CN116837270A - 一种合金铸铁、合金铸铁缸套及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于合金铸铁材料技术领域，具体涉及一种合金铸铁、缸套坯体、合金铸铁缸套及制备方法。本发明通过对合金铸铁中各元素的含量限定，特别是Nb、Sn、V、Ti、B等元素含量的精准控制，提高了材料的加工性能，且容易制造，成本低廉，具有更好的使用性能。将其作为缸套坯体，特别是用在清洁燃料发动机缸套中，克服了现有技术中耐腐蚀缸套加工性能差，机加工换刀频次高，无法实现自动化生产等问题。

Description

一种合金铸铁、合金铸铁缸套及制备方法

技术领域

本发明属于合金铸铁材料技术领域，具体涉及一种合金铸铁、合金铸铁缸套及制备方法。

背景技术

作为内燃机的核心零部件之一，气缸套与气缸盖、活塞、活塞环构成了燃烧室，是内燃机的动力源泉。由于载重汽车和大型客车发动机逐渐向着大功率、低油耗和低污染发展，对气缸套的要求也越来越高。

传统的气缸套一般采用铸铁气缸套，具有韧性好、强度高、耐磨性好的优点。但是在试验装机过程中发现，仅满足机械性能的传统气缸套已不能满足发动机工作需要，原因在于，随着环保要求越来越高，轻量小型的铝缸体清洁燃料发动机越来越多，由于其燃料多为天然气、甲醇、氨气等，在使用过程中，清洁燃料及其燃烧产物会混入润滑油中，并对发动机缸套造成严重的腐蚀磨损，例如，以甲醇为燃料时，气缸套内壁因与被甲醇燃烧生成的具有腐蚀性的产物(例如：甲酸)接触而导致其酸腐蚀，进而造成缸套腐蚀失效，导致发动机无法工作。

为解决上述问题，现有技术中公开了一些具有良好的耐腐蚀性、耐磨性及机械性能的合金材料及缸套，但是，机加工性能不能满足轻型铝缸体铸入式缸套的加工性能要求，切削性能差，机加工换刀频次高，不适于大批量机加工生产。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的具有良好的耐腐蚀性、耐磨性及机械性能的铸铁合金材料的机加工性能差、机加工换刀频次高，不适于大批量机加工生产等缺陷，从而提供一种合金铸铁、合金铸铁缸套及制备方法。

为此，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种合金铸铁，包括如下质量百分含量的组分：2.0～3.0％的C；0.02～0.08％的S；2.8～3.5％的Si；＜0.08％的P；0.3-0.8％的Mn；0.2-0.6％的Cr；0.1-0.8％的Cu；＜0.1％的Nb；0.05～0.3％的Sn；＜0.1％的V+Ti；＜0.01％的B；余量为Fe。

可选地，包括如下质量百分含量的组分：2.5～2.7％的C；0.03～0.05％的S；2.8～3.1％的Si；≤0.05％的P；0.4-0.5％的Mn；0.35-0.55％的Cr；0.15-0.25％的Cu；＜0.05％的Nb；0.10～0.20％的Sn；＜0.03％的V；＜0.035％的Ti；＜0.008％的B；余量为Fe。

下面对本发明合金铸铁中合金组成的数值限定的原因做详细的说明：

碳：碳作为促石墨化元素存在，适当提高碳含量有利于提高铸铁的铸造性能，得到A型石墨，一般控制在3.0-3.3％之间，但由于本材质用于耐腐蚀缸套，碳含量高形成的石墨相较多，石墨在铸铁中作为电位最高的相，越少越有利于减少微型原电池的数量，减少电化学腐蚀，因此从降低腐蚀来说，越低越好。本发明在能保证石墨组织较好的金相前提下，尽可能降低碳含量，将碳界定在2-3％，优选2.5-2.7％。

硫：硫含量在0.03-0.12％范围内有利于铸铁获得A型石墨，并且硫元素还有利于和锰作用生成硫化锰，在机械加工时润滑刀具，改善切削性能，但硫元素过高会降低铸铁的耐腐蚀性能，本发明综合考虑，将硫含量控制在0.03-0.05％。

硅：有强烈的促石墨化作用，其促进灰口铸铁的生成，在本发明中其有利于提高碳当量，有利于得到较好的石墨组织，并且不会增加石墨的数量，并且较高的硅元素固溶于铁素体中，不仅有利于提高铁素体的硬度，并且其在氧化后会形成薄薄的二氧化硅保护膜，起到减缓基体在电解质环境下的腐蚀作用，但过高会增加铸铁的脆性和形成较多数量的游离铁素体。

锰：锰是碳化物形成元素，适量的锰含量有利于铸件获得珠光体组织，提高铸件的强度，并且锰还可与硫作用形成硫化锰有利于机加时对刀具的润滑，提高切削性能；但锰含量过高会在晶间偏析，形成晶间碳化物，晶间碳化物硬度较高，容易使刀具钝化，不利于提高铸铁的切削性能；本发明优选锰含量0.3-0.8％，优选0.35-0.5％

磷：磷元素在本发明合金铸铁材质中作为有害元素，其在铸铁中会形成磷共晶硬质相，磷共晶有较高的显微硬度，不利于刀具切削，因此其越低越好，但由于生产铸件的炉料(主要是生铁)中都有一定的磷含量，因此要对其进行限制，一般磷含量在0.1％以下，形成的磷共晶对机加刀具切削铸铁的影响就不明显，因此本发明中对磷含量控制在0.08％以下，优选≤0.05％。

铬：作为强碳化物促成元素，其主要作用稳定碳化物，稳定珠光体，另一方面其固溶于基体中有利于提高基体的电位，降低石墨与基体的电位差，减缓腐蚀，但其含量高会出现初生碳化物组织，降低铸铁的综合性能和可加工性。本发明中最适合的控制区间是0.35-0.55％。

铜：本发明中铜的主要作用是提高基体的电位，减缓铸铁在有机酸中的腐蚀作用，通过试验铜含量在0.15-0.8％之间，铜含量变化对提高铸铁耐腐蚀性能影响不大，为了降低生产成本，将铜元素控制在0.15-0.25％之间。

锡：锡作为强烈促进珠光体元素，其不仅可以促进珠光体的生成，而且可以固溶到基体中，其具有强烈的抗腐蚀作用，但其含量过高会导致铸铁强度降低，增加铸铁的脆性。

铌:铌元素可以和铁液中的N/C作用，生成Nb(C.N)相，Nb(C.N)固溶于基体中对提高铸铁强度有极大好处，但由于Nb(C.N)显微硬度可以达到2000-2500HV，因此极易使机加刀具变钝，严重影响刀具寿命，因此在本发明材质中越低越好，考虑到生产原材料问题，限制其含量不大于0.05％。

钒和钛：钒和钛在铁水中极容易与碳作用，在铸铁中形成钒钛硬质相，铸铁中的钒钛相硬质相具有极高的硬度，可达2000HV以上，因此为了控制铸铁基体中钒钛相的数量，必须控制钒钛含量，根据我方研究试验数据V+Ti≤0.07％，对铸铁机加切削性能影响不大，因此本发明中限制V+Ti≤0.1％，优选V＜0.03％、Ti＜0.035％。

硼：硼作为强碳化物形成元素，极低的硼含量就容易与铁水中的碳铁作用生成较多数量的硼碳复合化合物，其具有极高的硬度，对提高切削性能不利，但硼含量低于0.01％，形成硼碳化合物的数量极少，因此限制硼含量不高于0.01％，优选≤0.008％。

本发明提供一种缸套坯体，其组成同上述合金铸铁。

本发明还提供一种合金铸铁缸套，包括上述缸套坯体。

可选的，还包括铝硅合金涂层。

可选地，所述铝硅合金涂层的厚度为0.07-0.35mm。

可选地，所述铝硅合金涂层的组成包括：ZAlSi12合金及ZAlSi12合金的氧化产物。

本发明还提供一种上述合金铸铁缸套的制备方法，包括如下步骤：

S1，原料熔炼，孕育，得到铁液；

S2，将所得铁液进行离心浇注，得到毛坯；

S3，对所得毛坯进行粗加工，得到缸套半成品，缸套外径喷涂铝硅合金涂层；

S4，压铸，精加工，得到所述合金铸铁缸套。

其中，粗加工为领域内的常规操作，例如，一般包括粗切-粗铰内孔-粗车外圆-精铰内孔-精车外圆等工序。

可选地，步骤S1中，所述熔炼的温度为1520-1550℃。

可选地，步骤S2中，所述离心浇注的温度为1400-1430℃，出型温度为750-850℃，离心转速为1400-1460r/min。

可选地，步骤S3中，采用热喷涂的方式在毛坯外壁喷涂铝硅合金涂层。

可选地，步骤S1中，孕育过程中加入硅锶孕育剂。

可选地，所述毛坯金相组织中共晶团的数量为1000-4000个/厘米²。

典型非限定性地，毛坯外壁为毛刺缸套仅加工缸套内孔；毛坯也可以加工成外壁为螺纹的缸套或内外壁均加工的压入式缸套。

实际生产过程中，步骤S3得到的是缸套半成品，一般是运送到缸体厂进行后续加工，缸体厂将缸套放入缸体模具中，通过压铸，将缸套铸入缸体中，然后将在加工中心上同时加工缸套及缸体，将缸套内孔加工到发动机要求的缸套内孔尺寸，因此缸套加工性能越好，刀具寿命越长，换刀频次越低，有利于大批量生产。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的合金铸铁，包括如下质量百分含量的组分：2.0～3.0％的C；0.02～0.08％的S；2.8～3.5％的Si；＜0.08％的P；0.3-0.8％的Mn；0.2-0.6％的Cr；0.1-0.8％的Cu；＜0.1％的Nb；0.05～0.3％的Sn；＜0.1％的V+Ti；＜0.01％的B；余量为Fe。本发明通过对合金铸铁中各元素的含量限定，特别是Nb、Sn、V、Ti、B等元素含量的精准控制，提高了材料的加工性能，且容易制造，成本低廉，具有更好的使用性能。将其作为缸套坯体，特别是用在清洁燃料发动机缸套中，克服了现有技术中耐腐蚀缸套加工性能差，机加工换刀频次高，无法实现自动化生产等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中合金铸铁缸套的制备工艺流程图；

图2是本发明实施例1所得毛坯在100倍光学显微镜镜下的基体组织图；

图3是本发明实施例1所得毛坯在500倍光学显微镜镜下的基体组织图；

图4是本发明实施例1所得毛坯在50倍光学显微镜镜下共晶团的形态图。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

实施例1(生产L83产品)

本实施例提供一种合金铸铁缸套，其制备工艺流程如图1所示，具体制备方法包括如下步骤：

原材料检验，将合金元素进行熔炼后孕育，得到铁水，所述熔炼的温度控制在1520℃；孕育时采用的孕育剂为宁夏铸峰的硅锶孕育剂，光谱检测成分如表1。

将获得的铁水离心浇注成毛坯，浇注温度控制在1410℃，浇注过程中离心转速为1460r/min，800℃出型，得毛坯。图2是所得毛坯在100倍光学显微镜镜下的基体组织图，从图中可以看出基体组织为状珠光体和少量均匀分布的碳化物，组织特别均匀。图3是所得毛坯在500倍光学显微镜镜下的基体组织图，从图3可以看出碳化物的形态为块状，其有利于提高材料耐磨性，但其对基体的机械性能及切削性能影响不大。图4是毛坯在50倍光学显微镜镜下共晶团的形态图，从图中可以看出共晶团晶界不明显，但晶界有含锡的化合物偏析相特征明显。

将毛坯经过粗加工(粗切-粗铰内孔-粗车外圆-精铰内孔-精车外圆)，表面通过热喷涂的方式对缸套外壁喷涂铝硅合金涂层(铝硅合金的具体组成为：ZAlSi12合金及ZAlSi12合金的氧化产物)，涂层厚度0.09-0.2mm。

将缸套运送到压铸厂进行压铸并精加工。

实施例2(生产L83产品)

本实施例提供一种合金铸铁缸套，其具体制备方法包括如下步骤：

将合金元素进行熔炼后孕育，得到铁水，所述熔炼的温度控制在1550℃；孕育时采用的孕育剂为宁夏铸峰的硅锶孕育剂，光谱检测成分如表1。

将获得的铁水离心浇注成毛坯，浇注温度控制在1430℃，浇注过程中离心转速为1400r/min，800℃出型，得毛坯。

将毛坯经过粗加工(粗切-粗铰内孔-粗车外圆-精铰内孔-精车外圆)，表面通过热喷涂的方式对缸套外壁喷涂铝硅合金涂层(铝硅合金的具体组成为：ZAlSi12合金及ZAlSi12合金的氧化产物)，涂层厚度0.15-0.25mm。

将缸套运送到压铸厂进行压铸并精加工。

实施例3(生产L83产品)

本实施例提供一种合金铸铁缸套，其具体制备方法包括如下步骤：

将合金元素进行熔炼后孕育，得到铁水，所述熔炼的温度控制在1550℃；孕育时采用的孕育剂为宁夏铸峰的硅锶孕育剂，光谱检测成分如表1。

将获得的铁水离心浇注成毛坯，浇注温度控制在1430℃，浇注过程中离心转速为1400r/min，800℃出型，得毛坯。

将毛坯经过粗加工(粗切-粗铰内孔-粗车外圆-精铰内孔-精车外圆)，表面通过热喷涂的方式对缸套外壁喷涂铝硅合金涂层(铝硅合金的具体组成为：ZAlSi12合金及ZAlSi12合金的氧化产物)，涂层厚度0.2-0.35mm。

将缸套运送到压铸厂进行压铸并精加工。

采用光电直读光谱仪根据GB/T24234-2009《铸铁多元素的测定火花放电原子发射光谱法》进行缸套成分的检测，检测结果为，缸套成分为：

表1实施例中缸套坯体的成分(wt％)

对比例1-6(传统经典铸入式缸套成分生产L83产品)

对比例1-6提供一种合金铸铁缸套，其具体制备方法包括如下步骤：

将合金元素进行熔炼后孕育，得到铁水，所述熔炼的温度控制在1520℃；孕育时采用的孕育剂为宁夏铸峰的硅锶孕育剂，光谱检测成分如表2。

按照实施例1的方法进行离心浇注，粗加工、压铸和精加工，得到合金铸铁缸套。

表2对比例中缸套坯体的成分(wt％)

实施例	C	S	Si	P	Mn	Cr	Cu	Nb	Sn	B	V	Ti
													对比例1	3.15	0.06	2.35	0.11	0.85	0.25	0.31	0.0016	0.03	0.004	0.021	0.032
对比例2	2.61	0.046	2.81	0.07	0.45	0.55	0.22	0.351	0.145	0.041	0.027	0.034
													对比例3	3.02	0.045	2.26	0.28	1.12	0.33	0.84	0.184	0.167	0.005	0.031	0.042
对比例4	2.71	0.055	2.83	0.07	0.77	0.26	0.47	0.002	0.137	0.005	0.028	0.057
													对比例5	3.07	0.057	2.13	0.05	0.89	0.30	0.41	0.003	0.018	0.007	0.071	0.031
对比例6	3.01	0.066	2.09	0.11	0.77	0.31	0.32	0.031	0.007	0.045	0.018	0.061

测试例

在各实施例和对比例得到的毛坯上取样，将毛坯加工成试样检测试验，检测方式如下：

A.按照GB/T 231.1-2018《金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》的标准检测硬度；

B.采用万能材料试验机WDW-300，按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》的标准检测，检测结果为，抗拉强度；

C.按照GB/T 22315-2008《金属材料弹性模量和泊松比试验方法》标准检测，检测结果为：杨氏弹性模量；

D.按照JB/T 7901金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法采用(腐蚀液为：将100mL甲酸倒入500ml水中，加2.5g氯化钠溶解后，稀释至1000ml，80℃恒温)，试验材料耐腐蚀性。

E.采用华菱CBN超硬刀具，对不同材料半成品缸套内孔进行切削加工试验，设备为山崎马扎克数控机床QUICK TURN 250L，精镗切削工艺：切削深度0.12mm，进给量0.107mm/r，切削速度870米/分，切削长度53982米，测量刀尖磨损量，对比缸套材料切削性能。

表3

由上表中的数据可知，本发明虽然切削性能不如对比例1普通铸入式材料缸套，但具有普通铸入式缸套不具备的耐腐蚀性，对比例1已无法满足清洁燃料发动机对缸套材质需求；实施例的机械性能及耐腐蚀性能与对比例3基本相当，但机加工切削性能更优；虽然实施例的机械性能不如对比例2、对比例4，但其具有较好的切削性能；实施例的耐腐蚀性及切削性能优于对比例5和6，说明提供材料适合机械化大批量生产，并能满足使用要求。综上可知，本发明提供的合金铸铁材质缸套不但具有较优异的制造性能(切削性能)，而且具有较优的使用性能(机械性能和耐腐蚀性能)。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种合金铸铁，其特征在于，包括如下质量百分含量的组分：2.0～3.0％的C；0.02～0.08％的S；2.8～3.5％的Si；＜0.08％的P；0.3-0.8％的Mn；0.2-0.6％的Cr；0.1-0.8％的Cu；＜0.1％的Nb；0.05～0.3％的Sn；＜0.1％的V+Ti；＜0.01％的B；余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的合金铸铁，其特征在于，包括如下质量百分含量的组分：2.5～2.7％的C；0.03～0.05％的S；2.8～3.1％的Si；≤0.05％的P；0.4-0.5％的Mn；0.35-0.55％的Cr；0.15-0.25％的Cu；＜0.05％的Nb；0.10～0.20％的Sn；＜0.03％的V；＜0.035％的Ti；＜0.008％的B；余量为Fe。

3.一种缸套坯体，其特征在于，所述缸套坯体的组成同权利要求1或2所述的合金铸铁。

4.一种合金铸铁缸套，其特征在于，包括权利要求3所述的缸套坯体。

5.根据权利要求4所述的合金铸铁缸套，其特征在于，还包括铝硅合金涂层，

可选地，所述铝硅合金涂层的厚度为0.07-0.35mm；

可选地，所述铝硅合金涂层的组成包括：ZAlSi12合金及ZAlSi12合金的氧化产物。

6.一种权利要求5所述合金铸铁缸套的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，原料熔炼，孕育，得到铁液；

S2，将所得铁液进行离心浇注，得到毛坯；

S3，对所得毛坯进行粗加工，得到缸套坯体，喷涂铝硅合金涂层；

S4，压铸，精加工，得到所述合金铸铁缸套。

7.根据权利要求6所述的合金铸铁缸套的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述熔炼的温度为1520-1550℃。

8.根据权利要求6所述的合金铸铁缸套的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述离心浇注的温度为1400-1430℃，出型温度为750-850℃，离心转速为1400-1460r/min。

9.根据权利要求6所述的合金铸铁缸套的制备方法，其特征在于，步骤S3中，采用热喷涂的方式在毛坯外壁喷涂铝硅合金涂层。

10.根据权利要求6-9任一项所述的合金铸铁缸套的制备方法，其特征在于，步骤S1中，孕育过程中加入硅锶孕育剂。