CN110408838A - 一种适用于发动机缸体的灰铸铁的铸造方法 - Google Patents

一种适用于发动机缸体的灰铸铁的铸造方法 Download PDF

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Abstract

一种适用于发动机缸体的灰铸铁的铸造方法，包括如下步骤：炉料采用生铁、废钢、回炉铁、增碳剂、铜块及铬铁依次加入中频炉中熔化成铁水；铁水熔炼完成后，按终铁水的成分要求，加入含氮合金，升温搅拌，保温一段时间后出铁；在铁水包中加入孕育剂；把孕育处理好的铁水浇入铁型覆砂铸型；铸件自然冷却至400℃以下开箱流转清理。本发明用非金属元素代替金属元素，降低气缸体材质中的合金含量，提升铁水流动性，减缓材质的收缩性能，降低产品漏气、漏水机率的发生。非金属氮元素与铁型覆砂工艺的结合运用能稳定和细化珠光体，并使细长石墨变得短粗弯曲，减小石墨对基体的割裂作用，提高灰铸铁的机械性能，提升产品的质量和可靠性。

Description

一种适用于发动机缸体的灰铸铁的铸造方法
技术领域
本发明涉及灰铸铁铸造领域，具体来说是一种合金含量相对较低，强度较高的高氮灰铸铁的铸造方法，适用于发动机气缸体的生产。
背景技术
随着对发动机功耗和污染物排放标准的进一步提高，发动机市场的竞争越来越激烈，发动机制造成本高功耗低成为了影响发动机厂整体发展的关键问题之一。需要提高产品的市场竞争能力，则需要在保证或提高产品性能的同时，降低或维持生产成本。故需要开发一种合金加入量较少，但性能提高或维持不变的材质来适应市场的发展。
目前，气缸体灰铸铁的生产商一般采用的生产方式为：炉料采用生铁、废钢、回炉铁及其它金属合金(如：铬、钼及镍合金)加入中频炉中熔炼成铁水，成分检验合格后，即铁水成分：C：2.95-3.30％、Si：1.45-1.7％、S：0.05-0.1％、Mn：0.50-0.9％、Cu：0.4-0.7％、Cr：0.15-0.4％、P＜0.07％，出铁加入一次孕育处理，在砂型铸型中浇注，浇注过程中加入二次孕育(随流孕育)，终铁水成分要求：C：2.95-3.30％、Si：1.80-1.95％、S：0.05-0.1％、Mn：0.5-0.9％、Cu：0.4-0.7％、Cr：0.15-0.4％、Sn：0.05-0.15％、P＜0.07％，所得灰铸铁材质合金含量较高，但性能较低，缸体本体抗拉强度220-230MPa，硬度180-190HBW，成本较高，难以适应市场的发展。
现气缸体灰铁生产方式为：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，原铁水成分要求：C：3.10-3.50％、Si：1.45-1.70％、S：0.05-0.1％、Mn：0.25-0.3％、Cu：0.2-0.4％、Cr：0.15-0.3％、P＜0.07％、N＜0.010％，余量为Fe检验合格后，加入含氮合金，升温加热并保温一段时间后出铁，出铁加入硅钙钡孕育剂处理(孕育剂粒度要求3-8mm)，处理方式为包内冲入法孕育，孕育处理后的铁水浇注在铁型覆砂铸型中,终铁水成分要求：C：3.10-3.50％、Si：1.80-1.95％、S：0.05-0.1％、Mn：0.38-0.55％、Cu：0.2-0.4％、Cr：0.15-0.3％、P＜0.07％、N：0.010-0.020％，余量为Fe，得到的性能较高、成本较低的适用于气缸体生产的灰铸铁材质。该灰铸铁材质抗拉强度性能提高30～100MPa，硬度提高10～38HBW,铸造成本减少350元/吨。
发明内容
针对现有合金含量较高、材质性能较低，铸造成本高的灰铸铁材质，本发明要解决的技术问题是提供一种适用于发动机气缸体合金含量低，但材质性能高，铸造成本低的适用于发动机缸体的灰铸铁的铸造方法。缸体本体抗拉强度从220-230Mpa提升至250-330Mpa，硬度从180-190HBW提升至190-228HBW。
本发明的技术方案是：一种适用于发动机缸体的灰铸铁的铸造方法，包括如下步骤：
1、炉料配比按重质量百分比为生铁10-15％，废钢50-70％，回炉铁20-35％。将配好的炉料放置在中频感应电炉中熔炼，当炉中熔有三分之一量的铁水后，按铁水总质量的2％一次性加入增碳剂对铁水进行增碳处理，当炉中熔有五分之四量的铁水后，加入铜、硅铁合金；
2、铁水熔炼完成后，控制铁水精炼温度在1510-1550℃之间，保温8-10min，然后进行扒渣处理，获得原铁水；
3、取样进行原铁水成分检验，根据检验结果调整原铁水成分；
4、加入含氮合金，含氮合金为氮化锰或氮化铬或氮化硅锰的一种或两种，升温搅拌，在1450-1500℃之间，保温10-15min，铁水均匀后出铁；
5、在铁水包中加入硅钙钡孕育剂，加入孕育剂重质量为出铁水量的0.4-0.7％，采用包内冲入法孕育处理铁水，获得终铁水。终铁水的化学成分质量百分比：C：3.10-3.50％、Si：1.80-1.95％、S：0.05-0.1％、Mn：0.38-0.55％、Cu：0.2-0.4％、Cr：0.15-0.3％、P＜0.07％、N：0.010-0.020％，余量为Fe；
6、把孕育处理好的铁水浇入铁型覆砂铸型，浇注温度控制在1390-1470℃之间；
7、铸件自然冷却至400℃以下开箱流转清理。
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％。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、通过加入非金属元素N代替金属Cu、Mo、Ni，提高了铁液中的氮成分含量，降低了合金成分。
2、出铁前加入含氮的合金材料，提高了铁液中的氮成分目标含量达到0.010-0.020％，在铁液中加入氮，优化了铁水成分，降低铁水的结晶温度，扩大过冷度，稳定和细化珠光体，氮还可以使细长片状石墨，使其变得两端圆钝短粗和弯曲，减小石墨对基体的割裂作用，从而提高灰铸铁的机械性能。
3、用非金属元素代替金属元素，提高铁水流动性，减缓材质的收缩性能，降低产品漏气、漏水机率的发生，提升了产品的质量和可靠性。
4、采用铁型覆砂铸型进行气缸体的铸造，铸型尺寸精度高，冷却速度快，加速固溶强化氮元素，细化铸件材料组织，取代二次孕育的作用，减小孕育剂的使用次数和使用量，提高铸件机械性能，保证铸件的质量，而且开箱清理方便快捷。
附图说明
图1是本发明所述的适用于发动机缸体的灰铸铁的铸造方法的工艺流程图。
图2是本发明所述的适用于发动机缸体的灰铸铁的金相组织图。
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发动机缸体的灰铸铁的铸造方法的一个实例，包括如下步骤：
(1)炉料配比按重量百分比为生铁12％，废钢60％，回炉铁28％。将配好的炉料放置在中频炉中熔炼，当炉中熔有三分之一量的铁水后，一次性按总重量的2％加入增碳剂对铁水进行增碳处理，当炉中熔有五分之四量的铁水后，加入铜、硅铁合金。
(2)铁水熔炼完成后，控制铁水精炼温度在1510-1550℃之间，保温8-10min，然后进行扒渣处理；取样进行铁水成分检测，原铁水化学成分质量百分比为：C：3.30％、Si：1.60％、S：0.05％、Mn：0.28％、Cu：0.3％、Cr：0.2％、P＜0.07％、N＜0.010％，余量为Fe；
(3)计算加入氮化硅锰，升温搅拌，在1475℃之间，保温12min，铁水均匀后出铁；
(4)在铁水包中加入硅钙钡孕育剂，加入孕育剂重量为出铁水量的0.55％，采用包内冲入法孕育处理铁水。终铁水的化学成分质量百分比：C：3.30％、Si：1.95％、S：0.05％、Mn：0.45％、Cu：0.3％、Cr：0.2％、P＜0.07％、N：0.014％，余量为Fe；
(5)把孕育处理好的铁水浇入铁型覆砂铸型，浇注温度为1434℃；
(6)铸件自然冷却至400℃以下开箱流转清理，用GB/T 228.1-2010和GB/T231.1-2002国标检测方法检测所得铸件抗拉强度Rm＝297MPa,硬度为215HBW。
实施例2
本发明所述的适用于发动机缸体的灰铸铁的铸造方法另一个实例，包括如下步骤：
炉料采用生铁、废钢、回炉铁及其它合金加入中频炉中熔化成原铁水，原铁水成分质量百分比要求：C：3.50％、Si：1.45％、S：0.1％、Mn：0.25％、Cu：0.2％、Cr：0.2％、P＜0.07％检验合格后，在出铁前，加入氮化铬材料，升温搅拌，在1450-1500℃之间，保温10min，均匀铁液后出铁，出铁孕育处理，加入硅钙钡孕育剂，完成一次孕育后，直接浇注到铁型覆砂铸型中，终铁水成分要求：C：3.50％、Si：1.80％、S：0.1％、Mn：0.38％、Cu：0.2％、Cr：0.3％、P＜0.07％、N：0.011％，得到适合发动机气缸体生产的灰铸铁材料，用GB/T228.1-2010和GB/T231.1-2002国标检测方法检测抗拉强度Rm＝250Mpa，硬度为190HBW。
实施例3
本发明所述的适用于发动机缸体的灰铸铁的铸造方法再一个实例，包括如下步骤：
将炉料按质量百分比生铁10％，废钢70％，回炉铁20％，依次加入中频感应电炉中熔炼，当熔炼出三分之一铁水时，加入总重量的2％增碳剂，当熔炼出五分之四的铁水时，按原铁水成分要求C：3.10％、Si：1.70％、S：0.05％、Mn：0.3％、Cu：0.4％、Cr：0.15、P＜0.07％、N＜0.010％，余量为Fe，计算加入铜块和铬铁合金。升温至1520℃精炼8min后做扒渣处理，并取样检测铁水成分，根据检测结果对比成分要求调整铁水成分，并加入氮化锰合金，使氮元素的质量分数达到0.02％，升温搅拌，在1500℃保温15min，铁水均匀后出铁。采用硅钙钡孕育剂以包内冲入法孕育处理铁水，铁水浇注在铁型覆砂铸型中，待铸型冷却至400℃以下开箱处理，得到低成本的高氮发动机气缸体灰铸铁。用GB/T 228.1-2010和GB/T231.1-2002国标检测方法检测抗拉强度Rm＝330Mpa，硬度为228HBW。
本铸造方法的作用机理是：通过在传统灰铸铁生产配方的基础上，优化原料配比，加入含氮合金，通过提高氮在铸铁中的含量，而降低铸铁中贵重金属合金的含量，如铜、钼及镍。而降低铁水的结晶温度，扩大过冷度，稳定和细化珠光体，氮还可以使细长片状石墨，使其变得两端圆钝短粗和弯曲，减小石墨对基体的割裂作用，从而提高灰铸铁的机械性能。减小铜、镍、钼合金的使用能提高铁水的流动性，减缓材质的收缩性能，降低产品漏气、漏水机率的发生，从而提升了产品的质量和可靠性。采用铁型覆砂铸型代替传统的砂型，可以提高铸件尺寸精度，提高冷却速度，并使材料组织细化提高材料机械性能。

Claims (5)

1.一种适用于发动机缸体的灰铸铁的铸造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)炉料配比按质量百分比为生铁10-15％，废钢50-70％，回炉铁20-35％，将配好的炉料放置在中频感应电炉中熔炼，当炉中熔有三分之一量的铁水后，按铁水总质量的2％一次性加入增碳剂对铁水进行增碳处理，当炉中熔有五分之四量的铁水后，按原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1510-1550℃之间，保温8-10min，然后进行扒渣处理，获得原铁水；
(3)取样进行原铁水成分检验，根据检验结果调整原铁水成分；
(4)加入含氮合金，升温搅拌，在1450-1500℃之间，保温10-15min，铁水均匀后出铁；
(5)在铁水包中加入硅钙钡孕育剂，加入孕育剂质量为出铁水量的0.4-0.7％，采用包内冲入法孕育处理铁水，获得终铁水，终铁水的化学成分质量百分比：C：3.10-3.50％、Si：1.80-1.95％、S：0.05-0.1％、Mn：0.38-0.55％、Cu：0.2-0.4％、Cr：0.15-0.3％、P＜0.07％、N：0.010-0.020％，余量为Fe；
(6)把孕育处理好的铁水浇入铁型覆砂铸型，浇注温度控制在1390-1470℃；
(7)铸件自然冷却至400℃以下开箱流转清理。
2.根据权利要求1所述的适用于发动机缸体的灰铸铁的铸造方法，其特征在于，原铁水化学成分质量百分比为：C：3.10-3.50％、Si：1.45-1.70％、S：0.05-0.1％、Mn：0.25-0.3％、Cu：0.2-0.4％、Cr：0.15-0.3％、P＜0.07％、N＜0.010％，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的适用于发动机缸体的灰铸铁的铸造方法，其特征在于，含氮合金为氮化锰或氮化铬或氮化硅锰的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的适用于发动机缸体的灰铸铁的铸造方法，其特征在于，硅钙钡孕育剂粒度为3-8mm。
5.根据权利要求1所述的适用于发动机缸体的灰铸铁的铸造方法，其特征在于，包括如下步骤：
将炉料按质量百分比生铁10％，废钢70％，回炉铁20％，依次加入中频感应电炉中熔炼，当熔炼出三分之一铁水时，加入总重量的2％增碳剂，当熔炼出五分之四的铁水时，按原铁水成分要求C：3.10％、Si：1.70％、S：0.05％、Mn：0.3％、Cu：0.4％、Cr：0.15、P＜0.07％、N＜0.010％，余量为Fe，计算加入铜块和铬铁合金，升温至1520℃精炼8min后做扒渣处理，并取样检测铁水成分，根据检测结果对比成分要求调整铁水成分，并加入氮化锰合金，使氮元素的质量分数达到0.02％，升温搅拌，在1500℃保温15min，铁水均匀后出铁，采用硅钙钡孕育剂以包内冲入法孕育处理铁水，铁水浇注在铁型覆砂铸型中，待铸型冷却至400℃以下开箱处理，得到的灰铸铁的抗拉强度Rm＝330Mpa，硬度为228HBW。
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