一種多元微合金化貝氏體灰鑄鐵、汽缸套及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多元微合金化貝氏體灰鑄鐵、汽缸套及其制備方法，該貝氏體灰鑄鐵由以下重量百分比的組分組成：碳2.70%～2.95%，硅1.80%～2.15%，錳0.30%～0.55%，0＜磷≤0.1%，0＜硫≤0.1%，銅0.3%～0.5%，鉬0.10%～0.18%，硼0.01%～0.05%，鉻0.35%～0.60%，氮0.04%～0.10%，鈮0.2%～0.4%，釩0.25%～0.35%，鈦0.025%～0.065%；余量為Fe。本發(fā)明的多元微合金化貝氏體灰鑄鐵，提高了貝氏體基體的高溫組織穩(wěn)定性，保證其高溫強(qiáng)度維持在較高水平，高溫組織性能優(yōu)異，生產(chǎn)成本低，適用于制造高溫高速重載發(fā)動機(jī)汽缸套。
【專利說明】一種多元微合金化貝氏體灰鑄鐵、汽缸套及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于貝氏體灰鑄鐵【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種多元微合金化貝氏體灰鑄鐵， 同時還涉及一種多元微合金化貝氏體灰鑄鐵汽缸套及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 汽缸套作為發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件，其在高溫、高壓、高負(fù)荷及潤滑困難的工作環(huán)境 下，易磨損與穴蝕，因此要求汽缸套不僅要具有高的強(qiáng)度和硬度，還需要良好的沖擊韌性和 耐熱耐磨性能?；诣T鐵因其本身所具有的減磨、自潤滑、容易加工、價(jià)格低等因素而被普遍 用于汽缸套生產(chǎn)。在各種鑄鐵基體組織中，貝氏體組織以其特有的機(jī)械性能，延長了汽缸套 的使用壽命，使貝氏體鑄鐵受到國內(nèi)外眾多汽車企業(yè)越來越廣泛的關(guān)注。
[0003] 隨著科技的飛速發(fā)展和日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的更新?lián)Q代隨之加 快步伐，作為發(fā)動機(jī)核心零部件之一的汽缸套的服役條件也日趨苛刻、惡劣，因此，為了提 高汽缸套的使用壽命，同時滿足高標(biāo)準(zhǔn)排放的要求，汽缸套產(chǎn)品通常需進(jìn)行氣體氮化處理 以提高其耐磨性，從而延長其使用壽命，滿足高溫高速重載發(fā)動機(jī)的需要。然而，目前重載 發(fā)動機(jī)所用汽缸套材質(zhì)均為貝氏體基體組織，眾所周知，貝氏體組織為中低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，其 貝氏體轉(zhuǎn)變溫度遠(yuǎn)低于氣體氮化溫度，因此在較高的氣體氮化溫度下，貝氏體基體將發(fā)生 組織轉(zhuǎn)變，使其相應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)和耐磨性能急劇下降，與此同時，組織轉(zhuǎn)變將直接導(dǎo)致汽缸 套成品尺寸變化劇烈而致產(chǎn)品失效，因此，如何提高貝氏體基體高溫工況下的組織穩(wěn)定性 是生產(chǎn)高溫高速重載發(fā)動機(jī)用汽缸套產(chǎn)品最重要的因素之一。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中，專利CN100510365C公開了一種多元合金化鑄態(tài)貝氏體灰鑄鐵汽缸 套，其組成按重量百分比計(jì)如下：碳3.0?3. 4%，硅2. 2?2. 6%，錳0.6?1.0%，0 <磷 彡 0· 1%，0 < 硫彡 0· 1%，銅 0· 6% ?L 0%，鑰 0· 2% ?0· 5%，鉻 0· 1% ?0· 3%，鈮 0· 05% ? 0. 12%，釩0. 05%?0. 2%，鈦0. 07%?0. 15% ;余量為Fe。該汽缸套雖然一定程度上提高了 其機(jī)械性能，但是其高溫組織穩(wěn)定性較差，還不能滿足高溫高速重載發(fā)動機(jī)的需要。專利 CN102747267B公開了一種微合金化超高強(qiáng)度高碳當(dāng)量灰鑄鐵，包括C、Si、Μη、P、S、Cr、Cu、 Sn元素，還包括微量的Zr、Ti、V和N元素。該灰鑄鐵雖然一定程度上提高了抗拉強(qiáng)度，但 是其灰鑄鐵基體為珠光體，在氣體氮化溫度條件下，其組織形態(tài)會發(fā)生變化，由層片狀向粒 狀轉(zhuǎn)變，從而使強(qiáng)度指標(biāo)明顯下降，難以滿足高溫高速重載發(fā)動機(jī)汽缸套材質(zhì)的需要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種多元微合金化貝氏體灰鑄鐵，解決了現(xiàn)有貝氏體基體在 氣體氮化溫度下組織轉(zhuǎn)變所導(dǎo)致的強(qiáng)度下降、汽缸套成品尺寸變化劇烈導(dǎo)致產(chǎn)品失效的問 題。
[0006] 本發(fā)明的第二個目的是提供一種多元微合金化貝氏體灰鑄鐵汽缸套。
[0007] 本發(fā)明的第三個目的是提供一種多元微合金化貝氏體灰鑄鐵汽缸套的制備方法。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種多元微合金化貝氏體灰 鑄鐵，由以下重量百分比的組分組成：碳2. 70%?2. 95%，硅I. 80%?2. 15%，錳0. 30%? 0· 55%，0 <磷彡 0· 1%，0 <硫彡 0· 1%，銅 0· 3% ?0· 5%，鑰 0· 10% ?0· 18%，硼 0· 01% ?0· 05%， 鉻 0· 35% ?0· 60%，氮 0· 04% ?0· 10%，鈮 0· 2% ?0· 4%，釩 0· 25% ?0· 35%，鈦 0· 025% ? 0· 065% ;余量為 Fe。
[0009] 一種多元微合金化貝氏體灰鑄鐵汽缸套，由以下重量百分比的組分組成：碳 2. 70% ?2. 95%，硅 L 80% ?2. 15%，錳 0· 30% ?0· 55%，0 < 磷彡 0· 1%，0 < 硫彡 0· 1%，銅 0· 3% ?0· 5%，鑰 0· 10% ?0· 18%，硼 0· 01% ?0· 05%，鉻 0· 35% ?0· 60%，氮 0· 04% ?0· 10%， 鈮 0· 2% ?（λ 4%，釩 0· 25% ?0· 35%，鈦 0· 025% ?0· 065% ;余量為 Fe。
[0010] 一種上述的多元微合金化貝氏體灰鑄鐵汽缸套的制備方法，包括下列步驟：
[0011] 1)按以下重量百分比的組分準(zhǔn)備原料：碳2. 70%?2. 95%，硅1. 80%?2. 15%， 錳 0· 30% ?0· 55%，0 < 磷彡 0· 1%，0 < 硫彡 0· 1%，銅 0· 3% ?0· 5%，鑰 0· 10% ?0· 18%，硼 0· 01% ?0· 05%，鉻 0· 35% ?0· 60%，氮 0· 04% ?0· 10%，鈮 0· 2% ?0· 4%，釩 0· 25% ?0· 35%， 鈦0. 025%?0. 065% ;余量為Fe ;熔煉原料，得混合料；
[0012] 2)將混合料加熱至1450?1550°C，待固體完全熔化，出爐后順流加入第一孕育劑 進(jìn)行一次孕育，控制出爐溫度為1450?1530°C，得混合鐵液；
[0013] 3)采用離心澆鑄工藝，將混合鐵液澆鑄到模具中，澆鑄溫度為1300?1420°C，澆 鑄轉(zhuǎn)速為1200?1250r/min，加入第二孕育劑進(jìn)行二次孕育，控制鑄件的出模溫度為850? 900°C，出模后將鑄件迅速冷至440?480°C，保溫，得汽缸套毛坯；
[0014] 4)熱處理：將步驟3)所得汽缸套毛坯加熱至550?590°C并保溫，后空冷至室溫， 即得。
[0015] 步驟2)中所述出爐的時間為固體完全熔化IOmin后。
[0016] 步驟2)中所述第一孕育劑為Si-Sr-Zr孕育劑；所述第一孕育劑的加入量是混合 料質(zhì)量的〇. 6%。
[0017] 步驟3)中所述第二孕育劑為Si-Sr孕育劑；所述第二孕育劑的加入量是混合鐵液 質(zhì)量的0. 1%。
[0018] 步驟3)中，澆鑄前控制模具溫度為400?450°C。
[0019] 澆鑄前，模具內(nèi)壁噴涂濕涂料，涂料的厚度為0. 6?I. 0mm。
[0020] 步驟3)中，將鑄件迅速冷至440?480°C的方法是采用水激冷10?20s。
[0021] 步驟3)中所述保溫的時間為2?3h ;步驟4)中所述保溫的時間為3h。
[0022] 本發(fā)明的多元微合金化貝氏體灰鑄鐵，通過優(yōu)化合金成分，在普通合金灰鑄鐵的 基礎(chǔ)上加入適量的Nb、V、Ti等強(qiáng)碳化物形成元素，輔以B、N元素，降低貴重合金元素 Mo的 使用，完全不使用貴重合金元素 Ni,明顯降低生產(chǎn)成本；利用Nb、V、Ti等強(qiáng)碳化物形成元 素輔以B、N元素在貝氏體基體上析出大量的碳、氮化物，形成數(shù)量眾多的第二相質(zhì)點(diǎn)，在氣 體氮化過程中能有效防止貝氏體基體的轉(zhuǎn)變，阻礙晶粒的長大，從而提高貝氏體基體的高 溫組織穩(wěn)定性，保證其高溫強(qiáng)度仍維持在較高水平，高溫組織性能優(yōu)異；鑄態(tài)貝氏體基體的 抗拉強(qiáng)度可達(dá)540MPa左右，在氣體氮化溫度550?580°C保溫20h，其強(qiáng)度指標(biāo)仍可維持在 420MPa左右，滿足高溫高速重載環(huán)境下所需氮化汽缸套的需要；而目前普遍采用的貝氏體 基體的汽缸套材質(zhì)在鑄態(tài)條件下其抗拉強(qiáng)度僅420MPa左右，在氮化溫度550?580°C下保 持20h，其抗拉強(qiáng)度下降至330MPa以下，遠(yuǎn)不能滿足高溫高速重載發(fā)動機(jī)汽缸套生產(chǎn)的需 要。本發(fā)明的多元微合金化貝氏體灰鑄鐵，適用于制造高溫高速重載發(fā)動機(jī)汽缸套，尤其適 用于制造大功率、高溫、高速、重載、高性能、低油耗、低排放標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)汽缸套。
[0023] 本發(fā)明的多元微合金化貝氏體灰鑄鐵汽缸套，通過優(yōu)化合金成分，利用Nb、V、Ti 等強(qiáng)碳化物形成元素在鑄態(tài)貝氏體基體上形成數(shù)量眾多的碳化物質(zhì)點(diǎn)，有效防止貝氏體組 織的轉(zhuǎn)變，阻礙晶粒的長大；再利用輔加元素 B、N與Nb、V、Ti元素形成化合物來強(qiáng)化貝氏 體基體，使其高溫組織穩(wěn)定性較好，高溫性能維持在較高水平；鑄態(tài)貝氏體基體的抗拉強(qiáng)度 可達(dá)540MPa左右，在氣體氮化溫度550?580°C保溫20h，其強(qiáng)度指標(biāo)仍可維持在420MPa 左右，符合貝氏體基體汽缸套在高溫高速重載苛刻環(huán)境下的服役要求，滿足高溫高速重載 發(fā)動機(jī)的需要。
[0024] 本發(fā)明的多元微合金化貝氏體灰鑄鐵及汽缸套，相對于專利CN100510365C公開 的汽缸套，通過優(yōu)化合金成分，增加了合金元素 B和N，節(jié)省了貴重金屬M(fèi)o的使用，相應(yīng)的 主要合金元素的使用量較低，降低了原料成本；所得復(fù)合貝氏體基體，耐磨性得到明顯提 高，其標(biāo)準(zhǔn)試棒的抗拉強(qiáng)度高達(dá)540MPa，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的汽缸套材質(zhì)；同時，克服了貝氏體基 體高溫組織穩(wěn)定性差的問題，本發(fā)明的貝氏體基體灰鑄鐵及汽缸套能進(jìn)行高溫氣體氮化處 理，進(jìn)而滿足高溫高速重載發(fā)動機(jī)的需要。
[0025] 本發(fā)明的多元微合金化貝氏體灰鑄鐵，相對于專利CN102747267B公開的灰鑄鐵， 在合金成分上降低了 C的含量，使得灰鑄鐵的韌性得到明顯改善；基體組織為貝氏體組織， 明顯不同于專利CN102747267B所公開的基體組織為珠光體基體的灰鑄鐵；同時增加了 B、 Nb元素，通過優(yōu)化合金成分，所得貝氏體基體具有較高的高溫組織穩(wěn)定性，保證其高溫強(qiáng)度 仍維持在較高水平，高溫組織性能優(yōu)異，能滿足高溫高速重載發(fā)動機(jī)汽缸套材質(zhì)的需要。
[0026] 本發(fā)明的多元微合金化貝氏體灰鑄鐵汽缸套的制備方法，在離心鑄造大生產(chǎn)工況 條件下，能穩(wěn)定地生產(chǎn)出鑄態(tài)貝氏體基體的NbVTi合金灰鑄鐵汽缸套，滿足苛刻服役環(huán)境 下的需要；所得鑄態(tài)貝氏體基體高溫組織穩(wěn)定性優(yōu)良，能滿足高溫高速重載發(fā)動機(jī)的需要； 具有操作簡單、生產(chǎn)過程容易控制、生產(chǎn)成本降低的特點(diǎn)，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1為實(shí)施例1所得汽缸套原始鑄態(tài)顯微組織的SEM圖；
[0028] 圖2為實(shí)施例1所得汽缸套不同溫度保溫后的SEM圖，其中（a)為560°C保溫IOh 后的顯微組織，（b)為580°C保溫IOh后的顯微組織，（c)為580°C保溫20h后的顯微組織， (d)為600°C保溫IOh后的顯微組織；
[0029] 圖3為實(shí)施例2所得汽缸套原始鑄態(tài)顯微組織的SEM圖；
[0030] 圖4為實(shí)施例2所得汽缸套不同溫度保溫后的SEM圖，其中（a)為560°C保溫IOh 后的顯微組織，（b)為580°C保溫IOh后的顯微組織，（c)為580°C保溫20h后的顯微組織； (d)為600°C保溫IOh后的顯微組織；
[0031] 圖5為實(shí)施例3所得汽缸套原始鑄態(tài)顯微組織的SEM圖；
[0032] 圖6為實(shí)施例3所得汽缸套不同溫度保溫后的SEM圖，其中（a)為560°C保溫IOh 后的顯微組織，（b)為580°C保溫IOh后的顯微組織，（c)為580°C保溫20h后的顯微組織； (d)為600°C保溫IOh后的顯微組織。

【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0034] 實(shí)施例1
[0035] 本實(shí)施例的多元微合金化貝氏體灰鑄鐵，由以下重量百分比的組分組成：碳 2. 70%，硅 L 80%，錳 0· 30%，磷 0· 05%，硫 0· 05%，銅 0· 3%，鑰 0· 10%，硼 0· 01%，鉻 0· 35%，氮 0. 04%，鈮 0. 2%，釩 0. 25%，鈦 0. 025% ;余量為 Fe。
[0036] 本實(shí)施例的多元微合金化貝氏體灰鑄鐵汽缸套，由以下重量百分比的組分組成： 碳 2. 70%，硅 L 80%，錳 0· 30%，磷 0· 05%，硫 0· 05%，銅 0· 3%，鑰 0· 10%，硼 0· 01%，鉻 0· 35%，氮 0. 04%，鈮 0. 2%，釩 0. 25%，鈦 0. 025% ;余量為 Fe。
[0037] 本實(shí)施例的多元微合金化貝氏體灰鑄鐵汽缸套的制備方法，包括下列步驟：
[0038] 1)按以下重量百分比的組分準(zhǔn)備原料：碳2. 70%，硅1. 80%，錳0. 30%，磷0. 05%， 硫 0. 05%，銅 0. 3%，鑰 0. 10%，硼 0. 01%，鉻 0. 35%，氮 0. 04%，鈮 0. 2%，釩 0. 25%，鈦 0. 025% ;余 量為Fe ;將原料生鐵、廢鋼、鐵屑放入電爐中熔煉成鐵液，再加入硅鐵、錳鐵、電解銅、VTi生 鐵、鈮鐵、硼鐵到鐵液中進(jìn)行熔煉，得混合料；
[0039] 2)將混合料加熱至1450°C，待固體完全熔化IOmin后，加入Si-Sr-Zr孕育劑進(jìn)行 一次孕育，孕育劑的加入量是混合料質(zhì)量的0. 6%，控制出爐溫度為1450°C，得混合鐵液；
[0040] 3)采用離心澆鑄工藝，將混合鐵液澆鑄到模具中，澆鑄前模具內(nèi)壁噴涂濕涂料，涂 料的厚度為〇. 6mm，控制模具溫度為450°C ;澆鑄溫度為1380°C，澆鑄轉(zhuǎn)速為1200r/min，力口 入Si-Sr孕育劑進(jìn)行二次孕育，孕育劑的加入量是混合鐵液質(zhì)量的0. 1%，控制鑄件的出模 溫度在860°C，出模后采用水激冷20s將鑄件迅速冷至450°C，再在溫度為460°C的保溫箱中 保溫3h，得汽缸套毛坯；
[0041] 4)熱處理：將步驟3)所得汽缸套毛坯加熱至590°C并保溫3h，后空冷至室溫，即 得鑄態(tài)貝氏體基體的汽缸套。
[0042] 其中，汽缸套毛述中8. 5kg,毛述內(nèi)孔0102.5?丨03.5mm，總長225mm。在熱處理之 前可對汽缸套毛坯進(jìn)行機(jī)加工：將汽缸套毛坯加工成半成品，內(nèi)孔和外圓留0. 5_余量；半 成品單邊缸壁厚度為8mm，預(yù)冷時間為36秒。
[0043] 為了驗(yàn)證灰鑄鐵汽缸套的高溫組織穩(wěn)定性及相應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)，將本實(shí)施例所得灰 鑄鐵汽缸套在560?600°C的溫度范圍模擬氣體氮化環(huán)境下的組織性能進(jìn)行比較。結(jié)果如 表1所示。其中，對比例為專利CN100510365C所公開的灰鑄鐵汽缸套。
[0044] 表1實(shí)施例1所得灰鑄鐵汽缸套的機(jī)械性能檢測結(jié)果
[0045]

【權(quán)利要求】
1. 一種多元微合金化貝氏體灰鑄鐵，其特征在于：由以下重量百分比的組分組成：碳 2. 70% ?2. 95%，硅 L 80% ?2. 15%，錳 0? 30% ?0? 55%，O < 磷彡 0? 1%，O < 硫彡 0? 1%，銅 0? 3% ?0? 5%，鑰 0? 10% ?0? 18%，硼 0? 01% ?0? 05%，鉻 0? 35% ?0? 60%，氮 0? 04% ?0? 10%， 鈮 0? 2% ?0? 4%，釩 0? 25% ?0? 35%，鈦 0? 025% ?0? 065% ;余量為 Fe。
2. -種多元微合金化貝氏體灰鑄鐵汽缸套，其特征在于：由以下重量百分比的組分組 成：碳 2. 70% ?2. 95%，硅 L 80% ?2. 15%，錳 0? 30% ?0? 55%，0 <磷彡 0? 1%，0 <硫彡 0? 1%， 銅 0? 3% ?0? 5%，鑰 0? 10% ?0? 18%，硼 0? 01% ?0? 05%，鉻 0? 35% ?0? 60%，氮 0? 04% ?0? 10%， 鈮 0? 2% ?0? 4%，釩 0? 25% ?0? 35%，鈦 0? 025% ?0? 065% ;余量為 Fe。
3. -種如權(quán)利要求2所述的多元微合金化貝氏體灰鑄鐵汽缸套的制備方法，其特征在 于：包括下列步驟： 1) 按以下重量百分比的組分準(zhǔn)備原料：碳2. 70%?2. 95%，硅1. 80%?2. 15%，錳 0? 30% ?0? 55%，0 < 磷彡 0? 1%，0 < 硫彡 0? 1%，銅 0? 3% ?0? 5%，鑰 0? 10% ?0? 18%，硼 0? 01% ?0? 05%，鉻 0? 35% ?0? 60%，氮 0? 04% ?0? 10%，鈮 0? 2% ?0? 4%，釩 0? 25% ?0? 35%， 鈦0. 025%?0. 065% ;余量為Fe ;熔煉原料，得混合料； 2) 將混合料加熱至1450?1550°C，待固體完全熔化，出爐后順流加入第一孕育劑進(jìn)行 一次孕育，控制出爐溫度為1450?1530°C，得混合鐵液； 3) 采用離心澆鑄工藝，將混合鐵液澆鑄到模具中，澆鑄溫度為1300?1420°C，澆鑄 轉(zhuǎn)速為1200?1250r/min，加入第二孕育劑進(jìn)行二次孕育，控制鑄件的出模溫度為850? 900°C，出模后將鑄件迅速冷至440?480°C，保溫，得汽缸套毛坯； 4) 熱處理：將步驟3)所得汽缸套毛坯加熱至550?590°C并保溫，后空冷至室溫，即 得。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多元微合金化貝氏體灰鑄鐵汽缸套的制備方法，其特征在 于：步驟2)中所述出爐的時間為固體完全熔化IOmin后。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多元微合金化貝氏體灰鑄鐵汽缸套的制備方法，其特征在 于：步驟2)中所述第一孕育劑為Si-Sr-Zr孕育劑；所述第一孕育劑的加入量是混合料質(zhì)量 的 0. 6%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多元微合金化貝氏體灰鑄鐵汽缸套的制備方法，其特征在 于：步驟3)中所述第二孕育劑為Si-Sr孕育劑；所述第二孕育劑的加入量是混合鐵液質(zhì)量 的 0? 1%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多元微合金化貝氏體灰鑄鐵汽缸套的制備方法，其特征在 于：步驟3)中，澆鑄前控制模具溫度為400?450°C。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3或7所述的多元微合金化貝氏體灰鑄鐵汽缸套的制備方法，其特征 在于：燒鑄前，模具內(nèi)壁噴涂濕涂料，涂料的厚度為0. 6?I. 0mm。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多元微合金化貝氏體灰鑄鐵汽缸套的制備方法，其特征在 于：步驟3)中，將鑄件迅速冷至440?480°C的方法是采用水激冷10?20s。
10. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多元微合金化貝氏體灰鑄鐵汽缸套的制備方法，其特征在 于：步驟3)中所述保溫的溫度為460°C，時間為2?3h ;步驟4)中所述保溫的時間為3h。
【文檔編號】F02F1/00GK104313454SQ201410029923
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】熊毅, 張凌峰, 劉治軍, 姚懷, 游龍, 陳路飛, 秦小才 申請人:河南科技大學(xué)