CN110373601A - 一种适用于柴油发动机缸盖的材料的制备方法 - Google Patents

一种适用于柴油发动机缸盖的材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种适用于柴油发动机缸盖的材料的制备方法，包括如下步骤：(1)炉料采用废钢、回炉铁依次加入中频炉中熔化成铁水，当铁液温度达到1400℃后加入石油焦增碳剂；(2)当铁水温度达到1530‑1560℃加入氮化锰铁，均匀搅拌，保温8‑12分钟后出铁；(3)在铁水包加入一次孕育剂，当铁水包中铁液量占出铁量的三分之一时开始第二次孕育处理，铁水浇注过程加入第三次随流孕育剂；(4)采用铁型覆砂铸型进行浇注得到适合于柴油机气缸盖的灰铸铁材料。本发明通过添加氮元素，减少合金元素含量，提高孕育次数，并结合铁型覆砂工艺铸造，显著提高灰铁材料的力学性能和强度，解决目前柴油机汽缸盖因材料强度和热疲劳较低而引起的开裂问题。

Description

一种适用于柴油发动机缸盖的材料的制备方法
技术领域
本发明属于柴油发动机技术领域，具体是一种适用于柴油发动机缸盖的材料的制备方法。
背景技术
随着发动机不断向大马力高速度发展，对气缸盖材料提出更高的要求，它不仅要求有较高的强度和韧性，而且要求耐磨性性能和疲劳性能良好。市场上的高强度气缸盖灰铸铁材料大部分是通过添加合金来提高强度，这使得成本增高，降低了市场的竞争力，影响发动机厂的整体发展。为了解决这一难题故需要开发一种合金加入量较少，但强度能提升的灰铸铁材料来适应市场的发展。
目前灰铸铁缸盖的普遍生产方式为：炉料采用生铁、废钢、回炉铁及其它合金加入中频炉中熔炼成铁水，初铁水成分要求：C：3.15-3.45％、Si：1.63-1.82％、S：0.06-0.11％、Mn：0.55-0.95％、Cu：0.55-0.85％、Cr：0.16-0.42％、P＜0.07％)检验合格后，出铁加入一次孕育剂处理，孕育剂粒度要求3-8mm，在浇注过程中加入二次孕育，终铁水成分要求：C：3.15-3.45％、Si：1.93-2.12％、S：0.06-0.11％、Mn：0.55-0.95％、Cu：0.55-0.85％、Mo：0.15-0.35％、Cr：0.16-0.42％、Sn：0.05-0.15％、P＜0.07％)所得灰铸铁材料合金含量较高，但性能较低，缸盖本体抗拉强度230-250Mpa，硬度180-190HBW，成本较高，难以提升产品的市场竞争力。
发明内容
针对现有灰铸铁气缸盖合金含量较高、机械性能较低，本发明要解决的技术问题是提供一种材料性能高，合金含量低的柴油发动机缸盖材料的制备方法，通过在现有HT250材料的基础上通过添加氮元素，减少合金元素含量，提高孕育次数，并结合铁型覆砂工艺铸造，显著提高灰铁材料的力学性能和强度，解决目前柴油机汽缸盖因材料强度和热疲劳较低而引起的开裂问题。
本发明采用的技术方案如下：一种适用于柴油发动机缸盖的材料的制备方法，包括如下步骤：
1)炉料配比按重量百分比为废钢50-70％，回炉铁30-50％，将配好的炉料放置在中频炉中熔炼，当铁水温度达到1400℃时一次性加入按炉料质量百分数为3％的增碳剂，当炉料完全熔化后，按初铁水的化学成分要求加入铜、硅铁合金；
(2)铁水熔炼完成后，控制铁水精炼温度在1530-1560℃之间，加入氮化锰铁使氮含量达到0.008-0.018％，升温搅拌并保温8-12分钟后出铁；
(3)在铁水包中加入孕育剂做第一次孕育处理，孕育剂加入量为铁水总质量的0.45-0.75％，采用铁水包冲入法孕育处理铁水；
(4)当出铁水的质量占铁水总质量的三分之一时加入出铁随流孕育剂进行第二次孕育处理，孕育剂加入量为出铁水总质量的0.15-0.25％；
(5)把孕育处理好的铁水浇入铁型铸型，铁水浇注过程中加入铁水总质量的0.1-0.2％的随流孕育剂进行第三次孕育处理，浇注温度控制在1400-1460℃之间，经过第三次孕育得到终铁水质量百分比化学成分为C：3.15-3.45％、Si：1.93-2.12％、S：0.03-0.08％、Mn：0.50-0.90％、Cu：0.25-0.45％、Cr：0.16-0.42％、P＜0.07％、N：0.008-0.018％；
(6)铸件自然冷却至450度以下开箱流转清理。
步骤(1)所述铸铁增碳剂为石油焦增碳剂。
步骤(1)所述得到的初铁水质量百分比化学成分为：C：3.0-3.4％、Si：1.45-1.85％、S：0.05-0.1％、Mn：0.25-0.45％、Cu：0.2-0.4％、Cr：0.15-0.4％、P＜0.07％。
步骤(3)(4)(5)所述的孕育剂为硅钙孕育剂，其为的成分：Ca：0.8-2.4％、Al＜1.2％、Mn：7.2-8.8％、Si：48-52％、Cr：11％、其余为Fe。
所述适用于柴油发动机缸盖的材料的制备方法制得的柴油发动机缸盖。
除另有说明外，本发明所述的百分比均为质量百分比，各组分含量百分数之和为100％。
本发明最终达到的技术指标：
1、本发明柴油机缸盖材料抗拉强度可以提高50个单位，硬度可以提高30个单位，耐磨性能优异，强度提高，有效解决了汽缸盖因为强度和热疲劳较低而引起的开裂问题，柴油发动机工作寿命提高了50％。
2、由于合金的含量的减少，减低了生产成本，可以使每吨铸件降低400元的成本。
本发明的检验方法：
将本发明所生产的材料进行抗拉强度和硬度检测，用其制造一台柴油发动机样机，并将发动机放在正常环境中工作，检测其工作寿命及缸盖开裂情况。
本发明与现有技术的有益效果在于：
1、炉料的选材上没有添加生铁，增加增碳剂的加入量为铁水提供足够的碳，使得铸铁的石墨形态好，分布均匀，大小适中；
2、减低了硫元素的添加量，避免了硫元素过多引起铸铁过硬和裂纹形成，增强了铁液的流动性；
3、减少了铜、锡、钼、镍合金的加入，降低了铸造成本。
4、在铁液中加入氮，改变了灰铸铁中的片状石墨形态，使得片状石墨末端变得圆钝，减短了石墨的长度，增强了灰铸铁的强度，从而降低气缸盖材料的收缩性，提升产品质量及可靠性，解决目前因材料强度和热疲劳较低而引起的开裂问题。
5、采用铁型覆砂铸型进行气缸盖的铸造，冷却速度快，能细化碳化物和基体组织，特别是明显缩小一次枝晶臂间距使材质综合机械性能得到提高
6、采用铁型覆砂铸型进行气缸盖的铸造可以减少氮元素含量增加所带来氮气孔的产生
7、采用三次孕育的方法铸造缸盖，能有效防止薄壁处产生白口，还能减少或消除基体组织中游离分布的渗碳体和磷共晶，使珠光体组织片层间距均匀。
附图说明
图1是实例1所得氮含量为0.08％的灰铸铁的金相图。
图2是实例2所得氮含量为0.018％的灰铸铁的金相图。
图3是实例3所得氮含量为0.013％的灰铸铁的金相图。
图4是不同氮含量的抗拉强度曲线图，横坐标代表氮含量，纵坐标代表铸铁的抗拉强度。
图5是不同氮含量硬度的曲线图，横坐标代表氮含量，纵坐标代表铸铁的硬度。
抗拉强度单位：MPa，硬度单位：里氏硬度HLC，氮含量单位:wt％。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1
本发明所述的适用于柴油发动机缸盖的材料的制备方法的一个实例，包括如下步骤：
(1)炉料配比按重量百分比为废钢50％，回炉铁50％，将配好的炉料放置在中频炉中熔炼，当炉中铁水温度达到1400℃后，一次性加入按炉料质量百分数为3％的增碳剂对铁水进行增碳处理，当炉料完全熔化后，按初铁水的化学成分要求加入铜、硅铁合金；
(2)铁水熔炼完成后，控制铁水精炼温度在1530-1560℃之间，加入氮化锰铁使铁液中氮含量达到0.008％，升温搅拌并保温8分钟后出铁；
(3)在铁水包中加入孕育剂，孕育剂加入量为出铁水总质量的0.45％，采用包内冲入法孕育处理铁水；
(4)当出铁水的质量占铁水总质量的三分之一时加入出铁随流孕育剂，孕育剂加入量为出铁水总质量的0.15％；
(5)把孕育处理好的铁水浇入铁型铸型，铁水浇注过程中加入铁水总质量的0.1-0.2％的随流孕育剂，浇注温度控制在1400-1460℃之间。经过第三次孕育得最终的铁水质量百分比化学成分为C：3.15％、Si：1.93％、S：0.03％、Mn：0.50％、Cu：0.25％、Cr：0.16％、P＜0.07％、N：0.008％；
(6)铸件自然冷却至450度以下开箱流转清理。
经检测，本实例所得材料经GB/T 228.1-2010和GB/T231.1-2002国标检测方法检测抗拉强度达到268.8MPa，硬度达到561HLC。
实施例2
本发明所述的适用于柴油发动机缸盖的材料的制备方法的另一个实例，包括如下步骤：
(1)炉料配比按重量百分比为废钢70％，回炉铁30％，将配好的炉料放置在中频炉中熔炼，当铁水温度达到1400℃时一次性加入按炉料质量百分数为3％的增碳剂，当炉料完全熔化后，按初铁水的化学成分要求加入铜、硅铁合金；
(2)铁水熔炼完成后，控制铁水精炼温度在1530-1560℃之间，加入氮化锰铁使铁液中氮含量达到0.018％，升温搅拌并保温12分钟后出铁；
(3)在铁水包中加入孕育剂，孕育剂加入量为铁水总质量的0.75％，采用包内冲入法孕育处理铁水；
(4)当出铁水的质量占铁水总质量的三分之一时加入出铁随流孕育剂，孕育剂加入量为出铁水总质量的0.25％；
(5)把孕育处理好的铁水浇入铁型铸型，铁水浇注过程中加入铁水总质量的0.2％的随流孕育剂，浇注温度控制在1400-1460℃。经过第三次孕育得最终的铁水质量百分比化学成分为C：3.45％、Si：2.12％、S：0.08％、Mn：0.90％、Cu：0.45％、Cr：0.42％、P0.07％、N：0.018％；
(6)铸件自然冷却至450度以下开箱流转清理。
经检测，本实例所得材料的抗拉强度达到333.76MPa，硬度达到584.7HLC。
实施例3
本发明所述的适用于柴油发动机缸盖的材料的制备方法的再一个实例，包括如下步骤：
(1)炉料配比按重量百分比为废钢60％，回炉铁40％，将配好的炉料放置在中频炉中熔炼，当铁水温度达到1400℃时一次性加入按炉料质量百分数为3％的增碳剂，当炉料完全熔化后，按初铁水的化学成分要求加入铜、硅铁合金；
(2)铁水熔炼完成后，控制铁水精炼温度在1530-1560℃之间，加入氮化锰铁使铁液中氮含量达到0.013％，升温搅拌并保温10分钟后出铁；
(3)在铁水包中加入孕育剂，孕育剂加入量为铁水总质量的0.60％，采用包内冲入法孕育处理铁水；
(4)当出铁水的质量占铁水总质量的三分之一时加入出铁随流孕育剂，孕育剂加入量为出铁水总质量的0.20％；
(5)把孕育处理好的铁水浇入铁型铸型，铁水浇注过程中加入铁水总质量的0.015％的随流孕育剂，浇注温度控制在1400-1460℃之间。经过第三次孕育得最终的铁水质量百分比化学成分为C：3.30％、Si：2.01％、S：0.05％、Mn：0.60％、Cu0.30％、Cr：0.25％、P：0.05％、N：0.015％；
(6)铸件自然冷却至450度以下开箱流转清理。
本次实例所得材料的抗拉强度达到301.91MPa，硬度达到571.6HLC
技术原理：
铁水中的碳只能通过多加生铁来获得，而生铁加入量越多，材质的性能就越差，这是最根本的先天不足。本发明在HT250的原炉料上移除生铁，增加增碳剂的添加量，既能提供足够的碳元素，又能避免生铁；在铁液中加入氮，改变了灰铸铁中的片状石墨形态，使得片状石墨末端变得圆钝，减短了石墨的长度，增强了灰铸铁的强度；硫化铁的熔点低、且质软而脆，能降低铸铁的强度，促进铸铁的收缩，并引起铸铁的过硬和裂纹形成；硫化锰的熔点高、且以颗粒状分布，对铸铁的强度无多大影响，但使铁液变稠，流动性变差。本发明减少了硫元素的添加量，避免了硫元素过多引起铸铁过硬和裂纹形成，增强了铁液的流动性；采用三次孕育的方法铸造缸盖，能有效防止薄壁处产生白口，还能减少或消除基体组织中游离分布的渗碳体和磷共晶，使珠光体组织片层间距均匀；结合铁型覆砂铸型进行气缸盖的铸造，冷却速度快，能细化碳化物和基体组织，特别是明显缩小一次枝晶臂间距使材质综合机械性能得到提高材料机械性能，也有利于减少氮元素含量增加所带来氮气孔的产生。

Claims (6)

1.一种适用于柴油发动机缸盖的材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按重量百分比为废钢50-70％，回炉铁30-50％的炉料放入到中频炉中熔炼，当铁水温度达到1400℃时一次性加入按炉料质量百分数为3％的增碳剂，当炉料完全熔化后，按初铁水的化学成分要求加入铜、硅铁合金；
(2)铁水熔炼完成后，控制铁水精炼温度在1530-1560℃之间，加入氮化锰铁使氮含量达到0.008-0.018％，升温搅拌并保温8-12分钟后出铁；
(3)在铁水包中加入孕育剂做第一次孕育处理，孕育剂加入量为铁水总质量的0.45-0.75％，采用铁水包冲入法孕育处理铁水；
(4)当出铁水的质量占铁水总质量的三分之一时加入出铁随流孕育剂进行第二次孕育处理，孕育剂加入量为出铁水总质量的0.15-0.25％；
(5)把孕育处理好的铁水浇入铁型铸型，铁水浇注过程中加入铁水总质量的0.1-0.2％的随流孕育剂进行第三次孕育处理，浇注温度控制在1400-1460℃之间，经过第三次孕育得到终铁水质量百分比化学成分为C：3.15-3.45％、Si：1.93-2.12％、S：0.03-0.08％、Mn：0.50-0.90％、Cu：0.25-0.45％、Cr：0.16-0.42％、P＜0.07％、N：0.008-0.018％；
(6)铸件自然冷却至450℃以下开箱流转清理。
2.根据权利要求1所述的适用于柴油发动机缸盖的材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)得到的初铁水质量百分比化学成分为：C：3.0-3.4％、Si：1.45-1.85％、S：0.03-0.08％、Mn：0.25-0.45％、Cu：0.2-0.4％、Cr：0.15-0.4％、P＜0.07％。
3.根据权利要求1所述的适用于柴油发动机缸盖的材料的制备方法，其特征在于：所述铸铁增碳剂为石油焦增碳剂。
4.根据权利要求1所述的适用于柴油发动机缸盖的材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)(4)(5)所述的孕育剂为硅钙孕育剂，其为的成分：Ca：0.8-2.4％、Al＜1.2％、Mn：7.2-8.8％、Si：48-52％、Cr：11％、其余为Fe。
5.权利要求1-2任一项所述的适用于柴油发动机缸盖的材料的制备方法制得的柴油发动机缸盖。
6.根据权利要求1所述的适用于柴油发动机缸盖的材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)炉料配比按重量百分比为废钢70％，回炉铁30％，将配好的炉料放置在中频炉中熔炼，当铁水温度达到1400℃时一次性加入按炉料质量百分数为3％的增碳剂，当炉料完全熔化后，按初铁水的化学成分要求加入铜、硅铁合金，所述初铁水质量百分比化学成分为：C：3.0-3.4％、Si：1.45-1.85％、S：0.03-0.08％、Mn：0.25-0.45％、Cu：0.2-0.4％、Cr：0.15-0.4％、P＜0.07％，
(2)铁水熔炼完成后，控制铁水精炼温度在1530-1560℃之间，加入氮化锰铁使铁液中氮含量达到0.018％，升温搅拌并保温12分钟后出铁；
(3)在铁水包中加入孕育剂，孕育剂加入量为铁水总质量的0.75％，采用包内冲入法孕育处理铁水；
(4)当出铁水的质量占铁水总质量的三分之一时加入出铁随流孕育剂，孕育剂加入量为出铁水总质量的0.25％；
(5)把孕育处理好的铁水浇入铁型铸型，铁水浇注过程中加入铁水总质量的0.2％的随流孕育剂，浇注温度控制在1400-1460℃。经过第三次孕育得最终的铁水质量百分比化学成分为C：3.45％、Si：2.12％、S：0.08％、Mn：0.90％、Cu：0.45％、Cr：0.42％、P0.07％、N：0.018％；
(6)铸件自然冷却至450度以下开箱流转清理，
所得材料的抗拉强度达到333.76MPa，硬度达到584.7HLC。
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