CN110607478B - 一种灰铸铁气缸套材料及其制备方法 - Google Patents

一种灰铸铁气缸套材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种灰铸铁气缸套材料，成分为：碳3.25～3.5wt％；硫0.06～0.08wt％；硅2.0～2.5wt％；磷0.06～0.1wt％；锰0.3～0.5wt％；铬0.3～0.5wt％；铜0.6～0.8wt％；铌0.35～0.45wt％；锑0.02～0.04wt％；余量为铁。本发明通过对气缸套材料进行合金元素和工艺设计，使制备得到的灰铸铁气缸套材料的金相组织包括片状石墨、细片状珠光体、约1％的磷共晶，同时金相组织中均匀分布铌碳氮化物。使制备得到的气缸套材料具备高强度、优良的减磨配副性和耐蚀性，同时材料组织稳定、成本低。

Description

一种灰铸铁气缸套材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及汽车发动机配件技术领域，尤其涉及一种灰铸铁气缸套材料及其制备方法。
背景技术
气缸套是汽车发动机的核心部件，目前气缸套材料多为灰铸铁。灰铸铁气缸套材料主要通过合金强化和热处理方法提高其强度和耐磨性；珠光体灰铸铁抗拉强度一般在320MPa以下，硬度一般都小于280HB。通过合金化和热处理方法获得的贝氏体灰铸铁抗拉强度可达到400MPa，硬度可达到330HB，但贝氏体材料成本较高、组织稳定性差、耐腐蚀性差，这些缺点限制了其广泛应用。因此，开发一种高强度、高耐磨性、高耐蚀性，同时材料组织稳定、成本低的灰铸铁气缸套材料成为本领域技术人员研究的热点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种灰铸铁气缸套材料及其制备方法，本发明提供的灰铸铁气缸套材料具有高强度、高硬度、优良的耐磨性和耐蚀性，同时材料组织稳定、成本低的优点。
本发明提供了一种灰铸铁气缸套材料，成分为：
碳 3.25～3.5wt％；
硫 0.06～0.08wt％；
硅 2.0～2.5wt％；
磷 0.06～0.1wt％；
锰 0.3～0.5wt％；
铬 0.3～0.5wt％；
铜 0.6～0.8wt％；
铌 0.35～0.45wt％；
锑 0.02～0.04wt％；
余量为铁。
本发明提供的灰铸铁气缸套材料为一种珠光体灰铸铁气缸套材料，这种气缸套材料的金相组织包括片状石墨、细片状珠光体基体、约1％的磷共晶，同时金相组织中均匀分布着铌碳氮化物。
碳是形成石墨的基础，硅是较强促进石墨化元素，本发明采用过冷度较大的离心铸造方式，同时考虑到碳当量对材料强度的影响，设计碳含量为3.25～3.5wt％，优选为3.3～3.4wt％；硅含量为2.0～2.5wt％，优选为2.1～2.4wt％，更优选为2.2～2.3wt％。
铸铁中加入一定量的(0.06～0.1w％)硫可以改善切削性能，适当的硫与Mn元素结合形成MnS夹杂颗粒，改善孕育效果和石墨形态。本发明提供的材料强度较高、组织致密，考虑到材料切削性能，本发明中硫元素设计为0.06～0.08wt％，优选为0.07wt％。
磷元素在灰铸铁中可以形成磷共晶相，起到减磨、耐蚀作用，太多的磷共晶组织会降低材料强度，本发明中磷元素设计为0.06～0.1w％，优选为0.07～0.09wt％，更优选为0.08wt％。
灰铸铁中锰含量一般是S的3.3倍，Mn促进和稳定珠光体，提高灰铸铁强度，强化基体、增加碳化物弥散度，提高铸铁的耐磨性，本发明中锰元素范围设计为0.3～0.5w％，优选为0.4wt％。
铬元素能细化石墨，稳定珠光体，增加珠光体数量，提高灰铸铁强度，本发明中铬含量为0.3～0.5w％，优选为0.4wt％。
铜元素在灰铸铁中以固溶和分散形式存在，能细化和稳定珠光体，提高铸铁强度和硬度，减少断面敏感性，同时降低材料摩擦系数提高材料耐磨性，本发明中铜含量为0.6～0.8wt％，优选为0.7wt％。
铌元素是强碳、氮化物形成元素，在灰铸铁中形成弥散分布的NbC、Nb(C、N)等高硬度的碳、氮化物；铌在在灰铸铁中以固溶铌和沉淀铌两种形式存在，固溶铌可以细化强化珠光体组织，通过热处理方式可以形成沉淀铌，沉淀铌为弥散分布于基体组织中的NbC、Nb(C、N)相，对基体组织起到强化作用，大幅提高材料的耐磨性；本发明中铌含量为0.35-0.45w％，优选为0.4wt％。
锑元素是强烈的促进珠光体元素，微量锑(0.04w％)就可以消除铁素体，获得全珠光体组织，并细化珠光体和石墨、增加共晶团，从而增加材料强度、硬度、致密性和耐磨性，同时锑元素还可以提高铸铁的耐蚀性能；考虑到材料的强度要求，本发明设计的锑含量为0.02～0.04w％，优选为0.03wt％。
本发明提供的灰铸铁气缸套组织和性能是通过成分和制备方法共同获得的，成分设计中各成分及各成分含量设计充分考虑了铸造方式、加工性能、细化强化组织、减磨性能和耐蚀性能，通过各成分的联合作用达到材料所需要的金相组织和性能。
本发明提供了一种上述技术方案所述的灰铸铁气缸套材料的制备方法，包括：
将生铁、废钢、回炉料、硫铁粉、硅铁、磷铁、锰铁、铬铁、电解铜、铌铁和锑铁原材料进行配料熔化，采用离心铸造方式成型，得到灰铸铁气缸套材料。
在本发明中，所述离心铸造完后后，优选还包括：
将离心铸造后得到的毛坯进行退火处理，得到灰铸铁气缸套材料。
本发明对所述生铁、废钢、回炉料、硫铁粉、硅铁、磷铁、锰铁、铬铁、电解铜、铌铁和锑铁原材料的种类和来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的制备灰铸铁所采用的上述原料即可，本领域技术人员根据上述原料的成分配料比例满足上述技术方案所述的灰铸铁气缸套材料中各成分的含量即可。
本发明对所述离心铸造的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的离心铸造制备灰铸铁的技术方案即可，优选采用金属型离心铸造。在本发明中，所述离心铸造过程中的可根据铸件尺寸由康斯坦丁诺夫公式计算确定，本领域技术人员可根据实际情况进行设计。在本发明中，所述转速优选为1300～1500转/分，更优选为1350～1450转/分，最优选为1400转/分。在本发明中，所述浇铸速度优选为3～5kg/s，更优选为3.5～4.5kg/s，最优选为4kg/s。在本发明中，所述离心铸造过程中的浇注温度优选为1400～1470℃，更优选为1410～1460℃，更优选为1420～1450℃，最优选为1430～1440℃。在本发明中，所述离心铸造完成后得到毛坯，所述毛坯出模具的温度应大于780℃，优选为780～810℃，更优选为790～805℃，最优选为795～800℃，保证毛坯组织处于奥氏体状态。
在本发明中，所述毛坯出模具后优选风冷至600℃以下，优选为540～580℃，更优选为550～570℃，最优选为560℃；然后空冷至室温。本发明中的毛坯出模具温度高于共析转变温度，采用风冷方式冷却至共析转变完成，共析转变时风冷可以减小珠光体片间距，从工艺上细化组织。
在本发明中，所述退火处理的温度优选为525～535℃，更优选为528～532℃，最优选为530℃；所述退火处理时间优选为2.5～3.5小时，更优选为2.8～3.2小时，最优选为3小时。本发明提供的退火处理工艺能够使组织中析出一部分沉淀铌，增加材料硬度，提高耐磨性，同时还可以消除气缸套应力。
本发明提供的气缸套材料为珠光体组织，组织稳定可靠；该气缸套材料强度高、硬度高，减磨性和耐蚀性能优越，克服了珠光体缸套强度低、耐磨性差的缺点；本发明提供的气缸套材料的制备工艺简单、稳定。实验结果表明，本发明提供的气缸套材料硬度为280～330HB，抗拉强度大于420MPa，弹性模量大于140GPa。
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制备得到的气缸套材料的石墨金相图片；
图2为本发明实施例1制备得到的气缸套材料的基体组织金相图片；
图3为本发明实施例2制备得到的气缸套材料的石墨金相图片；
图4为本发明实施例2制备得到的气缸套材料的基体组织金相图片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将生铁、废钢、回炉料、硫铁粉、硅铁、磷铁、锰铁、铬铁、电解铜、铌铁、锑铁原材料进行配料并熔化，将成分范围调整至设计范围内，采用光电直读光谱仪对铁液成分进行检测，检测结果为：
碳3.43wt％、硫0.065wt％、硅2.25wt％、磷0.091wt％、锰0.47wt％、铬0.42wt％、铜0.65wt％、铌0.32wt％、锑0.038wt％，余量为铁。
将熔炼好的铁液进行金属模型离心铸造，得到毛坯，毛坯外圆为136mm，内径为107mm，长度为252mm；所述离心铸造的浇注温度为1421℃，浇注速度为4kg/s，转速为1400转/分。
得到的毛坯出模具温度为805℃，出模具后迅速将毛坯风冷至550℃后空冷至室温，然后在台车退火炉采用530℃保温3h进行退火处理，得到气缸套材料。
对本发明实施例1制备得到的气缸套材料进行金相组织检测，检测结果如图1和图2所示，通过金相组织观察，本发明实施例1制备得到的气缸套材料的金相组织为片状石墨、细片状珠光体基体、约1％的磷共晶，同时基体组织中均匀分布铌碳氮化物。
分别采用GB/T 231.1《金属布氏硬度试验》、GB/T 228《金属材料室温拉伸试验方法》、ASTMC1548《材料杨氏模量、剪切模量和泊松比的测试方法》方法测试本发明实施例1制备得到的气缸套材料的硬度、抗拉强度和弹性模量，检测结果为，本发明实施例1制备得到的气缸套材料的硬度为292HB、抗拉强度为431Mpa、弹性模量为148GPa。
采用VDA230-214《Resistance Of Metallic Materials To CondensateCorrosion In Exhaust Gas-Carrying Components-Testing Methods》、JB/T 7901《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》方法测试本发明实施例1制备得到的气缸套材料的耐蚀性，检测结果为，相同实验条件下本发明实施例1制备得到的气缸套材料的腐蚀失重量为82.1mg，平均腐蚀深度9.9μm；含磷灰铸铁材料腐蚀失重量为221.8mg，平均腐蚀深度26.7μm。
实施例2
将生铁、废钢、回炉料、硫铁粉、硅铁、磷铁、锰铁、铬铁、电解铜、铌铁、锑铁原材料进行配料熔化，将成分范围调整至设计范围内，采用光电直读光谱仪对铁液成分进行检测，检测结果为：
碳3.25wt％、硫0.072wt％、硅2.43wt％、磷0.078wt％、锰0.35wt％、铬0.33wt％、铜0.72wt％、铌0.42wt％、锑0.025wt％，余量为铁。
将熔炼好的铁液进行金属模型离心铸造，得到毛坯，毛坯外圆为132mm，内径为105mm，长度为257mm；所述离心铸造的浇注温度为1457℃，浇注速度为3.5kg/s，转速为1385转/分。
得到的毛坯出模具温度为792℃，出模具后迅速将毛坯风冷至580℃后空冷至室温，然后在台车退火炉采用530℃保温3h进行退火处理，得到气缸套材料。
对本发明实施例2制备得到的气缸套材料进行金相组织检测，检测结果如图3和图4所示，通过金相组织观察，本发明实施例2制备得到的气缸套材料的金相组织为片状石墨、细片状珠光体基体、约1％的磷共晶，同时组基体织中均匀分布铌碳氮化物。
按照实施例1的方法测试本发明实施例2制备得到的气缸套材料的硬度、抗拉强度、弹性模量和耐蚀性，检测结果为，本发明实施例2制备得到的气缸套材料的硬度为316HB、抗拉强度为458MPa、弹性模量为149GPa、耐蚀性检测结果为：相同实验条件下本发明实施例2制备得到的气缸套材料的腐蚀失重量为102.9mg，平均腐蚀深度12.3μm；含钼灰铸铁材料腐蚀失重量为233.2mg，平均腐蚀深度27.8μm。
由以上实施例可知，本发明提供了一种灰铸铁气缸套材料，成分为：碳3.25～3.5wt％；硫0.06～0.08wt％；硅2.0～2.5wt％；磷0.06～0.1wt％；锰0.3～0.5wt％；铬0.3～0.5wt％；铜0.6～0.8wt％；铌0.35～0.45wt％；锑0.02～0.04wt％；余量为铁。本发明通过对气缸套材料进行合金元素和工艺设计，使制备得到的灰铸铁气缸套材料的金相组织包括片状石墨、细片状珠光体、约1％的磷共晶，同时金相组织中均匀分布铌碳氮化物。使制备得到的气缸套材料具备高强度、优良的减磨配副性和耐蚀性，同时材料组织稳定、成本低。

Claims (5)

1.一种灰铸铁气缸套材料，成分为：
碳3.3~3.4wt%；
硫0.06~0.08wt%；
硅2.1~2.4wt%；
磷0.06~0.1wt%；
锰0.4wt%；
铬0.4wt%；
铜0.6~0.8wt%；
铌0.35~0.4wt%；
锑0.02~0.04wt%；
余量为铁；
所述灰铸铁气缸套材料的金相组织包括片状石墨、细片状珠光体和磷共晶，同时所述金相组织中分布有铌碳氮化物；
所述灰铸铁气缸套材料的硬度为280~330HB；
抗拉强度大于420MPa；
弹性模量大于140GPa。
2.一种权利要求1所述的灰铸铁气缸套材料的制备方法，包括：
将生铁、废钢、回炉料、硫铁粉、硅铁、磷铁、锰铁、铬铁、电解铜、铌铁和锑铁原材料进行配料熔化，采用离心铸造方式成型，得到灰铸铁气缸套材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述离心铸造完成后还包括：
将离心铸造后得到的毛坯出模具；
所述毛坯出模具的温度大于780℃。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述离心铸造后还包括：
将离心铸造后得到的毛坯进行退火处理；
所述退火处理的温度为525~535℃。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述退火处理的时间为2.5~3.5小时。
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