CN114262838B - 一种高锡合金铸铁及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高锡合金铸铁，成分为：C：2.5～3.4wt％，S：≤0.12wt％，Si：1.4～2.4wt％，P：0.1～0.4wt％，Mn：0.9～1.4wt％，Cr：0.2～0.5wt％，Sn：0.1～0.35wt％，Cu：0.7～1.2wt％，Nb：0.05～0.20wt％，余量为Fe。本发明制备的高锡合金铸铁气缸套，实现了灰铸铁气缸套机械性能和耐磨性、耐蚀性、耐热性能的良好结合，本发明提供了一种综合性能较好、可适用于特殊工作环境的气缸套材料。本发明还提供了一种高锡合金铸铁的制备方法和应用。

Description

一种高锡合金铸铁及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于铸铁合金技术领域，尤其涉及一种高锡合金铸铁及其制备方法和应用。

背景技术

气缸套作为汽车发动机的核心零件，工作过程中，始终与活塞环及活塞裙部发生高速滑动摩擦，并承受活塞的“拍击”，使缸套剧烈振动，会在缸套外侧和冷却液之间形成一个低压区，低压区里冷却液气化形成气泡，缸套的连续振动，使低压气泡缸套外壁发生连续爆炸。缸套外侧的氧化膜便产生许多小孔，随后产生的气泡极易在这些小孔处滞留，然后气泡继续破裂，使原先的孔洞不断扩大，同时内表受高温高压燃气直接作用，外表与冷却液接触，在较大温差下产生严重热应力，受冷却液腐蚀，加速了破坏速度。

特殊的工作环境，要求气缸套材料有足够的强度、耐磨和耐热性能，还应具有较好的耐蚀性能，尤其是发动机行业的发展对气缸套提出来更高的要求，目前，通过合金化获得的缸套材料难以兼具以上优良性能，因此，开发一种综合性能较高的铸铁材料为本领域亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高锡合金铸铁及其制备方法和应用，本发明提供的高锡合金铸铁用于气缸套具有较好的性能。

本发明提供了一种高锡合金铸铁，成分为：

C：2.5～3.4wt％，

S：≤0.12wt％，

Si：1.4～2.4wt％，

P：0.1～0.4wt％，

Mn：0.9～1.4wt％，

Cr：0.2～0.5wt％，

Sn：0.1～0.35wt％，

Cu：0.7～1.2wt％，

Nb：0.05～0.20wt％，

余量为Fe。

优选的，所述Mn的质量含量为1.0～1.2％。

优选的，所述Cr的质量含量为0.25～0.4％。

优选的，所述Sn的质量含量为0.15～0.3％。

优选的，所述Cu的质量含量为0.85～1.1％。

优选的，所述Nb的质量含量为0.08～0.15％。

优选的，所述高锡合金铸铁的金相组织为片状石墨和细片状珠光体，基体中分布有含铌碳化物。

本发明提供了一种上述技术方案所述的高锡合金铸铁的制备方法，包括：

将原料熔炼，得到合金液；

将所述合金液进行铸造，得到毛坯；

将所述毛坯冷却后再进行热处理，得到高锡合金铸铁。

优选的，所述熔炼的温度为1480～1550℃。

本发明提供了一种气缸套，包括：上述技术方案所述的高锡合金铸铁。

本发明提供的合金灰铸铁材料，在Sn含量较高的灰铸铁中，通过添加元素Mn、Cr来增加珠光体含量，添加适当的Cu细化珠光体，以提高基体强度，加入少量的Nb提高其耐磨性，并在Sn的作用下，降低了铸铁自身的电化学腐蚀驱动力，使腐蚀速率下降；本发明运用该材料生产实施了一种高锡合金铸铁气缸套，经离心铸造成型后，采用去应力退火处理使其组织均匀，得到的气缸套硬度为270～350HBW，抗拉强度≥380MPa，弹性模量＞140GPa，经检验其耐蚀性可达到耐蚀铸铁水平，导热系数和热膨胀系数为亦满足气缸套工况要求。本发明制备的高锡合金铸铁气缸套，实现了灰铸铁气缸套机械性能和耐磨性、耐蚀性、耐热性能的良好结合，提供了一种综合性能较好、可适用于特殊工作环境的气缸套材料。

附图说明

图1为本发明实施例1制备得到的气缸套材料的石墨金相图片；

图2为本发明实施例1制备得到的气缸套材料的基体组织金相图片；

图3为本发明实施例2制备得到的气缸套材料的石墨金相图片；

图4为本发明实施例2制备得到的气缸套材料的基体组织金相图片。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种高锡合金铸铁，成分为：

C：2.5～3.4wt％，

S：≤0.12wt％，

Si：1.4～2.4wt％，

P：0.1～0.4wt％，

Mn：0.9～1.4wt％，

Cr：0.2～0.5wt％，

Sn：0.1～0.35wt％，

Cu：0.7～1.2wt％，

Nb：0.05～0.20wt％，

余量为Fe。

在本发明中，可通过降低碳当量的方法来减少石墨数量，细化石墨，并通过控制碳硅比，提高抗拉强度。

在本发明中，所述C的质量含量优选为2.6～3.0％，更优选为2.7～2.9％，最优选为2.8％。

在本发明中，所述S的质量含量优选≤0.12％，更优选≤0.08％，最优选≤0.06％。

在本发明中，所述Si的质量含量优选为1.7～2.3％，更优选为1.9～2.3％，更优选为2.0～2.2％，最优选为2.1％。

在本发明中，P在铸铁中形成磷共晶，存在于晶界，可提高硬度和耐磨性，但降低材料韧性，增加冷冽倾向。

在本发明中，所述P的质量含量优选为0.1～0.3％，更优选为0.1～0.2％，最优选为0.15％。

在本发明中，Mn起到中和铁液中硫的作用，超量的Mn增多珠光体含量，一般铸件含锰量在1.0％以下。在本发明中，为获得高强度珠光体基体的灰铸铁，所述Mn的质量含量优选为1.0～1.2％，更优选为1.05～1.15％，最优选为1.1％。

在本发明中，Cr可抑制铁素体形核，促进和细化珠光体组织，但过量的Cr会形成大量游离碳化物，增加机加工难度。

在本发明中，所述Cr的质量含量优选为0.25～0.4％，更优选为0.28～0.35％，最优选为0.3～0.32％。

在本发明中，Sn对石墨无明显影响，能够促进和细化珠光体，组织较致密，且消除了铁素体，减少了铁素体和石墨组成的腐蚀原电池数量，而且Sn固溶在基体中，提高了基体的电极电位，降低了铸铁自身的电化学腐蚀驱动力，使腐蚀速率下降。

在本发明中，所述Sn的质量含量优选为0.15～0.3％，更优选为0.2～0.3％，最优选为0.25％。

在本发明中，Cu可细化石墨，改善其分布形态，并细化珠光体，提高耐磨性、耐蚀性和可切削性能；随着灰铸铁中含铜量增加，材料抗拉强度和硬度提高。

在本发明中，所述Cu的质量含量优选为0.85～1.1％，更优选为0.9～1.0％，最优选为0.95％。

在本发明中，Nb既不促进石墨化也不阻碍石墨化，在铁液中凝固形成NbC、NbN及Nb(C,N)，提高基体的耐磨性。

在本发明中，所述Nb的质量含量优选为0.08～0.15％，更优选为0.1～0.15％，最优选为0.12～0.13％。

在本发明中，所述余量优选还包括不可避免的杂质。

本发明提供了一种上述技术方案所述的高锡合金铸铁的制备方法，包括：

将原料熔炼，得到合金液；

将所述合金液进行铸造，得到毛坯；

将所述毛坯冷却后再进行热处理，得到高锡合金铸铁。

在本发明中，所述原料的成分优选上述技术方案所述高锡合金铸铁的成分一致，更优选为：

C：2.5～3.4wt％，

S：≤0.12wt％，

Si：1.4～1.8wt％，

P：0.1～0.4wt％，

Mn：0.9～1.4wt％，

Cr：0.2～0.5wt％，

Sn：0.1～0.35wt％，

Cu：0.7～1.2wt％，

Nb：0.05～0.20wt％，

余量为Fe及不可避免的微量杂质。

在本发明中，所述C的质量含量优选为2.6～3.0％，更优选为2.7～2.9％；S的质量含量优选≤0.08％，更优选≤0.06％；Si的质量含量优选为1.5～1.8％，更优选为1.6～1.75％；P的质量含量优选为0.1～0.3％，更优选为0.1～0.2％；Mn的质量含量优选为1.0～1.2％，更优选为1.05～1.15％；Cr的质量含量优选为0.25～0.4％，更优选为0.28～0.35％；Sn的质量含量优选为0.15～0.3％，更优选为0.2～0.3％；Cu的质量含量优选为0.85～1.1％，更优选为0.9～1.0％；Nb的质量含量优选为0.08～0.15％，更优选为0.1～0.15％。

在本发明中，所述熔炼的温度优选为1480～1550℃，更优选为1500～1530℃，最优选为1510～1520℃。

在本发明中，所述熔炼后优选还包括：

将熔炼后的合金液保温静置一段时间后出炉。

在本发明中，所述保温静置的温度优选为1490～1520℃，更优选为1500～1510℃。

在本发明中，所述铸造的方法优选为离心铸造，优选采用离心铸造的方式孕育浇注铁水，凝固成型后脱模，得到毛坯。

在本发明中，所述脱模的温度优选为700～850℃，更优选为750～800℃，最优选为760～780℃。

在本发明中，所述冷却的方法优选包括：

先进行风冷再进行空冷。

在本发明中，所述风冷优选冷却至550～650℃，更优选为580～620℃，最优选为600℃。

在本发明中，所述热处理的方法优选为去应力退火；所述热处理的温度优选为540～560℃，更优选为545～555℃，最优选为550℃；所述热处理的时间优选为2.5～3.5小时，更优选为2.8～3.2小时，最优选为3小时。

本发明提供了一种气缸套，包括：上述技术方案所述的高锡合金铸铁。

本发明提供了一种合金铸铁，在Sn含量较高的灰铸铁中，添加元素Mn、Cr提高基体强度，添加适当的Cu以促进珠光体转变，加入少量的Nb提高其耐腐蚀性能，最后经过去应力退火处理使其组织均匀。本发明提供的高锡合金铸铁制备的气缸套具有较高的强度和弹性模量，耐腐蚀性能达到耐蚀铸铁级别，热膨胀系数及导热性能亦可以满足气缸套工况要求。本发明提供的高锡合金铸铁的硬度为270～350HBW；抗拉强度为≥380MPa；弹性模量为＞140GPa。

实施例1

按配比将原材料熔炼，熔炼温度1534℃，在1510℃保温静置一段时间后出炉，采用离心铸造的方式孕育浇注铁水，凝固成型后脱模，脱模温度为812℃，将得到的毛坯风冷至610℃后空冷，再进行去应力退火，退火温度545℃，退火时间3h，得到高锡合金铸铁气缸套。

采用GB/T 24234《铸铁多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法(常规法)》，检测本发明实施例1制备的产品成分为：C：2.78wt％，S：0.046wt％，Si：2.2wt％，P：0.15wt％，Mn：1.09wt％，Cr：0.33wt％，Sn：0.266wt％，Cu：1.052wt％，Nb：0.147wt％，余量为Fe及不可避免的微量杂质。

对本发明实例1制备得到的产品进行金相组织检测，检测结果如图1和图2所示，通过金相组织观察可知，本发明实例1制备得到的产品金相组织为片状石墨和细片状珠光体，基体中分布有含铌碳化物。

对本发明实例1制备得到的气缸套材料进行硬度、抗拉强度和弹性模量检测，检测方法分别为GB/T 231.1《金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》、GB/T228《金属材料室温拉伸试验方法》、ASTME 1876-2015《动态杨氏模量剪切模量的标准测试方法和脉冲激励振动的泊松比》；检测结果为硬度321HBW，抗拉强度为426MPa，弹性模量为142GPa。

按照JB/T 7901《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》方法，测试本发明实施例1制备产品的耐蚀性，检测结果为，腐蚀失重量为42.7mg，平均腐蚀深度4.7μm；达到耐蚀铸铁水平。

按照GB/T 22588《闪光法测量热扩散系数或导热系数》方法，测定本发明实施例1制备的产品在350℃(工作温度)下的导热系数，按照GB/T 4339《金属材料热膨胀特征参数的测定》方法，测定本发明实施例1制备的产品在350℃(工作温度)下的热膨胀系数，检测结果显示，导热系数平均为33.73w/(m.K)，热膨胀系数平均为13.06μm/(m·℃)，满足气缸套工况要求。

实施例2

按配比将原材料熔炼，熔炼温度1534℃，在1505℃保温静置一段时间后出炉，采用离心铸造的方式孕育浇注铁水，凝固成型后脱模，脱模温度为804℃，将得到的毛坯风冷至590℃后空冷，再进行去应力退火，退火温度555℃，退火时间3h，得到高锡合金铸铁气缸套。

按照实施例1的方法，对本发明实施例2制备的产品进行成分检测，检测结果为：C：2.86wt％，S：0.053wt％，Si：2.08wt％，P：0.12wt％，Mn：1.13wt％，Cr：0.30wt％，Sn：0.281wt％，Cu：0.983wt％，Nb：0.133wt％，余量为Fe及不可避免的微量杂质。

对本发明实例2制备的产品进行金相组织检测，检测结果如图3和图4所示，通过金相组织观察可知，本发明实例2制备的产品金相组织为片状石墨和细片状珠光体，基体中分布有含铌碳化物。

按照实施例1的方法，对本发明实施例2制备的产品进行性能检测，检测结果为，硬度为310HBW，抗拉强度为415MPa，弹性模量为145Gpa；腐蚀失重量为53.8mg，平均腐蚀深度5.9μm，达到耐蚀铸铁水平；在350℃(工作温度)下，导热系数平均为34.85w/(m.K)，热膨胀系数平均为12.86μm/(m·℃)，满足气缸套工况要求。

本发明提供了一种合金铸铁，在Sn含量较高的灰铸铁中，添加元素Mn、Cr提高基体强度，添加适当的Cu以促进珠光体转变，加入少量的Nb提高其耐腐蚀性能，最后经过去应力退火处理使其组织均匀。本发明提供的高锡合金铸铁制备的气缸套具有较高的强度和弹性模量，耐腐蚀性能达到耐蚀铸铁级别，热膨胀系数及导热性能亦可以满足气缸套工况要求。本发明提供的高锡合金铸铁的硬度为270～350HBW；抗拉强度为≥380MPa；弹性模量为＞140GPa。

虽然已参考本发明的特定实施例描述并说明本发明，但是这些描述和说明并不限制本发明。所属领域的技术人员可清晰地理解，在不脱离如由所附权利要求书定义的本发明的真实精神和范围的情况下，可进行各种改变，以使特定情形、材料、物质组成、物质、方法或过程适宜于本申请的目标、精神和范围。所有此类修改都意图在此所附权利要求书的范围内。虽然已参考按特定次序执行的特定操作描述本文中所公开的方法，但应理解，可在不脱离本发明的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非本文中特别指示，否则操作的次序和分组并非本申请的限制。

Claims (5)

1.一种高锡合金铸铁，成分为：

C：2.6～3.0wt％，

S：≤0.12wt％，

Si：1.4～2.4wt％，

P：0.1～0.4wt％，

Mn：1.0～1.2wt％，

Cr：0.25～0.4wt％，

Sn：0.15～0.30wt％，

Cu：0.85～1.1wt％，

Nb：0.08～0.15wt％，

余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的高锡合金铸铁，其特征在于，所述高锡合金铸铁的金相组织为片状石墨和细片状珠光体，基体中分布有含铌碳化物。

3.一种权利要求1所述的高锡合金铸铁的制备方法，包括：

将原料熔炼，得到合金液；

将所述合金液进行铸造，得到毛坯；

将所述毛坯冷却后再进行热处理，得到高锡合金铸铁。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述熔炼的温度为1480～1550℃。

5.一种气缸套，包括：权利要求1所述的高锡合金铸铁。

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