CN112921233A - 一种合成铸铁气缸套及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于气缸套领域，具体涉及一种合成铸铁气缸套及其制备方法。该合成铸铁气缸套的基体组织为珠光体组织，基体组织中分布有A型片状石墨和D型片状石墨；该合成铸铁气缸套由以下重量百分比的组分组成：C：2.7～2.95％，Si：2.0～2.3％，Mn：2.0～2.1％，Ni：0.3～0.4％，Nb：0.2～0.3％，Ba：0.02～0.06％，P：≤0.1％，S：≤0.1％，余量为Fe。该合成铸铁气缸套的室温抗拉强度高达540MPa，弹性模量可达到165GPa，远高于现有珠光体基灰铸铁气缸套的抗拉强度(仅300～400MPa左右)和弹性模量(仅140GPa左右)，适用于高爆压、高速重载服役环境下的发动机使用需求。

Description

一种合成铸铁气缸套及其制备方法
技术领域
本发明属于气缸套领域，具体涉及一种合成铸铁气缸套及其制备方法。
背景技术
气缸套在各类交通工具与工程机械中的应用十分广泛，作为发动机的重要零部件，直接影响发动机的性能和使用寿命。由于气缸套在工作环境中要承受交变机械载荷和热负荷双重作用，工作环境十分恶劣。因此，气缸套材料要有足够高的强度硬度和良好的耐磨性、耐高温及耐腐蚀等性能。目前气缸套的生产材料主要是灰铸铁，虽然具有较好的耐磨性和较高的硬度，但现有珠光体基灰铸铁气缸套的抗拉强度低(仅300～400MPa左右)，弹性模量仅能达到140GPa左右，已无法满足当前日益发展的高速重载发动机的使用要求。
相较于传统灰铸铁材料，合成铸铁气缸套具有超高的抗拉强度和弹性模量，且具有良好的塑韧性，大大提高了产品的安全性。同时，合成铸铁中采用大量废钢代替生铁，合理利用资源，降低成本，改善了机械性能，极大地提高了气缸套的抗拉强度和弹性模量，适用于高爆压高速重载发动机使用需求。
申请公布号为CN1493781A的中国发明专利申请公开了一种铸态贝氏体合金灰铸铁气缸套的制造方法，该灰铸铁材料中由以下质量百分比的元素组成：碳2.6～3.3％；硅1.7～2.5％；锰≤0.8％；镍0.8～1.5％；钼0.6～1.0％，余量为铁。其抗拉强度最小为379MPa，弹性模量在140GPa左右，相较于合成铸铁，添加了较多的贵重元素钼镍，其强度和弹性模量仍有待进一步提高。
申请公布号为CN111363971A的中国发明专利公开了一种低钼铌合金铸铁缸套及其制备方法和铁合金，该合金铸铁由以下质量百分比的元素组成：碳2.8～3.0％；硅1.6～2.3％；钼0.1～0.2％；铌0.1～0.18％；硫0.05～0.1％；磷≤0.1％；锰≤0.3％，余量为Fe。其抗拉强度大于370MPa，弹性模量大于135GPa，虽然提高了其耐腐蚀性能，但其抗拉强度和弹性模量仍不尽如人意。
申请公布号为CN110607478A的中国发明专利中公开了一种灰铸铁气缸套材料及其制备方法，该灰铸铁材料中由以下质量百分比的元素组成：碳3.25～3.5％；硫0.06～0.08％；硅2.0～2.5％；磷0.06～0.1％；锰0.3～0.5％；铬0.3～0.5％；铜0.6～0.8％；铌0.35～0.45％；锑0.02～0.04％，余量为铁。通过加入多种优化合金，使得其抗拉强度大于420MPa，弹性模量大于140GPa，该抗拉强度和弹性模量指标仍有进一步优化的空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种合成铸铁气缸套，进一步提高现有气缸套的抗拉强度和弹性模量。
本发明的第二个目的在于提供上述合成铸铁气缸套的制备方法。
为实现上述目的，本发明的合成铸铁气缸套的技术方案是：
一种合成铸铁气缸套，其基体组织为珠光体组织，基体组织中分布有A型片状石墨和D型片状石墨；该合成铸铁气缸套由以下重量百分比的组分组成：C：2.7～2.95％，Si：2.0～2.3％，Mn：2.0～2.1％，Ni：0.3～0.4％，Nb：0.2～0.3％，Ba：0.02～0.06％，P：≤0.1％，S：≤0.1％，余量为Fe。
碳元素是合成铸铁的基本元素，大部分以片状石墨形式存在，小部分以渗碳体的形式存在。
硅元素能降低碳在液体和固态铁中的溶解度，促进石墨析出，是促进石墨化的元素。
锰元素在合成铸铁中可以细化珠光体组织，减小珠光体层片间距，从而提高合成铸铁的抗拉强度，并且Mn元素作为有益合金元素，可以与合成铸铁中的有害元素S发生反应，生成MnS，大大减少了S元素的有害影响。
镍元素在合成铸铁中具有石墨化作用，在共析阶段Ni不仅降低奥氏体转变的临界温度，扩大奥氏体区，而且降低共析点的含C量，因此Ni不仅有细化珠光体的作用，而且还有增加珠光体数量的作用。总之，镍元素的添加能够明显提高其强度，增大合成铸铁的淬透性，降低过冷奥氏体转变温度，易形成珠光体组织。
铌元素可细化奥氏体组织，当含量超过固溶度之后会在晶界处偏聚析出碳化物NbC，作为晶核起到孕育的作用，能有效抑制奥氏体的长大，同时对共晶碳化物的分布和尺寸也有很大的影响，Nb的加入使得碳化物不仅得到极大程度的细化，同时使其大小和分布更加均匀。此外，铌可以细化共晶团，从而提高强度，因而可以减轻零件重量。总之，铌元素的添加能细化石墨组织，细化共晶团，稳定珠光体组织的同时细化其层片间距。
钡元素在铸铁溶液中会与氧发生反应，生成硅酸盐相和氧化钡相，这两种相均为与石墨尺寸不同的六角形晶体结构，可使铁水抗衰退能力延长，具有消除白口的能力，在铸造熔炼中起到脱氧、促进晶核形成和去渣的作用，具有较强的石墨化能力。
磷元素为合成铸铁中不可避免的杂质元素，其主要以二元磷共晶(Fe-Fe3P)、三元磷共晶(Fe-FeP-Fe3P)和复合磷共晶的形式存在于合成铸铁中，磷共晶的硬度高、脆性大、分布在晶粒的边界上，割裂了晶粒间的连续性，是引起材料冷脆的主要因素，因此需严格控制合成铸铁中磷的质量。硫元素同样为合成铸铁中不可避免的杂质元素，少量溶于铁素体及渗碳体中，大部分以硫化铁(FeS)、硫化锰(MnS)和其他硫化夹杂物的形式存在于合成铸铁中，并分布于晶界上，硫化铁的熔点低、且质软而脆，是引起材料热脆的主要因素，因此需严格控制合成铸铁中硫的质量。
本发明的合成铸铁气缸套，其基体组织为珠光体，并分布着大量的A型片状石墨和少量的D型片状石墨。该合成铸铁气缸套的室温抗拉强度高达540MPa，弹性模量可达到165GPa，远高于现有珠光体基灰铸铁气缸套的抗拉强度(仅300～400MPa左右)和弹性模量(仅140GPa左右)，适用于高爆压、高速重载服役环境下的发动机使用需求。
本发明提供的合成铸铁气缸套的制备方法的技术方案是：
一种合成铸铁气缸套的制备方法，包括以下步骤：
1)按配比取原料熔炼后形成铁水，向铁水中加入硅钡孕育剂进行孕育处理，然后进行离心铸造，制成铸坯；
2)将步骤1)所得铸坯进行热处理。
本发明的合成铸铁气缸套的制备方法，制备工艺简单，通过简单的制备工艺得到珠光体组织的合成铸铁气缸套，相对于现有的气缸套，其抗拉强度高、弹性模量高，适用于高爆压高速重载发动机使用需求。
步骤1)中，为更好的利用废钢资源，降低成本，优选的，废钢与生铁的重量比为70:30。废钢、生铁中一般均含有碳、硅、锰元素，利用废钢、生铁、增碳剂可满足合成铸铁中碳元素的需求，利用硅铁和锰铁可满足合成铸铁中硅、锰元素的需求，镍、铌元素通过外加合金方式引入，一般采用铁镍合金或铁铌合金，钡元素由硅钡孕育剂中钡含量满足需求。
将原料和石墨增碳剂(吸收率按85％计算)加热融化，然后加入硅铁合金、锰铁合金、铁镍合金、铁铌合金，加热至1480～1520℃，得到铁水；所述原料为生铁Q12和废钢(以碳素钢Q235为主)。为保证其他合金元素与铁混合均匀，先将原料熔化成铁水再加入硅铁合金、锰铁合金、铁镍合金、铁铌合金。
优选的，所述孕育处理包括第一孕育处理和第二孕育处理，第一孕育处理为铁水自熔炉流入浇包时进行随流孕育，第二孕育处理为铁水自浇包注入模具时进行随流孕育。
进一步优选的，所述硅钡孕育剂中主要成分的含量为：硅63～68％，钡4.0～6.0％，钙1.0～2.0％，铝1.0～2.0％。其中硅、钡成分作为合金元素计入合成铸铁中，其他元素如钙、铝等，在最终材料中的含量＜0.02％，可视作合金中不可避免的杂质。在经过两次孕育处理后铸件的石墨组织更为优良，基体中珠光体含量更高，强硬性更好。硅钡孕育剂具有较强促进石墨化的能力，并能减缓孕育衰退。
进一步优选的，第一孕育处理、第二孕育处理加入的硅钡孕育剂的总质量为铁水质量的0.8～1.0％，第一孕育处理、第二孕育处理加入的硅钡孕育剂的质量比为(0.7～0.8):(0.2～0.3)。采用上述孕育剂的孕育效果最好，使得铸件中石墨和珠光体组织更为细小，分布更加均匀。
优选的，所述离心铸造包括将孕育处理后的铁水浇注到气缸套模具中，冷却后出缸；所述浇注的温度为1400～1440℃。进一步优选的，所述气缸套模具的温度为450～500℃。所述出缸的温度为300～320℃。浇注温度过高易造成粘砂、缩孔、缩松、热裂、跑火、局部氧化等缺陷，浇注温度过低易造成浇不足、冷隔、夹渣、夹砂等缺陷。
所述浇铸采用离心浇铸，离心浇铸的离心转速为1100～1300r/min。离心浇铸可省去型芯系统和浇注系统，提高材料利用率，降低生产成本，在离心力的作用下，铁水中的气体和熔渣集中于内腔，铁水甩向外壁，使铸件缩孔、缩松、气孔和夹杂等缺陷减少，组织致密，机械性能更加优良。
优选的，所述热处理为加热至500～540℃保温0.8～1.2h，降温至440～480℃保温0.8～1.2h，之后随炉冷至280～320℃，出炉空冷至室温。
在浇铸前，在模具内壁涂覆湿涂料，所述湿涂料由如下重量百分含量的组分组成：长白硅藻土16～22％，钠基膨润土6～8％，水70～75％，酚醛树脂1～3％。
利用上述方法制备的合成铸铁气缸套，工艺简单稳定，珠光体组织稳定可靠；抗拉强度高，弹性模量高，克服了珠光体缸套强度低、耐磨性差的特点；实验结果表明，本发明得到的气缸套材料抗拉强度高达540MPa，弹性模量达到165GPa，硬度为310～360HB。
附图说明
图1为本发明的气缸套的实施例1的气缸套的SEM图，放大倍数为200；
图2为本发明的气缸套的实施例1的气缸套的SEM图，放大倍数为2000；
图3为本发明的气缸套的实施例1的气缸套的SEM图，放大倍数为10000；
图4为本发明的气缸套的实施例2的气缸套的SEM图，放大倍数为200；
图5为本发明的气缸套的实施例2的气缸套的SEM图，放大倍数为2000；
图6为本发明的气缸套的实施例2的气缸套的SEM图，放大倍数为10000；
图7为本发明的气缸套的实施例3的气缸套的SEM图，放大倍数为200；
图8为本发明的气缸套的实施例3的气缸套的SEM图，放大倍数为2000；
图9为本发明的气缸套的实施例3的气缸套的SEM图，放大倍数为10000。
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。
以下实施例中，硅藻土涂料购自长白朝鲜族自治县鑫鑫硅藻土有限公司，组成为：长白硅藻土16～22％，钠基膨润土6～8％，水70～75％，酚醛树脂1～3％。
硅钡孕育剂购自扬州鑫隆铁合金制造有限公司，主要成分的含量为：硅63～68％，钡4.0～6.0％，钙1.0～2.0％，铝1.0～2.0％。
一、本发明的合成铸铁气缸套的具体实施例
实施例1
本实施例的合成铸铁气缸套，基体组织为珠光体组织，基体组织中分布有A型片状石墨和D型片状石墨；该合成铸铁气缸套由以下重量百分比的组分组成：C：2.7％，Si：2.1％，Mn：2.1％，Ni：0.3％，Nb：0.3％，Ba：0.03％，P：≤0.1％，S：≤0.1％，余量为Fe。
实施例2
本实施例的合成铸铁气缸套，基体组织为珠光体组织，基体组织中分布有A型片状石墨和D型片状石墨；该合成铸铁气缸套由以下重量百分比的组分组成：C：2.9％，Si：2.1％，Mn：2.0％，Ni：0.3％，Nb：0.2％，Ba：0.03％，P：≤0.1％，S：≤0.1％，余量为Fe。
实施例3
本实施例的合成铸铁气缸套，基体组织为珠光体组织，基体组织中分布有A型片状石墨和D型片状石墨；该合成铸铁气缸套由以下重量百分比的组分组成：C：2.8％，Si：2.3％，Mn：2.1％，Ni：0.4％，Nb：0.3％，Ba：0.03％，P：≤0.1％，S：≤0.1％，余量为Fe。
二、本发明的合成铸铁气缸套的制备方法的具体实施例
以下实施例中，使用生铁(Q12)和废钢(Q235)为主要原料。生铁Q12中含碳量为4.58％，含硅量为1.12％，含锰量为0.10％；废钢(Q235)中含碳量为0.17％，含硅量为0.30％，含锰量为0.60％。硅铁合金为FeSi75，硅含量为74～80％；锰铁合金为FeMn68，锰含量为65～72％；铁镍合金为FeNi50，其中镍含量为45～60％；铌铁合金为FeNb70，其中铌含量为70～80％
以下实施例中，针对生铁、废钢的冶炼系统，包括电炉、浇包等，可参考相关现有技术。
实施例4
本实施例的合成铸铁气缸套的制备方法，对实施例1的合成铸铁气缸套制备过程进行说明，包括以下步骤：
(1)将重量150kg的Q12生铁、重量350kg的废钢(废钢为工业回收的废弃钢材)以及7.25kg石墨增碳剂(吸收率按85％计算)放入电炉中熔化得到铁水，并加入10.78kg硅铁合金、16.15kg锰铁合金、3.33kg铁镍合金及2.14kg铌铁合金，然后加热到1480℃，铁水自电炉流入浇包过程中，加入硅钡孕育剂进行第一孕育处理，加入硅钡孕育剂质量为铁水质量的0.7％；铁水自浇包流入模具(浇注前在模具内壁喷涂湿硅藻土涂料2遍，使最终涂层总厚度为0.8mm)过程中，加入硅钡孕育剂进行第二孕育处理，加入的硅钡孕育剂质量为铁水质量的0.1％。
使用离心浇注机将两次孕育后的1400℃铁水浇注到450℃气缸套模具中，离心浇注机转速设置为1200r/min。浇铸完成后，待铸件在模具中风冷至300℃时出缸，出缸后空冷至室温，得气缸套铸坯。
(2)将气缸套铸坯加工至半成品。对所得到的半成品气缸套进行热处理，将其放入箱式电阻炉中先加热至510℃保温1h，后降至460℃保温1h，之后随炉冷至300℃，最后出炉空冷至室温。将所得的热处理后气缸套进一步精加工至成品。
实施例5
本实施例的合成铸铁气缸套的制备方法，对实施例2的合成铸铁气缸套制备过程进行说明，包括以下步骤：
(1)将重量160kg的Q12生铁、重量360kg的废钢(废钢为工业回收的废弃钢材)以及8.82kg石墨增碳剂(吸收率按85％计算)放入电炉中熔化得到铁水，并加入10.78kg硅铁合金、15.38kg锰铁合金、3.33kg铁镍合金及1.43kg铌铁合金，然后随即加热到1500℃。铁水自电炉流入浇包过程中，加入硅钡孕育剂进行第一孕育处理，加入硅钡孕育剂质量为铁水质量的0.7％；铁水自浇包流入模具(浇铸前在模具内壁喷涂湿硅藻土涂料2遍，使最终涂层总厚度为0.8mm)过程中，加入硅钡孕育剂进行第二孕育处理，加入的硅钡孕育剂质量为铁水质量的0.1％。
使用离心浇注机以离心浇注方式将两次孕育后的1420℃铁水浇注到500℃气缸套模具中，离心浇注机转速设置为1100r/min。浇铸完成后，待铸件在模具中风冷至320℃时出缸，出缸后空冷至室温，得气缸套铸坯。
(2)将气缸套铸坯加工至半成品。对所得到的半成品气缸套进行热处理，将其放入箱式电阻炉中先加热至510℃保温1h，后降至460℃保温1h，之后随炉冷至300℃，最后出炉空冷至室温。将所得的热处理后气缸套进一步精加工至成品。
实施例6
本实施例的合成铸铁气缸套的制备方法，对实施例3的合成铸铁气缸套制备过程进行说明，包括以下步骤：
(1)将重量155kg Q12生铁、重量355kg的废钢(废钢为工业回收的废弃钢材)以及7.95kg石墨增碳剂(吸收率按85％计算)放入电炉中熔化得到铁水，并加入15.85kg硅铁合金、16.47kg锰铁合金、4.53kg铁镍合金及2.18kg铌铁合金，然后加热到1520℃。铁水自电炉流入浇包过程中，加入硅钡孕育剂进行第一孕育处理，加入硅钡孕育剂质量为铁水质量的0.7％；铁水自浇包流入模具(浇铸前模具内壁喷涂湿硅藻土涂料2遍，使最终涂层总厚度为0.8mm)过程中，加入硅钡孕育剂进行第二孕育处理，加入的硅钡孕育剂质量为铁水质量的0.1％。
使用离心浇注机将两次孕育后的1440℃铁水浇注到450℃气缸套模具中，离心浇注机转速设置为1300r/min。浇铸完成后，待铸件在模具中风冷至310℃时出缸，出缸后空冷至室温，得气缸套铸坯。
(2)将气缸套铸坯加工至半成品。对所得到的半成品气缸套进行热处理，将其放入箱式电阻炉中先加热至510℃保温1h，后降至460℃保温1h，之后随炉冷至300℃，最后出炉空冷至室温。将所得的热处理后气缸套进一步精加工至成品。
在本发明的合成铸铁气缸套的制备方法的其他实施例中，在实施例4的基础上，与实施例4介绍的不同之处在于，两次孕育处理加入的硅钡孕育剂的总质量可以为铁水质量的0.9％或1.0％，相应的，第一孕育处理、第二孕育处理加入的硅钡孕育剂的质量比为0.6:0.3或0.8:0.2，可相应得到Ba元素含量为0.04～0.06％的产品；热处理时，可以为以下工艺条件：500℃保温1.2h，降温至440℃保温1.2h，之后随炉冷至280℃，出炉空冷至室温；或者为540℃保温0.8h，降温至480℃保温0.8h，之后随炉冷至320℃，出炉空冷至室温，可得到与实施例性能相当的气缸套产品。
三、实验例
实验例1
本实验例是对实施例1、2、3的合成铸铁气缸套显微组织观察。
实施例1中合成铸铁气缸套的放大倍数为200、2000、10000的SEM图如图1-图3所示，从图中可以看出基体组织为珠光体组织，并分布着大量的A型片状石墨和少量的D型片状石墨。
实施例2中合成铸铁气缸套的放大倍数为200、2000、10000的SEM图如图4-图6所示，从图中可以看出基体组织为珠光体组织，并分布着大量的A型片状石墨和少量的D型片状石墨。
实施例3中合成铸铁气缸套的放大倍数为200、2000、10000的SEM图如图7-图9所示，从图中可以看出基体组织为珠光体组织，并分布着大量的A型片状石墨和少量的D型片状石墨。
实验例2
本实验例是对实施例1、2、3的合成铸铁气缸套的性能测试。
气缸套作为发动机的重要零部件，在工作环境中要承受交变机械载荷和热负荷双重作用，需要有足够高的强度硬度和良好的耐磨性、耐高温及耐腐蚀等性能，因此对实施例1、2、3的合成铸铁气缸套的布氏硬度HBW、抗拉强度Rm、弹性模量E进行测试，测试结果如表1所示：
表1实施例1、2、3的合成铸铁气缸套的性能测试结果
实例编号 布氏硬度HBW 抗拉强度Rm 弹性模量E
实施例1 360 540MPa 167GPa
实施例2 348 523MPa 165GPa
实施例3 326 516MPa 165GPa
由以上结果可知，本发明的合成铸铁气缸套具有超高的抗拉强度和弹性模量，并且硬度也较高，耐磨性能较好。

Claims (9)

1.一种合成铸铁气缸套，其特征在于，基体组织为珠光体组织，基体组织中分布有A型片状石墨和D型片状石墨；该合成铸铁气缸套由以下重量百分比的组分组成：C：2.7～2.95％，Si：2.0～2.3％，Mn：2.0～2.1％，Ni：0.3～0.4％，Nb：0.2～0.3％，Ba：0.02～0.06％，P：≤0.1％，S：≤0.1％，余量为Fe。
2.一种如权利要求1所述的合成铸铁气缸套的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按配比取原料熔炼后形成铁水，向铁水中加入硅钡孕育剂进行孕育处理，然后进行离心铸造，制成铸坯；
2)将步骤1)所得铸坯进行热处理。
3.如权利要求2所述的合成铸铁气缸套的制备方法，其特征在于，所述孕育处理包括第一孕育处理和第二孕育处理，第一孕育处理为铁水自熔炉流入浇包时进行随流孕育，第二孕育处理为铁水自浇包注入模具时进行随流孕育。
4.如权利要求3所述的合成铸铁气缸套的制备方法，其特征在于，第一孕育处理、第二孕育处理加入的硅钡孕育剂的总质量为铁水质量的0.8～1.0％，第一孕育处理、第二孕育处理加入的硅钡孕育剂的质量比为(0.7～0.8):(0.2～0.3)。
5.如权利要求2所述的合成铸铁气缸套的制备方法，其特征在于，所述离心铸造包括将孕育处理后的铁水浇注到气缸套模具中，冷却后出缸；所述浇注的温度为1400～1440℃。
6.如权利要求5所述的合成铸铁气缸套的制备方法，其特征在于，所述气缸套模具的温度为450～500℃。
7.如权利要求5所述的合成铸铁气缸套的制备方法，其特征在于，所述出缸的温度为300～320℃。
8.如权利要求2所述的合成铸铁气缸套的制备方法，其特征在于，所述离心铸造时的离心转速为1100～1300r/min。
9.如权利要求2-8中任一项所述的合成铸铁气缸套的制备方法，其特征在于，所述热处理为加热至500～540℃保温0.8～1.2h，降温至440～480℃保温0.8～1.2h，之后随炉冷至280～320℃，出炉空冷至室温。
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