CN112725706B

CN112725706B - 一种钢质气缸套材料及钢质气缸套的制备方法

Info

Publication number: CN112725706B
Application number: CN202011528350.7A
Authority: CN
Inventors: 江涛; 魏世忠; 徐流杰; 邹悟会; 高广东; 秦小才; 徐超; 王华东; 肖立强
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2022-03-04
Anticipated expiration: 2040-12-22
Also published as: CN112725706A

Abstract

本发明属于气缸套技术领域，具体涉及一种钢质气缸套材料及钢质气缸套的制备方法。以质量百分比计，该钢质气缸套材料的化学成分组成为：C：0.15％～0.25％，Cr：1.0％～2.5％，Mn：1.5％～2.5％，Si：0.5％～2.0％，Mo：0.1％～0.5％，V：0.1％～0.5％，P≤0.02％，S≤0.02％，余量为Fe。本发明的钢质气缸套材料，各元素合用后，具有更高的强度和刚度，可以用更薄的壁厚承受更高的爆压。还具有较高的硬度，可以进一步提高作为气缸套应用时的耐磨性。

Description

一种钢质气缸套材料及钢质气缸套的制备方法

技术领域

本发明属于气缸套技术领域，具体涉及一种钢质气缸套材料及钢质气缸套的制备方法。

背景技术

发动机技术目前朝着大功率、高爆压、轻量化、长寿命的方向发展。目前气缸套的材料主要有铸铁、钢质和铝硅合金，其中铸铁有灰铸铁、蠕墨铸铁和球墨铸铁。由于工艺成熟和成本低廉，目前应用最为广泛。但随着内燃机发展的需要，缸套需要更高的强度、刚度、耐磨性和抗穴蚀性能。行业内对高性能气缸套需求日益增高，使用传统材料及生产工艺生产出的缸套已不能满足当前市场需求，严重制约了我国内燃机行业质量的整体发展。

申请公布号为CN105331898A公开了一种贝氏体钢质气缸套及其制备方法，按质量百分比计，其组成为：C 0.25～0.35％，Mn 1.5～1.8％，Mo 0.50～0.60％，Cr 0.30～0.40％，B 0.0030～0.0038％，P<0.03％，S<0.03％，余量为铁。该气缸套在一定程度提高了硬度和刚度，但提高程度有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢质气缸套材料，进一步提高强度、刚度、硬度等气缸套核心指标。

本发明的第二个目的在于提供一种钢质气缸套的制备方法。

为实现上述目的，本发明的钢质气缸套材料的技术方案是：

一种钢质气缸套材料，以质量百分比计，化学成分组成为：C：0.15％～0.25％，Cr：1.0％～2.5％，Mn：1.5％～2.5％，Si：0.5％～2.0％，Mo：0.1％～0.5％，V：0.1％～0.5％，P≤0.02％，S≤0.02％，余量为Fe。

以上钢质气缸套材料中，合金元素C的作用是提高淬透性，并且与V形成高温VC相起到细化原奥氏体晶粒的作用；合金元素Mn的作用是提高淬透性；合金元素Si的作用是抑制碳化物在回火过程中的长大和提高抗回火性；合金元素Mo的作用是提高钢的抗点蚀性能和穴蚀性能；合金元素V的作用是与C元素形成VC相；元素P、S属于有害杂质元素，控制在0.02％以下即可。

本发明的钢质气缸套材料，各元素合用后，具有更高的强度和刚度，可以用更薄的壁厚承受更高的爆压。还具有较高的硬度，可以进一步提高作为气缸套应用时的耐磨性。

本发明的钢质气缸套的制备方法的技术方案是：

一种钢质气缸套的制备方法，包括以下步骤：按化学成分比例取原料熔炼，在温度不超过1550℃的条件下进行浇注或连铸，得到实心铸锭；将实心铸锭进行穿孔制成毛管，然后进行热轧，得到毛坯管，将毛坯管进行机械加工和热处理；所述热处理包括对工件的内孔进行高频淬火和回火处理，得到的材料组织为马氏体和弥散分布的碳化物硬化相。

本发明的钢质气缸套的制备方法，铸造后采用轧制配合合理的热处理，得到的材料组织为马氏体和细小弥散分布的碳化物硬化相，而且气缸套的组织均匀性良好，具有优异的抗穴蚀能力；与现有钢质气缸套相比，不需要进行正火或调质处理，简化了流程并降低生产成本。

上述制备方法，根据化学成分比例选择相应原料，如可以选择废钢、铬铁、硅铁、生铁、钼铁、钒铁等。

优选的，所述高频淬火使淬硬层厚度达到0.4mm-0.9mm，硬度达到42HRC以上。进一步优选的，所述高频淬火的频率为80kHz～120kHz，功率为100kW～120kW，感应电流为16A～20A，感应线圈移动速度为800mm/min～900mm/min。

所述回火的温度为200℃-300℃，时间为2h-3h。更优选的，回火的温度为200℃-250℃。

优选的，所述熔炼包括向钢液中加入铝脱氧，然后再喂入硅钙线。加入的铝质量为钢液质量的0.1～0.2％。喂入的硅钙线的质量为钢液质量的0.1％～0.25％。铝、硅钙线为外加成分，在发挥各自作用后，可视作对钢液的成分没有影响。

优选的，所述浇注或连铸的温度为1500～1550℃。在该温度下浇注能够减少合金元素的烧损和避免铸态组织过于粗大。

优选的，所述热轧的温度为900～960℃。在该温度进行热轧，可保证基体充分奥氏体化且奥氏体晶粒不会显著长大。

优选的，所述机械加工包括粗加工和精加工，在所述粗加工之后、精加工之前进行所述热处理。优选的，所述粗加工包括粗车外圆、粗膛内孔和修车外圆，所述精加工包括粗珩磨内孔、铣车端面、精车外圆、精珩磨内孔。

以下对本发明的钢质气缸套与现有气缸套的性能对比总结如下：

铸铁气缸套的抗拉强度一般为200MPa～400MPa，弹性模量为110GPa～150GPa；本发明的钢质气缸套的抗拉强度超过1100MPa，弹性模量大于200GPa。

灰铸铁气缸套的硬度为220HBS～260HBS，本发明钢质气缸套的硬度超过330HBS。

与现有钢质气缸套相比，本发明的钢质气缸套材料组织更加细密，刚度、强度、硬度等指标得到进一步改善，具有良好的耐腐蚀能力，能够满足内燃机行业发展对气缸套的更高要求。

附图说明

图1为本发明实施例6制备的气缸套的金相组织图；

图2为本发明实施例6制备的气缸套的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。

一、本发明的钢质气缸套材料的具体实施例

实施例1

本实施例的钢质气缸套材料，其化学成分按质量百分比计为：C：0.15％，Cr：1.0％，Mn：1.5％，Si：0.5％，Mo：0.1％，V：0.1％，P：0.01％，S：0.01％，余量为Fe。

实施例2

本实施例的钢质气缸套材料，其化学成分按质量百分比计为：C：0.25％，Cr：2.5％，Mn：2.5％，Si：2.0％，Mo：0.5％，V：0.5％，P：0.02％，S：0.02％，余量为Fe。

实施例3

本实施例的钢质气缸套材料，其化学成分按质量百分比计为：C：0.18％，Cr：1.0％，Mn：1.5％，Si：1.5％，Mo：0.1％，V：0.1％，P：0.01％，S：0.0:％，余量为Fe。

实施例4

本实施例的钢质气缸套材料，其化学成分按质量百分比计为：C：0.23％，Cr：1.6％，Mn：2.0％，Si：0.8％，Mo：0.3％，V：0.3％，P：0.01％，S：0.01％，余量为Fe。

二、本发明的钢质气缸套的制备方法的具体实施例

实施例5

本实施例的钢质气缸套的制备方法，化学成分组成与实施例1的气缸套材料相同，气缸套外径为Ф80mm，厚度为0.6mm，包括以下步骤：

1)按化学成分配比取原材料放入炉中加热熔化后，再向钢液中加入0.10％的铝脱氧，然后向钢液中喂入钢液质量0.1％的硅钙线，在1500℃的条件下进行浇注，得到实心铸锭。

2)将实心铸锭进行穿孔制成毛管，然后进行热轧成毛坯管，热轧温度控制在910℃。

3)将冷却后的毛坯管按尺寸进行切断，依次进行粗加工、热处理和精加工。粗加工工序为：粗车外圆→粗膛内孔→修车外圆。

对工件内孔进行高频淬火加回火，高频淬火的频率为100kHz，功率为110kW，感应电流为18A，感应线圈移动速度为850mm/min。高频淬火后淬硬层厚度达到0.4mm，硬度达到42HRC。回火是在200℃下保持3h。

精加工工序为：粗珩磨内孔→铣车端面→精车外圆→精珩磨内孔。

实施例6

本实施例的钢质气缸套的制备方法，化学成分组成与实施例2的气缸套材料相同，气缸套外径为Ф130mm，厚度为1.5mm，包括以下步骤：

1)按化学成分配比取原材料放入炉中加热熔化后，再向钢液中加入0.15％的铝脱氧，然后向钢液中喂入钢液质量0.2％的硅钙线，在1550℃的条件下进行浇注，得到实心铸锭。

2)将实心铸锭进行穿孔制成毛管，然后进行热轧成毛坯管，热轧温度控制在960℃。

对工件内孔进行高频淬火加回火，高频淬火的频率为120kHz，功率为120kW，感应电流为20A，感应线圈移动速度为900mm/min。高频淬火后淬硬层厚度达到0.9mm，硬度达到44HRC。回火是在250℃下保持2h。

实施例7

本实施例的钢质气缸套的制备方法，化学成分组成与实施例3的气缸套材料相同，气缸套外径为Ф90mm，厚度为1.0mm，包括以下步骤：

1)按化学成分配比取原材料放入炉中加热熔化后，再向钢液中加入0.20％的铝脱氧，然后向钢液中喂入钢液质量0.25％的硅钙线，在1520℃的条件下进行浇注，得到实心铸锭。

2)将实心铸锭进行穿孔制成毛管，然后进行热轧成毛坯管，热轧温度控制在950℃。

对工件内孔进行高频淬火加回火，高频淬火的频率为80kHz，功率为100kW，感应电流为16A，感应线圈移动速度为800mm/min。高频淬火后淬硬层厚度达到0.5mm，硬度达到43HRC。回火是在220℃下保持2.5h。

实施例8

本实施例的钢质气缸套的制备方法，化学成分组成与实施例4的气缸套材料相同，气缸套外径为Ф100mm，厚度为1.2mm，包括以下步骤：

1)按化学成分配比取原材料放入炉中加热熔化后，再向钢液中加入0.18％的铝脱氧，然后向钢液中喂入钢液质量0.2％的硅钙线，在1530℃的条件下进行浇注，得到实心铸锭。

2)将实心铸锭进行穿孔制成毛管，然后进行热轧成毛坯管，热轧温度控制在940℃。

对工件内孔进行高频淬火加回火，高频淬火的频率为110kHz，功率为100kW，感应电流为16A，感应线圈移动速度为800mm/min。高频淬火后淬硬层厚度达到0.6mm，硬度达到42HRC。

回火是在250℃下保持2h。

利用以上实施例的制备方法，可实现外径为Ф80mm-Ф130mm，厚度为0.6mm-1.5mm的气缸套的高效制备。

三、实验例

实验例1

本实验例对实施例1～4的气缸套进行性能测试，结果如表1所示。其中，拉伸测试采用GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，布氏硬度测试采用GB/T231.1-2002《金属布氏硬度试验第1部分：试验方法》。

表1实施例1～4的气缸套性能测试指标

实例编号	抗拉强度，MPa	弹性模量，GPa	硬度，HBS
				实施例1	1100	200	330
实施例2	1400	206	410
				实施例3	1200	203	356
实施例4	1300	205	380

由表1的结果可知，实施例的气缸套的抗拉强度达到1100～1400MPa，弹性模量达到200～206Gpa，硬度达到330～410HBS，具有较高的强度、刚度和硬度，因而也具有良好的耐磨性。

实验例2

本实验例对实施例6制备的气缸套的金相组织进行分析，结果如图1所示。气缸套的扫描电镜照片如图2所示。

由图1和图2可以看出，板条马氏体基体中分布了很多碳化物，组织均匀性良好，碳化物呈弥散分布，因而赋予材料较高的强度和良好的耐磨性。

Claims

1.一种钢质气缸套材料，其特征在于，以质量百分比计，化学成分组成为：C：0.15%~0.25%，Cr：1.0%~2.5%，Mn：1.5%~2.5%，Si：0.5%~2.0%，Mo：0.1%~0.5%，V：0.1%~0.5%，P≤0.02%，S≤0.02%，余量为Fe；

所述钢质气缸套材料的制备方法包括以下步骤：按所述钢质气缸套材料的化学成分比例取原料熔炼，在温度不超过1550℃的条件下进行浇注或连铸，得到实心铸锭；将实心铸锭进行穿孔制成毛管，然后进行热轧，得到毛坯管，将毛坯管进行机械加工和热处理；所述热处理包括对工件的内孔进行高频淬火和回火处理，得到的材料组织为马氏体和弥散分布的碳化物硬化相；

所述高频淬火使淬硬层厚度达到0.4 mm-0.9 mm，硬度达到42 HRC以上；

所述钢制气缸套的厚度为0.6-1.5mm。

2.一种钢质气缸套的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按权利要求1所述的钢质气缸套材料的化学成分比例取原料熔炼，在温度不超过1550℃的条件下进行浇注或连铸，得到实心铸锭；将实心铸锭进行穿孔制成毛管，然后进行热轧，得到毛坯管，将毛坯管进行机械加工和热处理；所述热处理包括对工件的内孔进行高频淬火和回火处理，得到的材料组织为马氏体和弥散分布的碳化物硬化相；

所述钢制气缸套的厚度为0.6-1.5mm。

3.如权利要求2所述的钢质气缸套的制备方法，其特征在于，所述回火的温度为200℃-300℃，回火时间为2h-3h。

4.如权利要求2所述的钢质气缸套的制备方法，其特征在于，所述熔炼包括向钢液中加入铝脱氧，然后再喂入硅钙线。

5.如权利要求2所述的钢质气缸套的制备方法，其特征在于，所述浇注或连铸的温度为1500~1550℃。

6.如权利要求2所述的钢质气缸套的制备方法，其特征在于，所述热轧的温度为900~960℃。

7.如权利要求2~6中任一项所述的钢质气缸套的制备方法，其特征在于，所述机械加工包括粗加工和精加工，在所述粗加工之后、精加工之前进行所述热处理。

8.如权利要求7所述的钢质气缸套的制备方法，其特征在于，所述粗加工包括粗车外圆、粗膛内孔和修车外圆，所述精加工包括粗珩磨内孔、铣车端面、精车外圆、精珩磨内孔。