CN111363971A - 一种低钼铌合金铸铁缸套及其制备方法和铁合金 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低钼铌合金铸铁缸套及其制备方法和铁合金，该铁合金包括以下质量百分比的组分：2.8～3.0％的C；1.6～2.3％的Si；0.1～0.2％的Mo；0.1～0.18％的Nb；0.05～0.1％的S；小于0.1％的P；小于0.3％的Mn；余量为Fe。本发明通过优化设计气缸套中各元素含量，使气缸套具有良好的机械性能和较高的耐腐蚀性，并且成本低。实验结果表明，所述铸铁缸套材料性能如下：HBW240‑300，抗拉强度大于370MPa，弹性模量大于135GPa。本发明的缸套基体组织主要为细片状珠光体，其组织稳定，不易发生相变，不易被腐蚀，使用效果优良。本发明制备工艺简单、稳定，成本低廉。
Description
技术领域
本发明属于缸套材料技术领域，尤其涉及一种低钼铌合金铸铁缸套及其制备方法和铁合金。
背景技术
气缸套是一个圆筒形工件，位于机体的气缸体孔中，上部由气缸盖压紧固定，活塞在其内孔作往复运动，外有冷却水冷却；其与缸盖、活塞共同构成气缸工作空间。气缸套是发动机的关键零件之一，要求有较高的机械性能。例如，公开号为CN 101117923 A的中国专利文献公开了一种多元合金化铸态贝氏体灰铸铁气缸套，其化学组成按重量百分比计如下：碳：3.0～3.4％；硅：2.2～2.6％；锰：0.6～1.0％；0＜磷≤0.1％；0＜硫≤0.1％；铜：0.6～1.0％；钼：0.2～0.5％；铬：0.1～0.3％；铌：0.05～0.12％；钒：0.05～0.2％；钛：0.07～0.15％；余量为Fe。
上述的贝氏体灰铸铁缸套具有较高的机械性能，但耐腐蚀性较差。气缸套作为发动机核心零部件，工作环境恶劣，大部分发动机气缸套都与冷却水接触，耐腐蚀性成为衡量气缸套材料的一大重要指标。随着发动机行业的发展，既要保证气缸套的机械性能、耐腐蚀性能，又要保证气缸套成本低廉成为亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种低钼铌合金铸铁缸套及其制备方法和铁合金，本申请提供的合金铸铁气缸套具有良好的机械性能，耐腐蚀性高，并且成本低。
本发明提供一种铁合金，包括以下质量百分比的组分：
2.8～3.0％的C；
1.6～2.3％的Si；
0.1～0.2％的Mo；
0.1～0.18％的Nb；
0.05～0.1％的S；
小于0.1％的P；
小于0.3％的Mn；
余量为Fe。
本发明提供一种低钼铌合金铸铁缸套，所述低钼铌合金铸铁缸套的材料为上文所述的铁合金。
优选地，包括以下质量百分比的组分：
2.85～2.95％的C；
1.9～2.2％的Si；
0.1～0.15％的Mo；
0.1～0.18％的Nb；
0.05～0.1％的S；
小于0.1％的P；
小于0.3％的Mn；
余量为Fe。
优选地，所述低钼铌合金铸铁缸套的基体为片状珠光体。
本发明提供一种低钼铌合金铸铁缸套的制备方法，包括以下步骤：
S1、将原料熔炼成铁液，然后进行孕育，经过孕育的铁液的成分包括：2.8～3.0％的C；1.6～2.3％的Si；0.1～0.2％的Mo；0.1～0.18％的Nb；0.05～0.1％的S；小于0.1％的P；小于0.3％的Mn；余量为Fe；
S2、将所述孕育的铁液进行离心浇注，得到毛坯；
S3、将所述毛坯经过冷却，然后进行粗加工，保温后精加工，得到低钼铌合金铸铁缸套成品。
优选地，所述离心浇注的出型温度为800～860℃。
优选地，所述冷却采用压缩空气处理至温度为600～660℃。
优选地，所述粗加工后，于500～550℃保温2～3小时，再精加工成低钼铌合金铸铁缸套成品。
与现有技术相比，本发明提供了一种可制成合金铸铁缸套的铁合金，该铁合金包括以下组分：2.8～3.0％的C；1.6～2.3％的Si；0.1～0.2％的Mo；0.1～0.18％的Nb；0.05～0.1％的S；小于0.1％的P；小于0.3％的Mn；余量为Fe。本发明通过优化设计气缸套中各元素含量，使气缸套具有良好的机械性能和较高的耐腐蚀性，并且成本低。实验结果表明，所述铸铁缸套材料性能如下：HBW240-300，抗拉强度大于370MPa，弹性模量大于135GPa。本发明的缸套基体组织主要为细片状珠光体，其组织稳定，不易发生相变，不易被腐蚀，使用效果优良。此外，本发明制备工艺简单、稳定，成本低廉。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的气缸套的100X石墨的金相图；
图2为本发明实施例1提供的气缸套的500x基体的金相图。
具体实施方式
下面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。
本发明提供了一种铁合金，包括以下质量百分比的组分：
2.8～3.0％的C；
1.6～2.3％的Si；
0.1～0.2％的Mo；
0.1～0.18％的Nb；
0.05～0.1％的S；
小于0.1％的P；
小于0.3％的Mn；
余量为Fe。
本发明提供的铁合金主要包括：C(碳)、Si(硅)、Mo(钼)、Nb(铌)、Mn(锰)和Fe(铁)等成分，以及不可避免的杂质。本发明对成分进行创新设计，其中，C的含量为2.8～3.0％，优选为2.85～2.95％。Si的含量为1.6～2.3％，优选为1.9～2.2％。
在本发明中，Mo的含量为0.1～0.2％，优选为0.1～0.15％；Nb的含量为0.1～0.18％。其中，Mo是弱碳化物形成元素，阻碍石墨化程度小，同时Mo能增加珠光体的弥散度。Nb是中性元素，既不促进石墨化也不阻碍石墨化，铌在凝固过程中形成NbC、Nb(C、N)等高硬度的碳、氮化物，呈弥散分布；铌还对铁素体有强化的作用。Mo和Nb的相互作用使金相组织成为：细珠光体和碳、氮化物组成的强化基体。
本发明利用少量Nb、Mo等强碳化物元素有效提高强度，提高强度的原因包括：是在冷却过程中从奥氏体中析出了细小的特殊碳氮碳化物，比较规则的一个面接一个面成排分布，碳氮化合物是在奥氏体和铁素体相界面形成的，因此将这种转变称相间析出，相间析出的结果也是过冷奥氏体转变为铁素体和碳化物的机械混合物，由于这种转变发生在珠光体和贝氏体之间，所以要控制材料奥氏体化温度范围。
并且，本发明将Mn元素的含量控制为＜0.3％。传统灰铸铁中Mn元素的加入量应≥1.6S+0.3，本发明中对Mn的含量控制，随着Mn元素加入量的增加，铁碳相图中奥氏体区域逐渐扩大使得贝氏体相变更易发生，而本发明中低Mo低Nb形成的NbC、Nb(C、N)增加强度的相变发生在珠光体和贝氏体相变之间，所以，通过降低Mn含量来控制奥氏体化温度使得相间析出更容易进行。
在本发明中，所述铁合金包括余量的Fe。此外，其中P的含量小于0.1％，例如0.04～0.06％。S的含量为0.05～0.1％，优选为0.06～0.07％。在本发明提供的一个实施例中，按照质量百分比计，所述铁合金包括以下组分：C：2.85～2.95％；Si：1.9～2.2％；Mo：0.1～0.15％；Nb：0.1～0.18％；S：0.05～0.1％；P：＜0.1％；Mn：＜0.3％；余量为Fe。
本发明通过优化设计铁合金中各元素含量，使其具有良好的机械性能和较高的耐腐蚀性，并且成本低。所述铁合金的基体组织主要为珠光体，耐腐蚀性高；其硬度HBW240-300，抗拉强度大于370MPa，弹性模量大于135GPa，利于应用。
本发明提供了一种低钼铌合金铸铁缸套，所述低钼铌合金铸铁缸套的材料为上文所述的铁合金。
本发明提供的缸套的材料为所述铁合金，由于该铁合金具有良好的机械性能和较高的耐腐蚀性，成本低廉，因此本发明提供的合金铸铁缸套具有良好的机械性能，耐腐蚀性高，并且成本低。
本发明所述低钼铌合金铸铁缸套的材料组分如前所述，在此不再一一赘述。在本发明的一些实施例中，按照质量百分比计，所述低钼铌合金铸铁缸套的组成主要为：2.85～2.95％的C；1.9～2.2％的Si；0.1～0.15％的Mo；0.1～0.18％的Nb；0.05～0.1％的S；小于0.1％的P；小于0.3％的Mn；余量为Fe。
在本发明的实施例中，所述缸套基体组织为细片状珠光体，其相比于贝氏体基体的优势在于，组织稳定，不易发生相变，不易被腐蚀，更能适应气缸套恶劣的工作环境。本发明首次作为缸套材料使用低钼铌合金铸铁，铸铁缸套材料性能如下：硬度HBW240-300，抗拉强度大于370MPa，弹性模量大于135GPa；使用效果优良。本发明气缸套的机械性能良好，耐腐蚀性高，其合金含量低，成本低。
本发明提供了一种低钼铌合金铸铁缸套的制备方法，包括以下步骤：
S1、将原料熔炼成铁液，然后进行孕育，经过孕育的铁液的成分包括：2.8～3.0％的C；1.6～2.3％的Si；0.1～0.2％的Mo；0.1～0.18％的Nb；0.05～0.1％的S；小于0.1％的P；小于0.3％的Mn；余量为Fe；
S2、将所述孕育的铁液进行离心浇注，得到毛坯；
S3、将所述毛坯经过冷却，然后进行粗加工，保温后精加工，得到低钼铌合金铸铁缸套成品。
在本发明提供的制备方法中，首先按照各成分质量百分比进行配料，并对原料进行熔炼，熔炼温度控制在1550～1600℃，得到铁水。
本发明实施例将得到的铁水进行孕育，经过孕育处理后的成分如下：2.8～3.0％的C；1.6～2.3％的Si；0.1～0.2％的Mo；0.1～0.18％的Nb；0.05～0.1％的S；小于0.1％的P；小于0.3％的Mn；余量为Fe。其中，可以选用硅锶孕育剂或硅钡孕育剂，采用本领域常用的工艺进行孕育处理即可。
得到孕育的铁液后，本发明实施例将其进行离心浇注。其中，浇注温度控制在1420～1470℃即可。所述离心浇注的出型温度可为800～860℃，优选为840～850℃。
本发明实施例将离心浇注成的毛坯进行冷却，然后进行粗加工，保温后精加工，得到低钼铌合金铸铁缸套成品。其中，所述毛坯优选经过压缩空气冷却至600～660℃，更优选为640～650℃，之后空气冷却(简称空冷)；所述冷却期间的冷却速度一般大于80℃/min。
在本发明的实施例中，所述冷却后的毛坯经过粗加工后，优选于500～550℃保温2小时～3小时，再精加工成低钼铌合金铸铁缸套成品。所述粗加工、精加工均为本领域技术人员熟知的工序步骤，本发明并无特殊限制。
本发明制得的气缸套具有以下优点：基体组织为珠光体，耐腐蚀性高；抗拉强度大于370MPa，弹性模量大于135GPa；其制备工艺简单、稳定，合金含量低，成本低廉。
为了进一步理解本申请，下面结合实施例对本申请提供的低钼铌合金铸铁缸套及其制备方法和铁合金进行具体地描述。
实施例1
按质量百分比计，缸套的成分组成：
C：2.91％，Si：2.12％，P：0.04％，S：0.06％，Mn：0.25％，Mo：0.14％，Nb：0.18％，余量为铁。
其制备过程如下：
(1)按照各成分如下质量百分比熔炼成铁水(孕育后)：
C：2.91％，Si：2.12％，P：0.04％，S：0.06％，Mn：0.25％，Mo：0.14％，Nb：0.18％，余量为铁。
熔炼温度控制在1550-1600℃；孕育剂选用宁夏铸峰的硅钡孕育剂。
(2)将所述孕育的铁液离心浇注成毛坯；其中，浇注温度控制在1420-1470℃，离心转速为1350r/min；850℃出型。
(3)将离心浇注成的毛坯经过压缩空气冷却至650℃，之后空冷，冷却期间冷却速度大于80℃/min。
(4)所述冷却后的毛坯经过粗加工，之后经530℃保温3小时，选用CBN刀，主轴转速1200r/min，精加工成缸套成品。
对本发明所述缸套进行金相观察，结果参见图1和图2，缸套基体组织为细片状珠光体。对所述缸套进行机械性能等常规检测，检验结果：HBW255，抗拉强度：408MPa，弹性模量：141GPa。
实施例2
按质量百分比计，缸套的成分组成：
C：2.85％，Si：2.09％，P：0.06％，S：0.06％，Mn：0.27％，Mo：0.17％，Nb：0.15％，余量为铁。
其制备过程如下：
(1)按照各成分如下质量百分比熔炼成铁水(孕育后)：
C：2.85％，Si：2.09％，P：0.06％，S：0.06％，Mn：0.27％，Mo：0.17％，Nb：0.15％，余量为铁。
熔炼温度控制在1550-1600℃；孕育剂选用宁夏铸峰的硅锶孕育剂。
(2)将所述孕育的铁液离心浇注成毛坯；其中，浇注温度控制在1420-1470℃，离心转速为1350r/min；850℃出型。
(3)将离心浇注成的毛坯经过压缩空气冷却至650℃，之后空冷，冷却期间冷却速度大于80℃/min。
(4)所述冷却后的毛坯经过粗加工，之后经530℃保温3小时，选用CBN刀，主轴转速1200r/min，精加工成缸套成品。
对本发明所述缸套进行金相观察，结果与实施例1相同，缸套基体组织为细片状珠光体。对所述缸套进行机械性能等常规检测，检验结果：HBW260，抗拉强度：425MPa，弹性模量：143GPa。
将实施例2所述缸套与同等材料等级的贝氏体基体材料做耐腐蚀性实验，配置PH值为6.5-7.2的盐液，加入试验机。盐雾试验机试验是温度50摄氏度，压力桶温度63摄氏度，将试样放入实验室内。对比可知，在相同时间内本发明的平均腐蚀深度为120.6μm，最大腐蚀深度为531μm；而同等材料等级的贝氏体基体材料平均腐蚀深度为131μm，最大腐蚀深度为729μm。
综上所述，本发明所述铸铁缸套材料性能如下：HBW240-300，抗拉强度大于370MPa，弹性模量大于135GPa。本发明气缸套具有良好的机械性能和较高的耐腐蚀性，并且成本低。本发明的缸套基体组织主要为细片状珠光体，其组织稳定，不易发生相变，不易被腐蚀，使用效果优良。此外，本发明制备工艺简单、稳定，成本低廉。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于使本技术领域的专业技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，是能够实现对这些实施例的多种修改的，而这些修改也应视为本发明应该保护的范围。
Claims (8)
1.一种铁合金，包括以下质量百分比的组分：
2.8～3.0％的C；
1.6～2.3％的Si；
0.1～0.2％的Mo；
0.1～0.18％的Nb；
0.05～0.1％的S；
小于0.1％的P；
小于0.3％的Mn；
余量为Fe。
2.一种低钼铌合金铸铁缸套，其特征在于，所述低钼铌合金铸铁缸套的材料为权利要求1所述的铁合金。
3.根据权利要求2所述的低钼铌合金铸铁缸套，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：
2.85～2.95％的C；
1.9～2.2％的Si；
0.1～0.15％的Mo；
0.1～0.18％的Nb；
0.05～0.1％的S；
小于0.1％的P；
小于0.3％的Mn；
余量为Fe。
4.根据权利要求2或3所述的低钼铌合金铸铁缸套，其特征在于，所述低钼铌合金铸铁缸套的基体为片状珠光体。
5.一种低钼铌合金铸铁缸套的制备方法，包括以下步骤：
S1、将原料熔炼成铁液，然后进行孕育，经过孕育的铁液的成分包括：2.8～3.0％的C；1.6～2.3％的Si；0.1～0.2％的Mo；0.1～0.18％的Nb；0.05～0.1％的S；小于0.1％的P；小于0.3％的Mn；余量为Fe；
S2、将所述孕育的铁液进行离心浇注，得到毛坯；
S3、将所述毛坯经过冷却，然后进行粗加工，保温后精加工，得到低钼铌合金铸铁缸套成品。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述离心浇注的出型温度为800～860℃。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述冷却采用压缩空气处理至温度为600～660℃。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述粗加工后，于500～550℃保温2～3小时，再精加工成低钼铌合金铸铁缸套成品。
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| 京玉海等: "《机械制造基础（第2版）》", 31 July 2018, 重庆大学出版社 * |
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