CN106523171A - 一种新能源气缸套及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种新能源气缸套及其生产方法，以重量百分比计，所述气缸套的化学组成为：碳2.70~3.20%，硅1.60~2.10%，锰0.50~0.90%，磷0.20~0.50%，硫≤0.10%，铬0.20~0.50%，铜和镍的总量0.50~0.90%，钼0.20~0.60%，余量为铁。本发明所述新能源气缸套满足高爆压、高排放、低油耗的需求，适用于新能源。

Description

一种新能源气缸套及其生产方法
技术领域
本发明属于气缸套制造技术领域，具体涉及一种新能源气缸套及其生产方法。
背景技术
能源紧缺和环境污染是人类面临的两大难题，人们迫切需要寻找代用燃料代替传统燃油，其中低污染的醇类和天然气等备受关注。甲醇密度与汽油相近，辛烷值较高，可提高压缩比改善经济性，而且甲醇含氧量较高，在缸内燃烧充分，有利于改善发动机排放。然而目前的气缸套状况无法满足高爆压、欧Ⅵ排放，低油耗的需求，因此亟待研发出一种适用于新能源的高效气缸套。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新能源气缸套及其生产方法，满足高爆压、高排放、低油耗的需求，适用于新能源。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种新能源气缸套，以重量百分比计，所述气缸套的化学组成为：碳 2.70~3.20%，硅1.60~2.10%，锰 0.50~0.90%，磷 0.20~0.50%，硫 ≤0.10%，铬 0.20~0.50%，铜和镍的总量0.50~0.90%（铜和镍可以选择任意配比，且铜或镍的用量均不能为零），钼 0.20~0.60%，余量为铁。
进一步地，所述气缸套包括上部的薄壁段和下部的厚壁段，所述薄壁段与厚壁段的连接处设有支撑肩台，厚壁段的底端设有连杆避让槽；所述气缸套结构采用中支撑设计，气缸套压装由所述薄壁段顶端从缸体孔下端逐步向上压入，薄壁段与缸体孔为过盈配合，厚壁段与缸体孔为间隙配合。
上述新能源气缸套的生产工艺，包括铸造和机加工，其中铸造的生产步骤如下：
（1）配料熔化，按比例取各原料并升温熔炼，温度为1500～1550℃，得熔融原料液；对所得熔融原料液的化学成分进行快速分析检测；
（2）保温，将步骤（1）所得熔融原料液转移至保温炉进行保温，温度控制为1400～1470℃；
（3）孕育，熔融原料液出炉前加入孕育剂进行孕育处理；
（4）浇注，将经步骤（3）孕育后的熔融原料液浇注入多工位离心铸造设备中，浇注转速为1200～1300n/min，浇注模温为200~320℃，得气缸套毛坯件，出模后，放入铸件框中即可。
所述机加工的生产步骤如下：
（1）粗切、粗镗内孔、修车，去除外圆及内孔的2~3.5mm的加工余量；
（2）550℃去应力退火至残余应力检测值≤15MPa（退火用时约2~3h）；
（3）精镗内孔、粗珩内孔、半精车外圆；
（4）400℃去应力退火2~3h；
（5）粗珩内孔、半精车外圆、粗珩内孔、精车外圆、铣豁加工连杆避让槽、精珩内孔；其中粗珩内孔利用立式大河珩磨机，半精车外圆利用数控车床，精车外圆、铣豁利用高精度数控车床QTN250ⅡL/1000，精珩内孔利用德国进口格林珩磨机Z800-180，精磨拉网砂条GC200#，平顶砂条GC1200#，往复速度为10~20m/min，珩磨压力为8~20bar。
具体地，所述孕育剂为硅锶孕育剂且加入量为熔融原料液重量的0.5%～0.75%。
本发明的有益效果如下：
本发明主要从材料、缸套结构、内孔表面纹理、以及尺寸精度四方面进行设计，既适用于新能源，又能够满足高爆压、高排放、低油耗的需求。
（1）材料设计：所述材料为高性能磷合金铸铁，高性能磷合金铸铁是在普通合金灰铸铁材料基础上加入Mo、Cu、Ni等合金元素，同时提高P元素含量，形成的新的铸铁材料，材料中含有丰富的均匀网状分布的磷共晶，具有较高的耐磨、耐腐性能，可以解决因配装EGR等后处理系统引起缸孔的腐蚀磨损等问题。另外，材料中加入了Mo等合金元素，抗拉强度超过400MPa，硬度在270~350HB之间，能够满足爆发压力超过200bar的发动机；
（2）气缸套结构设计：所述气缸套包括上部的薄壁段和下部的厚壁段，用以提高发动机散热速度，所述气缸套结构采用中支撑设计（所述薄壁段与厚壁段的连接处设有支撑肩台），以提高气缸套强度，厚壁段的底端设有连杆避让槽；在缸套下部带连杆避让槽，能有效改善连杆的运动空间；
（3）内孔表面纹理设计：本发明细致的机加工过程，得到了符合要求的表面纹理设计。通常，气缸套内孔谐波幅值大，会造成活塞环与缸套内孔表面密封状态变差，引起发动机漏气量和油耗超差或不稳定； 气缸套内孔出现明显的谐波，且幅值过大时，会造成缸套、活塞环接触面润滑油膜厚度不均匀，引起机械摩擦功增加，摩擦副寿命下降。本发明通过控制气缸套内孔的多棱形谐波幅值，可以有效改善发动机漏气量和油耗超差现象，提高缸套、活塞环接触面润滑油膜厚度均匀性，降低机械摩擦功，提高摩擦副寿命；而且气缸套内孔网纹微观化程度较高，对应于磨合期、正常工作期和安全储油期的内孔网纹结构参数分别为Rpk:≤0.2μm，Rk:0.2～0.4μm，Rvk:1.0～1.5μm，网纹均匀、油膜厚度薄而均匀，参与燃烧和被蒸发的油量较少，可以协助整机满足欧Ⅵ以上高排放要求，并且降低油耗，能使得活塞、活塞环和缸体孔的运行和耐久性发挥到最佳状态，对发动机的经济性能（燃油消耗、尾气和摩擦力）和寿命（汽缸和活塞环的磨损）有着至关重要的影响；
（4）尺寸精度设计：气缸套内孔圆柱度0.006 mm，且所述气缸套薄壁段各处壁厚差不大于0.04mm，厚壁段的各处壁厚差也不大于0.04mm，保证气缸套内、外圆一致性，以降低油耗，减弱了对发动机功率的不良影响并提高了排放水平。
附图说明
图1为本发明所述气缸套的金相照片；
图2为本发明所述气缸套的立体结构图；
图3为本发明所述气缸套的剖视结构图。
具体实施方式
为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明，但所述实施例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
实施例1
一种新能源气缸套，如图2和3所示，所述气缸套包括上部的薄壁段1和下部的厚壁段2，所述薄壁段1与厚壁段2的连接处设有支撑肩台3，厚壁段2的底端设有连杆避让槽4；所述气缸套结构采用中支撑设计，气缸套压装由所述薄壁段1顶端从缸体孔下端逐步向上压入，薄壁段1与缸体孔为过盈配合，厚壁段2与缸体孔为间隙配合。以重量百分比计，所述气缸套的化学组成为：碳 2.70%，硅 1.60%，锰 0.50%，磷 0.20%，硫 0.05%，铬 0.20%，铜 0.20%，镍0.30%，钼 0.20%，余量为铁。
上述新能源气缸套的生产工艺，包括铸造和机加工，其中铸造的生产步骤如下：
（1）配料熔化，按上述重量百分比取各原料并升温熔炼，温度为1500℃，得熔融原料液；对所得熔融原料液的化学成分进行快速分析检测；
（2）保温，将步骤（1）所得熔融原料液转移至保温炉进行保温，温度控制为1400℃；
（3）孕育，熔融原料液出炉前加入孕育剂进行孕育处理；所述孕育剂为硅锶孕育剂且加入量为熔融原料液重量的0.5%；
（4）浇注，将经步骤（3）孕育后的熔融原料液浇注入多工位离心铸造设备中，浇注转速为1200n/min，浇注模温为200℃，得气缸套毛坯件，出模后，放入铸件框中即可。
所述机加工的生产步骤如下：
（1）粗切、粗镗内孔、修车，去除外圆及内孔的2~3.5mm的加工余量；
（2）550℃去应力退火2h，残余应力检测值为12MPa；
（3）精镗内孔、粗珩内孔、半精车外圆；
（4）400℃去应力退火2h；
（5）粗珩内孔、半精车外圆、粗珩内孔、精车外圆、铣豁加工连杆避让槽、精珩内孔；其中粗珩内孔利用立式大河珩磨机，半精车外圆利用数控车床，精车外圆、铣豁利用高精度数控车床QTN250ⅡL/1000，精珩内孔利用德国进口格林珩磨机Z800-180，精磨拉网砂条GC200#，平顶砂条GC1200#，往复速度为10m/min，珩磨压力为8bar。
经过上述铸造和机加工过程即得气缸套成品，对所得气缸套成品利用金相显微镜观察其金相组织（如图1所示），石墨组织以A+B型为主，长度4-7级，D+E型石墨不大于20%，基体组织为细片状珠光体，游离铁素体不超过3％，自由碳化物不超过5％，磷共晶非常细小且随机分布。
实施例2
一种新能源气缸套，如图2和3所示，所述气缸套包括上部的薄壁段1和下部的厚壁段2，所述薄壁段1与厚壁段2的连接处设有支撑肩台3，厚壁段2的底端设有连杆避让槽4；所述气缸套结构采用中支撑设计，气缸套压装由所述薄壁段1顶端从缸体孔下端逐步向上压入，薄壁段1与缸体孔为过盈配合，厚壁段2与缸体孔为间隙配合。以重量百分比计，所述气缸套的化学组成为：碳 2.90%，硅 1.80%，锰 0.70%，磷 0.35%，硫 0.07%，铬 0.35%，铜 0.30%，镍0.40%，钼 0.40%，余量为铁。
上述新能源气缸套的生产工艺，包括铸造和机加工，其中铸造的生产步骤如下：
（1）配料熔化，按上述重量百分比比取各原料并升温熔炼，温度为1525℃，得熔融原料液；对所得熔融原料液的化学成分进行快速分析检测；
（2）保温，将步骤（1）所得熔融原料液转移至保温炉进行保温，温度控制为1435℃；
（3）孕育，熔融原料液出炉前加入孕育剂进行孕育处理；所述孕育剂为硅锶孕育剂且加入量为熔融原料液重量的0.65%；
（4）浇注，将经步骤（3）孕育后的熔融原料液浇注入多工位离心铸造设备中，浇注转速为1250n/min，浇注模温为260℃，得气缸套毛坯件，出模后，放入铸件框中即可。
所述机加工的生产步骤如下：
（1）粗切、粗镗内孔、修车，去除外圆及内孔的2~3.5mm的加工余量；
（2）550℃去应力退火2.5h，残余应力检测值8MPa；
（3）精镗内孔、粗珩内孔、半精车外圆；
（4）400℃去应力退火2.5h；
（5）粗珩内孔、半精车外圆、粗珩内孔、精车外圆、铣豁加工连杆避让槽、精珩内孔；其中粗珩内孔利用立式大河珩磨机，半精车外圆利用数控车床，精车外圆、铣豁利用高精度数控车床QTN250ⅡL/1000，精珩内孔利用德国进口格林珩磨机Z800-180，精磨拉网砂条GC200#，平顶砂条GC1200#，往复速度为15m/min，珩磨压力为15bar。
实施例3
一种新能源气缸套，如图2和3所示，所述气缸套包括上部的薄壁段1和下部的厚壁段2，所述薄壁段1与厚壁段2的连接处设有支撑肩台3，厚壁段2的底端设有连杆避让槽4；所述气缸套结构采用中支撑设计，气缸套压装由所述薄壁段1顶端从缸体孔下端逐步向上压入，薄壁段1与缸体孔为过盈配合，厚壁段2与缸体孔为间隙配合。以重量百分比计，所述气缸套的化学组成为：碳 3.20%，硅 2.10%，锰 0.90%，磷 0.50%，硫 0.10%，铬 0.50%，铜 0.50%，镍0.40%，钼 0.60%，余量为铁。
上述新能源气缸套的生产工艺，包括铸造和机加工，其中铸造的生产步骤如下：
（1）配料熔化，按上述重量百分比比取各原料并升温熔炼，温度为1550℃，得熔融原料液；对所得熔融原料液的化学成分进行快速分析检测；
（2）保温，将步骤（1）所得熔融原料液转移至保温炉进行保温，温度控制为1470℃；
（3）孕育，熔融原料液出炉前加入孕育剂进行孕育处理；所述孕育剂为硅锶孕育剂且加入量为熔融原料液重量的0.75%；
（4）浇注，将经步骤（3）孕育后的熔融原料液浇注入多工位离心铸造设备中，浇注转速为1300n/min，浇注模温为320℃，得气缸套毛坯件，出模后，放入铸件框中即可。
所述机加工的生产步骤如下：
（1）粗切、粗镗内孔、修车，去除外圆及内孔的2~3.5mm的加工余量；
（2）550℃去应力退火3h，残余应力检测值11MPa；
（3）精镗内孔、粗珩内孔、半精车外圆；
（4）400℃去应力退火3h；
（5）粗珩内孔、半精车外圆、粗珩内孔、精车外圆、铣豁加工连杆避让槽、精珩内孔；其中粗珩内孔利用立式大河珩磨机，半精车外圆利用数控车床，精车外圆、铣豁利用高精度数控车床QTN250ⅡL/1000，精珩内孔利用德国进口格林珩磨机Z800-180，精磨拉网砂条GC200#，平顶砂条GC1200#，往复速度为20m/min，珩磨压力为20bar。
性能检测
本发明中，以实施例1至3的生产工艺均制造多个气缸套成品，并进行以下检测：
硬度：GB231—63《金属布氏硬度试验方法》
抗拉强度：万能材料试验机
内孔圆柱度及内孔多棱形谐波幅值：泰勒TR365圆柱度仪
内孔网纹：霍梅尔T8000粗糙度仪
内孔微观质量：白光干涉仪
经检测，所有气缸套成品的硬度均介于270~350HB之间，抗拉强度≥ 400Mpa，内孔圆柱度为0.006 mm，内孔多棱形谐波幅值的结果统计如下表1所示：
表1 内孔多棱形谐波幅值结果统计
所有气缸套成品的内孔多棱形谐波幅值均在合适的范围内，不会因谐波幅值大而造成活塞环与缸套内孔表面密封状态变差，且谐波幅值过大时，会造成缸套、活塞环接触面润滑油膜厚度不均匀，引起机械摩擦功增加，摩擦副寿命下降。所有气缸套成品的内孔网纹参数均介于以下范围：Rpk≤0.2μm、Rk:0.2～0.4μm、Rvk:1.0～1.5μm、Mr1≤8%、Mr2: 65%-90%网纹夹角：45°±5°，网纹均匀、油膜厚度薄而均匀，参入燃烧和被蒸发的油量较少，可以协助整机降低油耗，提高排放水平。所有气缸套成品的内孔微观质量的范围值见下表2，均处于规定的下限值和上限值之间，符合要求：
表2 内孔微观质量
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 (5)

1.一种新能源气缸套，其特征在于，以重量百分比计，所述气缸套的化学组成为：碳2.70~3.20%，硅 1.60~2.10%，锰 0.50~0.90%，磷 0.20~0.50%，硫 ≤0.10%，铬 0.20~0.50%，铜和镍的总量 0.50~0.90%，钼 0.20~0.60%，余量为铁。
2.根据权利要求1所述的新能源气缸套，其特征在于：所述气缸套包括上部的薄壁段和下部的厚壁段，所述薄壁段与厚壁段的连接处设有支撑肩台，厚壁段的底端设有连杆避让槽。
3.权利要求1或2所述新能源气缸套的生产工艺，其特征在于，包括铸造和机加工，其中铸造的生产步骤如下：
（1）配料熔化，按比例取各原料并升温熔炼，温度为1500～1550℃，得熔融原料液；
（2）保温，将步骤（1）所得熔融原料液进行保温，温度控制为1400～1470℃；
（3）孕育，熔融原料液出炉前加入孕育剂进行孕育处理；
（4）浇注，将经步骤（3）孕育后的熔融原料液浇注入多工位离心铸造设备中，浇注转速为1200～1300n/min，浇注模温为200~320℃，得气缸套毛坯件，出模后，放入铸件框中即可。
4.根据权利要求3所述新能源气缸套的生产工艺，其特征在于，所述机加工的生产步骤如下：
（1）粗切、粗镗内孔、修车，去除外圆及内孔的2~3.5mm的加工余量；
（2）550℃去应力退火至残余应力检测值≤15MPa；
（3）精镗内孔、粗珩内孔、半精车外圆；
（4）400℃去应力退火2~3h；
（5）粗珩内孔、半精车外圆、粗珩内孔、精车外圆、铣豁加工连杆避让槽、精珩内孔。
5.根据权利要求3所述新能源气缸套的生产工艺，其特征在于：所述孕育剂为硅锶孕育剂且加入量为熔融原料液重量的0.5%～0.75%。
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