CN111945057B - 一种高强度高耐磨的合金灰铸铁气缸套及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种合金灰铸铁气缸套，由气缸套坯料经过热处理后得到；所述气缸套坯料的基体组织中包括马氏体；所述合金灰铸铁气缸套的基体组织中包括回火索氏体。本发明提供的高强度高耐磨的含有珠光体组织的合金灰铸铁气缸套，通过对合金灰铸铁气缸套制备过程进行改进，在过程中使得气缸套的基体组织先形成马氏体组织，再通过高温回火，形成回火索氏体，使得本发明制备的合金灰铸铁气缸套抗拉强度能达到500Mpa以上，有效的解决了现有的珠光体在铸态下不可能达到500Mpa的局限。本发明制备的合金灰铸铁气缸套具有较高的抗拉强度、硬度、弹性模量和耐高爆发压力，良好的耐磨性；同时制备工艺简单、稳定，使用寿命较长。

Description

一种高强度高耐磨的合金灰铸铁气缸套及其制备方法
技术领域
本发明属于合金灰铸铁气缸套制造技术领域，涉及一种合金灰铸铁气缸套及其制备方法，尤其涉及一种高强度高耐磨的合金灰铸铁气缸套及其制备方法。
背景技术
汽车发动机是汽车的心脏部件，是由曲柄连杆机构和配气机构两大机构，以及冷却、润滑、点火、燃料供给、启动系统等五大系统组成。汽车发动机的工作腔称作汽缸，汽缸内表面为圆柱形。在汽缸内作往复运动的活塞通过活塞销与连杆的一端铰接，连杆的另一端则与曲轴相连，曲轴由气缸体上的轴承支承，可在轴承内转动，构成曲柄连杆机构。机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。因此，机体必须要有足够的强度和刚度。机体组主要由气缸体、气缸套、气缸盖和气缸垫等零件组成。
这其中，气缸套是发动机的关键零件之一，是一个圆筒形零件，置于机体的气缸体孔中，上由气缸盖压紧固定。活塞在其内孔作往复运动，其外有冷却水冷却。气缸套与缸盖、活塞共同构成气缸工作空间，有时还会承受活塞侧推力，成为活塞往复运动的导程。在发动机运行过程中，气缸套内表受高温高压燃气直接作用，并始终与活塞环及活塞裙部发生高速滑动摩擦。外表与冷却水接触，在较大温差下产生严重热应力，受冷却水腐蚀。活塞对缸套的侧推力不仅加剧其内表摩擦，并使其产生弯曲。侧推力改变方向时，活塞还撞击缸套。此外还受到较大的安装预紧力。同时，气体压力使气缸壁产生切向拉应力和径向压应力，并且在内表面最大，而且都是高频脉动应力。此外，因缸壁内外温差产生极大的热应力，一般温度下使内表面产生压应力而冷却面存在拉应力。但在特高气温下，近内表面金属蠕变塑性变形，而冷却后即在内表面形成残余拉应力，这种随起动、停车变化引起的低频应力会使材料疲劳。
正是由于气缸套的工作环境恶劣，承受着很高的爆发压力，又要持久耐用，因此对缸套部件的材料就要有着较高的要求，应有足够的强度、刚度和耐热性能，还应具有较好的耐磨性能。工作中应有良好润滑和冷却性能。所以，缸套一般采用耐磨合金铸铁作材料，如HT25-47、HP-CuCrMo等。但是随着发动机行业的发展，为了满足机械零构件对材质性能的更高的要求，研制更高抗拉强度的灰铸铁缸套已成为必要。
因此，如何更好的提高合金灰铸铁气缸套的抗拉强度，满足下游行业对其材质性能的更高要求，已成为业内诸多研发企业和一线研究人员亟待解决的问题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种合金灰铸铁气缸套及其制备方法，特别是一种高强度高耐磨的合金灰铸铁气缸套及其制备方法。本发明提供的高强度高耐磨的合金灰铸铁气缸套，抗拉强度能达到500Mpa以上，可使用在爆发压力300Bar以上的发动机上，而且具有较高的硬度，同时制备工艺简单、稳定，使用寿命较长。
本发明提供了一种合金灰铸铁气缸套，由气缸套坯料经过热处理后得到；
所述气缸套坯料的基体组织中包括马氏体；
所述合金灰铸铁气缸套的基体组织中包括回火索氏体。
优选的，所述马氏体的比例为大于等于95％；
所述气缸套坯料的基体组织中还包括残余奥氏体；
所述残余奥氏体的比例为小于等于5％。
优选的，所述回火索氏体的比例大于等于80％；
所述合金灰铸铁气缸套的基体组织中还包括索氏体和难熔碳化物；
所述索氏体的比例为小于等于5％；
所述难熔碳化物的比例为小于等于15％。
本发明提供了一种合金灰铸铁，按质量百分比计，包括：
C：2.65％～2.8％；
Si：2.0％～2.2％；
S：0.04％～0.06％；
Mn：1.9％～2.0％；
Mo：0.5％～0.6％；
Ni：0.1％～0.2％；
Nb：0.05％～0.08％；
P：＜0.1％；
Cr：＜0.1％；
余量的铁。
优选的，所述Mo的含量为0.52％～0.56％；
所述Ni的含量为0.15％～0.18％；
所述合金灰铸铁的硬度为360～400HB；
所述合金灰铸铁的抗拉强度大于等于500MPa；
所述合金灰铸铁的弹性模量大于等于145Gpa。
本发明还提供了一种合金灰铸铁气缸套的制备方法，包括以下步骤：
1)将原料熔炼、保温静置，再进行扒渣出炉，然后进行第一次孕育处理，得到出炉后的铁水；
2)将上述步骤得到的出炉后的铁水进行浇注，浇注时伴随第二次孕育处理，然后脱模出型，得到毛坯；
3)将上述步骤得到的毛坯经过风冷后，再进行热处理后，得到合金灰铸铁气缸套。
优选的，所述原料按质量百分比计，包括：
C：2.65％～2.8％；
Si：1.5％～1.6％；
S：0.04％～0.06％；
Mn：1.9％～2.0％；
Mo：0.5％～0.6％；
Ni：0.1％～0.2％；
Nb：0.05％～0.08％；
P：＜0.1％；
Cr：＜0.1％；
余量的铁。
优选的，所述熔炼的温度为1480～1520℃；
所述保温静置的温度为1500～1520℃；
所述保温静置的时间为6～10min；
所述第一次孕育处理的孕育剂包括硅钡孕育剂、硅锶孕育剂、硅铁孕育剂、硅钙孕育剂和硅锆孕育剂中的一种或多种；
所述第一次孕育处理的孕育方式为浇包孕育、瞬时孕育和型内孕育中的一种或多种。
优选的，所述浇注包括离心浇注；
所述浇注的温度为1350～1450℃；
所述第二次孕育处理的孕育剂包括硅钡孕育剂、硅锶孕育剂、硅铁孕育剂、硅钙孕育剂和硅锆孕育剂中的一种或多种；
所述第二次孕育处理的孕育方式为浇包孕育、瞬时孕育和型内孕育中的一种或多种
所述脱模出型的温度为820～850℃；
所述风冷具体为风冷至室温；
所述风冷的冷却速度为大于等于90℃/min。
优选的，所述热处理包括第一次回火处理和第二次回火处理；
所述第一次回火处理的温度为540～550℃；
所述第一次回火处理的时间为2～3h；
所述第二次回火处理的温度为480～510℃；
所述第二次回火处理的时间为1～2h；
所述热处理前还包括粗加工工序；
所述热处理后还包括半精加工及精加工工序。
本发明提供了一种合金灰铸铁气缸套，由气缸套坯料经过热处理后得到；所述气缸套坯料的基体组织中包括马氏体；所述合金灰铸铁气缸套的基体组织中包括回火索氏体。与现有技术相比，本发明针对发动机行业持续发展，为了满足机械零构件对材质性能的更高的要求，灰铸铁缸套的性能还有待提升的现状，特别是合金灰铸铁气缸套的抗拉强度难以满足继续发展的要求的问题。
本发明提供了一种合金灰铸铁气缸套，其是一种高强度高耐磨的抗拉强度达到500Mpa的珠光体组织的合金灰铸铁气缸套，通过对合金灰铸铁气缸套制备过程进行创造性的改进，在过程中使得气缸套的基体组织先形成马氏体组织，即先制成马氏体组织的缸套毛坯，再通过高温回火，形成回火索氏体(珠光体的一种)，使得本发明制备的合金灰铸铁气缸套抗拉强度能达到500Mpa以上，爆发压力在300Bar以上，硬度为360～400HB，抗拉强度大于500MPa，弹性模量大于145Gpa，有效的解决了现有的珠光体在铸态下不可能达到500Mpa的局限。本发明制备的合金灰铸铁气缸套具有较高的抗拉强度、硬度、弹性模量和耐高爆发压力，良好的耐磨性；同时制备工艺简单、稳定，使用寿命较长。
实验结果表明，本发明制备的合金灰铸铁气缸套抗拉强度能达到500Mpa以上，可使用在爆发压力300Bar以上的发动机上，硬度为360～400HB，抗拉强度大于500MPa，弹性模量大于145Gpa。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的合金灰铸铁气缸套铸态下的基体组织金相图(500倍)；
图2为本发明实施例1制备的合金灰铸铁气缸套热处理后的石墨组织金相图(100倍)；
图3为本发明实施例1制备的合金灰铸铁气缸套热处理后的基体组织金相图(500倍)；
图4为本发明实施例2制备的合金灰铸铁气缸套铸态下的基体组织金相图(500倍)；
图5为本发明实施例2制备的合金灰铸铁气缸套热处理后的石墨组织金相图(100倍)；
图6为本发明实施例2制备的合金灰铸铁气缸套热处理后的基体组织金相图(500倍)；
图7为本发明实施例3制备的合金灰铸铁气缸套铸态下的基体组织金相图(500倍)；
图8为本发明实施例3制备的合金灰铸铁气缸套热处理后的石墨组织金相图(100倍)；
图9为本发明实施例3制备的合金灰铸铁气缸套热处理后的基体组织金相图(500倍)。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
本发明所用原料，对其纯度没有特别限制，本发明优选为工业纯或摩擦材料领域的常规纯度即可。
本发明所有原料，其牌号和简称均属于本领域常规牌号和简称，每个牌号和简称在其相关用途的领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据牌号、简称以及相应的用途，能够从市售中购买得到或常规方法制备得到。
本发明所有工艺中，其简称均属于本领域的常规简称，每个简称在其相关用途的领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据简称，能够理解其常规的工艺步骤。
本发明提供了一种合金灰铸铁气缸套，由气缸套坯料经过热处理后得到；
所述气缸套坯料的基体组织中包括马氏体；
所述合金灰铸铁气缸套的基体组织中包括回火索氏体。
本发明对所述合金灰铸铁气缸套的定义没有特别限制，以本领域技术人员熟知的合金灰铸铁气缸套的定义即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整。
本发明对所述基体组织的定义和测试方式没有特别限制，以本领域技术人员熟知的金属的基体组织定义和测试方式即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整。本发明所述基体组织，即微观金相下的基体组织，可以从微观金相照片中得到体现。同样的，本发明所述基体组织的具体参数，也可以通过对金相照片进行测量和计算后得到。
本发明所述气缸套坯料的基体组织中包括马氏体。本发明原则上对所述马氏体的具体含量或比例没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择，本发明为提高合金灰铸铁气缸套的抗拉强度、硬度、弹性模量和耐高爆发压力，具有更好的耐磨性和使用寿命，所述马氏体的比例优选为大于等于95％，更优选为95％～99.5％，更优选为96％～99％，更优选为97％～98％。
本发明所述气缸套坯料的基体组织中除马氏体以外，还可以包括残余奥氏体。本发明原则上对所述残余奥氏体的具体含量或比例没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择，本发明为提高合金灰铸铁气缸套的抗拉强度、硬度、弹性模量和耐高爆发压力，具有更好的耐磨性和使用寿命，所述残余奥氏体的比例可以小于等于5％，也可以为0.5％～5％，也可以为1％～4％，或者2％～3％。
本发明原则上对所述热处理的具体过程没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择，本发明为提高合金灰铸铁气缸套的抗拉强度、硬度、弹性模量和耐高爆发压力，具有更好的耐磨性和使用寿命，所述热处理优选为回火热处理，更优选为两次回火热处理。
本发明所述合金灰铸铁气缸套的基体组织中包括回火索氏体(珠光体的一种)。本发明原则上对所述回火索氏体的具体含量或比例没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择，本发明为提高合金灰铸铁气缸套的抗拉强度、硬度、弹性模量和耐高爆发压力，具有更好的耐磨性和使用寿命，所述回火索氏体的比例优选为大于等于80％，更优选为80％～99.5％，更优选为83％～97％，更优选为85％～95％，更优选为87％～93％。
本发明所述合金灰铸铁气缸套的基体组织中除回火索氏体以外，还可以包括索氏体和难熔碳化物。本发明原则上对所述索氏体和难熔碳化物的具体含量或比例没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择，本发明为提高合金灰铸铁气缸套的抗拉强度、硬度、弹性模量和耐高爆发压力，具有更好的耐磨性和使用寿命，所述索氏体的比例可以小于等于5％，也可以为0.5％～5％，也可以为1％～4％，或者2％～3％。所述索氏体的比例可以小于等于15％，也可以为1％～15％，也可以为3％～12％，也可以为5％～10％，或者为7％～8％。
本发明上述步骤提供的珠光体组织的高强度高耐磨合金铸铁，在制备过程中的坯料阶段，特别将基体组织形成马氏体和残余奥氏体基体组织，最后在成品后，基体组织又变为回火索氏体+索氏体+碳化物。首次作为缸套材料使用时，铸铁缸套材料性能如下：硬度为360～400HB，抗拉强度大于500MPa，弹性模量大于145Gpa，具有较高的抗拉强度及弹性模量，使用寿命长，使用效果优良，而且制备工艺简单。
本发明还提供了一种合金灰铸铁，按质量百分比计，包括：
C：2.65％～2.8％；
Si：2.0％～2.2％；
S：0.04％～0.06％；
Mn：1.9％～2.0％；
Mo：0.5％～0.6％；
Ni：0.1％～0.2％；
Nb：0.05％～0.08％；
P：＜0.1％；
Cr：＜0.1％；
余量的铁。
本发明所述合金灰铸铁中，C的含量为2.65％～2.8％，优选为2.67％～2.78％，更优选为2.7％～2.75％。Si的含量为2.0％～2.2％，优选为2.02％～2.18％，更优选为2.05％～2.15％，更优选为2.08％～2.13％。S的含量为0.04％～0.06％，优选为0.043％～0.057％，更优选为0.045％～0.055％，更优选为0.048％～0.053％。Mn的含量为1.9％～2.0％，优选为1.92％～1.98％，更优选为1.94％～1.96％。P的含量＜0.1％，优选＜0.08％，更优选＜0.05％，更优选＜0.03％。Cr的含量＜0.1％，优选＜0.08％，更优选＜0.05％，更优选＜0.03％。
本发明所述合金灰铸铁中，Mo的含量为0.5％～0.6％，优选为0.52％～0.58％，更优选为0.54％～0.56％，具体可以为0.52％～0.56％。Ni的含量为0.1％～0.2％，优选为0.12％～0.18％，更优选为0.14％～0.16％，具体可以为0.15％～0.18％。Nb的含量为0.05％～0.08％，优选为0.055％～0.075％，更优选为0.06％～0.07％，更优选为0.063％～0.067％。
本发明对合金灰铸铁气缸套的成分进行了进一步的创造性优化设计，同时加入了特定含量的Mo、Ni和Nb元素。
其中，Mo元素：是强烈的碳化物形成元素，能细化珠光体和石墨，能显著提高铸铁的强度和硬度以及热强性，Mo可以使C曲线右移，降低了临界冷却速度Vc，易于形成马氏体。
Ni元素：可以溶解在铁液中，随着Ni含量增加，碳在铁液中溶解度降低，镍在共晶转变时促进石墨化；镍可以细化并增加珠光体，使珠光体中的铁素体强化，可使灰铸铁强度显著提高。
Nb元素：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。
本发明上述步骤得到了一种合金灰铸铁，高强度高耐磨合金铸铁作为缸套材料使用时，所述合金灰铸铁的硬度优选为360～400HB，更优选为365～395HB，更优选为370～390HB，更优选为375～385HB。所述合金灰铸铁的抗拉强度优选大于等于500MPa，更优选大于等于510MPa，更优选大于等于520MPa，更优选大于等于530MPa。所述合金灰铸铁的弹性模量优选大于等于145Gpa，更优选大于等于155Gpa，更优选大于等于165Gpa。
本发明还提供了一种合金灰铸铁气缸套的制备方法，包括以下步骤：
1)将原料熔炼、保温静置，再进行扒渣出炉，然后进行第一次孕育处理，得到出炉后的铁水，得到出炉后的铁水；
2)将上述步骤得到的出炉后的铁水进行浇注，浇注时伴随第二次孕育处理，然后脱模出型，得到毛坯；
3)将上述步骤得到的毛坯经过风冷后，再进行热处理后，得到合金灰铸铁气缸套。
本发明首先将原料熔炼、保温静置，再进行扒渣出炉，然后进行第一次孕育处理，得到出炉后的铁水。
本发明原则上对所述原料的配比没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的保证最终产品中各元素的含量，提高合金灰铸铁气缸套的抗拉强度、硬度、弹性模量和耐高爆发压力，具有更好的耐磨性和使用寿命，所述原料按质量百分比计，优选包括：
C：2.65％～2.8％；
Si：1.5％～1.6％；
S：0.04％～0.06％；
Mn：1.9％～2.0％；
Mo：0.5％～0.6％；
Ni：0.1％～0.2％；
Nb：0.05％～0.08％；
P：＜0.1％；
Cr：＜0.1％；
余量的铁。
本发明所述原料中，C的加入量优选为2.65％～2.8％，更优选为2.67％～2.78％，更优选为2.7％～2.75％。Si的加入量优选为1.5％～1.6％，优选为1.52％～1.58％，更优选为1.54％～1.56％。S的加入量优选为0.04％～0.06％，更优选为0.043％～0.057％，更优选为0.045％～0.055％，更优选为0.048％～0.053％。Mn的加入量优选为1.9％～2.0％，更优选为1.92％～1.98％，更优选为1.94％～1.96％。P的加入量优选＜0.1％，更优选＜0.08％，更优选＜0.05％，更优选＜0.03％。Cr的加入量优选＜0.1％，更优选＜0.08％，更优选＜0.05％，更优选＜0.03％。
本发明所述合金灰铸铁中，Mo的加入量优选为0.5％～0.6％，更优选为0.52％～0.58％，更优选为0.54％～0.56％，具体可以为0.52％～0.56％。Ni的加入量优选为0.1％～0.2％，更优选为0.12％～0.18％，更优选为0.14％～0.16％，具体可以为0.15％～0.18％。Nb的加入量优选为0.05％～0.08％，更优选为0.055％～0.075％，更优选为0.06％～0.07％，更优选为0.063％～0.067％。
本发明原则上对所述原料熔炼的具体工艺参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的提高合金灰铸铁气缸套的抗拉强度、硬度、弹性模量和耐高爆发压力，具有更好的耐磨性和使用寿命，所述熔炼的温度优选为1480～1520℃，更优选为1485～1515℃，更优选为1490～1510℃，更优选为1495～1505℃。
本发明原则上对所述保温静置的具体工艺参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的提高合金灰铸铁气缸套的抗拉强度、硬度、弹性模量和耐高爆发压力，具有更好的耐磨性和使用寿命，所述保温静置的温度优选为1500～1520℃，更优选为1502～1518℃，更优选为1505～1515℃，更优选为1508～1512℃。所述保温静置的时间优选为6～10min，更优选为6.5～9.5min，更优选为7～9min，更优选为7.5～8.5min。
本发明经过保温静置后，进行扒渣出炉，然后进行第一次孕育处理。本发明原则上对所述第一次孕育处理的孕育剂、孕育方式和具体工艺参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的提高合金灰铸铁气缸套的抗拉强度、硬度、弹性模量和耐高爆发压力，具有更好的耐磨性和使用寿命，所述第一次孕育处理的孕育剂优选包括硅钡孕育剂、硅锶孕育剂、硅铁孕育剂、硅钙孕育剂和硅锆孕育剂中的一种或多种，更优选为硅钡孕育剂。所述第一次孕育处理的孕育方式优选为浇包孕育、瞬时孕育和型内孕育中的一种或多种，更优选为浇包孕育。本发明然后将上述步骤得到的出炉后的铁水进行浇注，浇注时伴随第二次孕育处理，然后脱模出型，得到毛坯。
本发明原则上对所述浇注的具体工艺参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的提高合金灰铸铁气缸套的抗拉强度、硬度、弹性模量和耐高爆发压力，具有更好的耐磨性和使用寿命，所述浇注的方式优选为离心浇注。所述浇注的温度优选为1350～1450℃，更优选为1390～1430℃，更优选为1360～1410℃。
本发明在浇注时同时进行第二次孕育处理。本发明原则上对所述第二次孕育处理的孕育剂、孕育方式和具体工艺参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的提高合金灰铸铁气缸套的抗拉强度、硬度、弹性模量和耐高爆发压力，具有更好的耐磨性和使用寿命，所述第二次孕育处理的孕育剂优选包括硅钡孕育剂、硅锶孕育剂、硅铁孕育剂、硅钙孕育剂和硅锆孕育剂中的一种或多种，更优选为硅锶孕育剂。所述第二次孕育处理的孕育方式优选为浇包孕育、瞬时孕育和型内孕育中的一种或多种，更优选为瞬时孕育。
本发明原则上对所述脱模出型的具体工艺参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的提高合金灰铸铁气缸套的抗拉强度、硬度、弹性模量和耐高爆发压力，具有更好的耐磨性和使用寿命，所述脱模出型的温度优选为820～850℃，更优选为825～845℃，更优选为830～840℃，更优选为833～837℃。
本发明最后将上述步骤得到的毛坯经过风冷后，再进行热处理后，得到合金灰铸铁气缸套。
本发明上述步骤得到了缸套毛坯，特别经过风冷后，使得缸套毛坯具有马氏体组织，得到了具有马氏体+残余奥氏体组织的缸套毛坯。
本发明原则上对所述风冷的具体工艺参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的提高合金灰铸铁气缸套的抗拉强度、硬度、弹性模量和耐高爆发压力，具有更好的耐磨性和使用寿命，所述风冷具有优选为风冷至室温。本发明所述室温优选为0～40℃，更优选为5～35℃，更优选为10～30℃，更优选为15～25℃。所述风冷的冷却速度优选为大于等于90℃/min，更优选为大于等于100℃/min，更优选为大于等于110℃/min，更优选为大于等于120℃/min。
本发明随后将具有马氏体+残余奥氏体组织的缸套毛坯特别经过两次回火热处理后，得到合金灰铸铁气缸套，即基体组织为回火索氏体+索氏体+碳化物的合金灰铸铁气缸套。
本发明原则上对所述第一次回火处理的具体工艺参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的提高合金灰铸铁气缸套的抗拉强度、硬度、弹性模量和耐高爆发压力，具有更好的耐磨性和使用寿命，所述第一次回火处理的温度优选为540～550℃，更优选为542～548℃，更优选为544～516℃。所述第一次回火热处理的时间优选为2～3h，更优选为2.2～2.8h，更优选为2.4～2.6h。所述第二次回火处理的温度优选为480～510℃，更优选为485～505℃，更优选为490～500℃。所述第二次回火热处理的时间优选为1～2h，更优选为1.2～1.8h，更优选为1.4～1.6h。
本发明完整和细化制备工艺，更好的保证合金灰铸铁气缸套的抗拉强度、硬度、弹性模量和耐高爆发压力，具有更好的耐磨性和使用寿命，所述热处理前优选还包括粗加工工序。所述热处理后优选还包括半精加工及精加工工序。本发明原则上对所述粗加工工序、半精加工及精加工工序的具体工艺参数没有特别限制，以本领域技术人员熟知的上述工序的工艺参数即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整。
本发明上述步骤提供了一种高强度高耐磨，抗拉强度达到500Mpa的珠光体组织的合金灰铸铁气缸套，通过对合金灰铸铁气缸套的组成和制备过程进行创造性的改进，在成分中同时添加特定比例的Mo、Ni和Nb元素，再结合其他元素的选择和配比，进一步在过程中使得气缸套的基体组织先形成马氏体组织，即先制成马氏体组织的缸套毛坯，再通过高温回火和中温回火两次回火，形成回火索氏体(珠光体的一种)，使得本发明制备了具有回火索氏体+索氏体+碳化物的基体组织的合金灰铸铁气缸套，有效的解决了现有的珠光体在铸态下无法达到500Mpa的局限。本发明制备的合金灰铸铁气缸套具有较高的抗拉强度、硬度、弹性模量和耐高爆发压力，良好的耐磨性；同时制备工艺简单、稳定，使用寿命较长。
实验结果表明，本发明制备的合金灰铸铁气缸套抗拉强度能达到500Mpa以上，最高可抵抗300Bar以上的爆发压力，可使用在爆发压力300Bar以上的发动机上，硬度为360～400HB，抗拉强度大于500MPa，弹性模量大于145Gpa。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种合金灰铸铁气缸套及其制备方法进行详细描述，但是应当理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。
实施例1
按质量百分比计，缸套的成分组成：
C：2.71％，Si：2.12％，P：0.07％，S：0.05％，Mn：1.96％，Cr：0.05％，Mo：0.55％，Ni：0.13％，Nb：0.06％，余量为铁。
制备：
(1)按照各成分如下质量百分比熔炼成铁水：
C：2.71％，Si：1.57％，P：0.07％，S：0.05％，Mn：1.96％，Cr：0.05％，Mo：0.55％，Ni：0.13％，Nb：0.06％，余量为铁；
在1483℃熔炼成铁水，1508℃保温8min后出炉，出炉时进行浇包孕育，经过孕育处理后的成分如下：
C：2.71％，Si：2.12％，P：0.07％，S：0.05％，Mn：1.96％，Cr：0.05％，Mo：0.55％，Ni：0.13％，Nb：0.06％，余量为铁；
(2)在1395℃下进行离心浇注，同时进行第二次孕育处理，即瞬时孕育，孕育后再降温到828℃后脱模出型成毛坯；
(3)毛坯经过压缩空气冷却至室温，冷却期间冷却速度大于90℃/min；
对本发明实施例1该步骤得到的毛坯进行金相组织分析，其中马氏体比例为98％，残余奥氏体比例为2％。
参见图1，图1为本发明实施例1制备的合金灰铸铁气缸套铸态下的基体组织金相图(500倍)。
(4)毛坯粗加工后经530℃保温3小时和500℃保温1小时热处理后加工成成品。
对本发明上述步骤制备的合金灰铸铁气缸套进行金相组织分析和性能检测，金相组织检验标准以及性能检测检验(金相检验标准GB/T7216-2009，抗拉强度检验标准GB/T228.1-2010，弹性模量检验标准ASTME1876-01)。
对本发明实施例1制备的合金灰铸铁气缸套进行金相组织分析：其中石墨以A型石墨为主，D+E型≤10％，石墨长度4～7级。
参见图2，图2为本发明实施例1制备的合金灰铸铁气缸套热处理后的石墨组织金相图(100倍)。
回火索氏体比例为93％，索氏体比例为2％，难熔碳化物的比例为5％。
参见图3，图3为本发明实施例1制备的合金灰铸铁气缸套热处理后的基体组织金相图(500倍)。
对本发明实施例1制备的合金灰铸铁气缸套进行性能检测，检验结果：373HB，抗拉强度：538MPa，弹性模量：151GPa。(抗拉强度大于500MPa，抗爆发压力约大于300Bar)
实施例2
按质量百分比计，缸套的成分组成：
C：2.77％，Si：2.06％，P：0.09％，S：0.06％，Mn：1.99％，Cr：0.06％，Mo：0.53％，Ni：0.18％，Nb：0.07％，余量为铁。
制备：
C：2.77％，Si：1.53％，P：0.09％，S：0.06％，Mn：1.99％，Cr：0.06％，Mo：0.53％，Ni：0.08％，Nb：0.07％，余量为铁；
在1481℃熔炼成铁水，1521℃保温6min后出炉，出炉时进行浇包孕育，经过孕育处理后的成分如下：
C：2.77％，Si：2.06％，P：0.09％，S：0.06％，Mn：1.99％，Cr：0.06％，Mo：0.53％，Ni：0.18％，Nb：0.07％，余量为铁；
(2)在1369℃下进行离心浇注，浇注时进行第二次孕育处理，即瞬时孕育，孕育后再降温到835℃时脱模出型成毛坯；
(3)毛坯经过压缩空气冷却至室温，冷却期间冷却速度大于90℃/min；
对本发明实施例2该步骤得到的毛坯进行金相组织分析，其中马氏体比例为95％，残余奥氏体比例为5％。
参见图4，图4为本发明实施例2制备的合金灰铸铁气缸套铸态下的基体组织金相图(500倍)。
(4)毛坯粗加工后经530℃保温3小时和500℃保温1小时热处理后加工成成品。
对本发明上述步骤制备的合金灰铸铁气缸套进行金相组织分析和性能检测，金相组织检验标准以及性能检测检验(金相检验标准GB/T7216-2009，抗拉强度检验标准GB/T228.1-2010，弹性模量检验标准ASTME1876-01)。
对本发明实施例2制备的合金灰铸铁气缸套进行金相组织分析：其中石墨以A型石墨为主，D+E型≤10％，石墨长度5～7级.
参见图5，图5为本发明实施例2制备的合金灰铸铁气缸套热处理后的石墨组织金相图(100倍)。
回火索氏体比例为86％，索氏体比例为4％，难熔碳化物的比例为10％。
参见图6，图6为本发明实施例2制备的合金灰铸铁气缸套热处理后的基体组织金相图(500倍)。
对本发明实施例2制备的合金灰铸铁气缸套进行性能检测，检验结果：363HB，抗拉强度：508MPa，弹性模量：146GPa。(抗拉强度大于500MPa，抗爆发压力约大于300Bar)
实施例3
按质量百分比计，缸套的成分组成：
C：2.68％，Si：2.10％，P：0.08％，S：0.05％，Mn：1.93％，Cr：0.06％，Mo：0.58％，Ni：0.16％，Nb：0.05％，余量为铁。
制备：
C：2.68％，Si：1.55％，P：0.08％，S：0.05％，Mn：1.93％，Cr：0.06％，Mo：0.58％，Ni：0.06％，Nb：0.05％，余量为铁；
在1477℃熔炼成铁水，1516℃保温7min后出炉，进行第一次孕育处理，即浇包孕育，经过孕育处理后的成分如下：
C：2.68％，Si：2.10％，P：0.08％，S：0.05％，Mn：1.93％，Cr：0.06％，Mo：0.58％，Ni：0.16％，Nb：0.05％，余量为铁；
(2)在1378℃下进行离心浇注，浇注时进行第二次孕育处理，即瞬时孕育，孕育后再降温到841℃时脱模出型成毛坯；
(3)毛坯经过压缩空气冷却至室温，冷却期间冷却速度大于90℃/min；
对本发明实施例3该步骤得到的毛坯进行金相组织分析，其中马氏体比例为97％，残余奥氏体比例为3％。
参见图7，图7为本发明实施例3制备的合金灰铸铁气缸套铸态下的基体组织金相图(500倍)。
(4)毛坯粗加工后经530℃保温3小时和500℃保温1小时热处理后加工成成品。
对本发明上述步骤制备的合金灰铸铁气缸套进行金相组织分析和性能检测，金相组织检验标准以及性能检测检验(金相检验标准GB/T7216-2009，抗拉强度检验标准GB/T228.1-2010，弹性模量检验标准ASTME1876-01)。
对本发明实施例3制备的合金灰铸铁气缸套进行金相组织分析：其中石墨以A型石墨为主，D+E型≤10％，石墨长度4～6级。
参见图8，图8为本发明实施例3制备的合金灰铸铁气缸套热处理后的石墨组织金相图(100倍)。
回火索氏体比例为90％，索氏体比例为2％，难熔碳化物的比例为8％。
参见图9，图9为本发明实施例3制备的合金灰铸铁气缸套热处理后的基体组织金相图(500倍)。
对本发明实施例3制备的合金灰铸铁气缸套进行性能检测，检验结果：368HB，抗拉强度：522MPa，弹性模量：149GPa。(抗拉强度大于500MPa，抗爆发压力约大于300Bar)
对比例1
(组分中无Ni)
按质量百分比计，缸套的成分组成：
C：2.72％，Si：2.14％，P：0.07％，S：0.05％，Mn：1.96％，Cr：0.08％，Mo：0.55％，Nb：0.07％，余量为铁。
制备：
C：2.72％，Si：1.53％，P：0.07％，S：0.05％，Mn：1.96％，Cr：0.08％，Mo：0.55％，Nb：0.07％，余量为铁；
在1496℃熔炼成铁水，1520℃保温6min后出炉，进行第一次孕育处理即浇包孕育，经过孕育处理后的成分如下：
C：2.72％，Si：2.14％，P：0.07％，S：0.05％，Mn：1.96％，Cr：0.08％，Mo：0.55％，Nb：0.07％，余量为铁；
(2)在1405℃下进行离心浇注，浇注时进行第二次孕育处理即瞬时孕育，孕育后再降温到837℃时脱模出型成毛坯；
(3)毛坯经过压缩空气冷却至室温，冷却期间冷却速度大于90℃/min；
(4)毛坯粗加工后经530℃保温3小时和500℃保温1小时热处理后加工成成品。
对本发明对比例1制备的合金灰铸铁气缸套进行性能检测，检验结果：307HB，抗拉强度：407MPa，弹性模量：136GPa。
对比例2
(组分中无Mo和Nb)
按质量百分比计，缸套的成分组成：
C：2.76％，Si：2.17％，P：0.08％，S：0.06％，Mn：1.93％，Cr：0.07％，Ni：0.18％，余量为铁。
制备：
C：2.76％，Si：1.58％，P：0.08％，S：0.06％，Mn：1.93％，Cr：0.07％，Ni：0.18％，余量为铁；
在1488℃熔炼成铁水，1508℃保温7min后出炉，进行第一次孕育处理即浇包孕育，经过孕育处理后的成分如下：
C：2.76％，Si：2.17％，P：0.08％，S：0.06％，Mn：1.93％，Cr：0.07％，Ni：0.18％，余量为铁；
(2)在1388℃下进行离心浇注，浇注时进行第二次孕育处理即瞬时孕育，孕育后再降温到829℃时脱模出型成毛坯；
(3)毛坯经过压缩空气冷却至室温，冷却期间冷却速度大于90℃/min；
(4)毛坯粗加工后经530℃保温3小时和500℃保温1小时热处理后加工成成品。
对本发明对比例1制备的合金灰铸铁气缸套进行性能检测，检验结果：255HB，抗拉强度：353MPa，弹性模量：124GPa。
以上对本发明提供的一种高强度高耐磨的合金灰铸铁气缸套及其制备方法进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有不是不同于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种合金灰铸铁气缸套，其特征在于，由气缸套坯料经过热处理后得到；
所述气缸套坯料的基体组织中包括马氏体；
所述合金灰铸铁气缸套的基体组织中包括回火索氏体；
所述合金灰铸铁气缸套的气缸套坯料，按气缸套坯料的原料质量百分比计，包括：
C：2.65%~2.8%；
Si：1.5%~1.6%；
S：0.04%~0.06%；
Mn：1.9%~2.0%；
Mo：0.5%~0.6%；
Ni：0.1%~0.2%；
Nb：0.05%~0.08%；
P：＜0.1%；
Cr：＜0.1%；
余量的铁；
所述回火索氏体的比例大于等于80%；
所述合金灰铸铁气缸套的基体组织中还包括索氏体和难熔碳化物；
所述索氏体的比例为小于等于5%；
所述难熔碳化物的比例为小于等于15%；
所述合金灰铸铁气缸套，按质量百分比计，包括：
C：2.65%~2.8%；
Si：2.0%~2.2%；
S：0.04%~0.06%；
Mn：1.9%~2.0%；
Mo：0.5%~0.6%；
Ni：0.1%~0.2%；
Nb：0.05%~0.08%；
P：＜0.1%；
Cr：＜0.1%；
余量的铁。
2.根据权利要求1所述的合金灰铸铁气缸套，其特征在于，所述气缸套坯料的马氏体的比例为大于等于95%；
所述气缸套坯料的基体组织中还包括残余奥氏体；
所述残余奥氏体的比例为小于等于5% 。
3.根据权利要求1所述的合金灰铸铁气缸套，其特征在于，所述合金灰铸铁气缸套中，Mo的含量为0.52%~0.56%；
所述合金灰铸铁气缸套中，Ni的含量为0.15%~0.18%；
所述合金灰铸铁的硬度为360~400HB；
所述合金灰铸铁的抗拉强度大于等于500MPa；
所述合金灰铸铁的弹性模量大于等于145Gpa 。
4.一种如权利要求1~3任意一项所述的合金灰铸铁气缸套的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将原料熔炼、保温静置，再进行扒渣出炉，然后进行第一次孕育处理，得到出炉后的铁水；
所述原料按质量百分比计，包括：
C：2.65%~2.8%；
Si：1.5%~1.6%；
S：0.04%~0.06%；
Mn：1.9%~2.0%；
Mo：0.5%~0.6%；
Ni：0.1%~0.2%；
Nb：0.05%~0.08%；
P：＜0.1%；
Cr：＜0.1%；
余量的铁；
2）将上述步骤得到的出炉后的铁水进行浇注，浇注时伴随第二次孕育处理，然后脱模出型，得到毛坯；
3）将上述步骤得到的毛坯经过风冷后，再进行热处理后，得到合金灰铸铁气缸套。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼的温度为1480~1520℃；
所述保温静置的温度为1500~1520℃；
所述保温静置的时间为6~10min；
所述第一次孕育处理的孕育剂包括硅钡孕育剂、硅锶孕育剂、硅铁孕育剂、硅钙孕育剂和硅锆孕育剂中的一种或多种；
所述第一次孕育处理的孕育方式为浇包孕育、瞬时孕育和型内孕育中的一种或多种。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述浇注包括离心浇注；
所述浇注的温度为1350~1450℃；
所述第二次孕育处理的孕育剂包括硅钡孕育剂、硅锶孕育剂、硅铁孕育剂、硅钙孕育剂和硅锆孕育剂中的一种或多种；
所述第二次孕育处理的孕育方式为浇包孕育、瞬时孕育和型内孕育中的一种或多种
所述脱模出型的温度为820~850℃；
所述风冷具体为风冷至室温；
所述风冷的冷却速度为大于等于90℃/min 。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述热处理包括第一次回火处理和第二次回火处理；
所述第一次回火处理的温度为540~550℃；
所述第一次回火处理的时间为2~3h；
所述第二次回火处理的温度为480~510℃；
所述第二次回火处理的时间为1~2h；
所述热处理前还包括粗加工工序；
所述热处理后还包括半精加工及精加工工序。
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