大型低速柴油机用高性能汽缸盖及制造工艺

摘要

本发明涉及一种汽缸盖锻件生产完成后，内部既不会出现偏析、疏松、晶粒分布不匀等现象，而且在同一平面内性能差异极微，性能稳定，并且材料利用率高的大型低速柴油机用高性能汽缸盖及制造工艺，质量百分数：C:0.17-0.22%、Si≤0.45%、Mn：0.95-1.1%、P≤0.03%、S≤0.03%、Cr：0.9-1.1%、Mo：0.4-0.5%、Ni≤0.4%、V:0.08-0.12%、Nb≤0.005%。优点：一是工件组织不均匀，且内部应力极小；二是有效地控制了生产成本上升；三是后续工件的切削加工量小，机床加工省时省力；四是超声波检测后，其内部的晶粒状态稳定，不存在“粗晶”现象。

说明书

技术领域

本发明涉及一种汽缸盖锻件生产完成后，内部既不会出现偏析、疏松、晶粒分布不 匀等现象，而且在同一平面内性能差异极微，性能稳定，并且材料利用率高的大型低速柴油 机用高性能汽缸盖及制造工艺，属汽缸盖制造领域。

背景技术

目前国内船用柴油机制造商，均采用MAN公司专利技术要求进行汽缸盖制造，因性 能要求，多采用合金钢锻制，而合金钢锻件塑性、韧性等较差，锻件生产完成后，内部往往易 出现偏析、疏松、晶粒分布不匀等现象，经性能检测，导致指标不符或同一平面内性能差异 极大，性能不稳定。另一方面，因缸盖本身结构特点，分上、下两个不同直径的平面，且存在 一个较大内孔，这使材料利用率往往较低。

即钢锭整体加热后大压下量镦粗，镦粗后错冒口，镦粗漏盘更换成大平砧，冲子 冲孔后，坯料竖起，套进芯棒，滚圆完工。

1、钢锭整锭镦粗，必须采用大压下量，钢锭内部晶粒虽被打碎，起到细化作用，但对于 低碳合金钢而言，其塑性相对较差，内部仍可能存在偏析，或组织不均匀，且内部会存在较 大应力；

2、错冒口后大平砧上镦粗，侧面挤出量不易控制，因此需在下料时适当增加下料重量， 导致生产成本上升；

3、滚圆成型后，缸盖粗加工成品尺寸分不同直径，后续工件的切削加工量非常大，机床 加工费时费力；

4、超声波检测后，其内部的晶粒状态均不够稳定，存在“粗晶”现象，这个后续的热处理 过程带来潜在风险。

发明内容

设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种汽缸盖锻件生产完成后，内部既 不会出现偏析、疏松、晶粒分布不匀等现象，而且在同一平面内性能差异极微，性能稳定，并 且材料利用率高的大型低速柴油机用高性能汽缸盖及制造工艺。

设计方案：船用主机大部分时间是在满负荷情况下工作，有时在变负荷情况下运 转。船舶经常在颠簸中航行，所以船用柴油机应能在纵倾15°～25°和横倾15°～35°的条件 下可靠工作。本发明的大型低速柴油机用高性能汽缸盖，因其需承受高温和高压的作用，导 致在机械性能方面需具有特殊的要求，一方面要求热处理均匀，组织细化，且强度分布要匀 称。另一方面工件的抗疲劳强度指标必须达标，因缸盖在使用中需承受持续性的高温高压 和运动所产生的负荷，其抗疲劳性能必须优良，如此方能保证其使用寿命，保证柴油机的正 常运作。

低速船用柴油机汽缸盖锻件最终成品形状结构复杂，使用时为保证性能均匀稳 定，具一定耐高温腐蚀性、耐冲击特性等，需对材质成分进行优化控制，另需根据使用条件， 明确具体性能指标。

按目前国内常用柴油机的性能要求，其应达到下列指标：

抗拉强度≥640MPa、屈服强度≥450MPa、伸长率≥18.0%、断面收缩率≥40.0%、耐冲击 韧性值AKv≥32J,HB:190-220.

成分控制：C:0.17-0.22%、Si≤0.45%、Mn：0.95-1.1%、P≤0.03%、S≤0.03%、Cr：0.9- 1.1%、Mo：0.4-0.5%、Ni≤0.4%、V:0.08-0.12%、Nb≤0.005%。

一、本申请在制定如上成分控制要求，主要从以下几个方面进行了考虑：

1、钢中含碳量对机械性能有最直接的影响，随着碳当量的增加，钢种强度硬度会显著 上升，但其塑性及韧性则会变差，如图5所示，因此对于此次研制，要同时考虑强度及韧性方 面的影响，碳当量必须控制在一定范围，本次试制碳当量在0.17-0.22%，如此设定一方面考 虑到缸盖的综合性能指标，如碳当量控制过高，对于内部偏析及耐低温冲击特性等均较难 控制，另一方面精确的低碳当量控制，对锻造时的塑性要求起到正面作用；

2、P、S含量的控制，P、S在钢种属有害元素，其含量不宜过高，工件中若含有一定的S,虽 在一定程度上能改善钢的切削性能，但会使钢中偏析现象严重，同时Fe与S会形成FeS化合 物，消弱晶粒之间的结合力，导致钢的热脆现象。P与S一样，虽能改善切削，但P含量的增加， 会增加回火脆性，显著降低钢的塑性和韧性，致使钢在冷加工时容易脆裂，即所谓的冷脆现 象，因此本次试制对原材料的控制中，把P、S元素含量均控制在0.03%以下；

3、Mn含量的控制，在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－ 0.50%，在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有 较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，同时Mn元素的加入能极大的提高 的延展性能，反映在力学性能上，能使钢的断后伸长率有大幅提升，主要原因为在液体状态 下，Mn元素结合而成的晶粒细化，单位面积上晶粒较多，且晶界连接较强，起到一定的耐腐 蚀作用。但Mn含量过高，钢锭加热到奥氏体化温度后，钢种晶粒会急剧增大，脆性明显，冷却 后对性能不利。综合考虑，对Mn含量设定在0.95-1.1%之间；

4、Si含量的控制，在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－ 0.30%的硅。Si的加入，能显著提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度，和钼、钨、铬等结合， 有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，但对钢的韧性、焊接性能等有一定负面影响，最终设定Si 含量≤0.45%；

5、Cr、Mo、Ni的含量控制：铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。 铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢、耐热钢的重要合金元素。此次成分优 化，Cr元素的控制是关键，区间设定在0.9-1.1%之间。Mo能使钢的晶粒细化，提高淬透性和 热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力，还可以抑制合金钢由于回火而引起的 脆性，本项目产品需具备在高温高压下持续运行的能力，因此Mo的加入是必须的，含量精确 控制在0.4-0.5%。

Ni作为稀有元素，对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力，适当 加入对改善综合性能具有积极作用，Ni含量控制≤0.4%。

6、V是钢的优良脱氧剂。钢中加钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成 的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。V含量控制：0.08-0.12%；

7、Nb能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下 降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊 接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。因此Nb含量控制≤0.005%。

二、技术分析:

1.对制定的元素成分进行分析，包括单个元素以及元素与元素之间的影响，制定钢锭 加热工艺，终锻温度，始锻温度的控制，始锻温度若过高，则会使晶粒急速膨胀，出现过烧现 象，使内部的组织晶界发生变化而影响最终的性能，若终锻温度过低，使产品成型时的变形 量不均匀，且存在较大的锻造应力，也会导致产品最终的尺寸与性能不稳定，因此首先要根 据成分的配比确定科学合理的加热工艺和始终锻温度；

2.锻造工艺技术分析，该类产品按常规的锻造工艺进行生产，锻造毛坯到粗加工结束， 切削量达25%，加工费时，工效低下，因此需根据产品的实际情况制定科学的锻造工艺，关键 是对冲孔过程必须进行控制，因此需配备专门的芯棒，冲子，通过专用工装的设计，锻造出 高利用率且质量符合要求的产品；另一方面，锻造过程中必须要对变形量进行控制，包括镦 拔次数的控制等，使组织均匀分布，且应力降低到最小程度；

3.热处理工艺技术的分析，热处理主要目的是消除锻造应力，使内部组织均匀细化，且 使最终的机械性能符合要求。根据具体使用情况，热处理过程中需保证淬火深度，回火时间 控制，使内外部组织均匀，这需在成分优化控制的基础上，做好第一热处理，一方面保证珠 光体+铁素体组织均匀细化，另一方面需消除锻造应力。

三、技术创新点：

1.在本申请人已有“一种GS24Mn6铸钢件”专利技术基础上，对成分进行优化控制，以已 有专利入手，对单个元素，元素与元素间的作用进行分析，最终形成如下成分范围：C:0.17- 0.22%、Si≤0.45%、Mn：0.95-1.1%、P≤0.03%、S≤0.03%、Cr：0.9-1.1%、Mo：0.4-0.5%、Ni≤ 0.4%、V:0.08-0.12%、Nb≤0.005%。

2.锻造工艺技术，采用新型锻造方法，设计漏盘，钢锭加热时采用分段加热技术， 锻造过程控制产品表面的变化，采用快速小压下量压制技术，使锻后产品具有合格的内部 质量和外观尺寸。考虑到本身材质（S20CrMoVS）塑性较差，对钢锭采用分段加热，由传统的 一个钢锭生产一件缸盖，通过一次镦粗成型的锻造工艺改进为一件钢锭生产两个缸盖，钢 锭通过两次大压下量镦拔，镦拔后对坯料重新锯料下料，在专用漏盘上采用单次压下量≤ 5%的变形量的新型锻造工艺，通过新型工艺，保证工件内部被完全锻透，晶粒细化均匀，组 织状态稳定。

3.热处理工艺技术的改进：传统的热处理工艺技术为毛坯锻造结束后，随即进行 粗加工，再采用完全水冷的方式进行淬火，后回火。在此基础上，对工艺技术进行优化。新型 热处理工艺为：毛坯锻造后直接进行正火+回火处理，消除锻造应力和组织应力，再进行粗 加工，粗加工后进行调质处理，淬火时采用1小时淬火冷却，后空冷的技术，再进行回火处 理，回火冷却采用炉冷方式。

技术方案1：一种大型低速柴油机用高性能汽缸盖，质量百分数：C:0.17-0.22%、Si ≤0.45%、Mn：0.95-1.1%、P≤0.03%、S≤0.03%、Cr：0.9-1.1%、Mo：0.4-0.5%、Ni≤0.4%、V: 0.08-0.12%、Nb≤0.005%。

技术方案2：一种大型低速柴油机用高性能汽缸盖制造工艺，（1）分段加热：钢锭随 炉升温至450℃、保温5小时后，在4个小时内由450℃升温至800℃，然后保温5小时后，再由 800℃升温至1230℃、保温5小时；然后钢锭采用镦粗、拔长、再镦粗后，根据单件缸盖所需的 量再进行局部拔长；采用工装漏盘，使缸盖台阶按尺寸要求锻出；（2）锻后毛坯热处理，锻后 工件热装炉，作正火+回火处理工艺：工件随炉升温至920±10℃、保温8小时，空冷至常温， 然后再随炉升温至650±10℃、保温16小时，空冷至常温；（3）机加工后进行第二热处理工 艺：工件随炉升温至910±10℃、保温7小时，水冷至常温，然后再随炉升温至670±10℃、保 温7小时，炉冷至常温。

本发明与背景技术相比，一是工件组织不均匀，且内部应力极小；二是有效地控制 了生产成本上升；三是后续工件的切削加工量小，机床加工省时省力；四是超声波检测后， 其内部的晶粒状态稳定，不存在“粗晶”现象。

附图说明

图1是毛坯正火+回火工艺图。

图2是新型热处理工艺图。

图3是钢锭加热工艺图。

图4是传统热处理工艺图。

图5是含碳量对钢机械性能的影响曲线图。

图6是漏盘工装示意图。

具体实施方式

实施例1：参照附图1-3。一种大型低速柴油机用高性能汽缸盖，质量百分数：C: 0.17-0.22%、Si≤0.45%、Mn：0.95-1.1%、P≤0.03%、S≤0.03%、Cr：0.9-1.1%、Mo：0.4-0.5%、 Ni≤0.4%、V:0.08-0.12%、Nb≤0.005%。

实施例2：在实施例1的基础上，C0.21、Si0.34、Mn1.0、P0.012、S0.001、Cr0.98、 Mo0.45、Ni0.32、V0.1、Nb0.003。

实施例3：在实施例1的基础上，C:0.17%、Si≤0.45%、Mn：0.95%、P≤0.03%、S≤ 0.03%、Cr：0.9%、Mo：0.4%、Ni≤0.4%、V:0.08%、Nb≤0.005%。

实施例4：在实施例1的基础上，C:0.22%、Si≤0.45%、Mn：1.1%、P≤0.03%、S≤ 0.03%、Cr：1.1%、Mo：0.5%、Ni≤0.4%、V:0.12%、Nb≤0.005%。

实施例5：在上述实施例的基础上，1.钢锭分段加热，根据低碳合金钢的导热性和 塑性较差等特点，对钢锭的加热进行严格控制，其工艺如图3所示。

2.采用1件钢锭生产2件缸盖的形式，钢锭单重8.7t，材料利用率73.6%，锻造比 5.4，整锭镦粗、拔长，先增加锻造比，通过大压下量，大变形量的控制，使钢锭内部被完全镦 透，且晶粒打下及分布均匀；

整锭拔长过程中，利用我司现有的实用新型专利技术（专利号ZL2014201935204），对拔 长工序进行控制，可保证在拔长过程中变形量一致，且直线度较好，为后续再次镦粗奠定基 础。

3.拔长后再次镦粗处理，再次细化晶粒，消除偏析，镦粗工艺如下：

4.镦粗后根据单件缸盖所需用量，局部下料拔长，单件下料尺寸如下：

5.单件下料后，轻压下量整形，锻造成Φ850mm圆柱，回炉加热；

6.设计镦粗漏盘工装。漏盘采用5CrNiMo材质生产，铸造而成，调质处理后，保证其硬度 ≥350HB,保证其表面强度，漏盘工装设计如图6所示：

7.坯料重新加热到1230℃后，将坯料放置在专用漏盘上进行镦粗、冲孔。

8.按毛坯尺寸整形到位，毛坯工件完工。

采用该新型工艺技术方法：

1.分段加热，可保证钢锭内外部温度均匀，避免锻造时内部出现裂纹等缺陷；

2.钢锭采用镦粗、拔长、再镦粗、再局部拔长的工艺技术，可完全克服低碳合金钢本身 塑性较差的弊端，使钢锭能充分锻透，消除内部偏析，且组织均匀细化；为后续热处理做组 织上准备；

3.采用工装漏盘，使缸盖台阶按尺寸要求锻出，为后续加工节约工效，同时减少切削应 力，为第二热处理奠定基础。

（二）锻后毛坯热处理，锻后工件热装炉，作正火+回火处理，见图1。主要作用：

1.消除锻造过程中的应力；

2.再进一步细化晶粒，稳定组织，获得分布均匀的珠光体+铁素体，为后续调质过程中 的奥氏体化作组织上的准备；

3.降低及均匀硬度，便于切削，减少切削应力。

（三）机加工后进行第二热处理，根据性能要求，制定如下工艺见图2。

新型工艺技术较传统锻造工艺相比较，主要有以下优势：

1.因前期毛坯进行过正火+回火处理，组织稳定，经910℃保温后，缸盖内外部能完全奥 氏体化，采用水淬1h处理，缸盖能获得完全的马氏体或马氏体+少量铁素体的组织，若水淬 到室温，能获得马氏体的同时，也会使内部残余奥氏体的量增加，这对性能不利，会存在造 成局部冲击较低的风险；

2.回火后炉冷处理取代传统的空冷处理，炉冷可增加回火索氏体生成时间，使内部组 织更加细致，且组织应力较低，为最终精加工提供便利。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描 述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路 的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。