CN106811677A - 一种活塞镶圈铸铁材料及其制造方法 - Google Patents

一种活塞镶圈铸铁材料及其制造方法 Download PDF

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刘世英
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Abstract

本发明公开了一种活塞镶圈铸铁材料及其制造方法，包括如下质量比的化学组分：碳：2.3‑4.4％、硅：1.6‑4.2％、锰：0.005‑0.499％、镍：8.0‑18.0％、铜：3.6‑9.0％、铬：≤2.5％、镁：≤0.03％、稀土：≤0.08％、钙+锌：≤0.03％、钛：≤0.15％、硫：≤0.1％、磷：≤0.15％，其余为铁和不可避免的杂质，其中的％为质量百分数。本发明制备的低锰高镍奥氏体蠕墨铸铁中锰含量低于0.5％，仍达到了良好的抗拉强度，克服了本领域的技术偏见，取得了意料不到的技术效果。

Description

一种活塞镶圈铸铁材料及其制造方法
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铸铁材料及其制造方法。
背景技术
发动机苛刻的工作环境导致活塞第一道环槽的过度磨损，过去采用活塞镶圈是有效解决这一问题的途径。活塞镶圈采用渗铝铸入的方法与活塞浇注成一体，镶铸于活塞头部，有效提高了活塞使用寿命。在高性能发动机上都普遍采用了这种活塞镶圈。活塞镶圈的质量优劣直接影响到活塞的使用情况以及整个发动机的性能，而活塞镶圈合金材料是影响其性能的关键。目前的活塞镶圈材料是高镍奥氏体铸铁材料，但其抗拉强度仅有170MPa左右。抗拉强度在170MPa左右的高镍奥氏体铸铁材料，可满足国五及国五以下排放发动机的活塞要求。但随国六试验的开展，活塞承受了更高的温度及应力，传统的高镍奥氏体铸铁材料制备的活塞镶圈已难以满足要求，所以，大部分镶圈铝活塞已被钢活塞所代替。为了解决普通高镍奥氏体铸铁活塞镶圈抗拉强度较低的问题，开始尝试研发活塞镶圈专用的高性能高镍奥氏体蠕墨铸铁，大家公认的是活塞镶圈中锰的含量不能低于0.5％，并且尝试大幅度提高铸铁中的锰含量，使铸铁中的锰含量甚至达到了7％，以替代部分金属镍。但是减镍的恶果是出现铁素体组织，抗腐蚀性下降，而且锰含量的大幅度提高使金相急剧恶化，出现大量碳化物，增加了活塞镶圈的加工难度，最大的问题是线膨胀系数减小，使活塞失效的风险大幅度提高。
综上所述，现有技术中对于活塞镶圈性能低、活塞失效风险大的问题，尚缺乏有效的解决方案。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种活塞镶圈铸铁材料。该铸铁材料中锰含量小于0.5％，但制备的活塞镶圈仍具有较好的抗拉强度，克服了本领域的技术偏见。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种活塞镶圈铸铁材料，包括如下质量比的化学组分：碳：2.3-4.4％、硅：1.6-4.2％、锰：0.005-0.499％、镍：8.0-18.0％、铜：3.6-9.0％、铬：≤2.5％、镁：≤0.03％、稀土：≤0.08％、钙+锌：≤0.03％、钛：≤0.15％、硫：≤0.1％、磷：≤0.15％，其余为铁和不可避免的杂质。其中的％为质量百分数。
进一步的，所述铸铁材料，包括如下质量比的化学组分：碳：2.3-4.4％、硅：1.6-4.2％、锰：0.01-0.499％、镍：9.0-18.0％、铜：4.0-9.0％、铬：≤2.5％、镁：≤0.03％、稀土：≤0.08％、钙+锌：≤0.03％、钛：≤0.15％、硫：≤0.1％、磷：≤0.15％，其余为铁和不可避免的杂质。其中的％为质量百分数。
更进一步的，所述铸铁材料，包括如下质量比的化学组分：碳：2.3-4.4％、硅：1.6-4.2％、锰：0.05-0.499％、镍：10.0-18.0％、铜：4.6-9.0％、铬：≤2.5％、镁：≤0.03％、稀土：≤0.08％、钙+锌：≤0.03％、钛：≤0.15％、硫：≤0.1％、磷：≤0.15％，其余为铁和不可避免的杂质。其中的％为质量百分数。
本发明还提供了上述铸铁材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将增碳剂、部分镶圈铁屑料、镶圈回炉料、生铁、废钢加入到中频感应电炉熔炼，增碳剂放在最底层，上面先以部分镶圈铁屑料均匀覆盖在增碳剂上，再依次加入镶圈回炉料、生铁、废钢，熔化后再加入电解镍、电解铜、硅铁、铬铁继续熔炼，有熔融铁液后再加入剩余的大部分镶圈铁屑料；成分中锰含量的调整通过生铁、废钢及回炉料调整，只有在含量低的情况下，加入锰铁调整，增碳剂选用要求：硫≤0.1％，碳≥0.95％，粒度1～10mm。
在初次生产没有蠕铁镶圈回炉料及蠕铁镶圈铁屑料时可加入部分现有镶圈回炉料及现有镶圈铁屑料，正常生产时为节约成本、稳定质量则必须添加蠕铁镶圈回炉料及蠕铁镶圈铁屑料。
2)当铸铁熔液的成分合格，温度达到1581-1620℃后，进行蠕化处理。蠕化剂采用炉内加入法、吹氮搅拌法或喷粉处理法进行蠕化处理，蠕化剂采用稀土硅铁合金、稀土钙硅铁合金、低稀土镁钛合金、稀土镁铜合金、金属镁或稀土锌镁铝合金中其中一种。蠕化剂作用就是用作对铸铁液进行蠕化处理，从而使石墨形态形成蠕虫状，达到增加铸铁强度的目的。
在生产大型镶圈，即镶圈毛坯直径超过300mm时，可采用炉内加入法，即出炉前在炉内加入0.6％～1.4％的蠕化剂，蠕化剂颗粒尺寸在4～10目，加入后等蠕化剂呈半熔融状态时，浇入中间包中。当镶圈毛坯直径小于等于300mm时，蠕化采用吹氮搅拌法或喷粉法处理。喷粉蠕化处理所需蠕化剂颗粒尺寸在6～50目，使用喷粉装置经***到包中的陶瓷管通过氮气将0.6％～1.4％蠕化剂喷入中间包中，喷完后再通氮气2-5分钟。吹氮搅拌蠕化处理，首先将陶瓷管***中间包中，通入氮气，再将0.6％～1.4％蠕化剂撒入到搅动的液面上，蠕化剂颗粒尺寸在10～40目，在中间包中吹气搅拌10-20分钟。
3)蠕化完成后，进行孕育处理，孕育剂为硅钡孕育剂或硅锆孕育剂，孕育剂加入量为0.2～0.6％，孕育温度1450～1530℃。硅钡孕育剂或硅锆孕育剂起孕育作用，作用：细化晶粒、减少碳化物。
4)将孕育后的铸铁熔液转入小浇包中，并向铸铁熔液中加入0.15～0.4％硅钡孕育剂或硅锆孕育剂，然后进行浇注，浇注温度1390～1429℃，得到低锰高镍奥氏体蠕墨铸铁镶圈。
活塞镶圈蠕墨铸铁显微组织由奥氏体基体、蠕虫状石墨和部分团球状石墨组成。蠕墨铸铁蠕化率范围在55-85％，抗拉强度超过300MPa。
一种活塞镶圈，由上述铸铁材料制备而成。
本发明产生的有益效果：
本发明制备的低锰高镍奥氏体蠕墨铸铁的组织为奥氏体基体、蠕虫状石墨和部分团球状石墨组成，蠕化率控制在55-85％。其机械性能比现有奥氏体铸铁材料大幅提高，抗拉强度超过了300MPa，线膨胀系数达到18.3*10-6，通过活塞CAE分析可有效满足国六发动机对活塞的性能要求。
本发明制备的低锰高镍奥氏体蠕墨铸铁中锰含量低于0.5％，仍达到了良好的抗拉强度，克服了本领域的技术偏见，取得了意料不到的技术效果。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本文中的“钙+锌”是指钙和锌元素的质量和占整个材料的质量百分比。
增碳剂是炼钢时使用的一种添加剂，是生产优质钢材必不可少的原料，采用石墨粉剂经压制成型，生产铸铁时，可大幅度增加废钢用量，减少生铁用量或不用生铁。
中频感应电炉，是一种将三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的电流，供给由电容和感应线圈里流过的交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流。金属自身的自由电子在有电阻的金属体里流动要产生热量。
实施例1
活塞镶圈铸铁材料的化学成分(按质量比)如下：
碳：3.2％、硅：2.43％、锰：0.12％、镍：17.39％、铜：5.33％、铬：1.43％、稀土：0.063％、硫：0.020％、磷：0.012％，其余为铁和不可避免的杂质。
活塞镶圈铸铁材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将增碳剂、部分镶圈铁屑料、镶圈回炉料、生铁、废钢加入到中频感应电炉熔炼，增碳剂放在最底层，上面先以部分镶圈铁屑料均匀覆盖在增碳剂上，再依次加入镶圈回炉料、生铁、废钢，熔化后再加入电解镍、电解铜、硅铁、铬铁继续熔炼，有熔融铁液后再加入剩余的大部分镶圈铁屑料；成分中锰含量的调整一般主要通过生铁、废钢及回炉料调整，只在较少含量低的情况下，加入锰铁调整。在初次生产没有蠕铁镶圈回炉料及蠕铁镶圈铁屑料时可加入部分现有镶圈回炉料及现有镶圈铁屑料，正常生产时为节约成本、稳定质量则必须添加蠕铁镶圈回炉料及蠕铁镶圈铁屑料。增碳剂的选用要求为：硫≤0.1％，碳≥0.95％，粒度1～10mm。
(2)当铸铁熔液的成分合格，温度达到1585℃后，进行蠕化处理。镶圈毛坯直径370mm，蠕化处理采用炉内加入法，在炉内加入1％的稀土硅铁合金蠕化剂，稀土硅铁合金蠕化剂代号为RT-1，主要成分为：RE(29～32)，Si(＞50)，Ca(＜2.0)，Al(＜1.0)，Ti(＜0.5)，其余为铁。该类蠕化剂来源广泛。稀土硅铁合金颗粒尺寸4～10目，加入后等蠕化剂呈半熔融状态时，浇入中间包中。
(3)蠕化完成后，进行孕育处理，孕育剂为硅锆孕育剂，孕育剂的加入量为0.4％，孕育温度1450℃左右。
(4)将铸铁熔液由中间包转入小浇包，在小浇包中加入铸铁熔液质量的0.2％的硅钡孕育剂，主要成分有：Si(68％～75％)，Ba(2.0％～4.0％)，Ca(1.0％～3.0％)，Al(＜1.5％)，其余为铁。该类孕育剂来源广泛。浇注温度为1410℃左右，得到铸铁材料镶圈。
(5)在铸造毛坯上截取金相试样观测，铸铁组织为由奥氏体基体、蠕虫状石墨和部分团球状石墨组成。该材料的蠕化率达到55％。
(6)在铸造毛坯上截取抗拉强度试样，抗拉强度达到346MPa。
实施例2
化学成分(按质量比)如下：
碳：3.4％、硅：2.0％、锰：0.19％、镍：13.39％、铜：8.33％、铬：1.43％、镁：0.014％、稀土：0.024％、钛：0.1％、硫：0.015％、磷：0.012％，其余为铁和不可避免的杂质。
活塞镶圈铸铁材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将增碳剂、部分镶圈铁屑料、镶圈回炉料、生铁、废钢加入到中频感应电炉熔炼，增碳剂放在最底层，上面先以部分镶圈铁屑料均匀覆盖在增碳剂上，再依次加入镶圈回炉料、生铁、废钢，熔化后再加入电解镍、电解铜、硅铁、铬铁继续熔炼，有熔融铁液后再加入剩余的大部分镶圈铁屑料；成分中锰含量的调整一般主要通过生铁、废钢及回炉料调整，只在较少含量低的情况下，加入锰铁调整。在初次生产没有蠕铁镶圈回炉料及蠕铁镶圈铁屑料时可加入部分现有镶圈回炉料及现有镶圈铁屑料，正常生产时为节约成本、稳定质量则必须添加蠕铁镶圈回炉料及蠕铁镶圈铁屑料。增碳剂选用要求：硫≤0.01％，碳≥0.95％，粒度1～10mm。
(2)当铸铁熔液的成分合格，温度达到1600℃后，进行蠕化处理。所生产镶圈毛坯直径200mm，蠕化处理采用喷粉法处理。喷粉蠕化处理所需稀土钙硅铁合金蠕化剂颗粒尺寸在6～50目，使用喷粉装置经***到包中的陶瓷管通过氮气将占铸铁熔液质量百分数为0.6％的稀土钙硅铁合金喷入中间包中，喷完后再通氮气5分钟。
(3)蠕化完成后，进行孕育处理，孕育剂为硅锆孕育剂，孕育剂加入量占铸铁熔液的质量百分数为0.35％，孕育温度1530℃。
(4)将铸铁熔液由中间包转入小浇包，在小浇包中加入0.25％硅锆孕育剂。浇注温度为1429℃左右，得到铸铁材料镶圈。
(5)在铸造毛坯上截取金相试样观测，铸铁组织为由奥氏体基体、蠕虫状石墨和部分团球状石墨组成。该材料的蠕化率达到60％。
(6)在铸造毛坯上截取抗拉强度试样，抗拉强度达到341MPa。
实施例3
化学成分(按质量比)如下：
碳：3.0％、硅：2.79％、锰：0.49％、镍：14.72％、铜：7.96％、铬：0.74％、镁：0.005％、稀土：0.018％、锌：0.005％、硫：0.008％、磷：0.038％，其余为铁和不可避免的杂质。
活塞镶圈铸铁材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将增碳剂、部分镶圈铁屑料、镶圈回炉料、生铁、废钢加入到中频感应电炉熔炼，增碳剂放在最底层，上面先以部分镶圈铁屑料均匀覆盖在增碳剂上，再依次加入镶圈回炉料、生铁、废钢，熔化后再加入电解镍、电解铜、硅铁、铬铁继续熔炼，有熔融铁液后再加入剩余的大部分镶圈铁屑料；成分中锰含量的调整一般主要通过生铁、废钢及回炉料调整，只在较少含量低的情况下，加入锰铁调整。在初次生产没有蠕铁镶圈回炉料及蠕铁镶圈铁屑料时可加入部分现有镶圈回炉料及现有镶圈铁屑料，正常生产时为节约成本、稳定质量则必须添加蠕铁镶圈回炉料及蠕铁镶圈铁屑料。增碳剂选用要求：硫≤0.1％，碳≥0.95％，粒度1～10mm。
(2)当铸铁熔液的成分合格，温度达到1600℃后，进行蠕化处理。所生产镶圈毛坯直径200mm，采用吹氮搅拌蠕化处理，首先将陶瓷管***中间包中，通入氮气，再将占铸铁熔液质量百分数1％的稀土镁铜合金蠕化剂撒入到搅动的液面上，稀土镁铜合金颗粒尺寸为10～40目，在中间包中吹气搅拌15分钟。
(3)蠕化完成后，进行孕育处理，孕育剂为硅钡孕育剂，孕育剂加入量为0.4％，孕育温度1500℃。
(4)将铸铁熔液由中间包转入小浇包，在小浇包中加入0.2％硅锆孕育剂。浇注温度为1400℃，得到铸铁材料镶圈。
(5)在铸造毛坯上截取金相试样观测，铸铁组织为由奥氏体基体、蠕虫状石墨和部分团球状石墨组成。该材料的蠕化率达到70％。
(6)在铸造毛坯上截取抗拉强度试样，抗拉强度达到333MPa。
实施例4
化学成分(按质量比)如下：
碳：2.9％、硅：2.82％、锰：0.28％、镍：15.89％、铜：6.29％、铬：0.5％、镁：0.01％、稀土：0.026％硫：0.012％、磷：0.020％，其余为铁和不可避免的杂质。
活塞镶圈低锰高镍奥氏体蠕墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：
(1)将增碳剂、部分镶圈铁屑料、镶圈回炉料、生铁、废钢加入到中频感应电炉熔炼，增碳剂放在最底层，上面先以部分镶圈铁屑料均匀覆盖在增碳剂上，再依次加入镶圈回炉料、生铁、废钢，熔化后再加入电解镍、电解铜、硅铁、铬铁继续熔炼，有熔融铁液后再加入剩余的大部分镶圈铁屑料；成分中锰含量的调整一般主要通过生铁、废钢及回炉料调整，只在较少含量低的情况下，加入锰铁调整。在初次生产没有蠕铁镶圈回炉料及蠕铁镶圈铁屑料时可加入部分现有镶圈回炉料及现有镶圈铁屑料，正常生产时为节约成本、稳定质量则必须添加蠕铁镶圈回炉料及蠕铁镶圈铁屑料。增碳剂选用要求：硫≤0.1％，碳≥0.95％，粒度1～10mm。
(2)当铸铁熔液的成分合格，温度达到1620℃后，进行蠕化处理。所镶圈毛坯直径160mm，采用喷粉法处理。喷粉蠕化处理所需稀土锌镁铝合金蠕化剂颗粒尺寸在6～50目，使用喷粉装置经***到包中的陶瓷管通过氮气将占铸铁熔液质量百分数1.4％的稀土锌镁铝合金喷入中间包中，喷完后再通氮气4分钟。
(3)蠕化完成后，进行孕育处理，孕育剂为硅钡孕育剂，孕育剂加入量占铸铁熔液的质量百分数为0.4％，孕育温度1500℃。
(4)将铸铁熔液由中间包转入小浇包，在小浇包中加入0.2％硅锆孕育剂。浇注温度为1400℃，得到低锰高镍奥氏体蠕墨铸铁镶圈。
(5)在铸造毛坯上截取金相试样观测，铸铁组织为由奥氏体基体、蠕虫状石墨和部分团球状石墨组成。该材料的蠕化率达到85％。
(6)在铸造毛坯上截取抗拉强度试样，抗拉强度达到309MPa。抗拉强度为镶圈的最为重要的指标，在实际实验中我们的镶圈，在300MPa抗拉强度情况下，已通过了活塞CAE分析，能满足国六排放发动机活塞对镶圈性能的要求。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种活塞镶圈铸铁材料，其特征在于：包括如下质量比的化学组分：碳：2.3-4.4％、硅：1.6-4.2％、锰：0.005-0.499％、镍：8.0-18.0％、铜：3.6-9.0％、铬：≤2.5％、镁：≤0.03％、稀土：≤0.08％、钙+锌：≤0.03％、钛：≤0.15％、硫：≤0.1％、磷：≤0.15％，其余为铁和不可避免的杂质，其中的％为质量百分数。
2.根据权利要求1所述的活塞镶圈铸铁材料，其特征在于：包括如下质量比的化学组分：碳：2.3-4.4％、硅：1.6-4.2％、锰：0.01-0.499％、镍：9.0-18.0％、铜：4.0-9.0％、铬：≤2.5％、镁：≤0.03％、稀土：≤0.08％、钙+锌：≤0.03％、钛：≤0.15％、硫：≤0.1％、磷：≤0.15％，其余为铁和不可避免的杂质，其中的％为质量百分数。
3.根据权利要求2所述的活塞镶圈铸铁材料，其特征在于：包括如下质量比的化学组分：碳：2.3-4.4％、硅：1.6-4.2％、锰：0.05-0.499％、镍：10.0-18.0％、铜：4.6-9.0％、铬：≤2.5％、镁：≤0.03％、稀土：≤0.08％、钙+锌：≤0.03％、钛：≤0.15％、硫：≤0.1％、磷：≤0.15％，其余为铁和不可避免的杂质，其中的％为质量百分数。
4.权利要求1-3任一所述活塞镶圈铸铁材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将增碳剂、镶圈铁屑料、镶圈回炉料、生铁、废钢加入到中频感应电炉熔炼，增碳剂放在最底层，先将部分镶圈铁屑料均匀覆盖在增碳剂上，再依次加入镶圈回炉料、生铁、废钢，熔化后，再加入电解镍、电解铜、硅铁和铬铁继续熔炼，有熔融铁液后，再加入剩余的镶圈铁屑料；成分中锰含量的调整通过生铁、废钢及回炉料调整，只有在含量低的情况下，加入锰铁调整；
2)当铸铁熔液的成分合格，温度达到1581-1620℃后，进行蠕化处理；
3)蠕化完成后，进行孕育处理，孕育剂为硅钡孕育剂或硅锆孕育剂，孕育剂加入量为0.2～0.6％，孕育温度1450～1530℃；
4)将孕育后的铸铁熔液转入小浇包中，并向铸铁熔液中加入0.15～0.4％硅钡孕育剂或硅锆孕育剂，然后进行浇注，浇注温度1390～1429℃，得到铸铁材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述增碳剂的选用要求为硫≤0.1％，碳≥0.95％，粒度1～10mm。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中，蠕化剂采用炉内加入法、吹氮搅拌法或喷粉处理法进行蠕化处理。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：当镶圈毛坯直径超过300mm时，采用炉内加入法进行蠕化处理，即出炉前在炉内加入0.6％～1.4％的蠕化剂，蠕化剂颗粒尺寸在4～10目，加入后等蠕化剂呈半熔融状态时，浇入中间包中。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：当镶圈毛坯直径小于等于300mm时，采用吹氮搅拌法或喷粉法进行蠕化处理。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：蠕化剂采用稀土硅铁合金、稀土钙硅铁合金、低稀土镁钛合金、稀土镁铜合金、金属镁或稀土锌镁铝合金中的一种。
10.一种活塞镶圈，其特征在于：由权利要求1-3任一所述铸铁材料制备而成。
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