CN107829022B - 一种离心铸造超级复合材料刮碳环及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心铸造超级复合材料刮碳环，其以重量百分比计，该刮碳环的化学组成为：碳 2.3～2.5%，硅 1.5～1.7%，0.1<磷<0.15%，0<硫<0.02%，锰 0.5～0.7%，铜 4.6～5.0%，铅 0.08～0.1%，铈0.01～0.015%，余量为铁。本发明的配方和生产工艺获得的刮碳环具有高的抗拉强度、弹性模量、良好的塑性、导热性及抗腐蚀性，且刮碳环工作面具有良好的耐磨性、减磨性及抗热疲劳性能，可以有效地提高刮碳环的使用寿命、明显地减少刮碳环因磨损、腐蚀、热疲劳等失效而更换的频次，从而进一步提高气缸套、活塞、活塞环乃至柴油发动机的使用寿命。

Description

一种离心铸造超级复合材料刮碳环及其生产工艺

技术领域

本发明属于发动机配件生产技术领域，具体涉及一种离心铸造超级铜复合材料刮碳环及其生产工艺。

背景技术

随着柴油发动机升功率及爆发压力的不断提高，柴油发动机使用过程中，活塞头部表面常常产生严重的积碳现象，这种积碳将加剧缸套内壁与活塞的磨损，还会使润滑油的油耗进一步上升，一定程度地引起湿式气缸套早磨、穴蚀、崩缸失效报废，带有刮碳环的气缸套设计，当活塞头部的积碳达到一定厚度时，可使其表面的积碳在活塞往复运动过程中被刮碳环刮除，即避免形成更厚层的积碳，而刮下来的积碳被排气吹走。即刮碳环与气缸套相配合，工作过程中受到高温高压的燃油作用，刮除积碳过程中要有一定的磨损且其自身也会形成表面积碳，刮碳环是发动机的易损件之一。因此，如何使刮碳环具有高的抗拉强度、弹性模量、良好的塑性及抗腐蚀性，且刮碳环工作面具有良好的耐磨性、减磨性、导热性及抗热疲劳性能，有效地提高刮碳环的使用寿命、明显地减少刮碳环因磨损、腐蚀、热疲劳等失效而更换的频次，进一步提高气缸套、活塞、活塞环乃至柴油发动机的使用寿命，是各大主机厂及其配件生产企业的研究方向，即研究高性能的气缸套刮碳环及其结构，具有深远的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种离心铸造超级铜复合材料刮碳环，该刮碳环具有高强度、高塑性、高弹性模量，良好的减磨性和润滑性，其抗拉强度＞500Mpa，弹性模量＞170Gpa，延伸率＞1%。

本发明还提供了上述离心铸造超级铜复合材料刮碳环的生产工艺。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种离心铸造超级复合材料刮碳环，其以重量百分比计，该刮碳环的化学组成为：碳（C）2.3～2.5%，硅(Si) 1.5～1.7%，0.1<磷（P）<0.15%，0<硫（S）<0.02%，锰（Mn） 0.5～0.7%，铜（Cu）4.6～5.0%，铅（Pb） 0.08～0.1%，铈（Ce）0.01～0.015%，余量为铁（Fe）。

本发明配方中，碳、硅元素的作用：低碳高硅的配比，使铁液的过冷度增大，保证水冷金属型离心铸造时，毛坯为无石墨的全白口组织。

铜、锰元素的作用：铸铁中，铜在奥氏体中的极限溶解度约为3.5%，常温铁素体中溶解度约为0.35%，即本专利要求保护的铜含量的范围超过了其在奥氏体中的极限溶解度，即在水冷金属型离心铸造过冷度较大条件下凝固过程中直接在铁液中会形成板条状渗碳体（在白口铸铁中，渗碳体共晶组织在较小过冷度条件下是莱氏体型，在过冷度较大的条件下为板条型，此时共晶生长以片状渗碳体和奥氏体呈分离形式，即为一种离异型的共晶组织）+奥氏体+未溶解直接析出的铜基合金粒子，随着铁液温度的降低，直接析出的铜基合金粒子在离心力的作用不断向共晶团边界及残留液体中富集，即这里形成的铜基合金粒子呈正偏析（一般情况下，铜元素在共晶凝固时呈负偏析，其仅针对固溶的铜而言），同时，锰、稀土等元素被不断长大的共晶团所排挤，富集到残留铁液中，由于直接析出的铜基合金的隔离作用，使锰、稀土等元素失去了与碳结合的机会，因此，在共晶团的边界以铜基合金Cu2MnCePb析出物形式凝固，离心铸造出缸温度850～880℃，在此温度下气缸套毛坯组织为渗碳体+奥氏体+铜基合金粒子要想形成此铜基复合析出物合金粒子，需要的铸造方式为离心铸造且保证奥氏体中未固溶的铜含量≥2倍锰、稀土等其它晶界偏析元素含量之和。

磷的作用：磷在等温淬火快冷过程中形成富磷的针状铁素体, 且此缸套刮碳环使用过程中气体燃烧爆炸产生的高温使富磷的针状铁素体中析出纳米级的磷合金粒子，均匀地涂挂于摩擦面，有效地减小缸套磨损，并隔离积碳层与基体，防止积。

稀土铈（Ce）的作用：增大铁液的过冷度，使铜基合金粒子块度减小。

铅的作用：铅以细小分散的颗粒分布于析出的铜基合金基体上，具有良好的自润滑作用，能降低摩擦系数，提高耐磨性且铅能够填补铜基合金枝晶空隙，有助于消除显微缩松。

上述的离心铸造超级复合材料刮碳环的生产工艺，其包括如下步骤：

（1）按比例准确称取各原料，采用水冷金属型离心铸造法生产刮碳环毛坯；

（2）刮碳环毛坯高温出缸后，直接采用升降式机械手转入910±10℃的高温盐浴中保温2-4小时；

（3）保温结束后，由机械手将高温毛坯直接淬入330±10℃的低温盐浴中等温1-1.5小时，等温结束后直接出炉淬水冷至200℃以下，清洗表面残盐，吹干后形成刮碳环毛坯半成品（硬度大于330HBW，金相中无石墨存在）；

此步骤的作用：高温毛坯直接淬入低温盐浴中快冷过程中，铜基合金粒子保留至室温，且在贝氏体温度区域等温1-1.5小时后，最终形成的气缸套刮碳环基体组织为富磷的针状铁素体+含铜的残余奥氏体+铜锰复合析出物合金+少量富铜相及板条状渗碳体（即气缸套刮碳环为一种新型的自生的镶嵌有铜基合金的新型高性能合金复合材料）；因该组织的气缸套刮碳环在内燃机工作过程中（气缸套刮碳环工作温度300℃左右）含铜奥氏体中还会不断有纳米级的富铜相析出，这些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弥补微小的疲劳裂纹源，具有一定的自修复功能，同时这里形成的富铜相其晶粒尺寸可达纳米级，由于这些富铜相的固溶强化作用使缸套强度、硬度急剧升高，大幅提高其抗磨性及减磨性。即通过本发明的成分及生产工艺所制备的自生的镶嵌有铜基合金的新型复合材料的刮碳环，具有高强度、高塑性，减磨性和良好的润滑性；即要想形成此铜锰复合析出物合金Cu2MnCePb，需要的铸造方式为离心铸造且保证奥氏体中未固溶的铜含量（铸铁中，铜在奥氏体中的溶解度为3.5%左右）≥2倍锰含量；铸铁中铜元素一般的作用为促进石墨化、降低白口倾向；

（4）将刮碳环毛坯半成品加工至成品，成品刮碳环加热至300±10℃保温0.5-1小时进行稳定化处理；然后直接出炉淬入120±10℃的植物油中以使刮碳环表面形成一层致密的氧化膜，空冷至室温后涂抹防锈油即得。该步骤的作用：一是在刮碳环工作温度保温使其尺寸及组织进行使用前的预稳定化处理；二是在刮碳环表面形成一层致密的氧化膜，增强耐腐蚀能力。通过本发明的配方和生产工艺获得的高性能复合材料气缸套刮碳环具有高的抗拉强度、弹性模量、良好的塑性导热性及抗腐蚀性，且刮碳环工作面具有良好的耐磨性、减磨性及抗热疲劳性能，可以有效地提高刮碳环的使用寿命、明显地减少刮碳环因磨损、腐蚀、热疲劳等失效而更换的频次，从而进一步提高气缸套、活塞、活塞环乃至柴油发动机的使用寿命。

本专利实际解决的技术问题不仅包括如何进一步提高气缸套刮碳环外壁的耐磨、减磨性能，还包括提高气缸套刮碳环的抗腐蚀及抗热疲劳等性能。磷元素的作用：磷在等温淬火快冷过程中形成富磷的针状铁素体，同时磷可以提高低碳当量铁液的流动性且此缸套刮碳环使用过程中气体燃烧爆炸产生的高温使富磷的针状铁素体中析出纳米级的磷合金粒子，均匀地涂挂于摩擦面，有效地减小缸套磨损，并隔离积碳层与基体，防止积碳；这种富磷针状铁素体+含铜残余奥氏体+铜基合金析出物+少量含铜相及渗碳体（如图1和2所示）的新型“搓板式”结构具有良好的耐磨性、减磨性。

具体的，所述步骤（1）中采用水冷金属型离心铸造法（控制来水、激水、还原时间及转速等参数）生产刮碳环毛坯时，熔炼温度1450～1500℃，熔炼好的铁液静置10-20分钟（具体可为15min，以使铜、锰等合金元素充分溶解于铁液）；采用单工位离心浇注机进行浇注：将静置后的铁液先倒入浇包，浇包底部放有稀土与碳化硅的混合物进行准孕育处理（准孕育处理并非真正的孕育处理，其作用仅仅是为了增大铁液的过冷度，高熔点的碳化硅并不能完全溶解，未溶解的碳化硅微粒随铁液进入离心铸造模具，由于水冷金属型作用快速凝固而保存下来，最终以碳化硅微粒与基体冶金结合的形式存在于气缸套刮碳环基体中）；然后转入浇火勺中进行浇注，浇铸温度1420℃-1450,浇注机转速1600-1700转/分，刮碳环毛坯壁厚4-5.5mm，涂料厚度0.1-0.4mm，模具预热温度230-280℃，来水时间1-3秒，激水时间80-100秒，还原时间100-120秒，控制刮碳环毛坯出缸温度850-880℃。

具体的，所述步骤（2）中在高温盐浴中进行保温处理是指在由质量比1:1的BaCl₂和NaCl组成的盐浴中进行保温处理。该步骤的作用有两点：一是重新加热至高温保温，奥氏体中碳和合金元素的溶解度随温度的升高而增加，从而使已析出的碳化物重新部分溶入奥氏体；二是使铜基合金中的锰、稀土元素充分固溶

具体的，所述步骤（3）中在低温盐浴中进行等温处理是指在由质量比3:2的亚硝酸钠和硝酸钾组成的盐浴中进行等温处理（优选的，同时开启水冷装置，保持盐浴温度波动不超过5℃）。

具体的，所述步骤（1）中浇包底部放有稀土与碳化硅的混合物进行准孕育处理，稀土与碳化硅的混合物（粒度在1-2mm）的重量为铁液重量的0.1%，稀土与碳化硅的重量比为3:1。

本发明还公开了一种含有上述离心铸造超级复合材料刮碳环的气缸套，其包括气缸套本体和安装在气缸套大端的刮碳环，两者采用间隙配合，间隙量0.01-0.02mm。

本发明请求保护一种高性能复合材料气缸套刮碳环，该产品具有特殊的结构及组分；其实际解决的技术问题不仅包括如何进一步提高气缸套刮碳环的耐磨、减磨、导热及热疲劳性能，还包括提高气缸套刮碳环的耐腐蚀及防积碳等性能；（铜合金复合析出物改善提高了刮碳环的导热性能），且金相中没有片状或球状等其它形态的石墨组织存在（铸铁中的石墨就像孔洞一样，使其弹性模量、抗拉强度明显下降，铸铁中的石墨越多，边沿越尖锐，尺寸越大，分布越不均匀，对其基体的破坏越大，则弹性模量、抗拉强度下降越多；即本发明为一种新型的自生的无石墨缩减作用的高强度高弹性模量复合材料气缸套刮碳环）。因该组织的气缸套刮碳环在工作过程中（刮碳环工作温度300℃左右）富铜奥氏体中还会不断有纳米级的富铜相析出，这些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弥补微小的疲劳裂纹源，具有一定的自修复功能，同时这里形成的富铜相其晶粒尺寸可达纳米级，由于这些富铜相的固溶强化作用使缸套强度、硬度急剧升高，大幅提高其抗磨性及减磨性。即通过本发明的成分及生产工艺所制备的复合材料刮碳环具有高强度、高塑性、高弹性模量，良好的减磨性和润滑性，其抗拉强度＞500Mpa，弹性模量＞170Gpa，延伸率＞1%。当然，本发明的成分及生产工艺所制备的超级铜复合材料不仅仅局限于制备气缸套刮碳环，还可以制备其它要求高强度、高耐磨、良好的导热及耐腐蚀性能的环状零件，如活塞环等零件。

附图说明

图1是本发明刮碳环成品的金相照片100倍。由图1可见，本发明刮碳环，金相组织中不存在石墨，基体组织为针状铁素体+残余奥氏体+铜基复合析出物+少量富铜相及板条状渗碳体；

图2是本发明刮碳环成品的金相照片500倍；

图3是本发明带有刮碳环的气缸套结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。

实施例1

一种离心铸造高性能超级复合材料气缸套刮碳环；所述气缸套刮碳环材料的化学组成按如下重量百分比计（%）： C：2.31，Si：1.65，P：0.11，S：0.008，Mn：0.51，Cu：4.65， Pb：0.085，Ce：0.012，余量为铁。

上述离心铸造高性能超级复合材料气缸套刮碳环的制备工艺，包括以下步骤：

步骤1、按上述重量百分比准确称取各原料，按要求配料进行熔炼、熔炼温度为1450℃，熔炼铁液后，高温静置15min（使铜、锰等合金元素充分溶解于铁液）。

步骤2、采用水冷金属型离心铸造工艺（控制来水、激水、还原时间及转速等参数）生产该气缸套刮碳环毛坯时；使用单工位离心浇注机进行浇注：将静置后的铁液先倒入浇包，浇包底部放有稀土Ce与碳化硅的混合物进行准孕育处理（稀土与碳化硅的混合物质量为铁液重量的0.1%，稀土与碳化硅的质量比为3:1，混合物的粒度为1-2mm）；然后转入浇火勺中进行浇注，浇铸温度1420℃，浇注机转速1600转/分，刮碳环毛坯壁厚5.5mm，涂料厚度0.2mm，模具预热温度260℃，来水时间1秒，激水时间100秒，还原时间120秒，控制毛坯出缸温度850℃；

步骤3、刮碳环毛坯出缸后，直接采用升降式机械手转入920℃的高温盐浴中保温4小时后，所述的高温盐炉是指在由质量比1:1的BaCl₂和NaCl组成的盐浴中进行保温处理；

步骤4、然后由机械手将高温毛坯直接淬入340℃的低温盐浴中等温1小时（所述的低温盐炉是指在由质量比3:2的亚硝酸钠和硝酸钾组成的盐浴中进行等温处理；同时开启水冷装置，保持盐浴温度波动不超过5℃），等温结束后直接出炉淬水冷至200℃以下，清洗表面残盐，吹干后形成刮碳环毛坯半成品，毛坯硬度380HBW，金相中无石墨存在；

步骤5、所述的刮碳环毛坯半成品加工至成品，成品刮碳环加热至300℃保温0.5小时进行稳定化处理后；直接出炉淬入120℃的植物油（大豆油）中使刮碳环表面形成一层致密的氧化薄膜，空冷至室温后涂抹防锈油即得（其金相照片见图1和2）。

上述制备所得气缸套刮碳环的抗拉强度520MPa（检测标准：GB/T228.1-2010），弹性模量172GPa（检测标准GB/T22315-2010），延伸率2.5%（检测标准：GB/T228.1-2010）。

一种含有上述离心铸造超级复合材料刮碳环的气缸套（如图3所示），其包括气缸套本体和嵌设安装在气缸套大端内的刮碳环，两者采用间隙配合，间隙量0.01-0.02mm。

实施例2

一种离心铸造高性能超级复合材料气缸套刮碳环，所述气缸套刮碳环材料的化学组成按如下重量百分比计（%）：C：2.35，Si：1.61，P：0. 10，S：0.007，Mn：0.60，Cu：4.95， Pb：0.082，Ce：0.013，余量为铁。

上述离心铸造高性能超级复合材料气缸套刮碳环的生产工艺，包括以下步骤：

步骤1、按上述重量百分比准确称取各原料，按要求配料进行熔炼、熔炼温度为1500℃，熔炼铁液后，高温静置15min（使铜、锰等合金元素充分溶解于铁液）；

步骤2、采用水冷金属型离心铸造工艺（控制来水、激水、还原时间及转速等参数）生产该气缸套刮碳环毛坯时；使用单工位离心浇注机进行浇注：将静置后的铁液先倒入浇包，浇包底部放有稀土Ce与碳化硅的混合物进行准孕育处理（稀土与冶金碳化硅的混合物质量为铁液重量的0.1%，稀土与碳化硅的比例为3:1，混合物的粒度为1-2mm）；然后转入浇火勺中进行浇注，浇铸温度1450℃，浇注机转速1700转/分，刮碳环毛坯壁厚5.4mm，涂料厚度0.3mm，模具预热温度230℃，来水时间1秒，激水时间100秒，还原时间120秒，控制毛坯出缸温度860℃；

步骤3、刮碳环毛坯出缸后，直接采用升降式机械手转入920℃的高温盐浴中保温2小时后，所述的高温盐炉是指在由质量比1:1的BaCl₂和NaCl组成的盐浴中进行保温处理；

步骤4、然后由机械手将高温毛坯直接淬入340℃的低温盐浴中等温1.5小时（所述的低温盐炉是指在由质量比3:2的亚硝酸钠和硝酸钾组成的盐浴中进行等温处理；同时开启水冷装置，保持盐浴温度波动不超过5℃），等温结束后直接出炉淬水冷至200℃以下，清洗表面残盐，吹干后形成刮碳环毛坯半成品，毛坯硬度大于330HBW，金相中无石墨存在；

步骤5、所述的刮碳环毛坯半成品加工至成品，成品刮碳环加热至300℃保温1小时进行稳定化处理后；直接出炉淬入120℃的植物油（菜籽油）中使刮碳环表面形成一层致密的氧化膜，空冷至室温后涂抹防锈油即得。

上述制备所得气缸套刮碳环的抗拉强度510MPa，弹性模量175GPa，延伸率2%。

实施例3

一种离心铸造高性能超级复合材料气缸套刮碳环，所述气缸套刮碳环材料的化学组成按如下重量百分比计（%）：C：2.48，Si：1.52，P：0.15，S：0.018，Mn：0.70，Cu：4.82， Pb：0.098，Ce：0.015，余量为铁。

上述离心铸造高性能超级复合材料气缸套刮碳环的生产工艺参照实施例1，制备所得气缸套刮碳环的抗拉强度515MPa，弹性模量173GPa，延伸率2%。

Claims (7)

1.一种离心铸造超级复合材料刮碳环，其特征在于，以重量百分比计，该刮碳环的化学组成为：碳 2.3～2.5%，硅 1.5～1.7%，0.1<磷<0.15%，0<硫<0.02%，锰 0.5～0.7%，铜 4.6～5.0%，铅 0.08～0.1%，铈0.01～0.015%，余量为铁；

上述离心铸造超级复合材料刮碳环的生产工艺，其包括如下步骤：

（1）按比例准确称取各原料，采用水冷金属型离心铸造法生产刮碳环毛坯；

（2）刮碳环毛坯出缸后，直接转入910±10℃的高温盐浴中保温2-4小时；

（3）保温结束后，直接淬入330±10℃的低温盐浴中等温1-1.5小时，等温结束后直接淬水冷至200℃以下，清洗表面残盐，吹干后形成刮碳环毛坯半成品；

（4）将刮碳环毛坯半成品加工至成品，成品刮碳环加热至300±10℃保温0.5-1小时进行稳定化处理；然后直接出炉淬入120±10℃的植物油中以使刮碳环表面形成一层致密的氧化膜，空冷至室温后涂抹防锈油即得；

最终形成的气缸套刮碳环基体组织为富磷的针状铁素体+含铜的残余奥氏体+铜锰复合析出物合金+少量富铜相及板条状渗碳体。

2.权利要求1所述的离心铸造超级复合材料刮碳环的生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：

（1）按比例准确称取各原料，采用水冷金属型离心铸造法生产刮碳环毛坯；

（2）刮碳环毛坯出缸后，直接转入910±10℃的高温盐浴中保温2-4小时；

（3）保温结束后，直接淬入330±10℃的低温盐浴中等温1-1.5小时，等温结束后直接淬水冷至200℃以下，清洗表面残盐，吹干后形成刮碳环毛坯半成品；

（4）将刮碳环毛坯半成品加工至成品，成品刮碳环加热至300±10℃保温0.5-1小时进行稳定化处理；然后直接出炉淬入120±10℃的植物油中以使刮碳环表面形成一层致密的氧化膜，空冷至室温后涂抹防锈油即得。

3.根据权利要求2所述的离心铸造超级复合材料刮碳环的生产工艺，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刮碳环毛坯时，熔炼温度1450～1500℃，熔炼好的铁液静置10-20分钟；采用单工位离心浇注机进行浇注：将静置后的铁液先倒入浇包，浇包底部放有稀土与碳化硅的混合物进行准孕育处理；然后转入浇火勺中进行浇注，浇铸温度1420℃-1450，浇注机转速1600-1700转/分，毛坯壁厚4-5.5mm，涂料厚度0.1-0.4mm，模具预热温度230-280℃，来水时间1-3秒，激水时间80-100秒，还原时间100-120秒，控制刮碳环毛坯出缸温度850-880℃。

4.根据权利要求2所述的离心铸造超级复合材料刮碳环的生产工艺，其特征在于，所述步骤（2）中在高温盐浴中进行保温处理是指在由质量比1:1的BaCl₂和NaCl组成的盐浴中进行保温处理。

5.根据权利要求2所述的离心铸造超级复合材料刮碳环的生产工艺，其特征在于，所述步骤（3）中在低温盐浴中进行等温处理是指在由质量比3:2的亚硝酸钠和硝酸钾组成的盐浴中进行等温处理。

6.根据权利要求3所述的离心铸造超级复合材料刮碳环的生产工艺，其特征在于，所述步骤（1）中浇包底部放有稀土与碳化硅的混合物进行准孕育处理，稀土与碳化硅的混合物的重量为铁液重量的0.1%，稀土与碳化硅的重量比为3:1。

7.一种含有权利要求1所述离心铸造超级复合材料刮碳环的气缸套，其特征在于，包括气缸套本体和安装在气缸套大端的刮碳环，两者采用间隙配合，间隙量0.01-0.02mm。