CN106191646A - 一种高品质气缸套及其制备方法和铁合金 - Google Patents

一种高品质气缸套及其制备方法和铁合金 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种高品质气缸套及其制备方法和铁合金，该铁合金包括以下组分：C 3.2～3.6wt％；S 0～0.1wt％；Si 1.9～2.4wt％；P 0～0.1wt％；Mn 2.4～3.0wt％；Ce 0.006～0.015wt％；Mo 0.2～0.5wt％；V和Ti 0.1～0.2wt％；余量的Fe。本发明通过优化设计气缸套中各元素含量，使气缸套具有较高硬度、抗拉强度和弹性模量，且生产、机加工成本较低。

Description

一种高品质气缸套及其制备方法和铁合金
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种高品质气缸套及其制备方法和铁合金。
背景技术
汽车发动机是为汽车提供动力的发动机，是汽车的心脏，影响汽车的动力性、经济性和环保性。根据动力来源不同，汽车发动机可分为柴油发动机、汽油发动机等。
汽车发动机的缸体分铸铁和铸铝两种。铸铝发动机具有重量轻、散热性能好等优点，在行业内已经被广泛推广应用，但是其机械性能、耐磨性能、热稳定性等不如铸铁。为此，目前行业内采用铸铝缸体加铸铁镶套的方式来解决这一问题，应用于铝缸体的铸铁镶套又称为气缸套。
气缸套作为发动机主要配附件之一，是发动机A级关键零部件，其性能直接影响着发动机的动力性、可靠性、经济性、排放、噪音等技术要求，目前，气缸套的硬度一般小于300HB，抗拉强度一般小于400MPa，现有少数高强度高耐磨气缸套均需要增加额外的等温淬火、调质等热处理且切削加工性较差、生产成本较高，难以满足高性能节能环保发动机对于气缸套强度和耐磨性及成本的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高品质气缸套及其制备方法和铁合金，本发明提供的气缸套具有高强度、高耐磨、低应力良好的抗穴蚀性能，且生产、加工成本较低。
本发明提供了一种铁合金，包括以下组分：
优选的，包括以下组分：
本发明提供了一种高品质气缸套，所述气缸套的材料为上述技术方案所述的铁合金。
本发明提供了一种高品质气缸套的制备方法，包括以下步骤：
a)、原料进行熔炼，得到铁液；
所述原料中C的含量为3.2～3.6wt％，S的含量为0～0.1wt％，Si的含量为1.9～2.4wt％，P的含量为0～0.1wt％，Mn的含量为2.4～3.0wt％，Ce的含量为0.006～0.015wt％，Mo的含量为0.2～0.5wt％，V和Ti的总含量为0.1～0.2wt％，Fe的含量为余量；
b)、所述铁液进行孕育，得到孕育的铁液；
c)、所述孕育的铁液进行离心铸造，得到所述气缸套毛坯；
d)、所述气缸套毛坯进行机加工，得到气缸套。
优选的，步骤a)中，所述熔炼的温度为1470～1520℃。
优选的，步骤b)中，所述铁液进行两次孕育，第一次孕育使用的孕育剂的粒度为2～5mm，第二次孕育使用的孕育剂的粒度为0.5～1mm。
优选的，步骤c)中，所述离心铸造的浇注温度为1430～1460℃。
优选的，步骤c)中，所述离心铸造的转速为1300～1500r/min。
优选的，步骤c)中，所述孕育的铁液进行离心铸造之后，进行回火处理。
优选的，步骤c)中，所述回火处理的温度为500～600℃；所述回火处理的时间为1～5h。
与现有技术相比，本发明提供了一种高品质气缸套及其制备方法和铁合金，其实质为一种低合金铸态马氏体气缸套及其制备方法和铁合金。该铁合金包括以下组分：C 3.2～3.6wt％；S 0～0.1wt％；Si 1.9～2.4wt％；P 0～0.1wt％；Mn 2.4～3.0wt％；Ce 0.006～0.015wt％；Mo 0.2～0.5wt％；V和Ti 0.1～0.2wt％；余量的Fe。本发明通过优化设计气缸套中各元素含量，使气缸套具有较高硬度、抗拉强度和弹性模量且生产、机加工成本较低。实验结果表明，本发明提供的气缸套的金相由A型石墨、90％以上索氏体和少量均匀分布的碳化物及残余奥氏体组成，该气缸套抗拉强度达到450MPa以上，硬度大于300HBW，弹性模量大于145GPa，具有良好的抗穴蚀性能，且生产、机加工成本较低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1提供的气缸套的金相结构(石墨)100×放大图；
图2是本发明实施例1提供的气缸套的金相结构(基体组织)500×放大图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种铁合金，包括以下组分：
本发明提供的铁合金包括C、S、Si、P、Mn、Cr、Mo、Cu、Ni和Fe，其中，C的含量为3.2～3.6wt％，优选为3.25～3.31wt％，更优选为3.25wt％、3.29wt％或3.31wt％；S的含量为0～0.1wt％，优选为0.08～0.1wt％，更优选为0.085wt％、0.09wt％或0.1wt％；Si的含量为1.9～2.4wt％，优选为1.98～2.19wt％，更优选为1.98wt％、2.09wt％或2.19wt％；P的含量为0～0.1wt％，优选为0.06～0.08wt％；Mn的含量为2.4～3.0wt％，优选为2.41～2.49wt％；Ce的含量为0.006～0.015wt％，优选为0.01～0.012wt％；Mo的含量为0.2～0.5wt％，优选为0.41～0.43wt％；V和Ti的总含量为0.1～0.2wt％，优选为0.17～0.19wt％，更优选为0.17wt％、0.18wt％或0.19wt％；Fe的含量为余量。在本发明提供的一个实施例中，V的含量为0.05～0.15wt％，优选为0.11～0.12wt％；在本发明提供的一个实施例中，Ti的含量为0.05～0.1wt％，优选为0.06～0.08wt％。
在本发明提供的一个实施例中，所述铁合金包括以下组分：
本发明通过优化设铁合金中各元素含量，使铁合金具有较高硬度、抗拉强度和弹性模量。实验结果表明，本发明提供的铁合金的金相由A型石墨、90％以上索氏体和少量均匀分布的碳化物及残余奥氏体组成，该气缸套抗拉强度达到450MPa以上，硬度大于300HBW，弹性模量大于145GPa。
本发明提供的一种高强耐磨气缸套，所述气缸套的材料为上述技术方案所述的铁合金。
本发明提供的气缸套的材料为所述铁合金，由于该铁合金具有较高硬度、抗拉强度和弹性模量，因此本发明提供的气缸套具有较高硬度、抗拉强度和弹性模量且生产、机加工成本较低。
本发明提供了一种高品质气缸套的制备方法，包括以下步骤：
a)、原料进行熔炼，得到铁液；
所述原料中C的含量为3.2～3.6wt％，S的含量为0～0.1wt％，Si的含量为1.9～2.4wt％，P的含量为0～0.1wt％，Mn的含量为2.4～3.0wt％，Ce的含量为0.006～0.015wt％，Mo的含量为0.2～0.5wt％，V和Ti的总含量为0.1～0.2wt％，Fe的含量为余量；
b)、所述铁液进行孕育，得到孕育的铁液；
c)、所述孕育的铁液进行离心铸造，得到气缸套毛坯；
d)、所述气缸套毛坯进行机加工，得到气缸套。
在本发明提供的制备方法中，首先对原料进行熔炼。其中，所述原料中C的含量为3.2～3.6wt％，S的含量为0～0.1wt％，Si的含量为1.9～2.4wt％，P的含量为0～0.1wt％，Mn的含量为2.4～3.0wt％，Ce的含量为0.006～0.015wt％，Mo的含量为0.2～0.5wt％，V和Ti的总含量为0.1～0.2wt％，Fe的含量为余量。在本发明中，所述熔炼的温度优选为1470～1520℃。熔炼结束后，得到铁液。
得到铁液后，对所述铁液进行孕育。在本发明中，优选对所述铁液进行两次孕育。其中，第一孕育使用的孕育剂优选为牌号为SiRE1的孕育剂；孕育剂的粒度优选为2～5mm；第一次孕育的孕育剂用量优选为铁液质量的0.5～0.7％；第一次孕育的方式优选为顺流孕育。第二孕育使用的孕育剂优选包括Sr-FeSi孕育剂；孕育剂的粒度优选为0.5～1mm；第二次孕育的孕育剂用量优选为铁液质量的0.1～0.3％；第二次孕育的方式优选为包底孕育。孕育完毕后，得到孕育的铁液。
得到孕育的铁液后，对所述孕育的铁液进行离心铸造。其中，所述离心铸造的浇注温度优选为1430～1460℃；所述离心铸造的转速优选为1300～1500r/min；所述离心铸造的模具预热温度优选为400～430℃；所述离心铸造的出模温度优选为800～850℃。离心铸造结束后，得到气缸套毛坯。在本发明中，铁液进行离心铸造之前需要先在离心铸造使用的模具内壁涂覆涂料层，所述涂料层可以是石英粉涂料层，所述涂料层的厚度优选为0.6～1mm。在本发明中，优选在对所述孕育的铁液进行离心铸造之前，先对铁液进行扒渣。
得到气缸套毛坯后，对所述气缸套毛坯进行机加工，得到气缸套。在本发明中，优选在离心铸造获得气缸套毛坯之后，机加工之前，对所述气缸套毛坯进行回火处理。其中，所述回火处理的温度优选为500～600℃，更优选为550～570℃；所述回火处理的时间优选为1～5h，更优选为2～3h。在本发明中，回火处理的目的是使气缸套毛坯更易切削，进行机加工。
本发明通过优化设计气缸套中各元素含量，以及选择合适的制备工艺，使铁合金具有较高硬度、抗拉强度和弹性模量。实验结果表明，本发明提供的铁合金的金相由A型石墨、90％以上索氏体和少量均匀分布的碳化物及残余奥氏体组成，该气缸套抗拉强度达到450MPa以上，硬度大于300HBW，弹性模量大于145GPa。
为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。
实施例1
(1)配料及熔炼：按比例称取规定的原料，采用中频感应电炉1470～1520℃熔炼，按照如下重量要求进行调料：C：3.29wt％、Si：2.09wt％、P：0.06wt％、S：0.085wt％、Mn：2.41wt％、Mo：0.41wt％、V：0.11wt％、Ti：0.08wt％、Ce、0.01wt％、Fe：余量，得到铁液；出铁液时采用顺流孕育方式进行一次孕育处理，一次孕育剂牌号SiRE1、粒度2～5mm，加入量占铁液重量0.5～0.7％；一次孕育处理后的铁水转入浇火勺中进行二次孕育，二次孕育剂为Sr-FeSi、粒度0.5～1mm，加入量占铁水重量0.1～0.3％，二次孕育后的铁液扒渣，等待浇注；
(2)浇注：采用金属离心铸造方式对上述扒渣后的铁液进行浇注，模具内壁均匀喷涂一层石英粉涂料，涂料厚度0.6～1mm，模具预热温度400℃～430℃，浇注转速：1300～1500r/min，浇注温度1430～1460℃，出模温度800℃～850℃；铸件出模后自然冷却至室温，等待回火处理，铸态毛坯金相组织为A石墨+马氏体+残余奥氏体+少量索氏体及均匀分布的碳化物，硬度450HBW；
(3)回火：上述得到的铸造毛坯在550℃下回火2h，之后进行机加工，得到成品气缸套。
对本发明提供的气缸套进行金相观察，结果如图1～2所示，其中，图1是本发明实施例1提供的气缸套的金相结构(石墨)100×图；图2是本发明实施例1提供的气缸套的金相结构(基体组织)500×放大图。通过图1～2可以看出，该气缸套的金相结构为A石墨+90％索氏体+均匀分布的碳化物及少量残余奥氏体。
对本发明提供的气缸套进行硬度、抗拉强度和弹性模量检测，结果为：硬度350HBW，抗拉强度达到460MPa，弹性模量为146GPa。
实施例2
(1)配料及熔炼：按比例称取规定的原料，采用中频感应电炉1470～1520℃熔炼，按照如下重量要求进行调料：C：3.25wt％、Si：2.19wt％、P：0.08wt％、S：0.09wt％、Mn：2.49wt％、Mo：0.43wt％、V：0.11wt％、Ti：0.06wt％、Ce：0.012wt％、Fe：余量，得到铁液；出铁液时采用顺流孕育方式进行一次孕育处理，一次孕育剂牌号SiRE1、粒度2～5mm，加入量占铁液重量0.5～0.7％；一次孕育处理后的铁水转入浇火勺中进行二次孕育，二次孕育剂为Sr-FeSi、粒度0.5～1mm，加入量占铁水重量0.1～0.3％，二次孕育后的铁液扒渣，等待浇注；
(2)浇注：采用金属离心铸造方式对上述扒渣后的铁液进行浇注，模具内壁均匀喷涂一层石英粉涂料，涂料厚度0.6～1mm，模具预热温度400℃～430℃，浇注转速：1300～1500r/min，浇注温度1430～1460℃，出模温度800℃～850℃；铸件出模后自然冷却至室温，等待回火处理，铸态毛坯金相组织为A石墨+马氏体+残余奥氏体+少量索氏体及均匀分布的碳化物，硬度440HBW；
(3)回火：上述得到的铸造毛坯在560℃下回火2h，之后进行机加工，得到成品气缸套。
对本发明提供的气缸套进行金相观察，结果为该气缸套试样的金相为A石墨+95％索氏体+均匀分布的碳化物及少量残余奥氏体。
对本发明提供的气缸套进行硬度、抗拉强度和弹性模量检测，结果为：硬度340HBW，抗拉强度达到470MPa，弹性模量为149GPa。
实施例3
(1)配料及熔炼：按比例称取规定的原料，采用中频感应电炉1470～1520℃熔炼，按照如下重量要求进行调料：C：3.31wt％、Si：1.98wt％、P：0.06wt％、S：0.1wt％、Mn：2.41wt％、Mo：0.41wt％、V：0.12wt％、Ti：0.06wt％、Ce、0.01wt％、Fe：余量，得到铁液；出铁液时采用顺流孕育方式进行一次孕育处理，一次孕育剂牌号SiRE1、粒度2～5mm，加入量占铁液重量0.5～0.7％；一次孕育处理后的铁水转入浇火勺中进行二次孕育，二次孕育剂为Sr-FeSi、粒度0.5～1mm，加入量占铁水重量0.1～0.3％，二次孕育后的铁液扒渣，等待浇注；
(2)浇注：采用金属离心铸造方式对上述扒渣后的铁液进行浇注，模具内壁均匀喷涂一层石英粉涂料，涂料厚度0.6～1mm，模具预热温度400℃～430℃，浇注转速：1300～1500r/min，浇注温度1430～1460℃，出模温度800℃～850℃；铸件出模后自然冷却至室温，等待回火处理，铸态毛坯金相组织为A石墨+马氏体+残余奥氏体+少量索氏体及均匀分布的碳化物，硬度430HBW；
(3)回火：上述得到的铸造毛坯在570℃下回火2h，之后进行机加工，得到成品气缸套。
对本发明提供的气缸套进行金相观察，结果为该气缸套试样的金相为A石墨+90％索氏体+均匀分布的碳化物及少量残余奥氏体。
对本发明提供的气缸套进行硬度、抗拉强度和弹性模量检测，结果为：硬度330HB，抗拉强度达到480MPa，弹性模量为149GPa。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铁合金，包括以下组分：
2.根据权利要求1所述的铁合金，其特征在于，包括以下组分：
3.一种气缸套，所述气缸套的材料为权利要求1或2所述的铁合金。
4.一种气缸套的制备方法，包括以下步骤：
a)、原料进行熔炼，得到铁液；
所述原料中C的含量为3.2～3.6wt％，S的含量为0～0.1wt％，Si的含量为1.9～2.4wt％，P的含量为0～0.1wt％，Mn的含量为2.4～3.0wt％，Ce的含量为0.006～0.015wt％，Mo的含量为0.2～0.5wt％，V和Ti的总含量为0.1～0.2wt％，Fe的含量为余量；
b)、所述铁液进行孕育，得到孕育的铁液；
c)、所述孕育的铁液进行离心铸造，得到气缸套毛坯；
d)、所述气缸套毛坯进行机加工，得到气缸套。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中，所述熔炼的温度为1470～1520℃。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中，所述铁液进行两次孕育，第一次孕育使用的孕育剂的粒度为2～5mm，第二次孕育使用的孕育剂的粒度为0.5～1mm。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤c)中，所述离心铸造的浇注温度为1430～1460℃。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤c)中，所述离心铸造的转速为1300～1500r/min。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤c)中，所述孕育的铁液进行离心铸造之后，进行回火处理。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤c)中，所述回火处理的温度为500～600℃；所述回火处理的时间为1～5h。
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