CN109128075A - 一种高强度环保活塞环材料、其制备方法及柴油机活塞环 - Google Patents

一种高强度环保活塞环材料、其制备方法及柴油机活塞环 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高强度环保活塞环材料，由以下质量分数的组分经铸造和热处理得到：C：2.5～3.0％，Si：1.5～2.0％，Mn：0.5～0.9％，P：0.2～0.5％，S≤0.08％，Cu：1.0～1.5％，Mo0.5～1.1％，V：0.04～0.1％，Ti：0.04～0.1％，余量为Fe；所述热处理的温度为500～550℃；所述热处理的时间为1～2小时。本发明对活塞环材料进行优化，去除贵金属镍，调整其他金属的含量比例，在满足产品机械性能的条件下，能使产品成本下降12％以上。本发明还提供了一种高强度环保活塞环材料的制备方法及柴油机活塞环。

Description

一种高强度环保活塞环材料、其制备方法及柴油机活塞环
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，尤其涉及一种高强度环保活塞环材料、其制备方法及柴油机活塞环。
背景技术
活塞环是一种具有较大向外扩张变形的金属弹性环，用于嵌入活塞槽沟内部，它被装配到剖面与其相应的环形槽内。往复和旋转运动的活塞环，依靠气体或液体的压力差，在环外圆面和气缸以及环和环槽的一个侧面之间形成密封。
活塞环是燃油发动机内部的核心部件，它和汽缸，活塞，汽缸壁等一起完成燃油气体的密封。常用汽车发动机有柴油和汽油发动机两种，由于其燃油性能不同，其使用的活塞环也不尽相同。柴油发动机的活塞环与冷却水接触的表面上常出现孔穴直径1毫米左右，深度几毫米，严重的可达十几毫米的穴蚀现象。不少活塞环在短期内就需更换，为了提高材料的抗穴蚀能力，采用镍磷复合镀在产品上进行表面强化处理，硬度和耐蚀性达到要求，但产品整体成本却提高了。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度环保活塞环材料、其制备方法及柴油机活塞环，本发明中的高强度环保活塞环材料成本低，且机械性能优异。
本发明提供一种高强度环保活塞环材料，由以下质量分数的组分经铸造和热处理得到：
C：2.5～3.0％，Si：1.5～2.0％，Mn：0.5～0.9％，P：0.2～0.5％，S≤0.08％，Cu：1.0～1.5％，Mo0.5～1.1％，V：0.04～0.1％，Ti：0.04～0.1％，余量为Fe；
所述热处理的温度为500～550℃；所述热处理的时间为1～2小时。
优选的，所述铸造中来水的时间为10～15s。
优选的，所述铸造中的激水时间为10～35s。
优选的，所述铸造中还原的时间为90～110s。
优选的，所述铸造中的转速为1350～1450rpm。
优选的，所述铸造中的涂料厚度为0.7～1.0mm。
优选的，所述铸造中的模温为400～450℃。
优选的，所述铸造中包括两次孕育过程，
第一次孕育中孕育剂的用量为0.5～0.8％；第二次孕育中孕育剂的用量为0.1％。
优选的，所述铸造中的出缸温度≤850℃。
本发明提供一种柴油机活塞环，包括活塞环本体和复合在所述活塞环本体表面的镍磷复合镀层；
所述活塞环本体为上文所述的高强度环保活塞环材料制得。
本发明提供了一种高强度环保活塞环材料，由以下质量分数的组分经铸造和热处理得到：C：2.5～3.0％，Si：1.5～2.0％，Mn：0.5～0.9％，P：0.2～0.5％，S≤0.08％，Cu：1.0～1.5％，Mo0.5～1.1％，V：0.04～0.1％，Ti：0.04～0.1％，余量为Fe；所述热处理的温度为500～550℃；所述热处理的时间为1～2小时。本发明对活塞环材料进行优化，去除贵金属镍，调整其他金属的含量比例，在满足产品机械性能的条件下，能使产品成本下降12％以上。实验结果表明，本发明中的高强度环保活塞环材料的抗拉强度在430MPa以上，弹性模量达到150GPa以上。
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为本发明实施例1中铸造毛坯在放大100倍下的SEM图片；
图2为本发明实施例1中铸造毛坯在放大500倍下的SEM图片；
图3为本发明实施例1中热处理后的活塞环在放大500倍下的SEM图片；
图4为本发明实施例和比较例中试验棒的尺寸图。
具体实施方式
本发明提供了一种高强度环保活塞环材料，由以下质量分数的组分经铸造和热处理得到：
C：2.5～3.0％，Si：1.5～2.0％，Mn：0.5～0.9％，P：0.2～0.5％，S≤0.08％，Cu：1.0～1.5％，Mo：0.5～1.1％，V：0.04～0.1％，Ti：0.04～0.1％，余量为Fe；
所述热处理的温度为500～550℃；所述热处理的时间为1～2小时。
在本发明中，所述活塞环材料的成分如下：
C：2.5～3.0％，Si：1.5～2.0％，Mn：0.5～0.9％，P：0.2～0.5％，S≤0.08％，Cu：1.0～1.5％，Mo：0.5～1.1％，V：0.04～0.1％，Ti：0.04～0.1％，余量为Fe。
在本发明中，所述Si硅能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，其作用仅次于磷，较锰、镍、铬、钨、钼和钒等元素强。但含硅超过3％时，将显著降低钢的塑性和韧性。含硅的钢在氧化气氛中加热时，表面将形成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性；硅能促使铸钢中的柱状晶成长，降低塑性。
在本发明中，所述Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂。钢中一般都含有一定量的锰，它能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能；锰和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。锰在钢中由于降低临界转变温度。起到细化珠光体的作用。也间接地起到提高珠光体钢强度的作用；锰稳定奥氏体组织的能力仅次于镍，也强烈增加钢的淬透性。已用含量不超过2％的锰与其他元素配合制成多种合金钢。
在本发明中，所述的P元素在钢中固溶强化和冷作硬化作用强，作为合金元素加入低合金结构钢中，能提高其强度和钢的耐大气腐蚀性能，但降低其冷冲压性能。磷溶于铁素体，虽然能提高钢的强度和硬度，最大的害处是偏析严重，增加回火脆性，显著降低钢的塑性和韧性，致使钢在冷加工时容易脆裂，也即所谓“冷脆”现象。
在本发明中，提高硫和锰的含量，可改善钢的被切削性能，在易切削钢中硫作为有益元素加入。硫在钢中偏析严重，恶化钢的质量。在高温下，降低钢的塑性，是一种有害元素，导致钢的热脆现象。因此对硫应严加控制，一般控制在0.020％-0.050％。为了防止因硫导致的脆性，应加入足够的锰，使其形成熔点较高的MnS。
在本发明中，所述Cu在钢中的突出作用是改善普通低合金钢的抗大气腐蚀性能，特别是和磷配合使用时，加入铜还能提高钢的强度和屈服比，而对焊接性能没有不利的影响。含铜0.20％～0.50％的钢轨钢(U-Cu)，除耐磨外，其耐蚀寿命为一般碳素钢钢轨的2～5倍。铜含量超过0.75％时，经固溶处理和时效后可产生时效强化作用。含量低时，其作用与镍相似，但较弱。含量较高时，对热变形加工不利，在热变形加工时导致铜脆现象。2％～3％铜在奥氏体不锈钢中可提高对硫酸、磷酸及盐酸等的抗腐蚀性及对应力腐蚀的稳定性。
在本发明中，所述Mo在钢中能提高淬透性和热强性。防止回火脆性，增加剩磁和矫顽力以及在某些介质中的抗蚀性。
在本发明中，所述V和碳、氮、氧有极强的亲合力，与之形成相应的稳定化合物。钒在钢中主要以碳化物的形态存在。其主要作用是细化钢的组织和晶粒。降低钢的过热敏感性，提高钢的强度和韧性。
在本发明中，所述Ti和氮、氧、碳都有极强的亲合力，与硫的亲合力比铁强。因此，它是一种良好的脱氧去气剂和固定氮和碳的有效元素。钛虽然是强碳化物形成元素，但不和其他金属元素联合形成复合化合物。碳化钛结合力强，稳定、不易分解，在钢中只有加热到1000℃以上才缓慢地溶入固溶体中。在未溶入之前。碳化钛微粒有阻止晶粒长大的作用。由于钛和碳之间的亲合力远大于铬和碳之间的亲合力。在不锈钢中常用钛来固定其中的碳以消除铬在晶界处的贫化，从而消除或减轻钢的晶间腐蚀。
本发明在现有活塞环合金材料的基础之上，去除Ni元素，降低了成本，降低了污染，但是，由于去除Ni元素之后机械性能无法达标，尤其是合金材料的硬度和耐磨性能，因此，本发明通过调整改进合金成分配方，同时结合铸造工艺和热处理工艺上的改进，使本发明中的活塞环材料不仅成本低，而且提高了机械性能。
本发明结合改进后的合金配方，针对性的改进了相应的合金铸造工艺，在本发明中，所述活塞环的铸造工艺优选为离心铸造，所述铸造中来水的时间优选为10～15s，更优选为11～14s，最优选为12～13s；所述激水的时间优选为10～35s，更优选为15～30s，最优选为20～25s；所述还原的时间优选为90～110s，更优选为100s；所述模温优选为400～450℃。
所述铸造的离心转速优选为1350～1450，更优选为1400；所述铸造中涂料的厚度优选为0.7～1.0mm，更优选为0.8～0.9mm；所述铸造的出缸温度优选≤850℃；所述铸造包括两次孕育，一次孕育的孕育剂加入量优选为0.5～0.85，更优选为0.6％；二次孕育的孕育剂的加入量优选为0.1％；铸造的毛坯内孔的孔径优选为106～107mm。
铸造之后对铸造毛坯进行热处理，所述热处理的温度优选为500～550℃，所述热处理的时间优选为1～2小时。
本发明还提供了一种柴油机活塞环，其活塞环本体由上述活塞环材料制成，活塞环本体表面复合有镍磷复合镀层，本发明对所述镍磷复合镀层的具体成分没有特殊的限制，采用本领域技术人员常用的镍磷复合镀液进行化学镀即可。所述镀层的厚度优选为0.015～0.02mm。
现在常用的活塞环材料为普通贝氏体，本发明从成本角度对本申请中的高强度环保活塞环材料与普通贝氏体进行成本对比分析：
表1本发明中的活塞环材料与普通贝氏体的成分含量对比表
由表1可知，①、C、Si、Mn、S、实际控制成份几乎相同，计算成本时可以不考虑。
②、P、Cu、Ni、Mo、V、Ti实际控制成份存在差异；康明斯缸套配料使用林州生铁，高性价比合金铸铁缸套使用的为钒钛生铁。
原材料成本对比：
原材料价格(不含税)：
磷铁1920元/吨；(含量25％)
钒钛生铁3290元/吨；
林州生铁2670元/吨；
电解铜44900元/吨；(含量99.9％)
电解镍99490元/吨；(含量99.9％)
成本计算时不考虑人工、水、电等成本即假设人工、水、电等成本相同的条件下，只计算存在差异的原材料成本，以吨成本计算。
磷铁成本：
P平均增加0.5％
增加费用＝0.5％/25％*1920＝38.4元/吨；
电解铜成本：
Cu平均增加0.55％
增加费用＝0.55％/99.9％*44900＝247元/吨；
钛生铁成本：
增加费用＝3290-2670＝620元/吨；
电解镍成本：
减少成本＝1.25％/99.9％*99490＝1244元/吨；
节约成本＝1244-38.4-247-620＝338.6元；
成本对比结论：通过计算可得高性价比合金铸铁缸套相对于康明斯发动机活塞环原材料成本降低了约338.6元/吨，即原材料成本降低了约12.11％。
柴油机活塞环进行镍磷复合镀表面处理后，为了保证柴油机环保耐蚀活塞环产品的最终的成本不增加，本申请对产品的材料进行了研究开发，对贝氏体材料成分进行了改进，通过去掉原有成分中的镍，加入钒钛，调整成分比列，同时结合改进后的铸造工艺，得到高性价比合金铸铁新材料，该材料相比普通贝氏体材料来说，力学性能优于普通贝氏体材料，耐蚀性满足要求，材料成本降低了12％左右。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种高强度环保活塞环材料及柴油机活塞环进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
本实施例按照表2中的成分，表3中的铸造工艺进行铸造，得到活塞环铸造毛坯，然后将活塞环铸造毛坯在500℃下保温2小时，完成热处理，然后进行镍磷复合化学镀，得到活塞环。力学性能测试结果如表4所示。
图1～2为本实施例中铸造毛坯的SEM图片，由图1～2可以看出，磨损面处硬度大于260HB，石墨100％A型，如图1(图1中标尺为100μm)。铸态基体组织由贝氏体+少量残余奥氏体组成，如图2(图2中标尺为20μm)。
图3为本实施例中热处理之后的活塞环产品的SEM图片，本实施例中的活塞环热处理后硬度达320HB，基体组织由贝氏体+少量均匀分布的碳化物组成，如图3(图3中标尺为25μm)。
比较例1
本比较例按照表2中的成分，表3中的铸造工艺进行铸造，得到活塞环铸造毛坯，然后将活塞环铸造毛坯在500℃下保温2小时，完成热处理，然后进行镍磷复合化学镀，得到活塞环。力学性能测试结果如表4所示。
经检测，本比较例的铸造毛坯内壁缩松，石墨形态不好。
比较例2
本比较例按照表2中的成分，表3中的铸造工艺进行铸造，得到活塞环铸造毛坯，然后将活塞环铸造毛坯在500℃下保温2小时，完成热处理，然后进行镍磷复合化学镀，得到活塞环。力学性能测试结果如表4所示。
经检测，本比较例的铸造毛坯内壁缩松，石墨形态不好。
表2本发明实施例和比较例的成分含量
C/％ Si/％ Mn/％ P/％ S/％ Cu/％ Mo/％ V/％ Ti/％
比较例1 2.0～3.0 1.2～2.0 0.5～1.0 0.2～0.6 ≤0.12 0.8～1.5 0.5～1.2 0.04～0.1 0.04～0.1
比较例2 2.5～3.0 1.4～2.0 0.5～0.9 0.2～0.5 ≤0.08 1.0～1.5 0.5～1.1 0.04～0.1 0.04～0.1
实施例1 2.5～3.0 1.5～2.0 0.5～0.9 0.2～0.5 ≤0.08 1.0～1.5 0.5～1.1 0.04～0.1 0.04～0.1
表3本发明实施例和比较例的铸造工艺参数
表4本发明实施例和比较例中活塞环的力学性能
抗拉试棒及弹性模量试棒即KS-07试棒尺寸见图4。
由表4可知，本发明实施例1经过改进的合金配方抗拉强度和弹性模量更高，明显高于技术指标要求。
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)

1.一种高强度环保活塞环材料，由以下质量分数的组分经铸造和热处理得到：
C：2.5～3.0％，Si：1.5～2.0％，Mn：0.5～0.9％，P：0.2～0.5％，S≤0.08％，Cu：1.0～1.5％，Mo0.5～1.1％，V：0.04～0.1％，Ti：0.04～0.1％，余量为Fe；
所述热处理的温度为500～550℃；所述热处理的时间为1～2小时。
2.根据权利要求1所述的高强度环保活塞环材料，其特征在于，所述铸造中来水的时间为10～15s。
3.根据权利要求1所述的高强度环保活塞环材料，其特征在于，所述铸造中的激水时间为10～35s。
4.根据权利要求1所述的高强度环保活塞环材料，其特征在于，所述铸造中还原的时间为90～110s。
5.根据权利要求1所述的高强度环保活塞环材料，其特征在于，所述铸造中的转速为1350～1450rpm。
6.根据权利要求1所述的高强度环保活塞环材料，其特征在于，所述铸造中的涂料厚度为0.7～1.0mm。
7.根据权利要求1所述的高强度环保活塞环材料，其特征在于，所述铸造中的模温为400～450℃。
8.根据权利要求1所述的高强度环保活塞环材料，其特征在于，所述铸造中包括两次孕育过程，
第一次孕育中孕育剂的用量为0.5～0.8％；第二次孕育中孕育剂的用量为0.1％。
9.根据权利要求1所述的高强度环保活塞环材料，其特征在于，所述铸造中的出缸温度≤850℃。
10.一种柴油机活塞环，包括活塞环本体和复合在所述活塞环本体表面的镍磷复合镀层；
所述活塞环本体为权利要求1～9任意一项所述的高强度环保活塞环材料制得。
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