CN117004889A - 一种球墨钢气缸套及其制备方法 - Google Patents

一种球墨钢气缸套及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种球墨钢气缸套，其包括1.4～1.6wt％的C、1.5～1.8wt％的Si、0.6～0.8wt％的Mn、2.0～3.0wt％的Mo、3.0～4.0wt％的Ni、0.04～0.06wt％的Nb和余量的Fe。本申请还提供了一种球墨钢气缸套的制备方法。本申请提供的球墨钢气缸套通过引入Mo、Ni和Nb，而有利于贝氏体的形成；同时水冷金属型离心铸造工艺、等温淬火和回火的结合，有利于提高球墨钢气缸套的抗拉强度和硬度。实验结果表明，本申请提供的球墨钢气缸套的抗拉强度达到1200MPa以上，硬度大于38HRC。

Description

一种球墨钢气缸套及其制备方法
技术领域
本发明涉及气缸套技术领域，尤其涉及一种球墨钢气缸套及其制备方法。
背景技术
气缸套，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。
随着内燃机国Ⅵ排放标准的推行，对内燃机及其零配件提出了更高的要求，气缸套作为内燃机关键件之一，是内燃机心脏零部件，为了保证内燃机的动力性、可靠性、经济性、排放、噪音等技术要求，高性能新型内燃机对气缸套抗拉强度、耐磨性要求的提高。因此，大于1200MPa高强度、高耐磨的新材料亟待需要。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种球墨钢气缸套及其制备方法，本申请提供的球墨钢气缸套具有优异的抗拉强度和耐磨性。
有鉴于此，本申请提供了一种球墨钢气缸套，以质量百分比计，包括：
余量为Fe。
优选的，所述Mo的含量为2.2～2.7wt％。
优选的，所述Ni的含量为3.2～3.8wt％。
优选的，所述Nb的含量为0.042～0.055wt％。
优选的，所述C的含量为1.45～1.55wt％。
优选的，所述Si的含量为1.55～1.78wt％。
优选的，所述Mn的含量为0.65～0.78wt％。
本申请还提供了所述的球墨钢气缸套的制备方法，包括以下步骤：
A)将Q235废钢和增碳剂按照成分配比配料，将得到的混合物依次进行熔炼、高温静置、炉前成分检验和精炼，将精炼后的钢液进行球化孕育，再扒渣；
B)采用水冷金属型离心铸造工艺进行浇铸制备球墨钢缸套毛坯，将所述毛坯进行加工；
C)将步骤B)得到的半成品缸套进行等温淬火，再进行回火，得到球墨钢气缸套。
优选的，所述水冷金属型离心铸造工艺的浇铸温度为1500～1600℃，浇注机转速为1300～1500r/min，模具预热温度250℃～350℃，涂料为湿涂料，厚度为0.5～1mm，铸件出模温度为800℃～850℃。
优选的，所述等温淬火的温度为850～950℃，所述等温淬火的冷却介质为温度为250～350℃的硝盐，冷却时间为2～3h，所述回火的温度为200～250℃。
本申请提供了一种球墨钢气缸套，其包括1.4～1.6wt％的C、1.5～1.8wt％的Si、0.6～0.8wt％的Mn、2.0～3.0wt％的Mo、3.0～4.0wt％的Ni、0.04～0.06wt％的Nb和余量的Fe；本申请在球墨钢气缸套中引入Mo、Ni和Nb并调节三者的含量，以利于球墨钢气缸套在等温淬火时贝氏体的形成，进而有利于抗拉强度和耐磨性的提高。
进一步的，本申请还提供了球墨钢气缸套的制备方法，其通过离心铸造得到了铸态金相为球状石墨和珠光体的组织，粗加工后经过等温淬火和回火，得到了金相组织为球状石墨和贝氏体基体的气缸套，有利于提高气缸套的抗拉强度和硬度，实验结果表明，本申请制备的气缸套的抗拉强度达到1200MPa以上，硬度大于38HRC。
附图说明
图1为本发明实施例2制备的球墨钢气缸套放大100倍的金相照片；
图2为本发明实施例2制备的球墨钢等温淬火后的基体放大500倍的金相照片；
图3为本发明对比例1制备的浇注毛坯的金相照片；
图4为本发明对比例2制备的球墨钢气缸套的基体组织放大100的金相照片；
图5为本发明对比例2制备的球墨钢气缸套的基体组织放大500的金相照片；
图6为本发明对比例3制备的球墨钢气缸套的基体组织放大100的金相照片；
图7为本发明对比例3制备的球墨钢气缸套的基体组织放大500的金相照片。
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。
鉴于现有技术对气缸套抗拉强度和耐磨性能的要求，本申请提供了一种球墨钢气缸套及其制备方法，对于球墨钢气缸套，本申请对其中的合金成分以及含量进行了调控，进而有利于气缸套金相组织中贝氏体的形成；对于球墨钢气缸套的制备方法，其通过采用离心铸造结合等温淬火和回火，进而气缸套的金相组织为球状石墨和贝氏体基体，从而提高了球墨钢气缸套的抗拉强度和耐磨性。具体的，本发明实施例公开了一种球墨钢气缸套，以质量百分比计，包括：
余量为Fe。
在本申请提供的球墨钢气缸套中，C的含量以表明本申请的气缸套属于钢，其含量为1.4～1.6wt％，具体的，所述C的含量为1.40wt％、1.41wt％、1.42wt％、1.43wt％、1.44wt％、1.45wt％、1.46wt％、1.47wt％、1.48wt％、1.49wt％、1.50wt％、1.51wt％、1.52wt％、1.53wt％、1.54wt％、1.55wt％、1.56wt％、1.57wt％、1.58wt％、1.59wt％或1.60wt％。
所述Si的含量为1.5～1.8wt％，具体的，所述Si的含量为1.50wt％、1.51wt％、1.52wt％、1.53wt％、1.54wt％、1.55wt％、1.56wt％、1.57wt％、1.58wt％、1.59wt％、1.60wt％、1.61wt％、1.62wt％、1.63wt％、1.64wt％、1.65wt％、1.66wt％、1.67wt％、1.68wt％、1.69wt％、1.70wt％、1.71wt％、1.72wt％、1.73wt％、1.74wt％、1.75wt％、1.76wt％、1.77wt％、1.78wt％、1.79wt％或1.80wt％。
所述Mn的含量为0.6～0.8wt％，具体的，所述Mn的含量为0.60wt％、0.61wt％、0.62wt％、0.63wt％、0.64wt％、0.65wt％、0.66wt％、0.67wt％、0.68wt％、0.69wt％、0.70wt％、0.71wt％、0.72wt％、0.73wt％、0.74wt％、0.75wt％、0.76wt％、0.77wt％、0.78wt％、0.79wt％或0.80wt％。
所述Mo的含量为2.0～3.0wt％，具体的，所述Mo的含量为2.2～2.7wt％。高Mo的引入，降低了Ms温度，促进了贝氏体转变，并扩展了贝氏体转变区。
所述Ni的含量为3.0～4.0wt％，具体的，所述Ni的含量为3.2～3.8wt％。所述Ni的引入，有利于固溶奥氏体，扩大奥氏体区域，使上段C曲线右移，提高淬透性。本申请Mo和Ni的总含量达到了5％的中合金钢范围，使得上段C曲线右移，而下段C曲线右移迟缓，有利于贝氏体转变。
所述Nb的含量为0.04～0.06wt％，具体的，所述Nb的含量为0.041wt％、0.042wt％、0.043wt％、0.044wt％、0.045wt％、0.046wt％、0.047wt％、0.048wt％、0.049wt％、0.050wt％、0.051wt％、0.052wt％、0.053wt％、0.054wt％、0.055wt％、0.056wt％、0.057wt％、0.058wt％、0.059wt％或0.060wt％。所述Nb的引入可以抑制碳元素扩散，Nb和Mo的复合加入，促进贝氏体转变。
进一步的，本申请还提供了球墨钢气缸套的制备方法，包括以下步骤：
A)将Q235废钢和增碳剂按照成分配比配料，将得到的混合物依次进行熔炼、高温静置、炉前成分检验和精炼，将精炼后的钢液进行球化孕育，扒渣；
B)采用水冷金属型离心铸造工艺进行浇铸制备球墨钢缸套毛坯，将所述毛坯进行加工；
C)将步骤B)得到的半成品缸套进行等温淬火，再进行回火，得到球墨钢气缸套。
在球墨钢气缸套的制备过程中，本申请首先将Q235废钢和增碳剂按照成分配比配料，将得到的混合物依次进行熔炼、高温静置、炉前成分检验和精炼，再将精炼后的钢液进行球化孕育，再扒渣；在此过程中，上述熔炼、高温静置、炉前成分检验、精炼、球化孕育和扒渣均为本领域技术人员熟知的技术手段，对此本申请不进行特别的限制。示例的，所述精炼可在LF炉中进行，所述球化孕育采用喂丝球化。
本申请然后将上述得到的熔体进行浇铸，具体采用水冷金属型离心铸造工艺浇铸进行球墨钢气缸套毛坯的制备；所述浇铸的温度为1500～1600℃，浇注机转速为1300～1500r/min，模具预热温度250℃～350℃，涂料为湿涂料，厚度为0.5～1mm，铸件出模温度为800℃～850℃，更具体地，所述浇铸的温度为1500～1560℃，浇注机转速为1320～1450r/min，模具预热温度280℃～320℃，厚度为0.5～0.8mm，铸件出模温度为810℃～840℃。
在浇铸之后则将得到的毛坯进行加工，所述加工具体为机加工，以形成半成型缸套，所述机加工为本领域技术人员熟知的加工方式，对此本申请不进行特别的限制。
本申请最后将得到的半成品缸套进行等温淬火，再进行回火，得到球墨钢气缸套。所述等温淬火的温度为850～950℃，所述等温淬火的冷却介质为温度为250～350℃的硝盐，冷却时间为2～3h，所述回火的温度为200～250℃；具体的，所述等温淬火的温度为890～910℃，以使半成品缸套奥氏体化；再淬到290～310℃的硝盐槽中保温2～3h；所述回火的温度为220～240℃。
在球墨钢气缸套制备过程中，在浇铸前利用了钢的精炼和球铁喂丝方法结合，并采用了离心铸造的方式生产球墨钢，并通过等温淬火的方法强化基体，得到了金相为球状石墨和贝氏体基体的球墨钢气缸套，其抗拉强度达到1200MPa以上，硬度大于38HRC，即本申请提供的球墨钢气缸套具有优异的抗拉强度和耐磨性。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的球墨钢气缸套及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
一种离心铸造生产的球墨钢气缸套，以重量百分比计，其材料化学组成如表1所示；
表1球墨钢气缸套成分数据表
上述离心铸造生产的球墨钢气缸套的生产方法，其包括如下步骤：
1)配料及熔炼：Q235废钢+增碳剂进行配料，并在中频感应电炉中进行熔炼、高温静置及炉前成分检验；检合格的高温铁水进入LF炉进行精炼，精炼后的钢液经过喂丝球化球化孕育处理后；钢水扒渣；
2)浇铸：采用水冷金属型离心铸造工艺生产缸套毛坯，浇铸温度1520℃，浇注机转速1350r/min，模具预热温度290℃，涂料采用普通湿涂料，厚度0.8mm，毛坯重15Kg，毛坯最大壁厚16mm，控制铸件出模温度820℃；
3)出模后空冷至室温，铸造毛坯直接进行加工为半成品缸套；
4)将缸套进行900℃奥氏体化，按每毫米3分钟计，淬到310℃硝盐槽等温保温2h，出炉220℃补充回火，回火后加工成成品。
该气缸套成品磨损面金相为球状石墨+贝氏体，硬度：39.5HRC，抗拉强度达1280MPa，弹性模量172GPa。
实施例2
一种离心铸造生产的球墨钢气缸套，以重量百分比计，其材料化学组成如表2所示；
表2球墨钢气缸套成分数据表
上述离心铸造生产的球墨钢气缸套的生产方法，其包括如下步骤：
1)配料及熔炼：Q235废钢+增碳剂进行配料，并在中频感应电炉中进行熔炼、高温静置及炉前成分检验；检合格的高温铁水进入LF炉进行精炼，精炼后的钢液经过喂丝球化球化孕育处理后；钢水扒渣；
2)浇铸：采用水冷金属型离心铸造工艺生产缸套毛坯，浇铸温度1540℃，浇注机转速1400r/min，模具预热温度300℃，涂料采用普通湿涂料，厚度01mm，毛坯重14.92Kg，毛坯最大壁厚16mm，控制铸件出模温度850℃；
3)出模后空冷至室温，铸造毛坯直接进行加工为半成品缸套；
4)将缸套进行910℃奥氏体化，按每毫米3分钟计，淬到290℃硝盐槽等温保温2小时，出炉220℃补充回火，回火后加工成成品。
该气缸套成品磨损面金相为球状石墨+贝氏体，硬度：41HRC，抗拉强度达1300MPa，弹性模量174GPa。
图1为本实施例制备的球墨钢气缸套放大100倍的金相照片，图2为本实施例制备的球墨钢等温淬火后的基体组织放大500倍的金相照片；由图1和图2可知，本实施例制备的球墨钢气缸套的金相组织为球状石墨和贝氏体。
对比例1
制备方法与实施例1相同，区别在于：不经过步骤4)，毛坯的金相照片如图3所示；由图3可知，铸态毛坯中用大量的球状石墨。
对比例2
制备方法与实施例1相同，区别在于：步骤4)具体为：将缸套进行860℃退火4h，炉冷至200℃，空冷。
该气缸套成品的硬度为170HBW,抗拉强度为536Mpa，弹性模量为184Gpa。图4和图5分别为本对比例制备的球墨钢气缸套的基体组织放大100倍和500倍的金相照片，由图可知，该球墨钢气缸套的基体金相组织为铁素体。
对比例3
制备方法与实施例1相同，区别在于：步骤4)具体为：将缸套进行880℃保温2h，空冷。
该气缸套成品的硬度为280HBW，抗拉强度为967Mpa，弹性模量为192Gpa。图6和图7分别为本对比例制备的球墨钢气缸套的基体组织放大100倍和500倍的金相照片，由图可知，该球墨钢气缸套的基体金相组织为珠光体+铁素体。
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。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。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种球墨钢气缸套，以质量百分比计，包括：
余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的球墨钢气缸套，其特征在于，所述Mo的含量为2.2～2.7wt％。
3.根据权利要求1所述的球墨钢气缸套，其特征在于，所述Ni的含量为3.2～3.8wt％。
4.根据权利要求1所述的球墨钢气缸套，其特征在于，所述Nb的含量为0.042～0.055wt％。
5.根据权利要求1所述的球墨钢气缸套，其特征在于，所述C的含量为1.45～1.55wt％。
6.根据权利要求1所述的球墨钢气缸套，其特征在于，所述Si的含量为1.55～1.78wt％。
7.根据权利要求1所述的球墨钢气缸套，其特征在于，所述Mn的含量为0.65～0.78wt％。
8.权利要求1所述的球墨钢气缸套的制备方法，包括以下步骤：
A)将Q235废钢和增碳剂按照成分配比配料，将得到的混合物依次进行熔炼、高温静置、炉前成分检验和精炼，将精炼后的钢液进行球化孕育，再扒渣；
B)采用水冷金属型离心铸造工艺进行浇铸制备球墨钢缸套毛坯，将所述毛坯进行加工；
C)将步骤B)得到的半成品缸套进行等温淬火，再进行回火，得到球墨钢气缸套。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述水冷金属型离心铸造工艺的浇铸温度为1500～1600℃，浇注机转速为1300～1500r/min，模具预热温度250℃～350℃，涂料为湿涂料，厚度为0.5～1mm，铸件出模温度为800℃～850℃。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述等温淬火的温度为850～950℃，所述等温淬火的冷却介质为温度为250～350℃的硝盐，冷却时间为2～3h，所述回火的温度为200～250℃。
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