一種船用柴油機活塞環底環材料DPR‑D5及其鑄造方法與流程

2023-05-06 21:05:38 1

本發明屬於合金鑄鐵活塞環的鑄造技術，特別是船用柴油機活塞環底環材料及其鑄造方法。

背景技術：

船用柴油機汽缸內通常有4道活塞環，第一道活塞環稱為頂環，其它三道活塞環被稱作底環。第一道活塞環承受的衝擊力比下面的幾道活塞環大，因此，頂環和底環的材質是不一樣的。活塞環底環是船舶柴油機燃燒室中的一個關鍵零件。活塞環底環在工作過程中，既要承受高溫、高壓，又要承受劇烈的磨損和較大負荷的衝擊，其性能的好壞直接影響了柴油機的工作效率及工作質量。而活塞環底環材料好壞直接決定了活塞環性能的優劣。目前我國僅能生產少量技術含量不高材質的船用活塞環。根據國內船標規定，合金鑄鐵活塞環公稱直徑D＞300mm時布氏硬度HB＝195～266、筒體鑄造活塞環的彈性模量E為112kN/mm2、抗彎強度Rb大於471N/mm2；國內先進二衝程船用MAN-B&W柴油機生產商所用的活塞環底環均為國外進口。MAN-B&W柴油機的活塞環底環性能要求布氏硬度為HB200-240、彈性模量E為108-132kN/mm2、抗彎強度Rb＝500-750N/mm2。顯然，按國內標準生產的活塞環底環不能滿足二衝程船用MAN-B&W柴油機的要求。隨著國內船舶行業發展勢頭的快速進步，船用柴油機的產量逐年加大，船用活塞環底環的需求量也逐年加大。由國外進口活塞環底環存在的問題：一是成本越來越高，二是訂貨周期長。急需開發研製性能優良的船用活塞環底環，替代進口的活塞環底環。

技術實現要素：

為解決現有技術存在的上述問題，本發明要設計一種既可以降低成本並縮短訂貨周期，又能夠達到二衝程船用MAN-B&W柴油機生產要求性能的船用柴油機活塞環底環材料DPR-D5及其鑄造方法。

本發明的技術方案如下：

船用柴油機活塞環底環材料DPR-D5，組分及質量含量如下：

進一步地，所述的其餘組分為Fe和不可避免雜質。

船用柴油機活塞環底環的鑄造方法，包括以下步驟：

A、配製原料：按照船用柴油機活塞環底環材料DPR-D5的組分配製原料；

B、熔煉：用熔煉爐將步驟A的配料熔煉成鐵水；根據鑄件的毛坯規格組和毛坯壁厚，加入矽鈣孕育劑，並調整出爐溫度及澆注溫度；具體控制指標見表1，表中毛坯規格組用毛坯外徑尺寸表示；

表1：控制指標表

進一步地，所述的熔煉爐為變頻感應電爐。

進一步地，所述的矽鈣孕育劑由埃肯碳素(中國)有限公司生產，至少包括以下質量含量的組分：

Si:73％-78％；

Ca:0.75％-1.25％；

Ba:0.75％-1.25％；

Al:0.75％-1.25％。

進一步地，所述的澆注溫度在氣溫低於-10℃時靠近上限，在氣溫高於25℃時靠近下限。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1、本發明通過對活塞環底環材料化學組分及質量百分含量的控制，得到了合金鑄鐵DPR-D5。本發明在鑄鐵中加入少量的銅、鉬、鎳元素可細化珠光體，也能細化石墨；加入鉻能改善並提高力學性能及耐熱性；加入錳可溶於基體和碳化物中，既強化基體，又增加碳化物的穩定性，還能促使形成細珠光體。從石墨的形核規律出發，推斷出矽的含量在石墨初期形核期間起較大作用。經實驗證明，孕育劑含量越多，片狀石墨的數量越多；鑄件壁厚越厚，片狀石墨越粗、越長。通過嚴控孕育劑的用量，根據鑄件的大小、壁厚對冷卻速度要求的不同，調整出爐溫度及澆注溫度以達到改變石墨形態及分布的目的。

2、本發明澆注成的合金鑄鐵DPR-D5的石墨形態為片狀石墨IA3-5，基體組織為珠光體、少量鐵素體及硬質相(滲碳體+磷共晶)，經檢測，彈性模量E達120kN/mm2以上，布氏硬度為HB200-240，抗彎強度Rb＝500-750N/mm2。由此可見，合金鑄鐵DPR-D5具有硬度適中、抗彎強度高、耐磨耐腐蝕性好等優點，各項技術指標均達到MAN-B&W材料標準的CF5標準要求，可以替代進口材料CF5，用於MAN-B&W柴油機活塞環底環的鑄造。

3、由於本發明達到了MAN-B&W柴油機活塞環底環的性能要求，不需要再從國外進口，採用本發明生產的活塞環價格至少比進口活塞環的價格降低1/3，常用的規格的活塞環都備有庫存，不常用規格生產周期為1個月左右。而進口活塞環進貨周期要3個月左右。由此可見，本發明從而低了製造成本，縮短了訂貨周期。

附圖說明

圖1是合金鑄鐵DPR-D5在100倍金相顯微鏡下石墨形態大小示意圖。

圖2是合金鑄鐵DPR-D5在500倍金相顯微鏡下腐蝕後基體示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進行進一步地描述。

實施例一：

船用柴油機活塞環底環的鑄造方法，包括以下步驟：

1、按如下質量百分比配料：C:3.0％，Si:1.4％，Mn:0.84％，Cr:0.1％，Mo:0.49％，Cu:0.99％，Ti:≤0.05％，P:0.1％，S≤0.05％，Mg:≤0.005％，其餘為Fe和不可避免雜質；

2、熔煉：用變頻感應電爐將步驟1的配料熔煉成鐵水，鑄件為直徑350mm、壁厚12mm的筒形毛坯，調整出爐溫度為1450℃，加入0.35％的孕育劑，澆注溫度為1390℃。

澆注成的合金鑄鐵DPR-D5基體組織為珠光體、少量鐵素體及硬質相(滲碳體+磷共晶)，力彈性模量E達112kN/mm2，布氏硬度為HB219，抗彎強度Rb＝560N/mm2。

實施例二：

船用柴油機活塞環底環的鑄造方法，包括以下步驟：

1、按如下質量百分比配料：C:3.2％，Si:1.4％，Mn:0.84％，Cr:0.1％，Mo:0.49％，Cu:0.99％，Ti:≤0.05％，P:0.1％，S≤0.05％，Mg:≤0.005％，其餘為Fe和不可避免雜質；

2、熔煉：用變頻感應電爐將步驟1的配料熔煉成鐵水，鑄件為直徑700mm、壁厚23mm的筒形毛坯，調整出爐溫度為1420℃，加入0.28％的孕育劑，澆注溫度為1360℃。

澆注成的合金鑄鐵DPR-D5基體組織為珠光體、少量鐵素體及硬質相(滲碳體+磷共晶)，力彈性模量E達120kN/mm2，布氏硬度為HB226，抗彎強度Rb＝600N/mm2。

實施例三：

船用柴油機活塞環底環的鑄造方法，包括以下步驟：

按實施例2的步驟在氣溫為-15℃時進行熔煉，澆注溫度為1363℃，其餘與實施例2相同。

實施例四：

船用柴油機活塞環底環的鑄造方法，包括以下步驟：

按實施例2的步驟在氣溫為28℃時進行熔煉，澆注溫度為1357℃，其餘與實施例2相同。

通過上述實施例熔煉出來的合金鑄鐵DPR-D5，在100倍金相顯微鏡下石墨形態大小如圖1所示，從圖中可見，本發明可得到無方向性分布均勻的A型片狀石墨，長度為3-5級(依據GB/T7216-2009灰鑄鐵金相檢驗)，石墨長度適中，強度和耐磨性好。合金鑄鐵DPR-D5在500倍金相顯微鏡下腐蝕後基體如圖2所示，從圖中可見，基體組織為珠光體、少量鐵素體及硬質相(滲碳體+磷共晶)，珠光體細化，強度好。

上述實施例僅為本發明的較佳實施例，並非依此限制本發明的保護範圍，故凡依本發明的結構、形狀、原理所做的等效變化，均應涵蓋於本發明的保護範圍之內。