一种高强度气缸套及其制备方法和铁合金

摘要

本发明属于金属材料领域,尤其涉及种高强度气缸套及其制备方法和铁合金。该铁合金包括以下组分:C 2.8~3.4wt%;S 0~0.1wt%;Si 1.5~2.5wt%;P 0.1~0.4wt%;Mn 0.5~0.8wt%;Cr 0.1~0.4wt%;Mo 0.2~0.5wt%;Cu和Ni 0.2~0.5wt%;余量的Fe。本发明通过优化设计气缸套中各元素含量,使气缸套具有较高的抗拉强度和较低的硬度,可满足现代高速赛车发动机对气缸套高抗拉强度和低硬度的要求。

权利要求

1.一种铁合金，包括以下组分：

所述铁合金的金相中以细片状珠光体为主，铁素体不超过3wt％，金相中的石墨有80％以上为A型石墨，石墨尺寸为4～6级，金相中碳化物和磷共晶的数量小于5％，所述碳化物和磷共晶均应呈弥散分布且不成网状。

2.根据权利要求1所述的铁合金，其特征在于，包括以下组分：

3.一种高强度气缸套，所述气缸套的材料为权利要求1或2所述的铁合金。

4.一种高强度气缸套的制备方法，包括以下步骤：a)、原料进行熔炼，得到铁液；

b)、所述铁液进行孕育，得到孕育的铁液；所述孕育的铁液中C的含量为2.8～3.4wt％，S的含量为0～0.1wt％，Si的含量为1.5～2.5wt％，P的含量为0.1～0.4wt％，Mn的含量为

0.5～0.8wt％，Cr的含量为0.1～0.4wt％，Mo的含量为0.2～0.5wt％，Cu的含量为0.01～

0.1wt％，Ni的含量为0.2～0.4wt％，Fe的含量为余量；

c)、所述孕育的铁液进行离心铸造，得到高强度气缸套。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中，所述熔炼的温度为1480～

1550℃。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中，所述铁液进行两次孕育，第一次孕育使用的孕育剂包括硅钙孕育剂和/或硅锆孕育剂，第二次孕育使用的孕育剂包括硅锶锆孕育剂。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤c)中，所述离心铸造的浇注温度为1320～1420℃。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤c)中，所述离心铸造的转速为

1350～1450r/min。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤c)中，所述离心铸造的模具预热温度为400～450℃。

10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤c)中，所述离心铸造的出模温度为750～850℃。

说明书

一种高强度气缸套及其制备方法和铁合金

技术领域

[0001] 本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种高强度气缸套及其制备方法和铁合金。

背景技术

[0002] 汽车发动机是为汽车提供动力的发动机，是汽车的心脏，影响汽车的动力性、经济性和环保性。根据动力来源不同，汽车发动机可分为柴油发动机、汽油发动机等。

[0003] 汽车发动机的缸体分铸铁和铸铝两种。铸铝发动机具有重量轻、散热性能好等优点，在行业内已经被广泛推广应用，但是其机械性能、耐磨性能、热稳定性等不如铸铁。为此，目前行业内采用铸铝缸体加铸铁镶套的方式来解决这一问题，应用于铝缸体的铸铁镶套又称为气缸套。

[0004] 由于现有气缸套存在着抗拉强度较低和硬度过高的问题，从而使其无法良好吸收发动机高速运转过程产生的震动和抵抗瞬间爆压，进而阻碍了其在高速、高性能发动机领域的应用发展。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高强度气缸套及其制备方法和铁合金，本发明提供的气缸套具有较高的抗拉强度和较低的硬度。

[0006] 本发明提供了一种铁合金，包括以下组分：

[0007]

[0008]

[0009] 优选的，包括以下组分：

[0010]

[0011] 本发明提供了一种高强度气缸套，所述气缸套的材料为上述技术方案所述的铁合金。

[0012] 本发明提供了一种高强度气缸套的制备方法，包括以下步骤：

[0013] a)、原料进行熔炼，得到铁液；

[0014] b)、所述铁液进行孕育，得到孕育的铁液；所述孕育的铁液中C的含量为2.8～3.4wt％，S的含量为0～0.1wt％，Si的含量为1.5～2.5wt％，P的含量为0.1～0.4wt％，Mn的含量为0.5～0.8wt％，Cr的含量为0.1～0.4wt％，Mo的含量为0.2～0.5wt％，Cu和Ni的总含量为0.2～0.5wt％，Fe的含量为余量；

[0015] c)、所述孕育的铁液进行离心铸造，得到高强度气缸套。

[0016] 优选的，步骤a)中，所述熔炼的温度为1480～1550℃。

[0017] 优选的，步骤b)中，所述铁液进行两次孕育，第一次孕育使用的孕育剂包括硅钙孕育剂和/或硅锆孕育剂，第二次孕育使用的孕育剂包括硅锶锆孕育剂。

[0018] 优选的，步骤c)中，所述离心铸造的浇注温度为1320～1420℃。

[0019] 优选的，步骤c)中，所述离心铸造的转速为1350～1450r/min。

[0020] 优选的，步骤c)中，所述离心铸造的模具预热温度为400～450℃。

[0021] 优选的，步骤c)中，所述离心铸造的出模温度为750～850℃。

[0022] 与现有技术相比，本发明提供了一种高强度气缸套及其制备方法和铁合金，该铁合金包括以下组分：C 2.8～3.4wt％；S 0～0.1wt％；Si 1.5～2.5wt％；P 0.1～0.4wt％；Mn 0.5～0.8wt％；Cr 0.1～0.4wt％；Mo 0.2～0.5wt％；Cu和Ni 0.2～0.5wt％；余量的Fe。
本发明通过优化设计气缸套中各元素含量，使气缸套具有较高的抗拉强度和较低的硬度。
实验结果表明，本发明提供的气缸套的金相中的A型石墨比例达到80％以上，石墨尺寸为4～6级；金相中以细片状珠光体为主，铁素体不超过3wt％；金相中碳化物和磷共晶的数量小于5％，两者均应呈弥散分布且不得成网状；该气缸套的抗拉强度能够达到380Mpa以上，硬度在100HRB，可满足现代高速赛车发动机对气缸套高抗拉强度和低硬度的要求。

附图说明

[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

[0024] 图1是本发明实施例1提供的气缸套的金相结构图；

[0025] 图2是本发明实施例1提供的气缸套的金相结构100×放大图；

[0026] 图3是本发明实施例1提供的气缸套的金相结构500×放大图；

[0027] 图4是本发明实施例2提供的气缸套的金相结构图；

[0028] 图5是本发明实施例2提供的气缸套的金相结构100×放大图；

[0029] 图6是本发明实施例2提供的气缸套的金相结构500×放大图。

具体实施方式

[0030] 下面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。

[0031] 本发明提供了一种铁合金，包括以下组分：

[0032]

[0033] 本发明提供的铁合金包括C、S、Si、P、Mn、Cr、Mo、Cu、Ni和Fe，其中，C的含量为2.8～3.4wt％，优选为2.9～3.2wt％，更优选为3.03～3.1wt％；S的含量为0～0.1wt％，优选为
0.04～0.08wt％，更优选为0.05～0.052wt％；Si的含量为1.5～2.5wt％，优选为1.8～
2.2wt％，更优选为1.95～2.05wt％；P的含量为0.1～0.4wt％，优选为0.1～0.15wt％，更优选为0.12～0.13wt％；Mn的含量为0.5～0.8wt％，优选为0.5～0.6wt％，更优选为0.53～
0.55wt％；Cr的含量为0.1～0.4wt％，优选为0.1～0.15wt％，更优选为0.12～0.13wt％；Mo的含量为0.2～0.5wt％，优选为0.4～0.5wt％，更优选为0.45～0.46wt％；Cu和Ni的总含量为0.2～0.5wt％，优选为0.4～0.5wt％，更优选为0.44～0.45wt％；Fe的含量为余量。在本发明提供的一个实施例中，Cu的含量为0.01～0.1wt％，优选为0.05～0.08wt％；在本发明提供的一个实施例中，Ni的含量为0.2～0.45wt％，优选为0.36～0.4wt％。

[0034] 在本发明提供的一个实施例中，所述铁合金包括以下组分：

[0035]

[0036]

[0037] 本发明通过优化设铁合金中各元素含量，使铁合金具有较高的抗拉强度和较低的硬度。实验结果表明，本发明提供的铁合金的金相中的A型石墨比例达到80％以上，石墨尺寸为4～6级；金相中以细片状珠光体为主，铁素体不超过3wt％；金相中碳化物和磷共晶的数量小于5％，两者均应呈弥散分布且不得成网状；该铁合金的抗拉强度能够达到380Mpa以上，硬度在100HRB。

[0038] 本发明提供的一种高强度气缸套，所述气缸套的材料为上述技术方案所述的铁合金。

[0039] 本发明提供的气缸套的材料为所述铁合金，由于该铁合金具有较高的抗拉强度和较低的硬度，因此本发明提供的气缸套具有较高的抗拉强度和较低的硬度。

[0040] 本发明提供了一种高强度气缸套的制备方法，包括以下步骤：

[0041] a)、原料进行熔炼，得到铁液；

[0042] b)、所述铁液进行孕育，得到孕育的铁液；所述孕育的铁液中C的含量为2.8～3.4wt％，S的含量为0～0.1wt％，Si的含量为1.5～2.5wt％，P的含量为0.1～0.4wt％，Mn的含量为0.5～0.8wt％，Cr的含量为0.1～0.4wt％，Mo的含量为0.2～0.5wt％，Cu和Ni的总含量为0.2～0.5wt％，Fe的含量为余量；

[0043] c)、所述孕育的铁液进行离心铸造，得到高强度气缸套。

[0044] 在本发明提供的制备方法中，首先对原料进行熔炼。其中，所述熔炼的温度优选为1480～1550℃，更优选为1508～1510℃。熔炼结束后，得到铁液。

[0045] 得到铁液后，对所述铁液进行孕育。所述孕育使用的孕育剂优选包括硅钙孕育剂、硅锆孕育剂和硅锶锆孕育剂中的一种或多种。在本发明中，优选对所述铁液进行两次孕育。其中，第一孕育使用的孕育剂优选包括硅钙孕育剂和/或硅锆孕育剂；所述硅钙孕育剂和硅锆孕育剂的质量比优选为(0.5～1)：(0.5～1)；孕育剂的粒度优选为3～10mm；第一次孕育的孕育剂用量优选为铁液质量的0.1～0.2％，更优选为0.1～0.12％。第二孕育使用的孕育剂优选包括硅锶锆孕育剂；孕育剂的粒度优选为0.4～0.8mm；第二次孕育的孕育剂用量优选为铁液质量的0.4～0.7％，更优选为0.5～0.55％；第二次孕育的方式优选为顺流孕育。
孕育完毕后，得到孕育的铁液。在本发明中，所述孕育的铁液中C的含量为2.8～3.4wt％，S的含量为0～0.1wt％，Si的含量为1.5～2.5wt％，P的含量为0.1～0.4wt％，Mn的含量为0.5～0.8wt％，Cr的含量为0.1～0.4wt％，Mo的含量为0.2～0.5wt％，Cu和Ni的总含量为0.2～
0.5wt％，Fe的含量为余量。

[0046] 得到孕育的铁液后，对所述孕育的铁液进行离心铸造。其中，所述离心铸造的浇注温度优选为1320～1420℃，更优选为1340～1400℃，最优选为1360～1400℃；所述离心铸造的转速优选为1350～1450r/min，更优选为1390～1400r/min；所述离心铸造的模具预热温度优选为400～450℃，更优选为420～425℃；所述离心铸造的出模温度优选为750～850℃；更优选为800～820℃。在本发明中，铁液进行离心铸造之前需要先在离心铸造使用的模具内壁涂覆涂料层，所述涂料层可以是石英粉涂料层，所述涂料层的厚度优选为0.8～1.5mm，更优选为1～1.1mm。离心铸造结束后，得到高强度气缸套。

[0047] 本发明通过优化设计气缸套中各元素含量，以及选择合适的制备工艺，使制得的气缸套具有较高的抗拉强度和较低的硬度。实验结果表明，本发明提供的气缸套的金相中的A型石墨比例达到80％以上，石墨尺寸为4～6级；金相中以细片状珠光体为主，铁素体不超过3wt％；金相中碳化物和磷共晶的数量小于5％，两者均应呈弥散分布且不得成网状；该气缸套的抗拉强度能够达到380Mpa以上，硬度在100HRB，可满足现代高速赛车发动机对气缸套高抗拉强度、低硬度的要求。

[0048] 为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。

[0049] 实施例1

[0050] (1)熔炼原料，调整铁液化学成分，具体为：按比例称取规定的原料，采用中频感应电炉1510℃熔炼，按照如下重量要求进行调料：碳：3.10wt％、硫：0.05wt％、硅：1.5wt％、磷：0.13wt％、锰：0.55wt％、铬：0.12wt％、铜:0.05wt％、镍：0.40wt％、钼：0.45wt％、铁：余量，得到铁液；

[0051] (2)铁液预处理，具体为：向铁液中加入铁液质量0.06％的硅锆孕育剂(Elkem Preseed，粒度3～10mm)和铁液质量0.06％的硅钙孕育剂(Elkem Preseed，粒度3～10mm)，保温，得到一次孕育铁液；

[0052] (3)出铁孕育，具体为：一次孕育铁液进行顺流孕育，采用硅锶锆孕育剂(Elkem Superseed Extra，，粒度0.4～0.8mm)，孕育剂用量为铁液质量的0.55％；孕育后铁液化学成分如下：碳：3.10wt％、硫：0.05wt％、硅：1.95wt％、磷：0.13wt％、锰：0.55wt％、铬：0.12wt％、铜:0.05wt％、镍：0.40wt％、钼：0.45wt％、铁：余量，得到铁液；

[0053] (4)浇注，具体为：采用金属离心铸造方式对上述顺流孕育后的铁液进行浇注，模具内壁均匀喷涂一层石英粉涂料，涂料厚度1.0mm，模具预热温度425℃，浇注转速为1400rpm，浇注温度为1360℃，出模温度为820℃；浇注得到的铸件出模后自然冷却至室温，得到气缸套。

[0054] 对本发明提供的气缸套进行晶相观察，结果如图1～3所示，其中，图1是本发明实施例1提供的气缸套的金相结构图；图2是本发明实施例1提供的气缸套的金相结构100×放大图；图3是本发明实施例1提供的气缸套的金相结构500×放大图。通过图1～3可以看出，该试样的金相为A型石墨+98％以上珠光体+少量铁素体，石墨尺寸为4～6级，金相中碳化物和磷共晶的数量小于5％，两者均应呈弥散分布且不成网状。

[0055] 对本发明提供的气缸套进行抗拉强度和硬度检测，结果为：抗拉强度≥380MPa，硬度为100HRB。

[0056] 实施例2

[0057] (1)熔炼原料，调整铁液化学成分，具体为：按比例称取规定的原料，采用中频感应电炉1508℃熔炼，按照如下重量要求进行调料：碳：3.04wt％、硫：0.052wt％、硅：1.6wt％、磷：0.12wt％、锰：0.53wt％、铬：0.13wt％、铜:0.08wt％、镍：0.36wt％、钼：0.46wt％、铁：余量，得到铁液；

[0058] (2)铁液预处理，具体为：向铁液中加入铁液质量0.05％的硅锆孕育剂(Elkem Preseed，粒度3～10mm)和铁液质量0.05％的硅钙孕育剂(Elkem Preseed，粒度3～10mm)，保温，得到一次孕育铁液；

[0059] (3)出铁孕育，具体为：一次孕育铁液进行顺流孕育，采用硅锶锆孕育剂(Elkem Superseed Extra，，粒度0.4～0.8mm)，孕育剂用量为铁液质量的0.50％；孕育后铁液化学成分如下：碳：3.03wt％、硫：0.052wt％、硅：2.05wt％、磷：0.12wt％、锰：0.53wt％、铬：0.13wt％、铜:0.08wt％、镍：0.36wt％、钼：0.46wt％、铁：余量，得到铁液；

[0060] (4)浇注，具体为：采用金属离心铸造方式对上述顺流孕育后的铁液进行浇注，模具内壁均匀喷涂一层石英粉涂料，涂料厚度1.1mm，模具预热温度420℃，浇注转速为1390rpm，浇注温度为1340℃，出模温度为800℃；浇注得到的铸件出模后自然冷却至室温，得到气缸套。

[0061] 对本发明提供的气缸套进行晶相观察，结果如图4～6所示，其中，图4是本发明实施例2提供的气缸套的金相结构图；图5是本发明实施例2提供的气缸套的金相结构100×放大图；图6是本发明实施例2提供的气缸套的金相结构500×放大图。通过图4～6可以看出，该试样的金相为A型石墨+98％以上珠光体+少量铁素体，石墨尺寸为4～6级，金相中碳化物和磷共晶的数量小于5％，两者均应呈弥散分布且不成网状。

[0062] 对本发明提供的气缸套进行抗拉强度和硬度检测，结果为：抗拉强度≥400MPa，硬度为101HRB。

[0063] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。