CN105821294A - 一种高阻尼高性能合金气缸套及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

一种高阻尼高性能合金气缸套及其制备工艺，包括气缸套本体及喷涂于气缸套本体外壁上的锌铝高阻尼合金涂层，锌铝合金涂层厚为0.3‑1mm；以重量百分比计，气缸套本体化学组成为：C3.2～3.5%，Si2.8～3.3%，0<P<0.02%，0<S<0.01%，Cu3.0～4.0%，Mn1.5～2.0%，Ni0.4～0.6%，Mg0.04～0.08%，Ce0.02～0.05%，余量为Fe。通过本发明的配方和制备工艺获得的球墨铸铁气缸套具有高的阻尼特性，即可以有效地降低发动机气缸套的振动及噪音，且内壁磨损面具有良好的耐磨性及减磨性，外壁具有强度高、塑性好，且具有良好的抗腐蚀及抗穴蚀性能，与活塞磨合期短等优点。

Description

一种高阻尼高性能合金气缸套及其制备工艺
技术领域
本发明属于发动机配件生产领域，具体涉及一种高阻尼高性能合金气缸套及其制备工艺。
背景技术
气缸套是发动机的易损件之一，其与活塞、活塞环、活塞销共同组成气缸四组件，气缸套作用是将气缸中燃料燃烧产生的压力通过曲柄连杆机构转化成机械能做功，其质量的好坏直接影响发动机的动力性、经济性和使用寿命，然而，发动机实际使用过程中，常产生严重的振动和噪音，发动机振动一定程度地引起湿式气缸套早磨、穴蚀、崩缸失效报废，再者湿式气缸套内壁受高温高压燃气作用，外壁受冷却水激冷作用也常导致其外壁化学腐蚀、电化学腐蚀及表面高温水泡的多次冲击穴蚀、崩缸失效报废，如何能有效地降低发动机气缸套振动和噪音，减轻气缸套外壁腐蚀、穴蚀，即高阻尼高性能合金气缸套一直是各缸套生产企业研究的方向，因此，研究高阻尼高性能合金气缸套，具有深远的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种高阻尼高性能合金气缸套及其制备工艺。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种高阻尼高性能合金气缸套，气缸套本体及喷涂于气缸套本体外壁上的锌铝合金涂层（该涂层为高阻尼合金涂层），锌铝合金涂层厚为0.3-1mm，锌铝合金中锌含量60-70wt%，铝含量30-40wt%；以重量百分比计，气缸套本体化学组成为：碳（C） 3.2～3.5%，硅(Si) 2.8～3.3%，0<磷（P）<0.02%，0<硫（S）<0.01%，铜（Cu） 3.0～4.0%，锰（Mn）1.5～2.0%，镍（Ni）0.4～0.6%，镁（Mg）0.04～0.08%，铈（Ce）0.02～0.05%，余量为铁（Fe）。
上述高阻尼高性能合金气缸套的制备工艺：
第一步，准确称取各原料，采用水冷金属型离心铸造法生产气缸套毛坯；采用水冷金属型离心铸造法生产该气缸套毛坯时，熔炼温度1450～1500℃，熔炼好的铁液静置15分钟，铁液出炉前加入占炉中铁液总质量0.5%-1%的冶金碳化硅（其碳含量30%，硅含量70%）；采用单工位离心浇注机进行浇注：将静置后的铁液先倒入大浇包（堤坝式浇包）浇包底部由下往上依次放有球化剂、一次孕育剂，并用草木灰进行覆盖；然后转入浇火勺中进行浇注，同时进行二次孕育（勺底孕育），浇铸温度1450℃-1490℃，转速1600-1800转/分， 一次孕育剂为75SiFe孕育剂（购自宁夏铸峰特殊合金有限公司），粒度1-2mm，加入量为炉中铁液总质量的1.0%-1.5%；球化剂为FeSiMg6RE2（购自宁夏铸峰特殊合金有限公司），粒度2-3mm，加入量为炉中铁液总质量的0.5-0.7%；二次孕育剂为硅锶孕育剂（购自宁夏铸峰特殊合金有限公司），采用包底孕育方式加入，粒度0.4-0.5mm，加入量为每只缸套毛坯重量的量0.3-0.5%，通过单工位离心浇注机进行浇注得本专利缸套毛坯，经检验毛坯金相，在视场直径为70mm时观察到的球状石墨数量大于200个（一般球铁球状石墨数量为100个左右，经研究石墨球数量大大增多后，可以提高球墨铸铁的阻尼性能），球径为10到30微米，且均匀分布，基体组织为30%-40%铁素体+60%-70%珠光体+铜锰复合析出物颗粒+少量富铜相。
第二步，毛坯加工成半成品后，使用硝酸酒精溶液+超声波进行处理，处理后的缸套立即使用酒精进行清洗并采用常温吹风至酒精完全挥发：即气缸套半成品在8-10v%的硝酸酒精溶液（其中硝酸的浓度为65wt%，酒精为无水乙醇，纯度＞99%）中进行超声波处理，所使用超声波频率30KHz，处理时间1小时，使缸套外表面裸露石墨全部脱落形成无石墨分布的粗糙金属表层，即外表面裸露石墨全部脱落形成10-30微米的圆形凹坑（这些凹坑对表面锌铝合金涂层有一定的锁紧作用，并能增加涂层与缸套本体之间的换热面积加快导热），处理后的缸套立即使用酒精进行清洗并采用常温吹风至酒精完全挥发，处理后进行200℃3小时去氢热处理。
第三步，所述的气缸套半成品预热至50℃后外壁表面进行表面热喷涂锌铝高阻尼合金涂层，喷涂层厚0.3-1mm，结合强度大于60MPa ，锌铝合金中，锌含量60%-70%，铝含量30%-40%。
第四步，所述的气缸套半成品内孔采用EFD高频淬火机床进行高频淬火处理，功率48KHz，高频淬火机床的感应圈移动速度400-500mm/s，气缸套自转速度100-200 mm/s；高频淬火后进行180℃3小时低温回火处理；精加工内孔后珩磨网纹即得所述高阻尼高性能合金气缸套。成品缸套磨损面硬度40～50HRC，成品内壁淬火层厚度0.2-0.5mm，基体组织为马氏体+铜锰复合析出物颗粒Mn2Cu（经研究该铜锰复合析出物合金具有高的阻尼性能，即其为一种自生的镶嵌式阻尼合金）+富铜残余奥氏体（经研究这些纳米级的富铜相具有良好的抗磨、减磨性能、抗极压性能，还可以在磨损过程中通过形成新的补偿层来弥补磨损，即具有一定的自修复功能），成品非淬火层基体组织为30%-40%铁素体+60%-70%珠光体+铜锰复合析出物颗粒Mn2Cu+少量富铜相，抗拉强度＞600Mpa，延伸率＞3%。
与现有一般灰铸铁及球墨铸铁气缸套相比，通过本发明的配方和生产工艺获得的球墨铸铁气缸套具有高的阻尼特性，即可以有效地降低发动机气缸套的振动及噪音，且内壁磨损面具有良好的耐磨性及减磨性，外壁具有强度高、塑性好，且具有良好的抗腐蚀及抗穴蚀性能，与活塞磨合期短等优点。
附图说明
图1是本发明气缸套成品非淬火层处的金相照片。
由图1可见，本发明气缸套非淬火层处，基体组织为30%-40%铁素体+60%-70%珠光体+铜锰复合析出物颗粒+少量富铜相。
图2是本发明气缸套成品内壁磨损面（淬火层）处的金相照片。
由图2可见，本发明气缸套淬火层处，基体组织为马氏体+铜锰复合析出物颗粒Mn2Cu+富铜残余奥氏体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种高阻尼高性能合金铸铁气缸套，包括气缸套本体及喷涂于气缸套本体外壁上的锌铝高阻尼合金涂层，锌铝合金层厚为0.3-1mm，锌铝合金中锌含量60-70wt%，铝含量30-40wt%；所述气缸套本体材料的化学组成按如下重量百分比计（%）： C： 3.45，Si ：3.15，P：0.018，S ：0.008，Cu： 3.2，Mn：1.51，Ni：0.49，Mg： 0.07，Ce： 0.035，余量为铁。
上述高阻尼高性能合金铸铁气缸套的制备工艺，包括以下步骤：
步骤1、按上述的高阻尼高性能合金气缸套的成分重量百分比进行配料，采用水冷金属型离心铸造法生产该气缸套毛坯，熔炼温度1450～1500℃，熔炼好的铁液静置15分钟，铁液出炉前加入占炉中铁液总质量0.5%-1%的冶金碳化硅，采用单工位离心浇注机进行浇注：将静置后的铁液先倒入大浇包（堤坝式浇包）浇包底部从下往上依次放有球化剂、一次孕育剂75SiFe，并用草木灰进行覆盖；然后转入浇火勺中进行浇注，同时进行二次孕育（勺底孕育），浇铸温度1450℃-1490℃，转速1600-1800转/分，来水25秒，激水65秒，还原100秒；一次孕育剂为75SiFe孕育剂（购自宁夏铸峰特殊合金有限公司），粒度1-2mm，加入量为铁液总质量的1.3%，球化剂为FeSiMg6RE2（购自宁夏铸峰特殊合金有限公司），粒度2-3mm，球化剂加入量为铁液总质量的0.5%，二次孕育使用硅锶孕育剂（购自宁夏铸峰特殊合金有限公司），粒度0.4-0.5mm，采用包底加入，加入量为每只缸套毛坯重量的0.3%，出缸温度大于850℃，出缸后喷雾快冷至300℃，最后空冷至室温即得气缸套毛坯。经检验毛坯金相，在视场直径为70mm时观察到的球状石墨数量大于200个，球径为10到30微米，且均匀分布，基体组织为30%-40%铁素体+60%-70%珠光体+铜锰复合析出物颗粒+少量富铜相。
步骤2、气缸套毛坯机加工成半成品后，气缸套半成品在8-10v%的硝酸酒精溶液（其中硝酸的浓度为65wt%，酒精为无水乙醇，纯度＞99%）中进行超声波处理，所使用超声波频率30KHz，处理时间1小时，使缸套外表面裸露石墨全部脱落形成无石墨分布的金属表层，处理后的缸套立即使用酒精进行清洗并采用常温吹风至酒精完全挥发，处理后进行200℃3小时去氢热处理。
步骤3、所述的气缸套半成品预热至50℃后外壁表面进行热喷涂锌铝合金，喷涂层厚0.3-1mm，结合强度大于60MPa，锌铝合金中，锌含量60%-70%，铝含量30%-40%。
步骤4、所述的气缸套半成品内孔采用EFD高频淬火机床进行高频淬火处理，功率48KHz，高频淬火机床的感应圈移动速度400mm/s，气缸套自转速度200 mm/s；高频淬火后进行180℃3小时低温回火处理；精加工内孔后珩磨网纹即得所述高阻尼高性能合金气缸套成品。成品缸套磨损面硬度50HRC，气缸套成品内壁磨损面淬火层厚度0.2-0.5mm，基体组织为马氏体+铜锰复合析出物颗粒Mn2Cu+富铜残余奥氏体，缸套整体抗拉强度＞600MPa，延伸率＞3%。
实施例2
一种高阻尼高性能合金铸铁气缸套，包括气缸套本体及喷涂于气缸套本体外壁上的锌铝高阻尼合金涂层，锌铝合金层厚为0.3-1mm，锌铝合金中锌含量60-70wt%，铝含量30-40wt%；所述气缸套本体材料的化学组成按如下重量百分比计（%）：
C：3.29，Si：2.96，P：0.016，S：0.007，Cu：3.5，Mn：1.61，Ni：0.55，Mg：0.079，Ce：0.03，余量为铁。
上述高阻尼高性能合金铸铁气缸套的制备工艺，包括以下步骤：
步骤1、按上述成分重量百分比进行配料，采用水冷金属型离心铸造法生产该气缸套毛坯，熔炼温度1450～1500℃，熔炼好的铁液静置15分钟，铁液出炉前加入占炉中铁液总质量0.5%-1%的冶金碳化硅，采用单工位离心浇注机进行浇注：将静置后的铁液先倒入大浇包（堤坝式浇包）浇包底部从下至上依次放有球化剂、一次孕育剂75SiFe孕育剂，并用草木灰进行覆盖；然后转入浇火勺中进行浇注，同时进行二次孕育（勺底孕育），浇铸温度1450℃-1490℃，转速1600-1800转/分，来水25秒，激水65秒，还原100秒；一次孕育剂为75SiFe孕育剂（购自宁夏铸峰特殊合金有限公司），粒度1-2mm，加入量为铁液总质量的1.3%，球化剂为FeSiMg6RE2（购自宁夏铸峰特殊合金有限公司），粒度2-3mm，球化剂加入量铁液总质量的0.7%，二次孕育使用硅锶孕育剂（购自宁夏铸峰特殊合金有限公司），粒度0.4-0.5mm，采用包底加入，加入量为每只缸套毛坯重量的0.5%，出缸温度大于850℃，出缸后喷雾快冷至300℃，最后空冷至室温即得气缸套毛坯。经检验毛坯金相，在视场直径为70mm时观察到的球状石墨数量大于200个，球径为10到30微米，且均匀分布，基体组织为30%-40%铁素体+60%-70%珠光体+铜锰复合析出物颗粒+少量富铜相。
步骤2、气缸套毛坯机加工成半成品后，气缸套半成品在8-10v%的硝酸酒精溶液（其中硝酸的浓度为65wt%，酒精为无水乙醇，纯度＞99%）中进行超声波处理，所使用超声波频率30KHz，处理时间1小时，使缸套外表面裸露石墨全部脱落形成无石墨分布的金属表层，处理后的缸套立即使用酒精进行清洗并采用常温吹风至酒精完全挥发，处理后进行200℃3小时去氢处理。
步骤3、所述的气缸套半成品预热至50℃后外壁表面进行热喷涂锌铝合金，喷涂层厚0.3-1mm，结合强度大于60MPa，锌铝合金中，锌含量60%-70%，铝含量30%-40%。
步骤4、所述的气缸套半成品内孔采用EFD高频淬火机床进行高频淬火处理，功率48KHz，高频淬火机床的感应圈移动速度500mm/s，气缸套自转速度100 mm/s，高频淬火后进行180℃3小时低温回火处理；精加工内孔后珩磨网纹即得所述高阻尼高性能合金气缸套，该气缸套成品磨损面硬度41HRC；气缸套成品内壁磨损面淬火层厚度0.41mm，基体组织为马氏体+铜锰复合析出物颗粒Mn2Cu+富铜残余奥氏体，整体抗拉强度＞600MPa，延伸率＞3%。

Claims (6)

1.一种高阻尼高性能合金气缸套，其特征在于，包括气缸套本体及喷涂于气缸套本体外壁上的锌铝合金涂层，锌铝合金涂层厚为0.3-1mm，锌铝合金中锌含量60-70wt%，铝含量30-40wt%；以重量百分比计，气缸套本体化学组成为：碳 3.2～3.5%，硅 2.8～3.3%，0<磷<0.02%，0<硫 <0.01%，铜 3.0～4.0%，锰 1.5～2.0%，镍0.4～0.6%，镁 0.04～0.08%，铈0.02～0.05%，余量为铁。
2.权利要求1所述的高阻尼高性能合金气缸套的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
（1）准确称取各原料，采用水冷金属型离心铸造法生产气缸套毛坯；
（2）毛坯加工成半成品后，在硝酸酒精溶液中进行超声波处理，超声波处理结束后清洗吹干，进行200℃3小时去氢热处理；
（3）气缸套半成品预热至50℃后外表面喷涂锌铝合金；
（4）进行内孔高频淬火处理，高频淬火后进行180℃3小时低温回火处理；精加工内孔后珩磨网纹即得所述高阻尼高性能合金气缸套。
3.根据权利要求2所述的高阻尼高性能合金气缸套的制备工艺，其特征在于，所述步骤（1）中采用水冷金属型离心铸造法生产该气缸套毛坯时，熔炼温度1450～1500℃，熔炼好的铁液静置15分钟，铁液出炉前加入占炉中铁液总质量0.5%-1%的冶金碳化硅；采用单工位离心浇注机进行浇注：将静置后的铁液先倒入大浇包进行一次孕育及球化处理；然后转入浇火勺中进行浇注，同时进行二次孕育，一次孕育剂采用75硅铁孕育剂，且75硅铁孕育剂加入量为炉中铁液总质量的1.0%-1.5%，球化剂为FeSiMg6RE2，球化剂加入量为炉中铁液总质量的0.5%-0.7%，二次孕育使用硅锶孕育剂，且硅锶孕育剂加入量为每只缸套毛坯重量的0.3%-0.5%。
4.根据权利要求2所述的高阻尼高性能合金气缸套的制备工艺，其特征在于，所述步骤（2）中在硝酸酒精溶液中进行超声处理是指在8-10v%的硝酸酒精溶液中进行超声波处理，超声波频率为30KHz，处理时间1小时。
5.根据权利要求2所述的高阻尼高性能合金气缸套的制备工艺，其特征在于，所述步骤（3）中喷涂后，锌铝合金层与气缸套结合强度大于60MPa 。
6.根据权利要求2所述的高阻尼高性能合金气缸套的制备工艺，其特征在于，所述步骤（4）中气缸套内孔采用EFD高频淬火机床进行高频淬火处理，功率48KHz，高频淬火机床的感应圈移动速度400-500mm/s，气缸套自转速度100-200 mm/s。
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