CN1641248A - 一种球墨铸铁活塞环 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种球墨铸铁活塞环，它是以球墨铸铁为基体经铸造及机械加工而成，其特征在于该活塞环中含有下面化学成分(重量百分数)：碳2.5－4.5％、硅1.5－3.5％、锰0.05－1.0％、硫0.01－0.1％、磷0.01－0.3％、钒0.1－0.4％、钛0.05－0.3％、镁0.01－0.05％。其余为铁和不可避免的微量杂质。本发明耐磨性能好，使用寿命长。
Description
(一)技术领域：本发明涉及内燃机零部件活塞环技术领域，尤其涉及一种含有钒钛合金的球墨铸铁活塞环。
(二)背景技术：目前在内燃机上使用的活塞环，虽然结构和尺寸相差较大，但其使用的材料大都为球墨铸铁。由于球墨铸铁具有优良的强度性能、耐磨性、抗蚀性、减震性，因而在内燃机制造业中广泛应用于如曲轴、汽缸套、汽阀、活塞、活塞环和齿轮等受磨损、高应力、有冲击作用的重要零件。而随着科学技术的进步和机械设备的更新改进，机械设备各种性能指标的提高，使各种机械零部件在材料的选用方面提出了更新更高的要求。作为内燃机技术领域，活塞环属于一个非常重要的零件，而多年来一直采用球墨铸铁材料作为首选用料，由于其本身的化学成份一直未有变化，因而其使用性能指标也不能得到提高，仅摩托车上所使用的活塞环为例，由于在受热状态下一般使用1900-2100小时后活塞环失去弹性，因而磨擦系数高的活塞环极容易犁削缸套，造成车辆维修费用的增加，因此寻找一种新的耐磨性能好，失弹时间长，使用寿命长的活塞环是本技术领域技术人员一直在研究改进的课题。
(三)发明内容：本发明的目的在于改进上述已有技术的不足，而提供一种耐磨性能好，失弹时间长，使用寿命长的一种球墨铸铁活塞环。
本发明的目的可以通过如下措施来达到：一种球墨铸铁活塞环，它是以球墨铸铁为基体经铸造及机械加工而成，其特征在于该活塞环中含有下面化学成分(重量百分数)：碳2.5-4.5％ 硅1.5-3.5％锰0.05-1.0％ 硫0.01-0.1％ 磷0.01-0.3％ 钒0.1-0.4％钛0.05-0.3％ 镁0.01-0.05％ 其余为铁和不可避免的微量杂质。
为了进一步实现本发明的目的，该活塞环中含有下面化学成分(重量百分数)：碳3.0-4.0％ 硅2.0-3.0％ 锰0.1-0.6％ 硫0.03-0.07％ 磷0.05-0.1％ 钒0.2-0.35％ 钛0.1-0.25％镁0.02-0.04％ 其余为铁和不可避免的微量杂质
为了进一步实现本发明的目的，该活塞环中还含有下面至少一种化学成分(重量百分数)：
铜0.2-1.2％ 铬0.1-1.0％ 稀土0.01-0.05％。
为了进一步实现本发明的目的，该活塞环中还含有下面至少一种化学成分(重量百分数)：
铜0.4-1.0％ 铬0.3-0.7％ 稀土0.02-0.04％
本发明一种球墨铸铁活塞环的有效化学成分设计依据及限定含量范围的理由如下：
碳(c)：碳是影响材料硬度、韧性和耐磨性的重要元素，碳过高则硬度低，韧性和强度指标降低，对耐磨性也有不利影响；而碳量过低，则材质产生脆性，产品在加工和使用过程中易折断，因此碳的含量控制在3.0-4.0％比较适宜。
硅(Si)：硅量高则易产生脆性，产品在加工和使用过程中易折断，并造成产品镀层结合不良，降低耐磨性能，硅量低易造成材料脆性增加，产品加工困难，折断严重，因此硅的含量控制在2.0-3.0％比较适宜。
锰(Mn)：锰可中和消减硫的有害作用，利于石墨球化，同时具有一定合金强化作用。但锰量过高则产生晶间碳化物偏折，造成材料脆性增加，因此锰的含量控制在0.1-0.6％比较适宜。
硫(S)：硫为原材料带入的有害元素，通过球化处理可降低硫的含量，以达到石墨球化的目的，因此硫的含量控制在0.01-0.05％比较适宜。
磷(P)：磷为原材料带入的有害元素，磷量高造成材料脆性严重，因此磷的含量控制在0.01-0.1％比较适宜。
镁(Mg)：镁是石墨球化元素，是球化处理主要添加元素，镁含量过低则石墨不能球化或球化不良，造成材质报废，镁含量过高则造成材料脆性增加，产品废品率增加并易折断，因此镁的含量控制在0.02-0.05％比较适宜。
钒(V)：钒在铸铁中有较大的固溶量，因而能显著的强化细化基体组织，提高材质硬度，抗弯强度，产品的耐磨性和热稳定性，钒在铸铁中与碳、氮元素有较强的亲和力，形成碳化钒和氮化钒，形成良好的耐磨硬质项，提高材料的耐磨性能，但钒量过高则使得材料的脆性增加，抗弯强度降低，产品加工困难易折断，因此钒的含量控制在0.1-0.35％比较适宜。
钛(Ti)：钛在铸铁中与碳、氮元素有较强的亲和力，形成碳化钛和氮化钛，形成良好的耐磨硬质项，显著提高材料的耐磨性能，但钛量过高则使得材料的脆性增加，造成产品加工困难易折断，因此钛的含量控制在0.1-0.25％比较适宜。
铜(Cu)：铜的主要作用是细化基体组织，提高材质硬度，抗弯强度和耐磨性，但铜含量过高，则产生晶间偏折，造成材料韧性指标降低，生产成本增加，因此铜的含量控制在0.4-1.0％比较适宜。
铬(Cr)：铬的主要作用是通过细化并改善基体组织结构，提高材质硬度，抗疲劳强度，弯曲屈服极限得到显著提高，进而提高产品的耐磨性和热稳定性，但铬含量过高，则产生材料抗弯强度降低，增加脆性，造成产品易折断，因此铬的含量控制在0.1-0.5％比较适宜。
稀土(RE)：稀土是石墨球化元素，能显著中和球化干扰元素钛、Sb的有害作用，是球化处理不可缺少的元素，但其含量过高会造成石墨球的片状化，使材料综合性能降低，因此稀土的含量控制在0.01-0.05％比较适宜。
本发明与已有技术相比具有如下突出的实质性特点和显著的进步：其一是由于本发明所采用的技术解决方案是在现有铸造材料和生产工艺的基础上使球墨铸铁增含有钒钛合金，钒钛对于氮、碳有较强的结合能力，极易生成碳化钛、碳化钒、氮化钛、氮化钒，这些物质是具有较高硬度的硬质相，四种硬质相的结合体的硬度所构成的第一滑动面的耐磨性极高，从而减小了磨损速度，而且由于这些化合物高度弥散分布，强化了基体，所以对缸套的磨损速度也减轻。经有关部门对本发明所述的产品与已有技术中的产品进行对比检测，耐磨性提高了40％，对高磷合金缸套减少磨损量为41.5％；其二是本发明所述的活塞环由于含有的金属型碳化物、氮化物具有高熔点、高硬度、高温，化学稳定性等特点，因而使本发明所述的活塞环在热状态的使用具有抗疲劳强度、弯曲屈服极限高的热稳定性特点，经试验证明本发明所述的活塞环失弹时间在7800小时以上，是已有技术中活塞环的失弹时间1900-2100小时的三倍以上，从而使本发明所述的活塞环比已有技术的活塞环的使用寿命大大延长，因而也提高了内燃机的使用寿命和效率，降低了维修费用；其三本发明所述的活塞环其球墨铸铁基体组织细化，经金相分析：回火马氏体大于98％，游离渗碳体小于1％，残余奥氏体小于2％，使活塞环在热状态下的稳定性达95％以上，抗弯强度σw达到1100-1400MPa，提高了本发明所述的活塞环的热状态下的疲劳强度和弯曲屈服极限，保障了本发明目的全面得到实现。
(四)具体实施方式：下面对本发明的具体实施方式作详细说明：
实施例1：
一种球墨铸铁活塞环(它是以球墨铸铁为基体)经铸造及机械加工而成，按本发明的化学成分要求将L04生铁60kg、钒钛原料铁90kg，钒钛回炉料55kg废钢7.5kg、铁末44kg分别置于中频电炉内，按照常规的中频电炉铸造熔化工艺要求进行操作，控制炉内温度在1600℃以上时熔化即结束；按球化包的容量称取镁团2.0kg作为球化剂置于球化包内，然后倒入上述熔化的铁水，时间为65秒即可。所述的孕育过程包括随流孕育、包内孕育、型内孕育三个过程，称取硅锶占1.6kg，硅钡0.8kg，锑、锡均量占0.2kg作为孕育剂并进行混合拌匀后，按照铸造过程中常规的孕育方法进行孕育操作。此后按照现有活塞环的机械加工、电镀、包装等工艺技术方法加工即可得到本发明所述本实施例的活塞环。取样进行化学分析，其化学成分(重量百分数)为：碳4.5％ 硅3.5％ 锰1.0％ 硫0.1％ 磷0.3％ 钒0.4％ 钛0.3％ 镁0.05％ 其余为铁和不可避免的微量杂质。
实施例2：
一种球墨铸铁活塞环(它是以球墨铸铁为基体)经铸造及机械加工而成，按本发明的化学成分要求将L04生铁60kg、钒钛原料铁85kg，钒钛回炉料50kg废钢7.5kg、铜1.30kg、铬1.7kg、铁末44kg分别置于中频电炉内，按照常规的中频电炉铸造熔化工艺要求进行操作，控制炉内温度在1600℃以上时熔化即结束；按球化包的容量分别称取T1-B稀土镁合金2.6kg、镁团1.7kg作为球化剂将其混合后分别置于球化包内，然后倒入上述熔化的铁水，时间为65秒即可。所述的孕育过程包括随流孕育、包内孕育、型内孕育三个过程，称取硅锶占1.6kg，硅钡0.7kg，锑、锡均量占0.2kg作为孕育剂并进行混合拌匀后，按照铸造过程中常规的孕育方法进行孕育操作。此后按照现有活塞环的机械加工、电镀、包装等工艺技术方法加工即可得到本发明所述本实施例的活塞环。取样进行化学分析，其化学成分(重量百分数)为：碳4.0％ 硅3.0％ 锰0.6％ 硫0.03％ 磷0.1％铜1.0％ 铬0.7％ 钒0.35％ 钛0.25％ 稀土0.05％ 镁0.02％其余为铁和不可避免的微量杂质。
实施例3：
一种球墨铸铁活塞环(它是以球墨铸铁为基体)经铸造及机械加工而成，按本发明的化学成分要求将L04生铁90kg、钒钛原料铁40kg，钒钛回炉料45kg、废钢20kg、铜1.4kg、铁末50kg分别置于中频电炉内，按照常规的中频电炉铸造熔化工艺要求进行操作，控制炉内温度在1600℃以上时熔化即结束；按球化包的容量分别称取T1-B稀土镁合金2.4kg、镁团1.9kg作为球化剂将其混合后分别置于球化包内，然后倒入上述熔化的铁水，时间为65秒即可。所述的孕育过程包括随流孕育、包内孕育、型内孕育三个过程，称取硅锶占1.2kg，硅钡0.4kg，锑、锡均量占0.16kg作为孕育剂并进行混合拌匀后，按照铸造过程中常规的孕育方法进行孕育操作。此后按照现有活塞环的机械加工、电镀、包装等工艺技术方法加工即可得到本发明所述本实施例的活塞环。取样进行化学分析，其活塞环的化学成分(重量百分数)为：碳2.5％ 硅1.5％ 锰0.05％ 硫0.07％ 磷0.05％ 铜0.2％ 钒0.2％ 钛0.05％ 稀土0.01％ 镁0.01％ 其余为铁和不可避免的微量杂质。
实施例4：
一种球墨铸铁活塞环(它是以球墨铸铁为基体)经铸造及机械加工而成，按本发明的化学成分要求将L04生铁95kg、钒钛原料铁45kg，钒钛回炉料45kg、废钢20kg、铜1.4kg、铬1.6kg、铁末42kg分别置于中频电炉内，按照常规的中频电炉铸造熔化工艺要求进行操作，控制炉内温度在1600℃以上时熔化即结束；按球化包的容量分别称取T1-B稀土镁合金2.4kg、镁团1.9kg作为球化剂将其混合后分别置于球化包内，然后倒入上述熔化的铁水，时间为65秒即可。所述的孕育过程包括随流孕育、包内孕育、型内孕育三个过程，称取硅锶占1.2kg，硅钡0.4kg，锑、锡均量占0.16kg作为孕育剂并进行混合拌匀后，按照铸造过程中常规的孕育方法进行孕育操作。此后按照现有活塞环的机械加工、电镀、包装等工艺技术方法加工即可得到本发明所述本实施例的活塞环。取样进行化学分析，其活塞环的化学成分(重量百分数)为：碳3.0％ 硅2.0％ 锰0.1％ 硫0.01％ 磷0.01％ 铜0.4％ 铬0.1％ 钒0.1％ 钛0.1％ 稀土0.02％ 镁0.04％ 其余为铁和不可避免的微量杂质。
实施例5：
一种球墨铸铁活塞环(它是以球墨铸铁为基体)经铸造及机械加工而成，按本发明的化学成分要求将L04生铁80kg、钒钛原料铁80kg，钒钛回炉料55kg、废钢7kg、铜2.0kg、铬1.0kg、铁末26kg分别置于中频电炉内，按照常规的中频电炉铸造熔化工艺要求进行操作，控制炉内温度在1600℃以上时熔化即结束；按球化包的容量分别称取T1-B稀土镁合金3.0kg、镁团1.8kg作为球化剂将其混合后分别置于球化包内，然后倒入上述熔化的铁水，时间为65秒即可。所述的孕育过程包括随流孕育、包内孕育、型内孕育三个过程，称取硅锶占1.4kg，硅钡0.5kg，锑、锡均量占0.18kg作为孕育剂并进行混合拌匀后，按照铸造过程中常规的孕育方法进行孕育操作。此后按照现有活塞环的机械加工、电镀、包装等工艺技术方法加工即可得到本发明所述本实施例的活塞环。取样进行化学分析，其活塞环的化学成分(重量百分数)为：碳3.5％ 硅2.5％ 锰0.6％ 硫0.05％磷0.1％ 铜1.2％ 铬0.3％ 钒0.25％ 钛0.20％ 稀土0.04％ 镁0.03％ 其余为铁和不可避免的微量杂质。
实施例6：
一种球墨铸铁活塞环(它是以球墨铸铁为基体)经铸造及机械加工而成，按本发明的化学成分要求将L04生铁85kg、钒钛原料铁75kg，钒钛回炉料40kg、废钢7.2kg、铜2.0kg、铬1.8kg、铁末39kg分别置于中频电炉内，按照常规的中频电炉铸造熔化工艺要求进行操作，控制炉内温度在1600℃以上时熔化即结束；按球化包的容量称取镁团2.0kg作为球化剂置于球化包内，然后倒入上述熔化的铁水，时间为65秒即可。所述的孕育过程包括随流孕育、包内孕育、型内孕育三个过程，称取硅锶占1.6kg，硅钡0.6kg，锑、锡均量占0.16kg作为孕育剂并进行混合拌匀后，按照铸造过程中常规的孕育方法进行孕育操作。此后按照现有活塞环的机械加工、电镀、包装等工艺技术方法加工即可得到本发明所述本实施例的活塞环。取样进行化学分析，其活塞环的化学成分(重量百分数)为：碳4.0％ 硅3.0％锰0.1％ 硫0.03％ 磷0.02％ 铜0.7％ 铬0.3％ 钒0.18％ 钛0.17％ 镁0.035％ 其余为铁和不可避免的微量杂质。
实施例7：
一种球墨铸铁活塞环(它是以球墨铸铁为基体)经铸造及机械加工而成，按本发明的化学成分要求将L04生铁70kg、钒钛原料铁70kg，钒钛回炉料50kg、废钢20kg、铬1.6kg、铁末37kg分别置于中频电炉内，按照常规的中频电炉铸造熔化工艺要求进行操作，控制炉内温度在1600℃以上时熔化即结束；按球化包的容量分别称取T1-B稀土镁合金2.5kg、镁团1.8kg作为球化剂将其混合后分别置于球化包内，然后倒入上述熔化的铁水，时间为65秒即可。所述的孕育过程包括随流孕育、包内孕育、型内孕育三个过程，称取硅锶占1.2kg，硅钡0.4kg，锑、锡均量占0.16kg作为孕育剂并进行混合拌匀后，按照铸造过程中常规的孕育方法进行孕育操作。此后按照现有活塞环的机械加工、电镀、包装等工艺技术方法加工即可得到本发明所述本实施例的活塞环。取样进行化学分析，其活塞环的化学成分(重量百分数)为：碳3.0％ 硅2.0％ 锰0.4％ 硫0.02％ 磷0.08％ 铬1.0％ 钒0.15％ 钛0.15％ 稀土0.03％ 镁0.04％ 其余为铁和不可避免的微量杂质。
实施例8：
一种球墨铸铁活塞环(它是以球墨铸铁为基体)经铸造及机械加工而成，按本发明的化学成分要求将L04生铁70kg、钒钛原料铁70kg，钒钛回炉料50kg、废钢20kg、铜1.4kg、铁末37kg分别置于中频电炉内，按照常规的中频电炉铸造熔化工艺要求进行操作，控制炉内温度在1600℃以上时熔化即结束；按球化包的容量称取镁团1.8kg作为球化剂置于球化包内，然后倒入上述熔化的铁水，时间为65秒即可。所述的孕育过程包括随流孕育、包内孕育、型内孕育三个过程，称取硅锶占1.2kg，硅钡0.4kg，锑、锡均量占0.16kg作为孕育剂并进行混合拌匀后，按照铸造过程中常规的孕育方法进行孕育操作。此后按照现有活塞环的机械加工、电镀、包装等工艺技术方法加工即可得到本发明所述本实施例的活塞环。取样进行化学分析，其活塞环的化学成分(重量百分数)为：碳3.0％ 硅2.0％ 锰0.6％ 硫0.02％ 磷0.18％ 铜0.5％ 钒0.15％ 钛0.15％ 镁0.04％ 其余为铁和不可避免的微量杂质。
实施例9：
一种球墨铸铁活塞环(它是以球墨铸铁为基体)经铸造及机械加工而成，按本发明的化学成分要求将L04生铁80kg、钒钛原料铁80kg，钒钛回炉料55kg、废钢7kg、铬1.0kg、铁末26kg分别置于中频电炉内，按照常规的中频电炉铸造熔化工艺要求进行操作，控制炉内温度在1600℃以上时熔化即结束；按球化包的容量称取镁团1.8kg作为球化剂置于球化包内，然后倒入上述熔化的铁水，时间为65秒即可。所述的孕育过程包括随流孕育、包内孕育、型内孕育三个过程，称取硅锶占1.4kg，硅钡0.5kg，锑、锡均量占0.18kg作为孕育剂并进行混合拌匀后，按照铸造过程中常规的孕育方法进行孕育操作。此后按照现有活塞环的机械加工、电镀、包装等工艺技术方法加工即可得到本发明所述本实施例的活塞环。取样进行化学分析，其活塞环的化学成分(重量百分数)为：碳3.5％ 硅2.5％ 锰0.6％硫0.05％ 磷0.1％ 铬0.4％ 钒0.25％ 钛0.20％ 镁0.03％其余为铁和不可避免的微量杂质。
实施例10：
一种球墨铸铁活塞环(它是以球墨铸铁为基体)经铸造及机械加工而成，按本发明的化学成分要求将L04生铁85kg、钒钛原料铁75kg，钒钛回炉料40kg、废钢7.2kg、铁末39kg分别置于中频电炉内，按照常规的中频电炉铸造熔化工艺要求进行操作，控制炉内温度在1600℃以上时熔化即结束；按球化包的容量分别称取T1-B稀土镁合金3.0kg、镁团1.8kg作为球化剂将其混合后分别置于球化包内，然后倒入上述熔化的铁水，时间为65秒即可。所述的孕育过程包括随流孕育、包内孕育、型内孕育三个过程，称取硅锶占1.6kg，硅钡0.6kg，锑、锡均量占0.16kg作为孕育剂并进行混合拌匀后，按照铸造过程中常规的孕育方法进行孕育操作。此后按照现有活塞环的机械加工、电镀、包装等工艺技术方法加工即可得到本发明所述本实施例的活塞环。取样进行化学分析，其活塞环的化学成分(重量百分数)为：碳4.0％ 硅3.0％ 锰0.1％ 硫0.03％ 磷0.02％ 钒0.18％ 钛0.17％ 稀土0.045％ 镁0.03％ 其余为铁和不可避免的微量杂质。
本发明所述的一种球墨铸铁活塞环用已有技术中的机械加工和工艺处理方法而制造成各种不同规格型号的活塞环，可广泛适用于各种不同的缸套口径的内燃机。由于其活塞环中含有钒钛合金及其它微量元素，使球墨铸铁基体组织细化，具有高熔点、高硬度、高温化学稳定性等特点，使本发明所述的活塞环具有极高的耐磨性能，较长时间失弹，大大延长了活塞环的使用寿命等显著的进步。
Claims (4)
1、一种球墨铸铁活塞环，它是以球墨铸铁为基体经铸造及机械加工而成，其特征在于该活塞环中含有下面化学成分(重量百分数)：碳 2.5-4.5％ 硅 1.5-3.5％ 锰 0.05-1.0％ 硫 0.01-0.1％磷 0.01-0.3％ 钒 0.1-0.4％ 钛 0.05-0.3％ 镁 0.01-0.05％其余为铁和不可避免的微量杂质。
2、根据权利要求1所述的一种球墨铸铁活塞环，其特征在于该活塞环中含有下面化学成分(重量百分数)：碳3.0-4.0％ 硅2.0-3.0％ 锰 0.1-0.6％ 硫 0.03-0.07％ 磷 0.05-0.1％ 钒0.2-0.35％ 钛 0.1-0.25％ 镁 0.02-0.04％ 其余为铁和不可避免的微量杂质
3、根据权利要求1或2所述的一种球墨铸铁活塞环，其特征在于该活塞环中还含有下面至少一种化学成分(重量百分数)：
铜 0.2-1.2％ 铬 0.1-1.0％ 稀土 0.01-0.05％。
4、根据权利要求1或2所述的一种球墨铸铁活塞环，其特征在于该活塞环中还含有下面至少一种化学成分(重量百分数)：
铜 0.4-1.0％ 铬 0.3-0.7％ 稀土 0.02-0.04％。
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