CN104532118A - 活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蠕墨铸铁，具体涉及一种活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁及其制备方法。所述的蠕墨铸铁包括如下质量比的化学成分：碳2.0-4.0％、硅1.0-4.0％、锰0.5-8.0％、镍6.0-17.5％、铜2.0-7.5％、铬≤2.5％、镁0.008-0.020％、稀土0.01-0.02％、硫≤0.1％、磷≤0.2％，其余为铁和不可避免的杂质。所述的蠕墨铸铁，具有良好的冲击韧度、耐磨性和耐热疲劳强度；抗拉强度σ_b≥350MPa，延伸率δ≥4.5％；性能稳定、使用寿命更长，大大提高了活塞镶圈的使用寿命，进而提高了发动机中活塞的使用寿命。本发明还提供其制备方法，工艺简单、易于实现。

Description

活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种蠕墨铸铁，具体涉及一种活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁及其制备方法。

背景技术

随着汽车等机械装配的轻量化趋势及排放要求愈加严峻，大功率、高转矩、低排放发动机越来越受到人们的青睐。随着对发动机要求的提高，不仅对其设计要求，而且对相关重要零件的材料及制造技术也提出了更高的要求，这就要求材料不仅要具有良好的的导热减震性能，而且要有更高的抗拉强度，更高的耐冲击、耐磨、抗氧化、抗热疲劳性能。

铝活塞失效的主要形式为第一道环槽的过度磨损，致使两侧间隙变大而最终导致活塞的报废。因此，对活塞使用寿命起决定作用的是第一二道环槽的耐磨性能，而镶耐磨圈是解决这一问题的有效途径。活塞镶圈采用渗铝铸入的方法与活塞浇注成一体，被放置在活塞头部，能提高活塞使用寿命3-8倍。活塞镶圈材料需要满足两个特点：1、一定的机械强度；2、与铝活塞基体相近的热膨胀系数，要求热膨胀系数≥18.0×10^-6℃^-1。

现有技术中，活塞镶圈主要由高镍奥氏体灰铸铁材料制备而成，该材料具有一定的耐磨性，热膨胀系数也符合相关要求。但是随着发动机技术的快速发展，对活塞镶圈材料提出了更高的要求，要求材料满足热膨胀系数要求的同时，具有更高的抗拉强度、耐冲击、耐磨、抗氧化和耐热疲劳性能。现有高镍奥氏体灰铸铁材料越来越不能够满足高性能发动机的要求。

蠕墨铸铁是一种石墨形态介于片状和球状之间的新型铸铁材料，力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间，它既有接近于球墨铸铁的力学性能，又有与灰口铸铁相似的良好的铸造性能、热导性和减震性。蠕墨铸铁同灰口铸铁相比，抗拉强度提高至少70％，弹性模量提高35％，而疲劳强度提高近一倍。蠕墨铸铁中的石墨形态为蠕虫状，它对金属基体的割裂作用明显的小得多，这就决定了它既有灰口铸铁的导热性、减震性等性能，又具有灰口铸铁不可比的机械强度高、塑性好、抗氧化，尤其是耐磨、抗热疲劳性能高的优势。蠕墨铸铁具有非常优良的室温和高温力学性能、优良的耐磨性和抗热疲劳性能、良好的铸造成形性能，逐渐成为高功率柴汽油机关键件的理想材料。

专利201310648920.X公开了一种无磁蠕墨铸铁材料，该材料各组分重量百分比为：C2.8-3.5％，Si3.5-4.2％，Ni3.0-5.0％，Mn6.0-8.0％，Cu3.0-4.0％，Al0.4-0.7％，Mg(残)0.01-0.018％，Re(残)0.01-0.02％，杂质(S、P等)总量≤0.2％，其余为Fe。该材料以原生铁、废钢、硅铁、锰铁、电解镍、纯铜等为主要原料，经配料、熔炼，蠕化、多次孕育、浇注、开箱空冷与埋砂保温冷却工艺制得。限定采用75硅铁进行一次孕育、二次孕育，在浇包过程中，在浇包口***纯铝丝进行瞬时孕育。众所周知，采用75硅铁做孕育剂时，铁液中铝的含量不能太高，加入0.01％的铝，就可能导致铸件产生皮下气孔，该申请的铝含量远高于这个值，因此不适于应用到活塞耐磨镶圈领域。因此，研制一种能够满足活塞镶圈材料要求的专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁是十分必要的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁，具有良好的抗拉强度、冲击韧度、耐磨性和耐热疲劳性能；本发明还提供其制备方法。

本发明所述的活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁，包括如下质量比的化学成分：碳2.0-4.0％、硅1.0-4.0％、锰0.5-8.0％、镍6.0-17.5％、铜2.0-7.5％、铬≤2.5％、镁0.008-0.020％、稀土0.01-0.02％、硫≤0.1％、磷≤0.2％，其余为铁和不可避免的杂质。

所选材料碳2.0-4.0％、硅1.0-4.0％，有利于促进石墨化、减少白口倾向。

选择锰0.5-8.0％、镍6.0-17.5％、铜2.0-7.5％，能够获得稳定的常温和高温奥氏体组织，能使材料满足热膨胀系数≥18.0×10^-6℃^-1的要求。

优选为包括如下质量比的化学成分：

碳2.0-4.0％、硅1.2-3.5％、锰0.5-7.0％、镍6.0-15.0％、铜2.0-7.0％、铬≤2.5％、镁0.010-0.018％、稀土0.01-0.02％、硫≤0.1％、磷≤0.2％，其余为铁和不可避免的杂质。

所述的活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

(1)将生铁和废钢加入到中频感应电炉熔炼，熔化后加入硅铁、锰铁、电解镍和电解铜继续熔炼，得熔炼液；

(2)首先采用蠕化剂对熔炼液进行蠕化处理，然后扒渣处理；

(3)采用孕育剂对扒渣处理后的熔炼液进行浮硅孕育；

(4)将浮硅孕育后的熔炼液转入浇包中，再浇注到离心模具中，浇注过程加入孕育剂随流孕育，冷却，得蠕墨铸铁。

其中，

浮硅孕育为将孕育剂撒在熔炼液表面，然后进行搅拌。

随流孕育为采用随流孕育设备在熔炼液浇注到离心模具过程中将孕育剂随流加入进行孕育。

步骤(1)得到的熔炼液温度为1450-1580℃。

步骤(1)优选为熔化后还加入铬铁。

蠕化剂为稀土镁合金，化学成分为：硅46.9％、镁4.03％、钙2.15％、RE12.91％、铝0.92％、余量为铁，佛山市宏德三和合金有限公司提供，加入量为熔炼液总质量的0.4-1.0％；蠕化处理采用冲入法或喂丝法。

冲入法：将蠕化剂放在处理包底部一侧，或在处理包底部设置堤坝或凹坑，将蠕化剂放在堤坝内侧或凹坑内，然后在蠕化剂上面覆盖无锈铁屑，然后冲入熔炼液。

喂丝法：采用本领域常规喂丝法。通过包芯机将蠕化剂包在薄钢皮内制成芯线，然后借助专用喂丝设备，将包芯线以适当的速度连续不断地***蠕化处理包中，实现对熔炼液的蠕化处理。

步骤(3)和步骤(4)中的孕育剂均为硅锶孕育剂，宏德(天津)特殊合金有限公司提供。该孕育剂能够消除或减少由于镁和稀土元素的加入引起的白口倾向，提供足够的石墨结晶核心，增加共晶团数，使石墨细小并分布均匀，提高力学性能，并延缓蠕化衰退，加入量为熔炼液总质量的0.2-0.6％；其中，步骤(3)采用的孕育剂占孕育剂总质量的3/5-5/6。硅锶孕育剂需要严格按照限定的量进行添加，否则蠕化效果变差。步骤(3)采用的孕育剂粒径为2-5mm；步骤(4)采用的孕育剂粒径为1-3mm；如果粒度太大，会出现因孕育剂熔化不完全造成孕育不良以及夹渣；如果粒度太小，会出现孕育剂过早熔化造成孕育衰退。选用适当粒度的孕育剂能够有助于充分的发挥孕育作用并减少废品和浪费。

步骤(4)中浇注温度为1430-1480℃。

步骤(4)得到的蠕墨铸铁抗拉强度≥350MPa，延伸率≥4.5％，热膨胀系数≥18.0×10^-6℃^-1。

步骤(4)得到的蠕墨铸铁的显微组织由奥氏体基体和蠕虫状石墨组成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用稀土镁合金作蠕化剂，加入量为熔炼液总质量的0.4-1.0％，通过加入适当比例的蠕化剂形成石墨形态为蠕虫状的具有优良耐磨、耐热疲劳等综合性能的蠕墨铸铁。

(2)与现用的高镍奥氏体灰铸铁材料相比，本发明活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁由于形成了蠕虫状的石墨，有着更为优良的耐磨、耐热疲劳等综合性能。将其制备成拉伸试样，通过万能材料试验机做拉伸试验，抗拉强度σb≥350MPa，延伸率δ≥4.5％，明显优于高镍奥氏体灰铸铁材料。将其制备成热膨胀系数试棒，使用热膨胀仪检测其热膨胀系数，热膨胀系数α≥18.0×10^-6℃^-1。

(3)本发明活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁耐磨、耐热疲劳性能明显优于高镍奥氏体灰铸铁材料，性能稳定、使用寿命长。大大提高了活塞耐磨镶圈的使用寿命，进而提高了发动机铝活塞的使用寿命，也就延长了发动机的使用寿命，节约原材料和能源。

(4)本发明同时提供制备方法，工艺简单、易于实现。

附图说明

图1为实施例1试样的金相石墨形态；

图2为实施例2试样的金相石墨形态；

图3为实施例3试样的金相石墨形态。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例中用到的所有原料除特殊说明外，均为市购。

实施例1

本实施例活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁，按质量百分比配置为以下组分：碳2.8％、硅2.67％、锰1.35％、镍14.39％、铜6.33％、铬1.33％、镁0.014％、稀土0.013％、硫≤0.010％、磷≤0.018％，其余为铁和不可避免的杂质。

制备方法如下：

(1)将生铁和废钢加入到中频感应电炉熔炼，熔化后加入硅铁、锰铁、铬铁、电解镍和电解铜继续熔炼，得熔炼液；其中，熔炼液温度为1550℃。

(2)首先采用蠕化剂对熔炼液进行蠕化处理，然后扒渣处理；其中，蠕化剂为稀土镁合金，蠕化处理采用冲入法，处理包选用堤坝式处理包，所用蠕化剂为熔炼液总质量的0.55％，为保证蠕化效果，蠕化处理过程中，用无锈铁屑对蠕化剂进行覆盖，无锈铁屑的加入量为熔炼液总质量的1％。

(3)采用孕育剂对扒渣处理后的熔炼液进行浮硅孕育；所用孕育剂为硅锶孕育剂，粒径为2-5mm，加入量为熔炼液总质量的0.4％。

(4)将浮硅孕育后的熔炼液转入浇包中，再浇注到离心模具中，浇注过程加入孕育剂随流孕育，冷却，得蠕墨铸铁。所用孕育剂也为硅锶孕育剂，粒径为1-3mm，加入量为熔炼液总质量的0.1％；浇注温度为1470℃。

将实施例1得到的蠕墨铸铁制备成直径为5mm的圆柱状热膨胀系数试棒和直径为10mm的圆柱状抗拉试棒，使用热膨胀仪检测其热膨胀系数，使用万能材料试验机进行拉伸试验，测得：热膨胀系数α为19.6×10^-6℃^-1，抗拉强度σb为396MPa，延伸率δ达到6.5％，远远优于高镍奥氏体灰铸铁。实施例1得到的蠕墨铸铁的金相石墨形态如图1所示。

实施例2

本实施例活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁，按质量百分比配置为以下组分：碳2.9％、硅2.68％、锰0.82％、镍14.85％、铜6.29％、铬1.14％、镁0.016％、稀土0.015％、硫≤0.010％、磷≤0.018％，其余为铁和不可避免的杂质。

制备方法如下：

(1)将生铁和废钢加入到中频感应电炉熔炼，熔化后加入硅铁、锰铁、铬铁、电解镍和电解铜继续熔炼，得熔炼液；其中，熔炼液温度为1560℃。

(2)首先采用蠕化剂对熔炼液进行蠕化处理，然后扒渣处理；其中，蠕化剂为稀土镁合金，蠕化处理采用冲入法，处理包选用堤坝式处理包，所用蠕化剂为熔炼液总质量的0.6％，为保证蠕化效果，蠕化处理过程中，用无锈铁屑对蠕化剂进行覆盖，无锈铁屑的加入量为熔炼液总质量的1％。

(3)采用孕育剂对扒渣处理后的熔炼液进行浮硅孕育；所用孕育剂为硅锶孕育剂，粒径为2-5mm，加入量为熔炼液总质量的0.5％。

(4)将浮硅孕育后的熔炼液转入浇包中，再浇注到离心模具中，浇注过程加入孕育剂随流孕育，冷却，得蠕墨铸铁。所用孕育剂也为硅锶孕育剂，粒径为1-3mm，加入量为熔炼液总质量的0.1％；浇注温度为1475℃。

将实施例2得到的蠕墨铸铁制备成直径为5mm的圆柱状热膨胀系数试棒和直径为10mm的圆柱状抗拉试棒，使用热膨胀仪检测其热膨胀系数，使用万能材料试验机进行拉伸试验，测得：热膨胀系数α为19.0×10^-6℃^-1，抗拉强度σb为403MPa，延伸率δ达到9.5％，远远优于高镍奥氏体灰铸铁。实施例2得到的蠕墨铸铁的金相石墨形态如图2所示。

实施例3

本实施例活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁，按质量百分比配置为以下组分：碳3.1％、硅2.32％、锰1.35％、镍13.89％、铜5.96％、铬1.34％、镁0.015％、稀土0.014％、硫≤0.010％、磷≤0.018％，其余为铁和不可避免的杂质。

制备方法如下：

(1)将生铁和废钢加入到中频感应电炉熔炼，熔化后加入硅铁、锰铁、铬铁、电解镍和电解铜继续熔炼，得熔炼液；其中，熔炼液温度为1540℃。

(2)首先采用蠕化剂对熔炼液进行蠕化处理，然后扒渣处理；其中，蠕化剂为稀土镁合金，蠕化处理采用冲入法，处理包选用堤坝式处理包，所用蠕化剂为熔炼液总质量的0.5％，为保证蠕化效果，蠕化处理过程中，用无锈铁屑对蠕化剂进行覆盖，无锈铁屑的加入量为熔炼液总质量的1％。

(3)采用孕育剂对扒渣处理后的熔炼液进行浮硅孕育；所用孕育剂为硅锶孕育剂，粒径为2-5mm，加入量为熔炼液总质量的0.4％。

(4)将浮硅孕育后的熔炼液转入浇包中，再浇注到离心模具中，浇注过程加入孕育剂随流孕育，冷却，得蠕墨铸铁。所用孕育剂也为硅锶孕育剂，粒径为1-3mm，加入量为熔炼液总质量的0.2％；浇注温度为1460℃。

将实施例3得到的蠕墨铸铁制备成直径为5mm的圆柱状热膨胀系数试棒和直径为10mm的圆柱状抗拉试棒，使用热膨胀仪检测其热膨胀系数，使用万能材料试验机进行拉伸试验，测得：热膨胀系数α为20.1×10^-6℃^-1，抗拉强度σb为401MPa，延伸率δ达到7.5％，远远优于高镍奥氏体灰铸铁。实施例3得到的蠕墨铸铁的金相石墨形态如图3所示。

Claims (10)

1.一种活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁，其特征在于：包括如下质量比的化学成分：

碳2.0-4.0％、硅1.0-4.0％、锰0.5-8.0％、镍6.0-17.5％、铜2.0-7.5％、铬≤2.5％、镁0.008-0.020％、稀土0.01-0.02％、硫≤0.1％、磷≤0.2％，其余为铁和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁，其特征在于：包括如下质量比的化学成分：

碳2.0-4.0％、硅1.2-3.5％、锰0.5-7.0％、镍6.0-15.0％、铜2.0-7.0％、铬≤2.5％、镁0.010-0.018％、稀土0.01-0.02％、硫≤0.1％、磷≤0.2％，其余为铁和不可避免的杂质。

3.一种权利要求1或2所述的活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将生铁和废钢加入到中频感应电炉熔炼，熔化后加入硅铁、锰铁、电解镍和电解铜继续熔炼，得熔炼液；

(2)首先采用蠕化剂对熔炼液进行蠕化处理，然后扒渣处理；

(3)采用孕育剂对扒渣处理后的熔炼液进行浮硅孕育；

(4)将浮硅孕育后的熔炼液转入浇包中，再浇注到离心模具中，浇注过程加入孕育剂随流孕育，冷却，得蠕墨铸铁。

4.根据权利要求3所述的活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤(1)得到的熔炼液温度为1450-1580℃。

5.根据权利要求3所述的活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤(1)中熔化后还加入铬铁。

6.根据权利要求3所述的活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于：蠕化剂为稀土镁合金，加入量为熔炼液总质量的0.4-1.0％；蠕化处理采用冲入法或喂丝法。

7.根据权利要求3所述的活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤(3)和步骤(4)中的孕育剂均为硅锶孕育剂，加入量为熔炼液总质量的0.2-0.6％；其中，步骤(3)采用的孕育剂占孕育剂总质量的3/5-5/6。

8.根据权利要求3所述的活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤(4)中浇注温度为1430-1480℃。

9.根据权利要求3所述的活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤(4)得到的蠕墨铸铁抗拉强度≥350MPa，延伸率≥4.5％，热膨胀系数≥18.0×10^-6℃^-1。

10.根据权利要求3所述的活塞镶圈专用高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤(4)得到的蠕墨铸铁的显微组织由奥氏体基体和蠕虫状石墨组成。