
Figure 2012100154922100002DEST_PATH_IMAGE001
磨合阶段。运行了3000 Km，换油； 空载到满载。全速运行了3000Km，车速最高110km/h； 超载50%（载荷为额定载荷500Kg的150%即750Kg）行驶了3100Km；
Figure 2012100154922100002DEST_PATH_IMAGE004
 超载100%（载荷为额定载荷500Kg的200%即1000Kg）行驶1007公里。结果如图7，活塞环上仅出现一亮带，宽度测量为0.35-0.46mm，外观良好，无膜崩缺剥落的情况。
装车实验前后的一道环相关数据参见下表：
Figure 2012100154922100002DEST_PATH_IMAGE005
数据变化很小完全说明了铌富硅球墨铸铁能依靠本身的优良特征来满足492机型增压内燃机的工况要求。
    以上实验和测试表明，本发明提供的铌富硅球墨铸铁是一种机械性能良好,表面处理性能优异，耐热、耐腐蚀性能强，且与PVD技术相匹配的新材料，尤其适用于制作活塞环。

Claims (3)

1.一种含铌富硅球墨铸铁，由按重量配比的以下元素组成：C：2.9-3.4%；Si：4.3-4.8%；Mn：0-1.0%；P：0-0.1%；S：0-0.06%；Cr：0-0.2%；Cu：0-1.0%；Nb：0-0.6%；Mg：0-0.1%；Ce：0.02-0.03%，其余为Fe。
2.一种权利要求1所述含铌富硅球墨铸铁的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）在炉内有开炉块或剩余铁水的变频炉或中频炉中按权利要求1所述的成分要求进行配料、加料、熔化；
（2）在铁水升温到1420℃时扒渣、搅拌，取样快速分析，化验C、Si、S三元素的含量；
（3）在铁水升温到1540℃时扒渣，烫球化处理包，根据快速分析结果加入适量SiC调整炉内C、Si含量；
（4）升温1580℃扒渣，加入球化剂0.8%-1.0%，加入锶硅孕育剂孕育处理；
（5）叠箱浇注、落砂机落砂、抛丸机清理、去毛刺机去毛刺后得含铌富硅球墨铸铁毛坯。
3.一种用权利要求1所述的含铌富硅球墨铸铁制成的活塞环。
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