CN103993219B

CN103993219B - 一种高强韧合成铸铁缸套材料及其制造工艺

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Publication number: CN103993219B
Application number: CN201410192321.6A
Authority: CN
Inventors: 林龙生; 程超增
Original assignee: Fujian Longsheng Machinery Co Ltd
Current assignee: Fujian Longsheng Machinery Co Ltd
Priority date: 2014-05-08
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2034-05-08
Also published as: CN103993219A

Abstract

本发明公开了一种高强韧合成铸铁缸套材料的制造工艺。其方法为以低碳素废钢为原材料，加入增碳剂进行增碳，及其铁合金，熔化成高碳高硅铁水；在铁水的表面加入高硅硅钢片，进行增硅降碳处理；然后在铁水内加入瞬时孕育剂，进行第二次瞬时复合孕育处理后，进行浇注毛坯，制得高强韧合成铸铁缸套材料。本发明提供的高强韧合成铸铁比通常合金铸铁铸造成本低15-20%，制得的高强韧合成铸铁缸套抗拉强度高于合金铸铁缸套80-130MPa，可达350-420MPa，硬度可控制在190-240，硬度差比合金铸铁缸套缩小20HB，可缩小为△HB≤10，弹性模量E≥140GPA，高强韧的合成铸铁可以减小缸套的壁厚，提高发动机功率，并且由于弹性模量高，硬度低、加工性能好，可以降低活塞配缸间隙，降低噪音，增加功率。

Description

一种高强韧合成铸铁缸套材料及其制造工艺

技术领域

本发明属于缸套材料的制备领域，具体涉及一种高强韧合成铸铁缸套材料及其制造工艺。

背景技术

高强韧合成铸铁具有晶粒细小，伸长率高，良好的耐磨、耐热的诸多优点，是一种能替代合金铸铁来制造汽车空压机、工程机械缸套、缸体、铁基活塞环等的理想材料，广泛应用于汽车、机械工业生产。但因高强韧合成铸铁在熔炉铸造过程中加了废钢，容易产生白口，铸造工艺复杂、性能不稳定，限制了其在机械工业生产中的应用。因此，必须控制高强韧合成铸铁金相机组织中的的石墨形态，严格选择废钢的化学成份，并通过特殊的增碳-降碳铸造工艺，减少其对基体性能的削弱作用。

由于高强韧合成铸铁具备的优越性能，国内对高强韧合成铸铁的研究开发由来已久，且持续进行中，见发明专利公开号103103433A严方贾的一种气缸套新材质及铸造工艺。按照原材料的配比：生铁：回炉铁：废钢=5：2：3。并加入Cr0.3-0.4%，Cu0.5-0.8%，B0.04-0.08%，在熔炼中进行三次硅锶孕育，达到硼铸铁缸套标准，在使用中有加入大量的生铁和比较复杂的孕育工艺。另一个发明申请公开号103060670A，王明泉、严方申请的高强度耐磨气缸套。按照回炉料：废钢1：1。配料加入Cu0.7-1.0%，Ni0.3-0.8%，Mo0.4-1.0%合金，气缸套硬度提高30HB，抗拉强度比一般合金铸铁气缸套提高20MPa。该项目需加入大量的铜、镍、钼贵重合金材料，铸造成本高，硬度高，抗拉强度仅提高20MPa。2010年西安大学林浩的《高强度合成灰铸铁组织性能及断裂特征》，提出不同废钢加入量对拉伸性能及断裂机理的影响，最高抗拉强度达HT300材料，未提出具体的产品应用及铸造工艺方法。

以上文献专利报道的高强度铸铁缸套的方法，可归纳为主要原材料废钢≤70%和加入生铁、回炉料以及加入铜、铬、钼、镍合金，及复杂的孕育工艺，来获取抗拉强度250MPa-320MPa，硬度≥250HBS的理化性能，未提及如何缩小硬度差，提高弹性模量的工艺参数及性能指标。

针对铁水孕育工艺，采取孕育剂主要有：硅铁孕育剂、石墨孕育剂、硅钡孕育剂、硅锶孕育剂，其处理方法有一次孕育、瞬时孕育、大块孕育、浮硅孕育等技术。其中研究较多的为硅钡孕育及二次孕育处理方法。对合成铸铁的主要原材料废钢分类几乎没有研究，孕育处理工艺也较为复杂，往往达不到预期目的。而其它工艺要么就是效果不显著，要么就是技术条件复杂，成本过高，不适合进行大规模化的工业生产。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术制造高强度的缸套抗拉强度低于300MPa、韧性差，硬度高，不适合大规模化的工业生产，提供一种高强韧合成铸铁缸套材料及其制造工艺。本发明提供的制造工艺比高强度合金铸铁铸造成本低15-20%，制得的高强韧合成铸铁缸套的抗拉强度高于合金铸铁缸套，可达420MPa，硬度可控制在190-240HB，加工性能良好，硬度均匀，硬度差比合金铸铁缸套缩小20HB，可缩小为△HB≤10，弹性模量E≥140Gpa。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高强韧合成铸铁缸套材料的制造工艺，以低碳素废钢为原材料，加入增碳剂进行增碳，并加入增硅材料、铁合金，熔化成高碳高硅铁水；在铁水的表面加入高硅硅钢片进行降碳增硅孕育处理；然后在铁水浇包内再加入瞬时孕育剂，进行第二次瞬时复合孕育处理后，进行浇注毛坯，制得高强韧合成铸铁缸套材料。

所述的废钢为低碳素钢，其化学成分为：C＜0.25wt%，Si为0.2-0.4wt%，Mn为0.4-0.8wt%，P＜0.1wt%，S＜0.1wt%，Cr＜0.4wt%，Ni＜0.4wt%。

所述的增碳剂为低硫低氮增碳剂，其化学成分为：C＞98.5%，硫＜0.05%，灰份＜0.5%，挥发份＜0.5%，其用量为废钢质量的2.5-5%。

所述的增硅材料为碳化硅，其用量为废钢质量的3-5%；所述的铁合金为紫铜、铬铁、锰铁、磷铁中的一种或多种，其用量为废钢质量的3-6%；其中，紫铜为99%紫铜、铬铁为65Cr、锰铁为65Mn、磷铁为Fe24。

所述的熔化其温度为1450-1500℃。

所述的高硅硅钢片其化学成分为：C＜0.25wt%，Si为1.7-2.8wt%，Mn为0.29-0.50wt%，S＜0.10wt%，P＜0.10wt%；高硅硅钢片的用量为铁水的1-6%。

增硅降碳孕育处理后，浇注毛坯时浇注温度为1520-1550℃。

瞬时孕育剂的成份为Si65-75%，Ca＜0.1%，Sr0.6-1.2%，Zr1.0-1.5%，A1＜0.5%，用量为铁水质量的0.5-1%。

第二次瞬时复合孕育处理后，浇注毛坯时浇注温度为1480-1520℃。

一种如上所述的制造工艺制得的高强韧合成铸铁缸套材料，金相组织中石墨呈A型，细片弯曲状，二头呈钝型（见图1），其抗拉强度可达420MPa，同一缸套的硬度差△HB≤10，弹性模量≥140GPA。

废钢的含碳量极低，加入全部的废钢替代生铁，容易形成低碳微区，在加入废钢的同时又加入增碳剂，进行复合增碳、形成“高碳区”。由于“高碳区”和“微碳区”的存在形成浓度起伏区。低碳微区使铁水具有很强的形成奥氏体能力，晶核细小、均匀，在随后的冷却过程中由于奥氏体转变为珠光体，也极细小（见图2），有利于抗拉强度提高。“高碳区”和“低碳区”的存在也提供了晶核细化的孕育条件。另一方面针对废钢低硅的特点，把原铁水含硅量提高到相当于孕育铸铁的含硅量，改变了传统高强度配方低硅的原铁水特征。即形成原铁水的“低硅区”和加入特殊增硅孕育剂后的“高硅区”，增强了铁水内碳原子的游离扩散能力，促进了其出生奥氏体核晶向石墨的成长速度，大大削弱了初生奥氏体的形成，又减少了在熔炼过程中加入合金的成份偏析，大大增强了铁水的孕育能力，易于控制石墨形态获得A型石墨。在加入特殊增硅孕育剂的同时，又降低了铁水的含碳量，这种“炉前增碳高硅，炉后增硅降碳”的特殊工艺，有力提高了抗拉强度及延伸率，硬度均匀性极大提升，改变缸套加工性能和理化性能。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明的制造工艺操作简单，易于实现，且其铸造成本比高强度合金铸铁低15-20%。

（2）经本发明的制造工艺制得的高强韧合成铸铁缸套材料，其抗拉强度高于合金铸铁缸套100-120MPa，可达350-4200MPa，硬度可控制在190-240HB，加工性能良好，硬度均匀，硬度差比合金铸铁缸套缩小20HB，可缩小为△HB≤10，弹性模量E≥140Gpa。

（3）高强韧合成铸铁缸套材料可以减小缸套的壁厚，提高发动机功率，以生产沃尔沃湿式缸套为例，每个缸套可减少0.50kg以上；由于硬度低、强度高、伸长率好，与活塞的热膨胀性能匹配好，从而可以降低活塞配缸间隙，降低噪音，增加功率；而且金属之间结合匹配好，可以降低汽缸的扭曲，降低爆震，增加曲轴箱的刚性，从而可增加发动机功率。

附图说明

图1为高强韧合成铸铁缸套材料的金相分析的显微镜图；

图2为珠光体片层结构（铁素体+渗碳体）；

图3为实施例1制得的高强韧合成铸铁缸套材料进行金相分析时的基体组织；

图4为实施例2制得的高强韧合成铸铁缸套材料的SEM（二次电子衍射）图；

图5为实施例2制得的高强韧合成铸铁缸套材料的SEM（背散射电子衍射）图；

图6为实施例3制得的高强韧合成铸铁缸套材料的检测报告。

具体实施方式

本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。

实施例1

1、废钢的选用：废钢的含碳量低，成份范围内有害物质控制较严，基于废钢的含碳量稳定，杂质少的特点，而选用废钢作为高强度缸套的首要原材料，直接取消生铁的原料。

由于废钢种类很多，不同种类的废钢含碳量不同，钢中的合金元素的种类和含量也有很大差别，本发明选用的废钢为低碳素钢（A3船板剪切料，螺纹切头，槽钢、角钢切头等）。

表1废钢的化学成份要求

2、增碳加硅、降碳孕育处理

在中频电炉内加入800kg废钢，加入20kg低硫低氮增碳剂、和9.6kg紫铜、硅铁24kg、铬铁3.6kg，此时铁水的熔化温度为1450℃，铁水完全熔化后；在铁水的表面加入特殊孕育剂即高硅硅钢片16kg进行增硅降碳处理，用快速分析仪，检验复合孕育后铁水的化学成份，检测其含量是否符合规定要求，达到孕育后的铁水成份后，此时铁水温度为1520℃；

表2铁水的化学成份

3、第二次瞬时复合孕育处理

在浇注毛坯的小铁水内再加入4.8kg瞬时孕育剂，进行第二次瞬时复合孕育处理后，进行浇注毛坯，此时浇注温度为1480℃。

将制得的高强韧合成铸铁缸套材料送检，由福建省机械工业材料测试中心站出具检测报告，检测结果为：抗拉强度433N/mm²；福建省产品质量检验研究院出具检测报告，硬度△HB190P-240HBS，硬度差△HB≤10，弹性模量E≥140GPa。

金相：A型石墨＞90%，珠光体基体100%，铁素体含量＜1%，见图3。

铸造成本比高强度合金铸铁低15-20%。

实施例2

表3废钢的化学成份要求

2、增碳加硅、降碳孕育处理

在中频电炉内加入700kg废钢，加入17.5kg低硫低氮增碳剂增碳剂、8.4kg紫铜、硅铁21kg、铬铁4.2kg，此时铁水的熔化温度为1500℃，铁水完全熔化后；在铁水的表面加入特殊孕育剂即高硅硅钢片14kg进行增硅降碳处理，用快速分析仪，检验复合孕育后铁水的化学成份，看其含量是否符合规定要求，达到孕育后的铁水成份后，浇注毛坯；此时铁水温度为1550℃；

表4铁水的化学成分

3、第二次瞬时复合孕育处理及浇注工艺的调整控制

在浇注毛坯的小铁水内再加入4.2kg瞬时孕育剂孕育剂，进行第二次瞬时复合孕育处理后，进行浇注毛坯，调整模具温度及模具厚度，控制出模温度及速度，此时浇注温度为1520℃，表面形貌呈现微小蝴蝶花的形状，表现为微小凹坑状（见图4、图5扫描电镜拍摄的表面形貌），凹坑深度《0.006mm，凹坑口部直径《0.04mm，相邻凹坑之间间距《0.7mm，储油，提高润滑质量，减少内燃机汽缸套和活塞之间的磨损，降低机油油耗量和废气排放，节能减排。

将制得的高强韧合成铸铁缸套材料送检，由福建省机械工业材料测试中心站出具检测报告（见图6），检测结果为：抗拉强度420N/mm²；硬度△HB190-240HBS，硬度差△HB≤10，弹性模量E≥140GPa。

金相：A型石墨＞90%，珠光体基体100%，铁素体含量＜1%。

铸造成本比高强度合金铸铁低15-20%。

实施例3

表5废钢的化学成份要求

2、增碳加硅、降碳孕育处理

在中频电炉内加入600kg废钢，加入30kg低硫低氮增碳剂、紫铜7.2kg、硅铁25kg、铬铁2.7kg，此时铁水的熔化温度为1480℃，铁水完全熔化后；在铁水的表面加入特殊孕育剂即高硅硅钢片12kg，进行增硅降碳处理，用快速分析仪，检验复合孕育后铁水的化学成份，看其含量是否符合规定要求，达到孕育后的铁水成份后，此时铁水温度为1535℃；

表6铁水的化学成份

3、第二次瞬时复合孕育处理

在浇注毛坯的小铁水内再加入3.6kg瞬时孕育剂，进行第二次瞬时复合孕育处理后，进行浇注毛坯，此时浇注温度为1500℃。

将制得的高强韧合成铸铁缸套材料送检，由福建省机械工业材料测试中心站出具检测报告，检测结果为：抗拉强度433N/mm²；硬度△HB190-240HBS，硬度差△HB≤10，弹性模量E≥140GPa。

金相：A型石墨＞90%，珠光体基体100%，铁素体含量＜1%。

铸造成本比高强度合金铸铁低15-20%。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种高强韧合成铸铁缸套材料的制造工艺，其特征在于：以废钢为原材料，加入增碳剂进行增碳；然后加入铁合金、增硅材料，熔化成高碳高硅铁水；在铁水的表面加入高硅硅钢片进行降碳增硅孕育处理；然后在铁水浇包内再加入瞬时孕育剂，进行第二次瞬时复合孕育处理后，进行浇注毛坯，制得合成铸铁缸套材料；所述的废钢为低碳素钢，其化学成分为：C＜0.25wt%，Si为0.2-0.4wt%，Mn为0.4-0.8wt%，P＜0.1wt%，S＜0.1wt%，Cr＜0.4wt%，Ni＜0.4wt%；所述的增碳剂为低硫低氮增碳剂，其化学成分为：C＞98.5%，硫＜0.05%，灰份＜0.5%，挥发份＜0.5%，其用量为废钢质量的2.5-5%；所述的增硅材料为碳化硅，其用量为废钢质量的3-5%；所述的铁合金为紫铜、铬铁、锰铁、磷铁中的一种或多种，其用量为废钢质量的3-6%；所述的高硅硅钢片其化学成分为：C＜0.25wt%，Si为1.7-2.8wt%，Mn为0.29-0.50wt%，S＜0.10wt%，P＜0.10wt%；高硅硅钢片的用量为铁水质量的1-6%。

2.根据权利要求1所述的高强韧合成铸铁缸套材料的制造工艺，其特征在于：所述的熔化温度为1540-1580℃。

3.根据权利要求1所述的高强韧合成铸铁缸套材料的制造工艺，其特征在于：所述的瞬时孕育剂其成分为Si65-75%，Ca＜0.1%,Sr0.6-1.2%，Zr1.0-1.5%，A1＜0.5%，用量为铁水质量的0.5-1%。

4.根据权利要求1所述的高强韧合成铸铁缸套材料的制造工艺，其特征在于：第二次瞬时复合孕育处理后，浇注毛坯时浇注温度为1480-1520℃。

5.一种如权利要求1所述的制造工艺制得的高强韧合成铸铁缸套材料，其特征在于：所述的合成铸铁缸套材料的金相中的石墨形态呈细片A型，形状弯曲，石墨的二头呈钝状，强性模量E＞140GPA，抗拉强度≥420MPa，同一缸套硬度差△HB≤10。