CN104561752A - 一种活塞用稀有难熔金属增强奥氏体铸铁材料及制备方法 - Google Patents

一种活塞用稀有难熔金属增强奥氏体铸铁材料及制备方法 Download PDF

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崔岩寿
侯小强
张国华
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Abstract

本发明涉及一种活塞用稀有难熔金属增强奥氏体铸铁材料及制备方法。用于活塞镶圈的奥氏体铸铁合金，机械性能好，从而满足高性能活塞镶圈的要求。这种铸铁合金的主要机械性能为：抗拉强度：δb≥170MPa，抗弯强度：δbb≥340MPa，硬度：HBW120-170。镶圈在铸入活塞，加工成成品时的硬度仍要求HBW120-170。这是原有镶圈材料所达不到的。同时，这种铸铁材料在20-200℃温度下的平均线膨胀系数λ≥18×10-6/℃，与现有的奥氏体铸铁材料的线膨胀系数相同。平均线膨胀系数是其能否作为活塞镶圈材料的基本指标。

Description

一种活塞用稀有难熔金属增强奥氏体铸铁材料及制备方法
技术领域
本发明涉及铸铁材料领域，特别涉及一种活塞用稀有难熔金属增强奥氏体铸铁材料及制备方法。
背景技术
活塞镶圈一般采用奥氏体铸铁材料，可有效增强活塞第一道环槽的耐磨性，延长活塞的使用寿命。目前在高性能发动机上都普遍采用了这种活塞镶圈。活塞镶圈的质量优劣直接影响到活塞的使用情况以及整个发动机的性能，而活塞镶圈合金材料是影响其性能的关键。
目前的活塞镶圈采用的奥氏体铸铁材料为(高镍)奥氏体铸铁材料，在镶圈铸入活塞后，镶圈的机械性能由于受到铝液的作用，硬度、强度下降明显，由铸入前130HBW，到活塞成品后镶圈硬度仅有108HBW，同时抗拉强度也下降10％以上。我公司选用稀有难熔金属钼Mo、钨W、铌Nb、钽Ta的其中一种或几种的组合加入到奥氏体铸铁材料中，其中钼Mo可稳定碳化物、细化石墨，钨W的碳化物可有效提高材料的硬度，铌Nb即可提高材料的硬度，又能提高材料的抗拉强度，而钽Ta的作用要大于铌Nb的影响。以上难熔金属其中一种或几种的组合添加，使成品活塞的镶圈硬度达到120HBW以上，而其强度稳定在170MPa以上，满足了活塞对整体性能的要求。
稀有难熔金属增强奥氏体铸铁镶圈材料为我公司开展大量工作的结果，该材料应用于活塞镶圈上在国内外尚属首创。首先我们组织专家反复论证，对该材料可行性进行讨论，多方查询相关资料，证实了其可行性。尔后对多种方案进行优化，进行实验设计，在现场多次试验，完成了工艺试验和材料的多项性能测试。在此基础上，进行奥氏体铸铁镶圈铸入活塞毛坯及活塞的机加工，最终加工出达到探伤要求的活塞成品。经装机试验，该材料的机械性能比现有原有奥氏体镶圈材料有较大幅度的提高，可有效满足发动机对活塞的性能要求。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于活塞用稀有难熔金属增强奥氏体铸铁材料。针对目前的活塞镶圈采用的奥氏体铸铁材料为(高镍)奥氏体铸铁材料，在镶圈铸入活塞后，镶圈的机械性能由于受到铝液的作用，硬度、强度下降明显，由铸入前130HBW，到活塞成品后镶圈硬度仅有108HBW，同时抗拉强度也下降10％以上。我公司选用稀有难熔金属钼Mo、钨W、铌Nb、钽Ta的其中一种或几种的组合加入到奥氏体铸铁材料中，其中钼Mo可稳定碳化物、细化石墨，钨W的碳化物可有效提高材料的硬度，铌Nb即可提高材料的硬度，又能提高材料的抗拉强度，而钽Ta的作用要大于铌Nb的影响。以上难熔金属其中一种或几种的组合添加，使成品活塞的镶圈硬度达到120HBW以上，而其强度稳定在170MPa以上，满足了活塞对整体性能的要求。
为实现上述目的，本发明采用下述工艺路线和技术方案：
一种活塞用稀有难熔金属增强奥氏体铸铁材料，其由主体金属和分散于主体金属中的1-10wt％稀有难熔材料熔制而成，其中所述稀有难熔材料包括下述四种过渡金属中任一种或多种的颗粒：钼Mo、钨W、铌Nb、钽Ta。
优选的是，分散于主体金属中的稀有难熔材料的重量百分比为1-10wt％。
优选的是，所述的主体金属中各组分的重量百分比如下：碳C 2.0—3.0％；硅Si 1.5—3.0％；锰Mn 0.8—1.8％；镍Ni 13.0—17.0％；磷P≤0.2％；硫S≤0.2％；铜Cu 5.0—8％；铬Cr 1.0-2.0％；余为铁。
本发明还提供了一种活塞用稀有难熔金属增强奥氏体铸铁材料的制造方法，其特征在于，包括：
(a)在惰性气氛中形成稀有难熔金属增强奥氏体铸铁材料的浆液，其包含分散于液体主体金属中的稀有难熔材料和主体金属；
(b)诸如在惰性气氛中将所述浆液倾倒入模具中，并形成所述部件的铸件。
优选的是，包括选择生产参数以在步骤(a)中形成具有必需的流动性的浆液，以便在步骤(b)中进行处理。
优选的是，其中所述稀有难熔材料的粒径小于150微米。
优选的是，包括选择热收缩比所述主体金属小的稀有难熔材料。
所述奥氏体铸铁材料的制造方法是，采用电炉将生铁及合金元素等熔制到1500℃左右，得到铁水，化验其成分是否达到要求。然后，将成分及温度合格的上述铁水，经多道孕育处理后，浇入到旋转的离心铸造模具中，冷却后即得到这种铸铁合金的的镶圈铸造毛坯。将其进一步进行机械加工后，可镶入活塞，达到提高活塞第一道环槽耐磨性、增强活塞整体刚度的目的。
所述铸铁合金的金相组织为，基体：奥氏体组织，其上面有均匀分布的细小合金碳化物和磷化物，但不允许有连续的网状组织出现，其数量小于12％。石墨：主要为A型+B型，允许有少量的D型、E型。D型小于10％，E型小于30％，D型和E型石墨总量小于40％。石墨长度15-200um。
本发明的有益效果
1.本发明提供的活塞用稀有难熔金属增强奥氏体铸铁材料用于活塞镶圈的奥氏体铸铁合金，机械性能好，从而满足高性能活塞镶圈的要求
2.所述的铸铁合金的主要机械性能为：抗拉强度：δb≥170MPa，抗弯强度：δbb≥340MPa，硬度：HBW120-170。镶圈在铸入活塞，加工成成品时的硬度仍要求HBW120-170。这是原有镶圈材料所达不到的。同时，这种铸铁材料在20-200℃温度下的平均线膨胀系数λ≥18×10-6/℃，与现有的奥氏体铸铁材料的线膨胀系数相同。平均线膨胀系数是其能否作为活塞镶圈材料的基本指标。
具体实施方式
以下通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规的方法和条件进行选择。
实施例1：该奥氏体铸铁材料含有按重量份计如下的各组分，
碳C，2.2％；硅Si，1.9％；锰Mn，1.2％；镍Ni，15.0％；
磷P，0.12％；     硫S，0.12％；     铜Cu，6.0；     铬Cr，1.1％；
钼Mo，0.6％；     钨W，0.12％；     铌Nb，0.2％；     钽Ta，0.1％；
余为铁。
抗拉强度：δb＝230MPa，抗弯强度：δbb＝420MPa，加工为成品时的硬度：HBW137。
所述奥氏体铸铁材料的制造方法是，采用电炉将生铁及合金元素等熔制到1500℃左右，得到铁水，化验其成分是否达到要求。然后，将成分及温度合格的上述铁水，经多道孕育处理后，浇入到旋转的离心铸造模具中，冷却后即得到这种铸铁合金的的镶圈铸造毛坯。将其进一步进行机械加工后，可镶入活塞，达到提高活塞第一道环槽耐磨性、增强活塞整体刚度的目的。
实施例2：该奥氏体铸铁材料含有按重量份计如下的各组分，
碳C，3.0％；硅Si，2.6％；锰Mn，1.7％；镍Ni，17.0％；
磷P，0.06％；     硫S，0.04％；     铜Cu，5.2；     铬Cr，1.6％；
钽Ta，0.9％；
余为铁。
抗拉强度：δb＝217MPa，抗弯强度：δbb＝398MPa，加工为成品时的硬度：HBW132。
实施例3：该奥氏体铸铁材料含有按重量份计如下的各组分，
碳C，2.6％；硅Si，1.6％；锰Mn，0.9％；镍Ni，13.5％；
磷P，0.02％；     硫S，0.14％；     铜Cu，7.2；     铬Cr，1.9％；
钽Ta，0.9％；
余为铁。
抗拉强度：δb＝226MPa，抗弯强度：δbb＝411MPa，加工为成品时的硬度：HBW136。
实施例4：该奥氏体铸铁材料含有按重量份计如下的各组分，
碳C，2.8％；硅Si，2.2％；锰Mn，0.9％；镍Ni，13.5％；
磷P，0.04％；     硫S，0.07％；     铜Cu，6.3；     铬Cr，1.0％；
铌Nb，0.05％；
余为铁。
抗拉强度：δb＝223MPa，抗弯强度：δbb＝407MPa，加工为成品时的硬度：HBW134。
实施例5：该奥氏体铸铁材料含有按重量份计如下的各组分，
碳C，2.4％；硅Si，2.0％；锰Mn，0.9％；镍Ni，14.5％；
磷P，0.02％；     硫S，0.14％；     铜Cu，7.2；     铬Cr，1.2％；
钼Mo，0.3％；     铌Nb，0.2％；
余为铁。
抗拉强度：δb＝233MPa，抗弯强度：δbb＝426MPa，加工为成品时的硬度：HBW139。
上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种活塞用稀有难熔金属增强奥氏体铸铁材料，其特征在于，其由主体金属和分散于主体金属中的1-10wt％稀有难熔材料熔制而成，其中所述稀有难熔材料包括下述四种过渡金属中任一种或多种的颗粒：钼Mo、钨W、铌Nb、钽Ta。
2.根据权利要求1所述的活塞用稀有难熔金属增强奥氏体铸铁材料，其特征在于，分散于主体金属中的稀有难熔材料的重量百分比为1-10wt％。
3.根据权利要求1所述的活塞用稀有难熔金属增强奥氏体铸铁材料，其特征在于，所述的主体金属中各组分的重量百分比如下：碳C 2.0—3.0％；硅Si 1.5—3.0％；锰Mn 0.8—1.8％；镍Ni 13.0—17.0％；磷P≤0.2％；硫S≤0.2％；铜Cu 5.0—8％；铬Cr 1.0-2.0％；余为铁。
4.一种活塞用稀有难熔金属增强奥氏体铸铁材料的制造方法，其特征在于，包括：
(a)在惰性气氛中形成稀有难熔金属增强奥氏体铸铁材料的浆液，其包含分散于液体主体金属中的稀有难熔材料和主体金属；
(b)诸如在惰性气氛中将所述浆液倾倒入模具中，并形成所述部件的铸件。
5.根据权利要求4所述的方法，包括选择生产参数以在步骤(a)中形成具有必需的流动性的浆液，以便在步骤(b)中进行处理。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述稀有难熔材料的粒径小于150微米。
7.根据权利要求4所述的方法，包括选择热收缩比所述主体金属小的稀有难熔材料。
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