奧氏體灰鑄鐵材料及其製備方法
2023-05-02 17:35:06
專利名稱：奧氏體灰鑄鐵材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種合金材料，具體來說是活塞上的鑲圈用的鑄鐵材料。
背景技術：
活塞鑲圈是在活塞第一環槽部位鑲嵌的一個環形圓圈，它一般 是奧氏體灰鑄鐵材料，其主要作用是提高活塞環槽處的耐磨性、耐熱 性，增強活塞與活塞環的密封性能，從而提高活塞的使用壽命和內燃 機運行的可靠性。用奧氏體灰鑄鐵做內燃機活塞鑲圈，是因為這種材料的熱膨脹係數非常接近鑄造鋁合金的熱膨脹係數(21X10—7°c)，而且其耐磨性、導熱性好，有良好的力學性能和機械加工性能。現有鑲圈材料一般採用國際標準IS02892《奧氏體鑄鐵》中牌號 為L-NiCuCrl562的奧氏體灰鑄鐵，其化學成分(重量百分比)是C《3. 0%，Sil. 0 2. 8%，MnO. 5 1. 5%，Nil3. 5% 17. 5%， Cu5. 5 7.5%， Crl.0 2. 5%，餘量為Fe。這種奧氏體灰鑄鐵的力學性能(隨 鑄件一起澆注的試樣的測試數據)彈性模數E為85 105X103MPa;抗拉強度o b為170 210MPa; 硬度為140 200 HBS。物理性能(隨鑄件一起澆注的試樣的測試數據)
密度P為7. 3 g/cm3;熱導率入為37. 7 41. 9W/m K;熱膨脹系 數a為18. 7X10—7K。在這種鑄鐵中，Ni發揮著重要作用，主要表現在使共晶點向 左向上移動，每增加5。/。Ni，共晶含碳量減低0.4%，每增加P/。Ni，提 高共晶溫度約6°C。 Ni溶於Fe，加速Fe的自擴散速度，減弱Fe與C 的結合力，因而促進石墨化，其作用相當於Si的1/3。 Ni溶於奧氏 體，使其強化，提高鑄鐵的強度和硬度。Ni的主要作用是擴大奧氏 體區，鎳含量合適時，室溫下獲得穩定的奧氏體組織。但是，鎳是稀有金屬，價格昂貴，這種材料的鎳含量高達13. 5% 17.5%，因此使這種鑲圈材料成本及價格較高。因此，有必要開發---種新型的合金材料以替代現在的L-NiCuCrl562，在降低材料成本的 前提下要保證新的合金材料符合活塞鑲圈的要求。中國專利文獻CN 1526843A介紹了一種低鋁低鎳中錳奧氏體鑄鐵 及其工藝方法，其化學成分(重量百分比)為C3.0 4.0%， Si2.0 3.0%， Mn8.0 10.0%， Nil.0 4. 0%， Cu<3. 0%， AKO. 3%。該文獻 記載，這種奧氏體鑄鐵適用於工作溫度低於50(TC的電器設備零件以 及發動機活塞鑲圈和缸套。但這種鑄鐵如用作活塞鑲圈材料，存在的 不足是這種材料Mn含量高，會使奧氏體基體具有類似高錳鋼的特 性，很容易加工硬化而導致鑄件無法加工；成分配比易使組織中出現 B型、C型、F型等石墨形態，影響鑄件性能；工藝中的隨流孕育方 法使孕育劑的加入量不易精確控制，增加了批量生產的難度；鑄件中 易出現氣孔、夾渣等缺陷。因此，綜合考慮，這種鑄鐵材料並不是理 想的活塞鑲圈材料，無法真正取代L-NiCuCrl562。中國專利文獻CN 1055772A也公開了一種鑄鐵材料，但用於鑲圈 材料所體現出來的不足是鑄鐵的強度性能和耐磨性能都相當高，因 而降低了材料的機械加工性能，造成刀具磨損快。因此，在活塞鑲圈 材料上推廣應用有其局限性。然而，由於合金材料所體現出來的特性是合金中各元素相互影 響、相互作用的結果，某一元素含量的調整都會影響合金材料的綜合 性能，而特別是Ni在奧氏體合金中的作用是廣泛的，所以如果單純 降低Ni元素的含量，將會影響最終合金材料的性能，難以符合活塞 鑲圈的要求。因此，目前還沒有現成的合金材料可以使用。這也是研 發新的L-NiCuCrl562替代產品的一個難點，即在降低鎳含量的同時， 要保證新的合金材料的力學性能和物理性能與現有的L-NiCuCr1562 性能接近或相當，才能滿足活塞鑲圈的使用性能和加工性能的要求。 發明內容針對目前的活塞鑲圈合金材料中鎳含量高造成的成本和價格高 的問題，本發明的目的在於提供一種新的低Ni活塞鑲圈合金材料， 以降低這種活塞鑲圈的成本及價格。為了實現本發明的第一個目的，採用如下技術方案 一種奧氏體 灰鑄鐵材料，其化學成分按重量百分比計為Cl. 5 2. 9%， Sil. 5 3. 0%， Mn5. 0 7. 5%， Ni5. 0 8. 0%， Cu3. 0 6.0%， 0<A1《0. 3%，雜質《0. 25。/。，其餘為Fe。Cr是非添加元素，為熔煉過程中從生鐵、廢鋼中帶入，視為雜
質元素；另外，P， S等是有害元素， 一般是從生鐵、廢鋼中帶入的， 也視為雜質，其總量應控制在0. 1%以內。更優選的是，這種奧氏體灰鑄鐵材料的化學成分按重量百分比計為C2. 6%， Si2.8%， Mn6. 9%， Ni6. 2%， Cu4. 9%， A10. 3°/。，雜質《 0. 25%，餘量為Fe。本發明還提供了這種奧氏體鑄鐵材料的製備方法，其特徵在於(1) 將生鐵、廢鋼、75錳鐵、75矽鐵、電解鎳、電解銅、回爐料等 原材料，根據本發明材料中各元素的含量及各原材料中對應元素的含 量進行配比計算後，按一定比例和加料順序加入中頻感應爐中；(2) 待爐內鐵水溫度達145(TC時，加入碎玻璃進行聚渣，撈渣；(3) 在澆包內加入75矽鐵和ZL109碎塊作為孕育劑；當鐵水溫度 達150(TC時，倒入上述澆包，進行包內孕育；(5)於145(TC以上進行澆注，澆注成離心鑄造毛坯。由於澆包內高溫鐵水遇到水時會產生飛濺，因此在加入75矽鐵 和ZL109碎塊前可以先將75矽鐵和ZL109碎塊進行預熱烘乾，預熱 溫度可以為20(TC左右。本發明選用1. 5 2. 9%的含碳量和1.5 3.0%的含矽量，在於碳 矽合適的搭配，使碳矽含量接近有利於鑄鐵按Fe-C平衡相圖的穩定 系進行結晶的碳矽含量，促進石墨化，從而形成奧氏體-石墨共晶組 織，而不是按介穩定繫結晶的萊氏體(即奧氏體-滲碳體)組織。碳 過低會缺少石墨核心，不利於石墨化；碳過高則會有先共晶石墨產生， 惡化鑄件組織和性能。矽過低，減弱促進石墨化的作用；矽過高，會
縮小奧氏體區，不利於形成室溫奧氏體。本發明選用5. 0 8.0%的鎳含量和5. 0 7.5%的錳含量以及 3.0 6.0%的銅含量，在於鎳錳銅合適的搭配，使奧氏體區擴大，使 共析轉變溫度降至室溫以下，利於在室溫下獲得奧氏體基體組織，同 時鎳銅亦促進石墨化。鎳錳銅含量過低，室溫下易出現非奧氏體基體 組織。鎳過高則增加材料成本，有違發明本意；錳過高，錳易與碳、 鐵結合形成合金滲碳體(FeMn) 3C，出現白口組織，使鑄件硬度提高， 惡化機械加工性能，同時奧氏體基體含錳高，會使基體具有高錳鋼的 特性，即很容易加工硬化而相當耐磨，使鑄件無法進行機械加工；銅 過高，則會以單質銅的形式析出於組織之中，於鑄件性能不利，同時 銅過剩亦是資源浪費。本發明把鎳的含量降低到5. 0 8. 0%，大幅度降低了貴重金屬鎳 的用量，同時適當的降低銅含量，把鉻作為非添加元素進行控制，在 降低了材料成本的同時，使材料的金相組織和各種性能接近或達到 L-NiCuCrl562材料的水平，能夠滿足活塞鑲圈合金材料的需要。同時， 除能夠用於活塞鑲圈外，也可以應用作其它合金製品。本發明的製備方法中，在合金熔煉時不加入鋁，而是利用鋁在用 量小於4%時強烈地促進石墨化的特性，在澆包中加入ZL109碎塊， 進行包內孕育處理。不但可避免因在合金熔煉時加入鋁而帶來的氧 化、燒損，使鑄件產生氣孔、夾渣的缺陷；而且，同時採用75矽鐵 和ZL109在澆包內進行孕育處理，鑄件獲得奧氏體基體和A型石墨及 少量的碳化物，鑄件的硬度適合於機械加工而又具有耐磨性。同時， 可精確控制鋁的加入量。
圖1為實施例1中鑄鐵石墨形態的金相顯微組織照片。圖2為實施例1中鑄鐵碳化物含量及分布的金相顯微組織照片。 圖3為實施例2中鑄鐵石墨形態的金相顯微組織照片。 圖4為實施例2中鑄鐵碳化物含量及分布的金相顯微組織照片。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一歩說明。 實施例1在中頻感應爐中加入以下爐料生鐵55%:含C4. 1%， Sil.6%， MnO. 24%，餘量為Fe; 廢鋼14%:含CO. 3%， SiO. 3%， MnO. 5%，餘量為Fe; 75錳鐵8%:含C1.6Q/。， Sil.l5%， Mn77%; CrO, 2%，餘量為Fe; 75矽鐵2%:含CO. 1%， Si76%， MnO. 35%; CrO. 24%，餘量為Fe; 電解鎳6%:含Ni99. 9%以上； 電解銅5%:含Cu99. 9%以上；回爐料10%:含C2. 87%， Si2. 18%， Ni5. 25%， Mn7. 4%， Cu4. 8%，待爐內鐵水溫度達145(TC時，加入碎玻璃作為聚渣劑進行聚渣， 撈渣；根據爐內所加原料的總量計，在澆包內加入已預熱至200°C左 右的75矽鐵0. 6%和ZL109碎塊0. 6%;鐵水溫度達1500。C時，倒入
上述澆包，進行包內孕育；於145(TC以上，採用離心澆注機澆注成離心套筒。分析其化學成分如下(重量百分比平均值)C2. 6%， Si2. 8%， Ni6. 2%， Mn6. 9%， Cu4. 9%， CrO. 12%， A10. 3%， SO. 01%， P0. 05%，餘量為Fe和原料中帶入的少量雜質。得到的合金的石墨形態的金相顯微組織見圖1，試樣拋光未浸蝕 100X。鑄件金相組織為在奧氏體基體上分布著A型石墨和少量碳 化物。石墨形態為A型，石墨長度50 100 u m，符合JB/T10407-2004 《內燃機鋁活塞奧氏體鑄鐵鑲圈金相檢驗》標準中1級石墨形 態。碳化物含量及分布的金相顯微組織見圖2，試樣用硝酸酒精浸蝕 100 X 。碳化物分布均勻，尺寸細小，含量約1%。符合JB/T10407-2004 《內燃機鋁活塞奧氏體鑄鐵鑲圈金相檢驗》標準中1級碳化物。 通過對合金材料進行測試，其力學及物理性能如下 硬度156 163HBS 密度P =7. 3 g/cm3 抗拉強度ob=180 MPa 彈性模量E二120X 103 MPa 線膨脹係數a=18.4X10—7°C。 導熱係數X=46W/m °C從測試結果可以看出，本發明的活塞鑲圈合金材料達到了國際標 準IS02892《奧氏體鑄鐵》中牌號為L-MCuCrl562材料的要求。 實施例2
在中頻感應爐中依次加入以下爐料
生鐵56%:含C4. 1%， Sil.6%， MnO. 24%，餘量為Fe; 廢鋼14%:含CO. 3%， SiO. 3%， MnO. 5%，餘量為Fe; 75錳鐵7%:含C1.6。/。， Sil.l5%， Mn77%; CrO. 2%，餘量為Fe; 75矽鐵1%:含CO. 1%， Si76%， MnO. 35%; CrO. 24%，餘量為Fe; 電解鎳7%:含Ni99. 9%以上； 電解銅5%:含Cu99. 9%以上；回爐料10%:含C2. 6%， Si2. 8%， M4. 5%， Mn7, 0%， Cu3. 0%，餘量為Fe。
待爐內鐵水溫度達145(TC時，加入碎玻璃進行聚渣，撈渣；
根據爐內所加原料的總量計，在澆包內加入己預熱至200°C左 右的75矽鐵0. 6%和ZL109碎塊0. 6%;鐵水溫度達1500。C時，倒入 上述澆包，進行包內孕育；於145(TC以上，採用離心澆注機澆注成 離心套筒。分析其化學成分如下(重量百分比平均值)C2. 6%， Si2. 6%， Mn6. 2%， M7. 4%， Cu4. 4%， CrO. 07%, A10. 28%， SO. 006%， PO. 05%，餘量為Fe和原料中帶入的少量雜質。
得到的合金的石墨形態的金相顯微組織見圖3，試樣拋光未浸蝕 IOOX。鑄件金相組織為在奧氏體基體上分布著A型石墨和少量碳 化物。石墨形態為A型，石墨長度50 100 " m，符合JB/T10407-2004 《內燃機鋁活塞奧氏體鑄鐵鑲圈金相檢驗》標準中1級石墨形碳化物含量及分布的金相顯微組織見圖4，試樣用硝酸酒精溶液ii
浸蝕400 X。碳化物分布均勻，尺寸細小，含量小於1%。符合JB/T10407-2004《內燃機鋁活塞奧氏體鑄鐵鑲圈金相檢驗》標準 中1級碳化物。通過對合金材料進行測試，其力學及物理性能如下硬度156 167HBS密度P=7. 3 g/cm3抗拉強度o =178 MPa彈性模量E二120X 103 MPa線膨脹係數a=18.2X10—7°C。導熱係數A二43W/m' °C從測試結果可以看出，綜合性能仍達到或超過了國際標準 IS02892《奧氏體鑄鐵》的要求。
權利要求
1、一種奧氏體灰鑄鐵材料，其化學成分按重量百分比計為C1.5～2.9％，Si1.5～3.0％，Mn5.0～7.5％，Ni5.0～8.0％，Cu3.0～6.0％，0＜Al≤0.3％，雜質總量≤0.25％，其餘為Fe。
2、 如權利要求1所述的奧氏體灰鑄鐵材料，其特徵在於其化學成分按重量百分比計為C2. 6%， Si2. 8%， Mn6. 9%， Ni6. 2%， Cu4. 9%， A10. 3%，雜質總量 《0. 25%，餘量為Fe。
3、 如權利要求1所述的奧氏體灰鑄鐵材料，其特徵在於其化 學成分按重量百分比計為C2. 6%， Si2. 6%， Mn6. 2%， Ni7. 4%， Cu4. 4%， A10. 28%，雜質總量《0. 25%，餘量為Fe。
4、 一種權利要求1所述的奧氏體灰鑄鐵材料的製備方法，其特 徵在於(1) 將生鐵、廢鋼、75錳鐵、75矽鐵、電解鎳、電解銅、回爐料等 原材料，根據所生產的奧氏體灰鑄鐵中各元素的含量及各原材 料中對應元素的含量進行配比計算後，按比例加入中頻感應爐 中；(2) 待爐內鐵水溫度達145(TC時，加入聚渣劑進行聚渣，撈渣；(3) 在澆包內加入75矽鐵和ZL109碎塊；當鐵水溫度達150(TC時， 倒入澆包，進行包內孕育；(4) 於145(TC以上進行澆注，澆注成離心鑄造毛坯。
5、 如權利要求4所述的奧氏體灰鑄鐵材料的製備方法，其特徵 在於所述的75矽鐵和ZL109在加入澆包前先預熱烘乾。
6、 如權利要求4或5所述的奧氏體灰鑄鐵材料的製備方法，其特徵在於在所述的步驟(3)中孕育矽鐵的加入量為步驟(1)中原材料總重量的0.3 0.7%。
7、 如權利要求4或5所述的奧氏體灰鑄鐵材料的製備方法，其 特徵在於在所述的步驟(3)中ZL109的加入量為步驟(1)中原 材料總重量的0.3 0.7%。
全文摘要
本發明公開了一種奧氏體灰鑄鐵材料，其化學成分按重量百分比計為C1.5～2.9％，Si1.5～3.0％，Mn5.0～7.5％，Ni5.0～8.0％，Cu3.0～6.0％，0＜Al≤0.3％，雜質總量≤0.25％，其餘為Fe。這種奧氏體灰鑄鐵材料，其金相組織為奧氏體基體上分布著A型石墨和數量不超過4％的細小碳化物。這種材料的製備方法是先用中頻感應爐熔煉爐料，1500℃時倒入澆包，用75矽鐵和ZL109的碎塊進行包內孕育，溫度到1450℃左右進行澆注。這種材料可用於活塞鑲圈，其成本低於L-NiCuCr1562的奧氏體灰鑄鐵，其性能與L-NiCuCr1562奧氏體灰鑄鐵接近或相當。
文檔編號B22D13/00GK101117681SQ200710129728
公開日2008年2月6日 申請日期2007年7月24日 優先權日2007年7月24日
發明者劉鵬展, 唐建萍, 喻本海, 易綠林, 朱達旦, 李世環, 熊炳衛 申請人:湖南江濱機器(集團)有限責任公司