CN109811250B

CN109811250B - 一种提升发动机气缸盖可靠性的方法及硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁

Info

Publication number: CN109811250B
Application number: CN201910156139.8A
Authority: CN
Inventors: 刘治军; 郭全领; 梁成振; 王春风; 周应荣; 李章立; 何春华
Original assignee: Guangxi Yuchai Machinery Co Ltd
Current assignee: Guangxi Yuchai Machinery Co Ltd
Priority date: 2019-03-01
Filing date: 2019-03-01
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2039-03-01
Also published as: CN109811250A

Abstract

本发明公开了一种提升发动机气缸盖可靠性的方法，以硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁为铸造材料，依次进行熔炼铁水、铁水精炼、铁水包孕育和浇注成型得到发动机气缸盖；所述硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁包含以下质量分数的化学成分：碳2.9～3.3％，硅4.0～4.8％，硫0.008～0.015％，镁0.009～0.020％，稀土0.018～0.035％，余量为铁以及不可避免的微量元素。其中碳当量需保持在4.2～4.7％，所述碳当量＝碳的质量百分比+硅的质量百分比/3。本发明得到的发动机气缸盖抗拉强度高，硬度适中且均匀、气缸盖收缩倾向小、热疲劳性能好。

Description

一种提升发动机气缸盖可靠性的方法及硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁

技术领域

本发明涉及发动机气缸盖的铸造，更具体地说，涉及一种提升发动机气缸盖可靠性的方法。本发明还涉及提升发动机气缸盖可靠性的硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁。

背景技术

气缸盖是发动机关键的部件，也是发动机最易出可靠性问题的部件，它安装在发动机缸体的上面，从上部密封气缸并构成燃烧室。在发动机工作过程中气缸盖底面燃烧区与高温高压燃气直接相接触，承受很大的热负荷和机械负荷。气缸盖在工作中受到低周热疲劳损伤、高周热疲劳损伤和蠕变损伤：在发动机的启动—停车过程中启动循环，气缸盖被急剧的加热和冷却，产生较大的循环热应力，受到低周热疲劳损伤；在发动机启动后的每个工作循环中，气缸盖发生较小幅度的温度变化，遭受高周热疲劳损伤；气缸盖局部材料在高于蠕变温度的环境中长期工作，受到蠕变损伤。另外，气缸盖内部有形状复杂的水腔和气道，气缸盖整体结构非常复杂，铸造热节很多，易在热节部位出现缩孔缩松等缺陷，铸造难度较高。气缸盖上有较多细长的加工孔，加工精度要求也很高，加工难度也较大。

由于气缸盖工作环境和结构的特殊性，为满足其可靠性需求，对气缸盖的铸造材料提出特殊要求：要有足够高的抗拉强度以保证气缸盖工作过程中能承受较大的机械负荷；要有足够高的耐热疲劳性能以防止气缸盖在冷热循环工作环境中的低周和高周热疲劳损伤；要有良好的铸造性能以解决因气缸盖结构复杂导致的缩孔缩松问题；要有良好的加工性能以便气缸盖易于在现代化加工流水线上批量加工。

现有公开技术中，气缸盖一般采用灰铸铁或合金铸铁铸造而成，材质牌号一般为HT250、HT275，其生产工艺方法相对简单而且成熟，工艺适应性好，生产成本也适中，应用较为普遍。随着发动机排放升级和爆压提高，燃烧室的温度和压力也在提高，气缸盖材料提升为灰铸铁HT300、HT350，其工艺适应性稍差，铸造易产生缩松漏水等质量问题，加工难度也提高，生产成本也相对较高，在中高端发动机上得到应用。

灰铸铁比较适合铸造气缸盖的牌号是HT250和HT275，牌号HT300后铸造难度大增，最高也只能到HT350，再往上就是灰铸铁难以逾越的瓶颈，因此灰铸件的缺点是：无法适用于大功率发动机高强度要求的情况。

现有技术中，蠕墨铸铁被认为是铸造大功率发动机气缸盖较为理想材料，比较适合铸造气缸盖的牌号是RuT350、RuT400，牌号低的RuT300时强度硬度低不能满足气缸盖的使用要求，而牌号高的RuT450、RuT500存在如下缺点：

(1)铸造性能差，在结构复杂的气缸盖上难以铸造出来，因为蠕铁的强度由蠕化率和珠光体含量共同决定，蠕化率越低、珠光体含量越高则蠕铁强度越高，由于气缸盖结构复杂，为减少凝固收缩和保证蠕铁导热性能，生产气缸盖必须选取高蠕化率，一般要求蠕化率80％以上，这样要提高蠕铁强度只有提高蠕铁基体中珠光体含量，从而需要添加Cu、Mo、Sn、Ni等促进珠光体形成的合金元素，这不但直接增加生产成本，最为致命的是增加这些合金元素含量又导致缩孔缩松倾向增加，从而使气缸盖的铸造废品率大幅增加。

(2)加工性能差，RuT450、RuT500由于添加了Cu、Mo、Sn、Ni等促进珠光体形成的合金元素，随着珠光体含量增高，铸件硬度也增高，而且由于铸件各部分冷却速度不一样导致珠光体含量不一样，从而导致铸件各部位的硬度差也随之增大，造成机加工断刀或加速刀具磨损，增加机加工成本同时也降低加工精度。

(3)耐热疲劳性能不足，RuT450、RuT500基体组织以珠光体为主(一般大于85％)，珠光体是一种介稳定组织，气缸盖在反复的“启动—停车”过程中启动循环，虽然气缸盖由于有水冷原因整体温度不会超过共析温度，但与高温燃气相接触的边角位置局部温度是有可能超过共析温度的，超过共析温度下后珠光体会转变为奥氏体，然后在缓慢冷却下来时，奥氏体会部分转变为铁素体和石墨，使强度硬度下降，同时产生相变膨胀内应力，从而加速气缸盖开裂失效。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种提升发动机气缸盖可靠性的方法，该方法铸造的发动机气缸盖收缩倾向小、热疲劳性能好。

本发明的第一个目的通过以下技术方案来实现：一种提升发动机气缸盖可靠性的方法，以硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁为铸造材料，依次进行熔炼铁水、铁水精炼、铁水包孕育和浇注成型得到发动机气缸盖，所述硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁包含质量分数的化学成分：碳(C)2.9～3.3％，硅(Si)4.0～4.8％，硫(S)0.008～0.015％，镁(Mg)0.009～0.020％，稀土(RE)0.018～0.035％，余量为铁以及不可避免的微量元素；其中，碳当量需保持在4.2～4.7％，所述碳当量＝碳的质量百分比+硅的质量百分比/3。

所述硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁的基体组织包括铁素体和珠光体，其中铁素体的质量分数大于90％。

进一步地，所述碳为石墨组体，所述的石墨组体不含有片状石墨。

进一步地，所述石墨组体中蠕虫状石墨的质量分数为75～95％，其余为球状石墨。

本发明的第二个目的是提供一种提升发动机气缸盖可靠性的硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁，其抗拉强度高，硬度适中且均匀、热疲劳性能好。

本发明的第二个目的通过以下技术方案来实现：一种提升发动机气缸盖可靠性的的硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁，其基体组织包括铁素体，所述铁素体的质量分数大于90％；其包含以下质量分数的化学成分：碳(C)2.9～3.3％，硅(Si)4.0～4.8％，硫(S)0.008～0.015％，镁(Mg)0.009～0.020％，稀土(RE)0.018～0.035％，余量为铁以及不可避免的微量元素；其中碳当量需保持在4.2～4.7％，所述碳当量＝碳的质量百分比+硅的质量百分比/3。

本发明的第三个目的是提供上述硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁制备的发动机气缸盖。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1.本发明提供的硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁具有耐热疲劳性能，有效地延长气缸盖这种在高温下服役的铸件的使用寿命。

本发明只以硅(Si)作为强化合金元素，且Si含量较高，不添加Cu、Mo、Sn、Ni等促进珠光体形成的合金元素，降低铸铁中的珠光体含量，使铸件在循环加热冷却过程中不会产生相变膨胀内应力。而且经过实验发现，本发明的共析转变温度较现有技术得到极大的提高，使铸铁具有更好的耐高温性能。

2.铸铁加工性能优异。本发明的硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁只以硅(Si)作为强化合金元素，不添加Cu、Mo、Sn、Ni等促进珠光体形成的合金元素，相对于现有的同类铸铁减少了珠光体含量，使铸铁中基体组织含有90％以上的稳定的铁素体，通过硅元素对铁素体进行固溶强化，保证铸铁硬度适中且均匀，在190～230HB之间。同时，也保证铸铁的抗拉强度达到420～550MPa，延伸率达1.5～5.0％，利于机加工且保证加工精度，大大提升了铸造性能，使得铸造出的铸铁不同部位的硬度差小，小于15HB。

3.本发明的硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁只以硅(Si)作为强化合金元素，同时元素碳当量选取在共晶点附近，铁水收缩倾向小，利于铸造出性能一致性好的铸件。

4.本发明的硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁无需添加Mo、Cu、Cr、Mn、Sn等元素，且所使用的原料容易获得且价格低廉，因此生产成本更低。

附图说明

下面结合附图中的具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制。

图1为强化铁素体蠕墨铸铁与普通蠕墨铸铁的冷却曲线对比图。

具体实施方式

实施例1

硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁中基体组织包括铁素体和珠光体，铁素体的质量分数为95％，珠光体的质量分数为5％。该铸铁含有以下质量分数的化学成分：碳3.1％，硅4.2％，硫0.011％，镁0.012％，稀土0.028％，余量为铁以及不可避免的微量元素；其中，碳当量＝4.5％，碳当量＝碳的质量百分比+硅的质量百分比/3。本实施例所使用的碳包括质量分数为85％的蠕虫状石墨以及质量分数为15％的球状石墨。本实施例的蠕墨铸铁的蠕化率为90％，抗拉强度490MPa，硬度210HBW，延伸率2.5％。

实施例2

硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁中基体组织包括铁素体和珠光体，铁素体的质量分数为96％，珠光体的质量分数为4％。该铸铁含有以下质量分数的化学成分：碳2.9％，硅4.8％，硫0.012％，镁0.013％，稀土0.030％，余量为铁以及不可避免的微量元素；其中，碳当量＝4.5％，所述碳当量＝碳的质量百分比+硅的质量百分比/3。本实施例所使用的碳包括质量分数为87％的蠕虫状石墨以及质量分数为13％的球状石墨。本实施例的蠕墨铸铁的蠕化率为85％，抗拉强度540MPa，硬度225HBW，延伸率3.0％。

实施例3

硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁中基体组织包括铁素体和珠光体，铁素体的质量分数为96％，珠光体的质量分数为4％。该铸铁含有以下质量分数的化学成分：碳3.3％，硅4.0％，硫0.012％，镁0.013％，稀土0.030％，余量为铁以及不可避免的微量元素；其中，碳当量＝4.6％，所述碳当量＝碳的质量百分比+硅的质量百分比/3。本实施例所使用的碳包括质量分数为95％的蠕虫状石墨以及质量分数为5％的球状石墨。本实施例的蠕墨铸铁的蠕化率为85％，抗拉强度430MPa，硬度192HBW，延伸率3.5％。

实施例4

生产上述三个实施例的硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁的生产方法，包括如下步骤：

(1)配料和熔化：将碳含量大于3.3％的铸造生铁，和组分为C(w)>96％，挥发分(w)≤1.0％，S(w)≤0.5％，水分(w)≤0.55％，粒度为1-5mm的石墨类增碳剂以及熔炼用废钢放置在中频感应电炉中熔炼，待原铁水温度达到1430-1450℃后，进行扒渣，取样化验成分，并根据成分化验结果对铁水成分进行调整，上述三个实施例所对应的原铁水中各化学成分所占的质量百分比为：

碳(C)

硅(Si)

硫(S)

镁(Mg)

稀土(RE)

余量

实施例1

3.1％

4.2％

0.011％

0.012％

0.028％

铁以及不可避免的微量元素

实施例2

2.9％

4.8％

0.012％

0.013％

0.030％

铁以及不可避免的微量元素

实施例3

3.3％

4.0％

0.012％

0.013％

0.030％

铁以及不可避免的微量元素

(2)蠕化和孕育处理：所述蠕化处理过程是将蠕化剂放置到蠕化处理包内后，待合乎要求的原铁水冲入包内与蠕化剂反应后，蠕化处理过程结束，从而得到合乎要求的蠕化处理铁水。具体步骤入下：先在蠕化处理包的蠕化反应坑中加入稀土镁的蠕化剂，加入量为铁水重量的0.15-0.20％，并用粒度为3-10mm的75硅铁孕育剂加以覆盖；然后在出铁槽内加入稀土硅蠕化剂，加入量为出铁重量的0.09-0.12％，将所述铁水通过出铁槽出铁，其中出铁温度1500-1525℃，出铁后等待稀土硅蠕化剂的蠕化反应结束后进行扒渣，然后倒包到浇注包中进行浇注，浇注温度为1390-1425℃。

(3)冷却和开箱：浇注后待铸件在砂型内自然冷却到400℃以下开箱。

其中，稀土镁蠕化剂中各化学成分所占的质量百分比为：RE 4-6％，Mg7-9％，Si40-45％，其余为Fe，粒度为10-25mm，所述稀土硅蠕化剂的粒度为3-8mm，其中各组分所占的质量百分比为：RE 29.5，Si 45.6％，其余为Fe，粒度为3-8mm。

实施例5

以实施例1-3的硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁为铸造材料，依次进行熔炼铁水、铁水精炼、铁水包孕育和浇注成型得到发动机气缸盖，具体步骤如下：

(1)根据所需要铸造的气缸盖制作砂型模具。

(2)气缸盖采用硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁材料，将硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁的各个组分进行熔炼，然后将浇注液通过铁水通道由浇口杯到型腔内，控制浇注时的温度在1400-1500℃。

(3)对浇筑成型的气缸盖进行冷却处理，当温度降至400℃以下时即可进行去模处理，冷却初步成型。

(4)取出成型铸件，采用喷砂方法将铸件的表面清洗干净；清除铸件的飞边和毛刺，采用机械抛光机对铸件的表面进行抛光处理，并对切口处进行打磨处理，即可。

铸造得到的气缸盖的性能与国标对比结果如下表所示：通过对比可以发现，硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁气缸盖的抗拉强度、延伸率和蠕化率均远远超过国标的要求，硬度适中且均匀，而且铸铁不同部位的硬度差小，仅为±5HBW，有利于机加工。

将实施例1得到的固溶强化铁素体蠕铁与现有普通蠕铁RuT400进行冷却曲线对比，其结果如图1所示。从图中可以看出，固溶强化铁素体蠕铁的共析转变温度约为848℃，而现有普通蠕铁RuT400的共析转变温度为720℃。可见，本发明的共析转变温度较现有技术得到极大的提高，使铸铁具有更好的耐高温性能。

以上实施例为本发明的部分实施方式，并不限制于本发明。对本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下做出的若干改进和变型，也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种提升发动机气缸盖可靠性的方法，其特征在于，以硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁为铸造材料，依次进行熔炼铁水、铁水精炼、铁水包孕育和浇注成型得到发动机气缸盖；

所述硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁中的铁素体的质量分数大于90％；

所述硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁包含以下质量分数的化学成分：碳2.9～3.3％，硅4.0～4.8％，硫0.008～0.015％，镁0.009～0.020％，稀土0.018～0.035％，余量为铁以及不可避免的微量元素；其中碳当量需保持在4.2～4.7％，所述碳当量＝碳的质量百分比+硅的质量百分比/3。

2.根据权利要求1所述的提升发动机气缸盖可靠性的方法，其特征在于，所述硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁材料中的碳元素来自石墨组体，所述石墨组体不含有片状石墨。

3.根据权利要求2所述的提升发动机气缸盖可靠性的方法，其特征在于，所述石墨组体中蠕虫状石墨的质量分数为75～95％，其余为球状石墨。

4.一种提升发动机气缸盖可靠性的硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁，其基体组织包括铁素体，其特征在于，所述铁素体的质量分数大于90％；

所述硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁包含以下质量分数的化学成分：碳2.9～3.3％，硅4.0～4.8％，硫0.008～0.015％，镁0.009～0.020％，稀土0.018～0.035％，余量为铁以及不可避免的微量元素；其中，碳当量需保持在4.4～4.7％，所述碳当量＝碳的质量百分比+硅的质量百分比/3。

5.根据权利要求4所述的硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁，其特征在于：所述碳为石墨组体，所述的石墨组体不含有片状石墨。

6.根据权利要求5所述的硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁，其特征在于：所述石墨组体中蠕虫状石墨的质量分数为75～95％，其余为球状石墨。