CN111485178B - 一种贝氏体铸钢气缸套及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于发动机气缸套制备技术领域，具体涉及一种贝氏体铸钢气缸套及其制备方法。本发明的贝氏体铸钢气缸套，由以下重量百分比的组分组成：碳0.6～0.9％，硅2.6～3.0％，锰0.8～1.0％，钼0.45～0.65％，磷≤0.04％，硫≤0.04％，铝≤0.09％，余量为铁。本发明的贝氏体铸钢气缸套是贝氏体铸钢在气缸套领域的首次使用，较高的硅含量能够保证在贝氏体转化过程中不出现碳化物，钼含量的控制能够提高淬透性并且改变C曲线的位移，相对于现有的气缸套，其抗拉强度高、弹性模量高，适用于大规模生产应用。

Description

一种贝氏体铸钢气缸套及其制备方法
技术领域
本发明属于发动机气缸套制备技术领域，具体涉及一种贝氏体铸钢气缸套及其制备方法。
背景技术
气缸套作为发动机的重要零部件，在机械工程和交通运输中有着非常广泛的应用，其使役性能直接影响了发动机的使用寿命。由于气缸套在工作环境中需承受高温、高压燃气的冲刷和腐蚀以及活塞组件的交变载荷作用，因此要求其不仅要具有高的强度和硬度，还需要良好的耐磨性、耐高温及耐腐蚀等性能。目前气缸套的生产材料主要是铸铁，虽然硬度能达到HB270-330(对应HRC约为27-36，参见授权公告号为CN1157490C的中国发明专利)，具有较好的耐磨性，但铸铁气缸套的塑性和韧性较差，在使用过程中易发生破坏性断裂而造成重大事故，且铸铁气缸套的强度较低(仅300～400MPa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。
相较于铸铁，铸钢气缸套的整体结构强度较高，所以产品所需的机械尺寸可相应减小，产品重量大幅下降，满足当前发动机轻量化的要求。铸钢气缸套良好的塑性和韧性可避免断裂等破坏性事故的发生，大大提高产品的安全性。同时，铸钢气缸套具有铸铁所不具备的优良焊接性能，可通过铸焊结合，生产结构更为复杂的产品。
申请公布号为CN1760525A的中国发明专利申请公开了一种复合气缸套及其制备方法，其内层为铸铁层，外层为铸钢层，所生产的气缸套力学性能较为优良，但制作工艺复杂，不利于大规模批量生产。申请公布号为CN105756796A的中国发明专利申请公开了一种用于重卡发动机的组合式湿式缸套，缸套主体包括一铸铁缸套、一钢圈，以铸铁缸套作为基体，钢圈镶在铸铁缸套外表面，其主要利用缸套结构的改进增强其强度，但仍然不能避免铸铁气缸套强度低、塑韧性差的问题。授权公告号为CN1157490C的中国发明专利公开了一种钼镍贝氏体合金铸铁气缸套，该合金铸铁中含有贵重元素钼镍的含量在2～3％之间，抗拉强度最小为379MPa，从中可以看出，即便添加了较多的贵重元素，其强度仍不尽如人意。
目前关于铸钢气缸套的研究比较少、相关资料比较缺乏，现有的部分结构采用铸钢的气缸套强度和韧性有待提高，并且加工工艺复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种贝氏体铸钢气缸套，以提高现有气缸套的强度、韧性、硬度等性能。
本发明的另一个目的是提供一种贝氏体铸钢气缸套的制备方法，以提高现有的制备方法所得的铸钢气缸套的强度、韧性和硬度。
为实现上述目的，本发明的贝氏体铸钢气缸套的具体技术方案为：
一种贝氏体铸钢气缸套，由以下重量百分比的组分组成：碳0.6～0.9％，硅2.6～3.0％，锰0.8～1.0％，钼0.45～0.65％，磷≤0.04％，硫≤0.04％，铝≤0.09％，余量为铁。
由于贝氏体铸钢工艺较为复杂，成本较高，且不易获得稳定的完全贝氏体组织，而气缸套作为发动机的核心部件，要求其需要具有较高的尺寸精度和组织稳定性，因此贝氏体铸钢在气缸套领域的应用具有一定的技术难度。本发明的贝氏体铸钢气缸套是贝氏体铸钢在气缸套领域的首次使用，其中，一定量的碳保证钢的强度、硬度和淬透性；锰在一定条件下能推迟亚共析铁素体转变，减小贝氏体临界冷却速度，提高形成贝氏体的能力，同时使Bs点(贝氏体开始转变的温度点)降低，提高铁素体基体的强度，从而保证优良的强韧性配合；硅在贝氏体转变过程中强烈抑制碳化物的析出，以韧性相奥氏体薄膜取代了脆性碳化物，缓和裂纹尖端应力集中，钝化裂纹，使强韧性和耐磨性显著提高，硅还可以提高铸钢的流动性，改善铸造性能；硅和锰配合可以明显提高淬透性，从而达到铸态自硬化的目的；钼可以使C曲线右移从而提高淬透性，提高铸钢空冷获得贝氏体的能力；同时严格控制磷、硫和铝的含量，减轻其对铸钢件的不利影响。本发明的贝氏体铸钢气缸套，其基体组织为下贝氏体，含有少量的残余奥氏体和部分粒状碳化物。
本发明的贝氏体铸钢气缸套的制备方法的具体技术方案为：
前述的贝氏体铸钢气缸套的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料熔炼形成钢液；
(2)将步骤(1)所得钢液离心铸造，得半成品；
(3)将步骤(2)所得半成品奥氏体化，再贝氏体化。
本发明制备的铸钢气缸套，通过简单的制备工艺得到下贝氏体组织的铸钢气缸套，相对于现有的气缸套，其抗拉强度高、弹性模量高，适用于大规模生产应用。
对于离心铸造的转速的选择，过低的转速会使立式离心铸造时钢液充型不良，卧式离心铸造时出现钢液雨淋现象，也会使铸件内出现疏松、夹渣、铸件内表面凹凸不平等缺陷；转速太高，铸件上易出现裂纹、偏析等缺陷，砂型离心铸件外表面会形成胀箱等缺陷，还会使机器出现大的振动、磨损加剧、功率消耗过大，优选的，所述离心铸造的转速为1150～1250r/min。
进一步的，为加快冷却，缩短凝固时间，离心浇铸后20～30s激水，所述激水水压为0.6～0.9MPa，激水时间为20～25s。
优选的，浇铸前，将浇铸模具喷涂湿涂料3次，单次涂料量300～350g，喷涂压力0.12～0.2MPa，喷涂转速600～700r/min，涂料厚度0.35～0.7mm，喷涂模具温度200～300℃。湿涂料的组分组成如下：长白硅藻土16～22％，钠基膨润土6～8％，水70～75％，酚醛树脂1～3％。
为了形成较为完全的贝氏体组织，所述奥氏体化的温度为900～950℃。
可以理解的是，奥氏体到贝氏体的转变可以在一定温度范围内等温形成，也可以在某一冷却速度范围内连续冷却转变，优选的，所述贝氏体化为在340～360℃等温淬火。
为使温度淬火的温度均匀，所述等温淬火采用硝盐浴的方式。
进一步的，所述等温淬火的时间为3～3.5h。
对于原料熔炼形成钢液的过程，钢液出炉前加入0.1％～0.12％的纯铝脱氧。
优选的，所述钢液的出炉温度在1600℃以上，浇注火包温度为1500～1550℃。
为消除铸钢气缸套内部应力，以保证产品在生产和使用过程中的工艺尺寸的稳定性，所述制备方法还包括贝氏体化后的回火步骤，所述回火的温度为360～380℃。
先通过等温淬火处理获得贝氏体组织，然后经回火处理消除应力，使材料凸显出高强度、高耐磨的优越性，这是在气缸套材料应用珠光体球铁，等温淬火球墨铸铁(ADI)，中碳钢高频淬火之后，贝氏体铸钢首次作为气缸套材料的生产应用，其制得的气缸套的HRC硬度在38以上，抗拉强度Rm在1200MPa以上，弹性模量E在180GPa以上。
附图说明
图1为本发明实施例1的气缸套的500×金相图；
图2为本发明实施例2的气缸套的500×金相图；
图3为本发明实施例3的气缸套的500×金相图。
具体实施方式
下面结合具体实施例具体说明本发明所述方法的应用。特别需要指出的是，本发明说明书所举实施例只是为了帮助理解本发明，它们不具任何限制作用，即本发明除说明书所举实施例外，还可以有其他实施方式。因此，凡是采用等同替换或等效变换形式形成的任何技术方案，均落在本发明要求的保护范围中。
一、本发明的贝氏体铸钢气缸套的具体实施例
实施例1
本实施例的贝氏体铸钢气缸套，由以下质量百分比的组分组成：碳0.65％，硅2.66％，锰0.85％，钼0.52％，磷0.034％，硫0.024％，铝0.07％，余量为铁。
实施例2
本实施例的贝氏体铸钢气缸套，由以下质量百分比的组分组成：碳0.75％，硅2.83％，锰0.94％，钼0.54％，磷0.026％，硫0.031％，铝0.08％，余量为铁。
实施例3
本实施例的贝氏体铸钢气缸套，由以下质量百分比的组分组成：碳0.83％，硅2.64％，锰0.95％，钼0.62％，磷0.037％，硫0.025％，铝0.06％，余量为铁。
二、本发明的贝氏体铸钢气缸套的制备方法的具体实施例
实施例4
本实施例的制备方法，对实施例1中的贝氏体铸钢气缸套的制备进行说明，具体包括以下步骤：
(1)按配方量取生铁、废钢、硅铁合金、锰铁合金和钼铁合金，在无芯中频感应电炉中按照常规熔炼方法进行钢液熔炼，钢液出炉前加入0.1％的纯铝脱氧，钢液的出炉温度为1680℃，浇注火包温度为1520℃；
(2)采用离心铸造工艺进行浇铸，离心铸造的离心转速为1200r/min；浇铸前对浇铸模具喷涂湿涂料3次，单次涂料量300g，喷涂压力0.15MPa，喷涂转速650r/min，涂料厚度0.5mm，喷涂模具温度250℃，其中湿涂料由以下重量百分比的组分组成：长白硅藻土20％，钠基膨润土7％，水70％，酚醛树脂3％；
(3)离心浇铸后等待30s后激水，激水水压0.7MPa，激水冷却20s，待毛坯冷却至800℃出缸空冷至室温，随后粗加工至半成品气缸套；
(4)将半成品气缸套在910℃保温1h充分奥氏体化，然后淬入350℃硝盐浴中等温淬火3h，然后放入井式回火炉中在370℃保温2h，出炉后精加工，即得成品气缸套。
实施例5
本实施例的制备方法，对实施例2中的贝氏体铸钢气缸套的制备进行说明，具体包括以下步骤：
(1)按配方量取生铁、废钢、硅铁合金、锰铁合金和钼铁合金，在无芯中频感应电炉中按照常规熔炼方法进行钢液熔炼，钢液出炉前加入0.11％的纯铝脱氧，钢液的出炉温度为1700℃，浇注火包温度为1550℃；
(2)采用离心铸造工艺进行浇铸，离心铸造的离心转速为1250r/min；浇铸前对浇铸模具喷涂湿涂料3次，单次涂料量350g，喷涂压力0.2MPa，喷涂转速700r/min，涂料厚度0.6mm，喷涂模具温度280℃，其中湿涂料由以下重量百分比的组分组成：长白硅藻土18％，钠基膨润土8％，水72％，酚醛树脂2％；
(3)离心浇铸后等待30s后激水，激水水压0.8MPa，激水冷却25s，待毛坯冷却至800℃出缸空冷至室温，随后粗加工至半成品气缸套；
(4)将半成品气缸套在920℃保温1h充分奥氏体化，然后淬入360℃硝盐浴中等温淬火3.5h，然后放入井式回火炉中在380℃保温2h，出炉后精加工，即得成品气缸套。
实施例6
本实施例的制备方法，对实施例3中的贝氏体铸钢气缸套的制备进行说明，具体包括以下步骤：
(1)按配方量取生铁、废钢、硅铁合金、锰铁合金和钼铁合金，在无芯中频感应电炉中按照常规熔炼方法进行钢液熔炼，钢液出炉前加入0.1％的纯铝脱氧，钢液的出炉温度为1680℃，浇注火包温度为1540℃；
(2)采用离心铸造工艺进行浇铸，离心铸造的离心转速为1230r/min；浇铸前对浇铸模具喷涂湿涂料3次，单次涂料量330g，喷涂压力0.17MPa，喷涂转速680r/min，涂料厚度0.6mm，喷涂模具温度270℃，其中湿涂料由以下重量百分比的组分组成：长白硅藻土19％，钠基膨润土8％，水71％，酚醛树脂2％；
(3)离心浇铸后等待30s后激水，激水水压0.8MPa，激水冷却25s，待毛坯冷却至800℃出缸空冷至室温，随后粗加工至半成品气缸套；
(4)将半成品气缸套在910℃保温1h充分奥氏体化，然后淬入360℃硝盐浴中等温淬火3.5h，然后放入井式回火炉中在370℃保温2h，出炉后精加工，即得成品气缸套。
三、实验例
对实施例1、2、3中的贝氏体铸钢气缸套进行性能测试，结果如下：实施例1中的贝氏体铸钢气缸套硬度为HRC 41.5，抗拉强度Rm为1236MPa，弹性模量E为189GPa；实施例2中的贝氏体铸钢气缸套硬度为HRC 43.2，抗拉强度Rm为1314MPa，弹性模量E为199GPa；实施例3中的贝氏体铸钢气缸套硬度为HRC 42.6，抗拉强度Rm为1302MPa，弹性模量E为192GPa。实施例1、2、3的贝氏体铸钢气缸套的金相结构分别如图1、2、3所示，基体组织为下贝氏体组织，包含少量残余奥氏体和部分粒状碳化物。
由以上结果可知，本发明的贝氏体铸钢气缸套具有较高的抗拉强度、弹性模量，具有较好的塑性和韧性；并且硬度也较高，耐磨性能较好。

Claims (5)

1.一种贝氏体铸钢气缸套，其特征在于，由以下重量百分比的组分组成：碳0.65~0.83%，硅2.64~2.83%，锰0.85~0.95%，钼0.52~0.62%，磷≤0.04%，硫≤0.04%，铝≤0.09%，余量为铁；所述贝氏体铸钢气缸套的基体组织为下贝氏体，含有少量的残余奥氏体和部分粒状碳化物；
所述贝氏体铸钢气缸套的制备方法包括以下步骤：
（1）将原料熔炼形成钢液；
（2）将步骤（1）所得钢液离心铸造，得半成品；
（3）将步骤（2）所得半成品奥氏体化，再贝氏体化；
所述奥氏体化的温度为910~920℃；所述贝氏体化为在350～360℃等温淬火；所述等温淬火的时间为3～3.5h。
2.如权利要求1所述的贝氏体铸钢气缸套的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将原料熔炼形成钢液；
（2）将步骤（1）所得钢液离心铸造，得半成品；
（3）将步骤（2）所得半成品奥氏体化，再贝氏体化；
所述奥氏体化的温度为910~920℃；所述贝氏体化为在350～360℃等温淬火；所述等温淬火的时间为3～3.5h。
3.根据权利要求2所述的贝氏体铸钢气缸套的制备方法，其特征在于，所述离心铸造的转速为1150～1250 r/min。
4.根据权利要求2所述的贝氏体铸钢气缸套的制备方法，其特征在于，所述钢液出炉后浇注火包的温度为1500～1550 ℃。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的贝氏体铸钢气缸套的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括贝氏体化后的回火步骤，所述回火的温度为360～380℃。
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