一种耐腐蚀铸铁、气缸套及其制备方法

摘要

本发明公开一种耐腐蚀铸铁、气缸套及其制备方法，铸铁为奥氏体铸铁，包括以下组分：1.7～2.3wt％的碳，1.6～2.2wt％的硅，0.5～1.5wt％的锰，0～0.2wt％的磷，0～0.1wt％的硫，3.0～3.5wt％的铬，20～25wt％的镍，0～0.8wt％的铜和余量基体铁，所述碳为片状石墨。本发明铸铁基体为奥氏体，含有大量的Ni和Cr，Cr元素和氧元素在空气中结合，形成一个钝化膜均匀的覆盖在表面，铸铁表面被破坏后新的含Cr氧化物会迅速形成，并覆盖暴露表面，保护金属免受氧化腐蚀；Ni能够有效稳定奥氏体，提高了奥氏体铸铁材质的热力学稳定性；气缸套采用奥氏体耐腐蚀铸铁材质，通过表面处理提高气缸套内表面的耐磨性能，从而有效缓解腐蚀磨损和摩擦磨损情况，有效解决气缸套磨损造成的发动机机油耗升高、功率下降，发动机寿命降低的技术问题。

说明书

技术领域

本发明涉及铸铁技术领域，具体涉及一种耐腐蚀铸铁、气缸套及其制备方法。

背景技术

气缸套是发动机的核心部件，和活塞环一起构成一对高速运转的摩擦副，长期在高温、高压、交变载荷和腐蚀等复杂多变的工况下运行，由于工作环境恶劣，造成气缸套磨损的原因很多，腐蚀性磨损是其中之一，缸套的磨损会造成发动机机油耗升高、功率下降，发动机寿命降低。

腐蚀性磨损是由于发动机气缸套内燃料燃烧时会产生酸性气体，当它们与水蒸气化合形成酸性溶液，这些溶液凝附在气缸套壁上，现有的气缸套材质抗腐蚀性能较差，酸性溶液会对气缸内表面产生腐蚀作用，腐蚀物在摩擦中逐步被活塞环刮掉，造成气缸套磨损变形。有些地区使用的油品中S、Cl的含量比较高，更容易产生腐蚀磨损。随着内燃机技术的逐步发展，内燃机燃料多样化的趋势越来越明显，除了传统的柴油，新增的有沼气、天然气、甲醇、乙醇等，带来的腐蚀磨损情况也逐渐增加。

因此，开发一种能够应用到气缸套上的新型抗腐蚀铸铁材质十分有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐腐蚀铸铁、气缸套及其制备方法，以解决现有技术中气缸套抗腐蚀性能差，易发生腐蚀性磨损，造成发动机机油耗升高、功率下降，发动机寿命降低的技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

第一方面，本发明提供了一种耐腐蚀铸铁，所述铸铁为奥氏体铸铁，包括以下组分：1.7～2.3wt％的碳，1.6～2.2wt％的硅，0.5～1.5wt％的锰，0～0.2wt％的磷，0～0.1wt％的硫，3.0～3.5wt％的铬，20～25wt％的镍，0～0.8wt％的铜和余量基体铁，所述碳为片状石墨。

在本发明的某一个实施例中，铸铁内部所述片状石墨为均匀分布的片状石墨、在枝晶间位置中有倾向性朝向的片状石墨或两者结合；铸铁表面所述片状石墨为均匀分布的片状石墨、在枝晶间位置中有倾向性朝向的片状石墨、在枝晶间位置中的细的任意朝向的片状石墨或三者结合；所述基体铁在晶粒边界或晶粒间角落上有细针状碳化物。

第二方面，本发明提供了一种上述耐腐蚀铸铁的制备方法，包括如下步骤：

S1根据铸铁化学元素组分称取配量原材料，原材料为生铁，铜，不锈钢铁屑，低硫增碳剂，预处理剂，硅铁，锰铁，铬铁，镍和硫化亚铁中的多种组合；

S2将原材料加入熔炼炉内，控制温度在1550～1650℃，熔炼得到一次铁水；

S3向保温包内加入步骤S2得到的一次铁水和一次孕育剂，控制温度在1450～1550℃，同时进行扒渣，保证纯净度，得到二次铁水；

S4将步骤S3得到的二次铁水浇铸即得。

在本发明的某一个实施例中，所述步骤S3中的一次孕育剂为粗宁版孕育剂，所述一次孕育剂与所述一次铁水的质量比为(4.5～5.5):1000。

第三方面，本发明提供了一种气缸套，所述气缸套材质为上述的耐腐蚀铸铁。

在本发明的某一个实施例中，所述气缸套的内孔工作面硬度为140-220HBS。

在本发明的某一个实施例中，所述气缸套的抗拉强度≥320Mpa。

第四方面，本发明提供了上述气缸套的制备方法，包括如下步骤：

S1根据铸铁化学元素组分称取配量原材料，原材料为生铁，铜，不锈钢铁屑，低硫增碳剂，预处理剂，硅铁，锰铁，铬铁，镍和硫化亚铁中的多种组合；

S2将原材料加入熔炼炉内，控制温度在1550～1650℃，熔炼得到一次铁水；

S3向保温包内加入步骤S2得到的一次铁水和一次孕育剂，控制温度在1450～1550℃，同时进行扒渣，保证纯净度，得到二次铁水；

S4将步骤S3得到的二次铁水温度调整为1370～1430℃，将气缸套模具内部温度控制为350℃-420℃，将二次铁水倒入气缸套模具内，并加入二次孕育剂，之后采用离心浇注机进行离心浇铸，冷却脱模后得到毛坯；

S5对步骤S4得到的毛坯进行外圆车削加工，内孔珩磨至成品，之后对成品进行表面处理。

在本发明的某一个实施例中，所述步骤S4中的二次孕育剂为细宁版孕育剂，所述二次孕育剂与所述二次铁水的质量比为(1.5～2.5)：1000。

在本发明的某一个实施例中，所述步骤S5的表面处理为：

(1)对缸套进行清洗除油，之后预热至370～390℃，保温1h；

(2)将预热后的缸套吊入熔融氮化盐中，通入压缩空气，升温至550℃，保温2h后停止压缩空气，继续保温22h，得到氮化后的缸套；

(3)将氮化后的缸套晾干冷却后，吊入氧化盐中以390～410℃保温5～15min，得到氧化后的缸套；

(4)将氧化后的缸套冷却清洗，内孔抛光，外圆精加工即得。

由于本发明的铸铁材质基体硬度较低，因此增加表面处理提高耐磨性，表面处理采用首先高温氮化之后进行氧化的方法，表面处理后，白亮层深度4-10μm，表面复合处理层深度≥0.1mm，表面硬度≥600HV0.1，有效提高气缸套表面的耐磨性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、相比于传统缸套采用的基体为珠光体的铸铁，本发明铸铁基体为奥氏体，含有大量的Ni和Cr，Cr元素和氧元素在空气中结合，形成一个薄的不可见的包含Cr的氧化物即钝化膜，钝化膜均匀的覆盖在金属表面，形成一个保护层，如果金属被切割或划伤或钝化膜被破坏，新的含Cr氧化物会迅速形成，并覆盖暴露表面，保护金属免受氧化腐蚀；Ni能够有效稳定奥氏体，使铸铁材质获得完全奥氏体组织，从而使铸铁具有良好的强度、塑性和韧性，并具有优良的可切削性，同时提高了奥氏体铸铁材质的热力学稳定性，使其具有更好的耐腐蚀性和耐磨性；

2、本发明气缸套采用奥氏体耐腐蚀铸铁材质，有效提高了气缸套的耐腐蚀性能，同时通过表面处理提高气缸套内表面的耐磨性能，从而有效缓解腐蚀磨损和摩擦磨损情况，大大提高气缸套的工作寿命，另外有效解决由于气缸套磨损造成的发动机机油耗升高、功率下降，发动机寿命降低的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明的实施例四的扫描电镜图。

图2是本发明的实施例五的抗腐蚀实验对照图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例一：

本实施例公开了一种耐腐蚀铸铁，铸铁为奥氏体铸铁，包括以下组分：1.7wt％的碳，2.2wt％的硅，1.5wt％的锰，0.05wt％的磷0.1wt％的硫，3.0wt％的铬，25wt％的镍和余量基体铁，所述碳为片状石墨。

实施例二：

本实施例公开了一种耐腐蚀铸铁，铸铁为奥氏体铸铁，包括以下组分：2wt％的碳，1.8wt％的硅，1wt％的锰，0.1wt％的磷，0.05wt％的硫，3.2wt％的铬，22wt％的镍，0.4wt％的铜和余量基体铁，所述碳为片状石墨。

实施例三：

本实施例公开了一种耐腐蚀铸铁，铸铁为奥氏体铸铁，包括以下组分：1.7～2.3wt％的碳，1.6wt％的硅，0.5wt％的锰，0.2wt％的磷，0.02wt％的硫，3.5wt％的铬，20wt％的镍，0.8wt％的铜和余量基体铁，所述碳为片状石墨。

实施例四:

本实施例对实施例一的铸铁进行表征分析，得到如图1所示的扫描电镜图，其中a为铸铁内部放大100倍电镜图，b为铸铁内部放大500倍电镜图，c为铸铁表面放大100倍电镜图。

由图1显示，实施例一铸铁内的片状石墨的长度等级为5，内部片状石墨的分布状态包括均匀分布和在枝晶间位置中有倾向性朝向分布，即《ISO 945-1-2008铸铁微观结构》中规定的A型分布和E型分布；表面片状石墨还存在在枝晶间位置中的细的任意朝向的片状石墨，即《ISO 945-1-2008铸铁微观结构》中规定的D型分布。

在晶粒边界或晶粒间角落上有细针状碳化物，该细状化碳化物为碳与奥氏体铸铁中的其余合金物质形成，细针状的碳化物可使奥氏体铸铁的硬度和稳定度提升，提成了奥氏体铸铁的耐磨性能和耐腐蚀性能。

实施例五：

对实施例二的铸铁进行抗腐蚀实验，将实施例二的铸铁与普通铸铁分别放置在两个相同的容器中，如图2a所示。

向两个容器内加入等量10％的硫酸，静置观察，刚开始，普通铸铁反应强烈，不断有气泡冒出，而实施例二铸铁气泡少，经过15h后，得到图2b；将实施例二铸铁和普通铸铁拿出得到图2c。

由图2b和图2c可以看出普通铸铁已经被严重腐蚀，有材料脱落，而实施例二铸铁只是表面光泽度降低，未出现材料腐蚀现象。

因此，实施例二的铸铁相对于普通铸铁具有较强的抗腐蚀性能。

实施例六：

本实施例公开了一种采用实施例一的耐腐蚀铸铁制备的气缸套，该气缸套由以下步骤制得：

S1根据铸铁化学元素组分称取配量原材料，原材料包括生铁，不锈钢铁屑，低硫增碳剂，预处理剂，硅铁，锰铁，铬铁，镍板和硫化亚铁；

S2将原材料加入熔炼炉内，控制温度在1600℃，熔炼得到一次铁水；

S3向保温包内加入步骤S2得到的一次铁水10KG和50g粗宁版孕育剂，控制温度在1500℃，同时进行扒渣，保证纯净度，得到二次铁水；

S4将步骤S3得到的二次铁水温度调整为1400℃，将气缸套模具内部温度控制为380℃，将二次铁水倒入气缸套模具内，并加入20g细宁版孕育剂，之后采用离心浇注机进行离心浇铸，冷却脱模后得到毛坯；

S5对步骤S4得到的毛坯进行外圆车削加工，内孔珩磨至成品，之后对成品进行表面处理。

步骤S5的表面处理为：

(1)对缸套进行清洗除油，之后预热至380℃，保温1h；

(2)将预热后的缸套吊入熔融氮化盐中，通入压缩空气，升温至550℃，保温2h后停止压缩空气，继续保温22h，得到氮化后的缸套；

(3)将氮化后的缸套晾干冷却后，吊入氧化盐中以400℃保温10min，得到氧化后的缸套；

(4)将氧化后的缸套冷却清洗，内孔抛光，外圆精加工即得。

实施例七：

本实施例公开了一种采用实施例二的耐腐蚀铸铁制备的气缸套，该气缸套由以下步骤制得：

S1根据铸铁化学元素组分称取配量原材料，原材料包括生铁，废铜，不锈钢铁屑，低硫增碳剂，预处理剂，硅铁，锰铁，铬铁，铜板，镍板和硫化亚铁；

S2将原材料加入熔炼炉内，控制温度在1550℃，熔炼得到一次铁水；

S3向保温包内加入步骤S2得到的一次铁水10KG和45g粗宁版孕育剂，控制温度在1450℃，同时进行扒渣，保证纯净度，得到二次铁水；

S4将步骤S3得到的二次铁水温度调整为1430℃，将气缸套模具内部温度控制为350℃，将二次铁水倒入气缸套模具内，并加入25g细宁版孕育剂，之后采用离心浇注机进行离心浇铸，冷却脱模后得到毛坯；

S5对步骤S4得到的毛坯进行外圆车削加工，内孔珩磨至成品，之后对成品进行表面处理。

步骤S5的表面处理为：

(1)对缸套进行清洗除油，之后预热至390℃，保温1h；

(2)将预热后的缸套吊入熔融氮化盐中，通入压缩空气，升温至530℃，保温2h后停止压缩空气，继续保温22h，得到氮化后的缸套；

(3)将氮化后的缸套晾干冷却后，吊入氧化盐中以390℃保温15min，得到氧化后的缸套；

(4)将氧化后的缸套冷却清洗，内孔抛光，外圆精加工即得。

实施例八：

本实施例公开了一种采用实施例三的耐腐蚀铸铁制备的气缸套，该气缸套由以下步骤制得：

S1根据铸铁化学元素组分称取配量原材料，原材料包括生铁，废铜，不锈钢铁屑，低硫增碳剂，预处理剂，硅铁，锰铁，铬铁，铜板，镍板；

S2将原材料加入熔炼炉内，控制温度在1650℃，熔炼得到一次铁水；

S3向保温包内加入步骤S2得到的一次铁水10KG和55g粗宁版孕育剂，控制温度在1450℃，同时进行扒渣，保证纯净度，得到二次铁水；

S4将步骤S3得到的二次铁水温度调整为1370℃，将气缸套模具内部温度控制为420℃，将二次铁水倒入气缸套模具内，并加入15g细宁版孕育剂，之后采用离心浇注机进行离心浇铸，冷却脱模后得到毛坯；

S5对步骤S4得到的毛坯进行外圆车削加工，内孔珩磨至成品，之后对成品进行表面处理。

步骤S5的表面处理为：

(1)对缸套进行清洗除油，之后预热至390℃，保温1h；

(2)将预热后的缸套吊入熔融氮化盐中，通入压缩空气，升温至570℃，保温2h后停止压缩空气，继续保温22h，得到氮化后的缸套；

(3)将氮化后的缸套晾干冷却后，吊入氧化盐中以410℃保温15min，得到氧化后的缸套；

(4)将氧化后的缸套冷却清洗，内孔抛光，外圆精加工即得。

实施例九:

对实施例六至八的气缸套进行抗拉强度和内孔工作面硬度测量，得到下表。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。