CN105908066A - 一种高强韧蠕墨铸铁气缸盖材料及其制备方法 - Google Patents

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张国伟
徐宏
李晶晶
张佳琪
任霁萍
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Abstract

本发明中提供一种高强韧蠕墨铸铁气缸盖材料及其制备方法。所提供的蠕墨铸铁气缸盖材料的元素含量为：碳：3.6%～3.7%；硅：2.2%～2.4%；锰：0.3%～0.5%；硫：＜0.02%；磷：＜0.07%；所提供的蠕墨铸铁材料的制备方法采用三次孕育，其中炉内加入硅铁是第一次孕育，包底加孕育剂是第二次孕育，在铁水出炉时进行的随流孕育是第三次孕育，其蠕化率达到85%以上；所制备的蠕墨铸铁材料抗拉伸能力明显提高，室温下达到420MPa，350℃高温下达到375MPa；延伸率室温下达到2.0%，350℃高温下达到2.5%；硬度达到212HBW；疲劳强度达到163MPa；导热系数为36.11W/mK。

Description

一种高强韧蠕墨铸铁气缸盖材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种蠕墨铸铁材料及制备方法，尤其是涉及一种高强韧蠕墨铸铁气缸盖材料及其制备方法。
背景技术
柴油发动机随着人们对高马力、高转矩、低废气排放以及降低燃料使用量的需求在持续增长，迫使对大功率柴油发动机的热负荷和机械负荷大幅度增加。热负荷及机械负荷的同时升高，使得目前所使用的常规铸铁和合金铸铁发动机已达到或超过了其使用上限。
蠕墨铸铁凭借其优良性能成为现代柴油发动机的首先材料，使新一代的发动机缸体、缸盖及缸套的可靠性大大提高。用蠕墨铸铁缸体和缸盖所制造的柴油发动机不仅满足了使用寿命的要求，同时尺寸稳定，在整个使用寿命内满足尾气质量的要求。由于欧Ⅳ标准的要求，在欧洲已有9种新设计的蠕墨铸铁缸体和缸盖的重型柴油发动机已在2007年启动。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种高强韧蠕墨铸铁气缸盖材料及其制备方法，使所提供的蠕墨铸铁所制气缸能够承受高热负荷及高机械负荷，以满足人们对柴油发动机高马力、高转矩、低废气排放以及降低燃料使用量的需求。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：提供一种高强韧蠕墨铸铁气缸盖材料及其制备方法；所提供的蠕墨铸铁气缸盖材料的元素含量为：
碳（C）：3.6%～3.7%；硅（Si）：2.2%～2.4%；锰（Mn）：0.3%～0.5%；硫（S）：＜0.02%；磷（P）：＜0.07%。
所给出原材料配比如下：
一级生铁：85%～88%；低碳钢：9%～11%；硅铁：0.5%～0.65%；锰铁：0.3%～0.5% ；蠕化剂：0.4%～0.6%；孕育剂：0.3%～0.4%；随流孕育：0.1%～0.15%；加入合金元素含量：铜（Cu）：0.6%～0.7%；锡（Sn）：0.01%～0.03%。
所提供的蠕墨铸铁材料的制备方法采用三次孕育，其中炉内加入硅铁是第一次孕育，包底加孕育剂是第二次孕育，在铁水出炉时进行的随流孕育是第三次孕育。具体操作步骤是：
（1）第一次孕育：将称好的生铁、低碳钢、锰铁、硅铁、铜放入中频炉中进行熔炼，蠕化剂、孕育剂预热至300℃左右，浇包预热至500℃左右；待全部熔化成液体，在表面撒上一层珍珠岩覆盖剂，防止表面氧化；等待升温，当温度升至1550℃，准备出炉；
（2）第二次孕育：蠕化处理温度在1480℃~1500℃，采用包底凹坑冲入法，在铁液包底凹坑处先撒上一层草木灰，然后再将蠕化剂一次摊平于草木灰上，接着将孕育剂均匀撒在蠕化剂上，而后覆盖一层无油迹、无锈的铁屑或铁豆，最后用捣砂锤将其轻轻捣实；
（3）第三次孕育：进行出铁约2/3或3/4进行蠕化孕育处理，第二次出完其余铁液并随铁流加入0.1%的孕育剂，搅拌扒渣，浇注温度1380℃~1400℃。
所述孕育剂与随流孕育优选硅钡孕育剂。
本发明中严格控制碳（C）含量，既保证其易于发生石墨化，同时又保证了材料的力学性能；少量锰（Mn）的加入，使材料具有交到的强度与硬度，且减少了锰（Mn）对其塑性的影响；其中加入少量合金也使得所得材料具有较高的机械性能。
本发明的有益效果是：通过三次孕育的方法制备蠕墨铸铁材料，其蠕化率达到85%以上。所制备的蠕墨铸铁材料较传统方法所制备的蠕墨材料性能得到明显提升，其抗拉伸能力明显提高，室温下达到420MPa，350℃高温下达到375MPa；延伸率明显提升，室温下达到2.0%，350℃高温下达到2.5%；硬度达到212HBW；疲劳强度达到163MPa；导热系数为36.11W/mK。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行说明。
实施例1
按照原材料比例：一级生铁87.5%，低碳钢10%，硅铁0.64%，锰铁0.3% ，蠕化剂0.5%，硅钡孕育剂0.33%，随流孕育0.11%；合金元素含量：铜(Cu)0.7%，锡(Sn)0.03%。
材料制备的具体方法如下：
（1）将称好的生铁、低碳钢、锰铁、硅铁、铜放入中频炉中进行熔炼，蠕化剂、孕育剂和浇包预热至300℃左右；待全部熔化成液体，在表面撒上一层珍珠岩覆盖剂，防止表面氧化；等待升温，当温度升至1550℃，准备出炉。
（2）蠕化处理温度在1485℃，采用包底凹坑冲入法，在铁液包底凹坑处先撒上一层草木灰，然后再将蠕化剂一次摊平于草木灰上，接着将硅钡孕育剂均匀撒在蠕化剂上，而后覆盖一层无油迹、无锈的铁屑或铁豆，最后用捣砂锤将其轻轻捣实。
（3）出铁约2/3或3/4进行蠕化孕育处理，第二次出完其余铁液并随铁流加入0.11%的随流孕育，搅拌扒渣，浇注温度1400℃。
炉内加入0.64%的硅铁属于第一次孕育，浇包底部的0.33%的硅钡孕育剂属于第二次孕育，出其余铁液并随铁流加入0.11%的硅钡孕育剂属于第三次孕育。通过三次孕育所制得的蠕墨铸铁材料，其抗拉强度（Rm）在室温为420MPa， 高温350℃下为375MPa；延伸率（A）在室温下高达2.0%，高温350℃下达到2.5%；硬度(HBW)为212HBW；疲劳强度（σ-1）为163MPa；导热系数为36.11W/mK；蠕化率为85%，珠光粉含量为75%。
实施例2
按照原材料比例：一级生铁87.2%，低碳钢10%，硅铁0.62%，锰铁0.7% ，蠕化剂0.48%，硅钡孕育剂0.35%，随流孕育0.13%；合金元素含量：铜(Cu)0.6%，锡(Sn)0.03%。
材料制备的具体方法如下：
（1）将称好的生铁、低碳钢、锰铁、硅铁、铜放入中频炉中进行熔炼，蠕化剂、孕育剂预热至300℃，浇包预热至500℃左右；待全部熔化成液体，在表面撒上一层珍珠岩覆盖剂，防止表面氧化；等待升温，当温度升至1550℃，准备出炉。
（2）蠕化处理温度在1485℃，采用包底凹坑冲入法，在铁液包底凹坑处先撒上一层草木灰，然后再将蠕化剂一次摊平于草木灰上，接着将硅钡孕育剂均匀撒在蠕化剂上，而后覆盖一层无油迹、无锈的铁屑或铁豆，最后用捣砂锤将其轻轻捣实。
（3）出铁约2/3或3/4进行蠕化孕育处理，第二次出完其余铁液并随铁流加入0.11%的随流孕育，搅拌扒渣，浇注温度1390℃。
炉内加入0.62%的硅铁属于第一次孕育，浇包底部的0.35%的硅钡孕育剂属于第二次孕育，出其余铁液并随铁流加入0.13%的硅钡孕育剂属于第三次孕育。通过三次孕育所制得的蠕墨铸铁材料，其抗拉强度（Rm）在室温为380MPa， 高温350℃下为345MPa；延伸率（A）在室温下高达2.34%，高温350℃下达到2.6%；硬度(HBW)为210HBW；疲劳强度（σ-1）为163MPa；导热系数为36.11W/mK；蠕化率为90%，珠光粉含量为75%。
实施例3
按照原材料比例：一级生铁87.6%，低碳钢10%，硅铁0.64%，锰铁0.3% ，蠕化剂0.51%，硅钡孕育剂0.38%，随流孕育0.1%；合金元素含量：铜(Cu)0.6%，锡(Sn)0.03%。
材料制备的具体方法如下：
（1）将称好的生铁、低碳钢、锰铁、硅铁、铜放入中频炉中进行熔炼，蠕化剂、孕育剂预热至300℃，浇包预热至500℃左右；待全部熔化成液体，在表面撒上一层珍珠岩覆盖剂，防止表面氧化；等待升温，当温度升至1550℃，准备出炉。
（2）蠕化处理温度在1480℃，采用包底凹坑冲入法，在铁液包底凹坑处先撒上一层草木灰，然后再将蠕化剂一次摊平于草木灰上，接着将硅钡孕育剂均匀撒在蠕化剂上，而后覆盖一层无油迹、无锈的铁屑或铁豆，最后用捣砂锤将其轻轻捣实。
（3）出铁约2/3或3/4进行蠕化孕育处理，第二次出完其余铁液并随铁流加入0.11%的随流孕育，搅拌扒渣，浇注温度1380℃。
炉内加入0.64%的硅铁属于第一次孕育，浇包底部的0.38%的硅钡孕育剂属于第二次孕育，出其余铁液并随铁流加入0.11%的硅钡孕育剂属于第三次孕育。通过三次孕育所制得的蠕墨铸铁材料，其抗拉强度（Rm）在室温为370MPa， 高温350℃下为325MPa；延伸率（A）在室温下高达2.58%，高温350℃下达到2.64%；硬度(HBW)为205HBW；疲劳强度（σ-1）为163MPa；导热系数为36.11W/mK；蠕化率为95%，珠光粉含量为65%。
本发明中通过三次孕育的方法制备蠕墨铸铁材料，使其蠕化率达到85%以上；又通过增加铜、锡合金的应用，使所制备的蠕墨材料抗拉伸能力明显提高，室温下达到420MPa，350℃高温下达到375MPa；延伸率明显提升，室温下达到2.0%，350℃高温下达到2.5%；硬度达到212HBW；疲劳强度达到163MPa；导热系数为36.11W/mK。

Claims (4)

1.一种高强韧蠕墨铸铁气缸盖材料，其特征在于：所提供的蠕墨铸铁气缸盖材料的元素含量为：
碳（C）：3.6%～3.7%；硅（Si）：2.2%～2.4%；锰（Mn）：0.3%～0.5%；硫（S）：＜0.02%；磷（P）：＜0.07%；铜（Cu）：0.6%～0.7%；锡（Sn）：0.01%～0.03%。
2.一种高强韧蠕墨铸铁气缸盖材料的制备方法，其特征在于：所提供的蠕墨铸铁材料的制备方法采用三次孕育，其中炉内加入硅铁是第一次孕育，包底加孕育剂是第二次孕育，在铁水出炉时进行的随流孕育是第三次孕育；具体操作步骤是：
（1）第一次孕育：将称好的一级生铁：85%～88%；低碳钢：9%～11%；硅铁：0.5%～0.65%；锰铁：0.3%～0.5% ；铜（Cu）：0.6%～0.7%；锡（Sn）：0.01%～0.03%；放入中频炉中进行熔炼，蠕化剂、孕育剂预热至300℃，浇包预热至500℃；待全部熔化成液体，在表面撒上一层珍珠岩覆盖剂，防止表面氧化；等待升温，当温度升至1550℃，准备出炉；
（2）第二次孕育：蠕化处理温度在1480℃~1500℃，采用包底凹坑冲入法，在铁液包底凹坑处先撒上一层草木灰，然后再将蠕化剂一次摊平于草木灰上，接着将孕育剂均匀撒在蠕化剂上，而后覆盖一层无油迹、无锈的铁屑或铁豆，最后用捣砂锤将其轻轻捣实；
（3）第三次孕育：部分出铁进行蠕化孕育处理，第二次出完其余铁液并随铁流加入孕育剂，搅拌扒渣，浇注温度1400℃；
所述蠕化剂：0.4%～0.6%；第二次孕育中，孕育剂：0.3%～0.4%；第三次随流加入的孕育剂，随流孕育：0.1%～0.15%。
3.根据权利要求2所述的一种高强韧蠕墨铸铁气缸盖材料的制备方法，其特征在于：所选用的孕育剂与随流孕育剂优选硅钡孕育剂。
4.根据权利要求2所述的一种高强韧蠕墨铸铁气缸盖材料的制备方法，其特征在于：所述第三次孕育中部分出铁量为2/3或3/4。
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