活塞鑲圈專用高性能高鎳奧氏體蠕墨鑄鐵及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種蠕墨鑄鐵，具體涉及一種活塞鑲圈專用高性能高鎳奧氏體蠕墨鑄鐵及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著汽車等機械裝配的輕量化趨勢及排放要求愈加嚴峻，大功率、高轉矩、低排放發動機越來越受到人們的青睞。隨著對發動機要求的提高，不僅對其設計要求，而且對相關重要零件的材料及制造技術也提出了更高的要求，這就要求材料不僅要具有良好的的導熱減震性能，而且要有更高的抗拉強度，更高的耐沖擊、耐磨、抗氧化、抗熱疲勞性能。
[0003]鋁活塞失效的主要形式為第一道環槽的過度磨損，致使兩側間隙變大而最終導致活塞的報廢。因此，對活塞使用壽命起決定作用的是第一二道環槽的耐磨性能，而鑲耐磨圈是解決這一問題的有效途徑。活塞鑲圈采用滲鋁鑄入的方法與活塞澆注成一體，被放置在活塞頭部，能提高活塞使用壽命3-8倍。活塞鑲圈材料需要滿足兩個特點:1、一定的機械強度；2、與鋁活塞基體相近的熱膨脹系數，要求熱膨脹系數多18.0X 1-6oC '
[0004]現有技術中，活塞鑲圈主要由高鎳奧氏體灰鑄鐵材料制備而成，該材料具有一定的耐磨性，熱膨脹系數也符合相關要求。但是隨著發動機技術的快速發展，對活塞鑲圈材料提出了更高的要求，要求材料滿足熱膨脹系數要求的同時，具有更高的抗拉強度、耐沖擊、耐磨、抗氧化和耐熱疲勞性能。現有高鎳奧氏體灰鑄鐵材料越來越不能夠滿足高性能發動機的要求。
[0005]蠕墨鑄鐵是一種石墨形態介于片狀和球狀之間的新型鑄鐵材料，力學性能介于灰鑄鐵與球墨鑄鐵之間，它既有接近于球墨鑄鐵的力學性能，又有與灰口鑄鐵相似的良好的鑄造性能、熱導性和減震性。蠕墨鑄鐵同灰口鑄鐵相比，抗拉強度提高至少70%，彈性模量提高35%，而疲勞強度提高近一倍。蠕墨鑄鐵中的石墨形態為蠕蟲狀，它對金屬基體的割裂作用明顯的小得多，這就決定了它既有灰口鑄鐵的導熱性、減震性等性能，又具有灰口鑄鐵不可比的機械強度高、塑性好、抗氧化，尤其是耐磨、抗熱疲勞性能高的優勢。蠕墨鑄鐵具有非常優良的室溫和高溫力學性能、優良的耐磨性和抗熱疲勞性能、良好的鑄造成形性能，逐漸成為高功率柴汽油機關鍵件的理想材料。
[0006]專利201310648920.X公開了一種無磁蠕墨鑄鐵材料，該材料各組分重量百分比為:C2.8-3.5 %，Si3.5-4.2 %，Ni3.0-5.0 %，Μη6.0-8.0 %，Cu3.0-4.0 %，Α10.4-0.7 %，Mg(S)0.01-0.018%，Re (殘)0.01-0.02%，雜質(S、P 等)總量彡 0.2%，其余為 Fe。該材料以原生鐵、廢鋼、硅鐵、錳鐵、電解鎳、純銅等為主要原料，經配料、熔煉，蠕化、多次孕育、澆注、開箱空冷與埋砂保溫冷卻工藝制得。限定采用75硅鐵進行一次孕育、二次孕育，在澆包過程中，在澆包口插入純鋁絲進行瞬時孕育。眾所周知，采用75硅鐵做孕育劑時，鐵液中鋁的含量不能太高，加入0.01%的鋁，就可能導致鑄件產生皮下氣孔，該申請的鋁含量遠高于這個值，因此不適于應用到活塞耐磨鑲圈領域。因此，研制一種能夠滿足活塞鑲圈材料要求的專用高性能高鎳奧氏體蠕墨鑄鐵是十分必要的。

【發明內容】

[0007]針對現有技術的不足，本發明的目的是提供一種活塞鑲圈專用高性能高鎳奧氏體蠕墨鑄鐵，具有良好的抗拉強度、沖擊韌度、耐磨性和耐熱疲勞性能；本發明還提供其制備方法。
[0008]本發明所述的活塞鑲圈專用高性能高鎳奧氏體蠕墨鑄鐵，包括如下質量比的化學成分:碳 2.0-4.0%、硅 1.0-4.0%、錳 0.5-8.0%、鎳 6.0-17.5%、銅 2.0-7.5%、鉻<2.5%、鎂0.008-0.020%、稀土0.01-0.02%、硫彡0.1%、磷彡0.2%，其余為鐵和不可避免的雜質。
[0009]所選材料碳2.0-4.0%、硅1.0-4.0%，有利于促進石墨化、減少白口傾向。
[0010]選擇錳0.5-8.0%、鎳6.0-17.5%、銅2.0-7.5 %，能夠獲得穩定的常溫和高溫奧氏體組織，能使材料滿足熱膨脹系數彡18.0X 1-6oC ―1的要求。
[0011]優選為包括如下質量比的化學成分:
[0012]碳2.0-4.0 %、硅 1.2-3.5 %、錳 0.5-7.0 %、鎳 6.0-15.0 %、銅 2.0-7.0 %、鉻(1.5%、鎂0.010-0.018%、稀土 0.01-0.02%、硫彡0.1%、磷彡0.2%，其余為鐵和不可避免的雜質。
[0013]所述的活塞鑲圈專用高性能高鎳奧氏體蠕墨鑄鐵的制備方法，包括以下步驟:
[0014](I)將生鐵和廢鋼加入到中頻感應電爐熔煉，熔化后加入硅鐵、錳鐵、電解鎳和電解銅繼續熔煉，得熔煉液；
[0015](2)首先采用蠕化劑對熔煉液進行蠕化處理，然后扒渣處理；
[0016](3)采用孕育劑對扒渣處理后的熔煉液進行浮硅孕育；
[0017](4)將浮硅孕育后的熔煉液轉入澆包中，再澆注到離心模具中，澆注過程加入孕育劑隨流孕育，冷卻，得蠕墨鑄鐵。
[0018]其中，
[0019]浮硅孕育為將孕育劑撒在熔煉液表面，然后進行攪拌。
[0020]隨流孕育為采用隨流孕育設備在熔煉液澆注到離心模具過程中將孕育劑隨流加入進行孕育。
[0021]步驟(I)得到的熔煉液溫度為1450_1580°C。
[0022]步驟⑴優選為恪化后還加入絡鐵。
[0023]蠕化劑為稀土鎂合金，化學成分為:硅46.9%、鎂4.03%、鈣2.15%、RE12.91%、鋁0.92%、余量為鐵，佛山市宏德三和合金有限公司提供，加入量為熔煉液總質量的0.4-1.0% ;蠕化處理采用沖入法或喂絲法。
[0024]沖入法:將蠕化劑放在處理包底部一側，或在處理包底部設置堤壩或凹坑，將蠕化劑放在堤壩內側或凹坑內，然后在蠕化劑上面覆蓋無銹鐵肩，然后沖入熔煉液。
[0025]喂絲法:采用本領域常規喂絲法。通過包芯機將蠕化劑包在薄鋼皮內制成芯線，然后借助專用喂絲設備，將包芯線以適當的速度連續不斷地插入蠕化處理包中，實現對熔煉液的蠕化處理。
[0026]步驟(3)和步驟(4)中的孕育劑均為硅鍶孕育劑，宏德(天津)特殊合金有限公司提供。該孕育劑能夠消除或減少由于鎂和稀土元素的加入引起的白口傾向，提供足夠的石墨結晶核心，增加共晶團數，使石墨細小并分布均勻，提高力學性能，并延緩蠕化衰退，加入量為熔煉液總質量的0.2-0.6%;其中，步驟(3)采用的孕育劑占孕育劑總質量的3/5-5/6。硅鍶孕育劑需要嚴格按照限定的量進行添加，否則蠕化效果變差。步驟(3)采用的孕育劑粒徑為2-5mm ;步驟(4)采用的孕育劑粒徑為l_3mm ;如果粒度太大，會出現因孕育劑熔化不完全造成孕育不良以及夾渣；如果粒度太小，會出現孕育劑過早熔化造成孕育衰退。選用適當粒度的孕育劑能夠有助于充分的發揮孕育作用并減少廢品和浪費。
[0027]步驟⑷中澆注溫度為1430_1480°C。
[0028]步驟⑷得到的蠕墨鑄鐵抗拉強度彡350MPa，延伸率彡4.5%，熱膨脹系數彡 18.0XlO-6oC '
[0029]步驟(4)得到的蠕墨鑄鐵的顯微組織由奧氏體基體和蠕蟲狀石墨組成。
[0030]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
[0031](I)本發明采用稀土鎂合金作蠕化劑，加入量為熔煉液總質量的0.4-1.0%，通過加入適當比例的蠕化劑形成石墨形態為蠕蟲狀的具有優良耐磨、耐熱疲勞等綜合性能的蠕墨鑄鐵。
[0032](2)與現用的高鎳奧氏體灰鑄鐵材料相比，本發明活塞鑲圈專用高性能高鎳奧氏體蠕墨鑄鐵由于形成了蠕蟲狀的石墨，有著更為優良的耐磨、耐熱疲勞等綜合性能。將其制備成拉伸試樣，通過萬能材料試驗機做拉伸試驗，抗拉強度350MPa，延伸率δ多4.5%，明顯優于高鎳奧氏體灰鑄鐵材料。將其制備成熱膨脹系數試棒，使用熱膨脹儀檢測其熱膨脹系數，熱膨脹系數α彡lS.0XlO+C'
[0033](3)本發明活塞鑲圈專用高性能高鎳奧氏體蠕墨鑄鐵耐磨、耐熱疲勞性能明顯優于高鎳奧氏體灰鑄鐵材料，性能穩定、使用壽命長。大大提高了活塞耐磨鑲圈的使用壽命，進而提高了發動機鋁活塞的使用壽命，也就延長了發動機的使用壽命，節約原材料和能源。
[0034](4)本發明同時提供制備方法，工藝簡單、易于實現。
【附圖說明】
[0035]圖1為實施例1試樣的金相石墨形態；
[0036]圖2為實施例2試樣的金相石墨形態；
[0037]圖3為實施例3試樣的金相石墨形態。
【具體實施方式】
[0038]下面結合實施例對本發明做進一步說明。
[0039]實施例中用到的所有原料除特殊說明外，均為市購。
[0040]實施例1
[0041]本實施例活塞鑲圈專用高性能高鎳奧氏體蠕墨鑄鐵，按質量百分比配置為以下組分:碳 2.8%、硅 2.67%、錳 1.3