专利名称：一种含有钒钛合金的球墨铸铁活塞环及生产加工方法
技术领域：
本发明涉及活塞环加工技术领域，尤其涉及一种含有钒钛合金球磨铸铁活塞环及生产加工方法。
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，因而在机械铸造工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。
本发明的目的在于改进已有技术的不足，而提供一种含有钒钛合金的球墨铸铁的新的活塞环材料，制造耐磨性能好，失弹时间长，使用寿命长的活塞环。
本发明的另一目的是提供一种操作方法简单，实用性强的工艺过程，使球墨铸铁基体组织细化，热状态下疲劳强度和弯曲屈服极限得到提高的含有钒钛合金球墨铸铁活塞环的新的生产加工方法。
本发明的目的是通过如下技术方案得以实现的，一种含有钒钛合金的球墨铸铁活塞环，它是以球墨铸铁为基体经铸造及机械加工而成，其特殊之处是该活塞环除包括球墨铸铁所有的化学成份及微量合金元素外，还含有0.04-0.35％的钒，0.03-0.25％的钛。
一种生产加工上述含有钒钛合金的球墨铸铁活塞环的方法，它依次包括原料准备、铸造、机械加工、电镀、包装等工艺过程，其特殊之处是铸造过程包括称料、熔化、球化、孕育步骤；所述的称料是根据电炉的容量，分别称取其(按重量比)L04生铁10-30％，钒钛原料铁25-45％，钒钛回炉料26-46％，废钢3-7％，铜0.5-1.2％，铬0.5-0.8％，余量为铁末；所述的熔化是将称好的原料分别置于中频电炉进行加温熔化，炉内温度控制在1500℃以上熔化结束；所述的球化是将球化剂(按球化包容量的1.5-2％)称取后置于球化包内，然后倒入熔化后的铁水进行球化，时间为1-2分钟；所述的孕育是将孕育剂按其孕育重量的0.010-0.013％的比例称取后，将其重量50-70％进行随流孕育，20-40％进行包内孕育，5-20％进行型内孕育。
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，这些物质有较高硬度硬质相，四种硬质相的结合体的硬度(显微硬度为1520-3147)所构成的第一滑动面的耐磨性极高，从而减小了磨擦速度，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36.4％，对高磷合金缸套减少磨损量为39.5％；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7500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；其三是本发明所述生产加工方法与已有技术相比只是在铸造过程中增加了球化、孕育两个步骤，但却操作过程简单，便于操作，能够使本发明所述的活塞环具有显著的效果，使本发明所述的生产加工方法具有实用性强的特点；其四是本发明所述的活塞环的生产加工方法通过对熔化后的铁水用稀土材料对其进行一次性(冲入法)的球化，使球墨铸铁的球径变小，再经三次孕育过程使石墨球径在20-35μm之间，从而使本发明所述的活塞环其球墨铸铁基体组织细化，经金相分析回火屈氏体大于97％，游离渗碳体占1％，残余奥氏体小于2％，使活塞环在热状态下的稳定性达95-96％，抗弯强度σw达到1100-1350MPa，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。
本发明一种含有钒钛合金的球墨铸铁活塞环及具体的生产加工细节由以下实施给出。
实施例1一种适用于125型摩托车使用的含有钒钛合金的球墨铸铁活塞环(它是以球墨铸铁为基体)经铸造及机械加工而成，该活塞环除包括球墨铸铁所有的化学成份及微量合金元素外，还含有0.04-0.08％的钒，0.03-0.09％的钛。该活塞环是通过如下生产加工方法加工而成的，首先根据所需要的原材料、辅助材料明细清单进行采购并经进厂材料验收合格后办理入库手续。铸造时按照称料、熔化、球化、孕育、浇铸的工艺步骤进行，称料时从库房领取合格的主辅材料，然后根据中频电炉的容量(按250kg计)，分别称取L04生铁75kg、钒钛原料铁62.5kg，钒钛回炉料65kg、废钢7.5kg、铜1.25kg、铬1.25kg、铁末37.5kg。将称好的原料分别置于250kg的中频电炉内，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1500℃以上时熔化即结束；按球化包的容量(或按中频电炉容量250kg计)的1.5％(3.75kg)分别称取，T1-B稀土镁合金占60％(2.25kg)、镁团占40％(1.5kg)作为球化剂将其混合后分别置于球化包内，然后倒入熔化的铁水，时间为60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，首先称取孕育剂，按照孕育总量(按中频电炉容量250kg计)的0.010％(25g)分别称取硅锶占62％(15.5g)，硅钡占30％(7.5g)，铯、锑、锡均量占8％(2g)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即将孕育剂的50％进行随流孕育，孕育剂的40％进行包内孕育，孕育剂的10％进行型内孕育，即可完成本发明所述的孕育过程。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。
实施例2一种适用于295型柴油机使用的含有钒钛合金的球墨铸铁活塞环(它是以球墨铸铁为基体)经铸造及机械加工而成，该活塞环除包括球墨铸铁所有的化学成份及微量合金元素外，还含有0.09-0.15％的钒，0.10-0.16％的钛。该活塞环是通过如下生产加工方法加工而成的，首先根据所需要的原材料、辅助材料明细清单进行采购并经进厂材料验收合格后办理入库手续。铸造时按照称料、熔化、球化、孕育、浇铸的工艺步骤进行，称料时从库房领取合格的主辅材料，然后根据中频电炉的容量(按250kg计)，分别称取L04生铁50kg、钒钛原料铁87.5kg，钒钛回炉料90kg、废钢17.5kg、铜2kg、铬1.75kg、铁末1.25kg。将称好的原料分别置于250kg的中频电炉内，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1500℃以上时熔化即结束；按球化包的容量(或按中频电炉容量250kg计)的1.7％(4.25kg)分别称取，Z1-B稀土镁合金占40％(1.7kg)、镁团占60％(2.55kg)作为球化剂将其混合后分别置于球化包内，然后倒入熔化的铁水，时间为80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，首先称取孕育剂，按照孕育总量(按中频电炉容量250kg计)的0.011％(27.5g)分别称取硅锶占63％(17.33g)，硅钡占30％(8.25g)，铯、锑、锡均量占7％(1.92g)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即将孕育剂的70％进行随流孕育，孕育剂的20％进行包内孕育，孕育剂的10％进行型内孕育，即可完成本发明所述的孕育过程。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。
实施例3一种适用于汽车发动机使用的含有钒钛合金的球墨铸铁活塞环(它是以球墨铸铁为基体)经铸造及机械加工而成，该活塞环除包括球墨铸铁所有的化学成份及微量合金元素外，还含有0.26-0.35％的钒，0.22-0.25％的钛。该活塞环是通过如下生产加工方法加工而成的，首先根据所需要的原材料、辅助材料明细清单进行采购并经进厂材料验收合格后办理入库手续。铸造时按照称料、熔化、球化、孕育、浇铸的工艺步骤进行，称料时从库房领取合格的主辅材料，然后根据中频电炉的容量(按250kg计)，分别称取L04生铁25kg、钒钛原料铁112.5kg，钒钛回炉料90kg、废钢15kg、铜3kg、铬2kg、铁末2.5kg。将称好的原料分别置于250kg的中频电炉内，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1500℃以上时熔化即结束；按球化包的容量(或按中频电炉容量250kg计)的2％(5kg)分别称取，T1-B稀土镁合金占34％(1.7kg)、镁团占33％(1.6kg)，Z1-B稀土镁合金占34％(1.7kg)作为球化剂将其混合后分别置于球化包内，然后倒入熔化的铁水，时间为120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，首先称取孕育剂，按照孕育总量(按中频电炉容量250kg计)的0.013％(32.5g)分别称取硅锶占65％(21.13g)，硅钡占30％(9.75g)，铯、锑、锡均量占5％(1.62g)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即将孕育剂的60％进行随流孕育，孕育剂的35％进行包内孕育，孕育剂的5％进行型内孕育，即可完成本发明所述的孕育过程。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。
实施例4一种适用于船舶上内燃机使用的含有钒钛合金的球墨铸铁活塞环(它是以球墨铸铁为基体)经铸造及机械加工而成，该活塞环除包括球墨铸铁所有的化学成份及微量合金元素外，还含有0.16-0.25％的钒，0.17-0.22％的钛。该活塞环是通过如下生产加工方法加工而成的，首先根据所需要的原材料、辅助材料明细清单进行采购并经进厂材料验收合格后办理入库手续。铸造时按照称料、熔化、球化、孕育、浇铸的工艺步骤进行，称料时从库房领取合格的主辅材料，然后根据中频电炉的容量(按250kg计)，分别称取L04生铁40kg、钒钛原料铁75kg，钒钛回炉料115kg、废钢10kg、铜2.5kg、铬1.5kg、铁末6kg。将称好的原料分别置于250kg的中频电炉内，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1500℃以上时熔化即结束；按球化包的容量(或按中频电炉容量250kg计)的1.8％(4.5kg)分别称取，Z1-B稀土镁合金占50％(2.25kg)、镁团占50％(2.25kg)作为球化剂将其混合后分别置于球化包内，然后倒入熔化的铁水，时间为100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，首先称取孕育剂，按照孕育总量(按中频电炉容量250kg计)的0.012％(30g)分别称取硅锶占64％(19.2g)，硅钡占30％(9g)，铯、锑、锡均量占6％(1.8g)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即将孕育剂的50％进行随流孕育，孕育剂的30％进行包内孕育，孕育剂的20％进行型内孕育，即可完成本发明所述的孕育过程。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的活塞环。本发明所述的含有钒钛合金的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(如铬、铜、锡、锑、铯)，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。
权利要求
1.一种含有钒钛合金的球墨铸铁活塞环，它是以球墨铸铁为基体经铸造及机械加工而成，其特征是该活塞环除包括球墨铸铁所有的化学成份及微量合金元素外，还含有0.04-0.35％的钒，0.03-0.25％的钛。
2.根据权利要求1所述的含有钒钛合金的球墨铸铁活塞环，其特征是所述的钒含量为0.10-0.25％，钛含量为0.10-0.20％。
3.根据权利要求1所述的含有钒钛合金的球墨铸铁活塞环，其特征是所述的钒含量为0.15-0.20％，钛含量为0.15-0.18％。
4.一种权利要求1所述的活塞环的生产加工方法，它依次包括原料准备、铸造、机械加工、电镀、包装等工艺过程，其特征是铸造过程包括称料、熔化、球化、孕育步骤；所述的称料是根据电炉的容量，分别称取其(按重量比)L04生铁10-30％，钒钛原料铁25-45％，钒钛回炉料26-46％，废钢3-7％，铜0.5-1.2％，铬0.5-0.8％，余量为铁末；所述的熔化是将称好的原料分别置于中频电炉进行加温熔化，炉内温度控制在1500℃以上熔化结束；所述的球化是将球化剂(按球化包容量的1.5-2％)称取后置于球化包内，然后倒入熔化后的铁水进行球化，时间为1-2分钟；所述的孕育是将孕育剂按其孕育重量的0.010-0.013％的比例称取后，将其重量50-70％进行随流孕育，20-40％进行包内孕育，5-20％进行型内孕育。
5.根据权利要求4所述的生产加工方法，其特征是所述的球化剂为(重量比)40-60％的T1-B稀土镁合金与40-60％的镁团的组合物；也可为40-60％的Z1-B稀土镁合金与40-60％的镁团的组合物；还可为20-40％的T1-B稀土镁合金，20-40％的Z1-B稀土镁合金与20-40％的镁团的组合物。
6.根据权利要求4所述的生产加工方法，其特征是所述的孕育剂为复合孕育剂，其含有(按重量比)62-65％的硅锶，30％的硅钡，5-8％的铯、锑、锡。
全文摘要
本发明公开了一种含有钒钛合金的球墨铸铁活塞环及生产加工方法,属活塞环加工技术领域。本发明所述的活塞环除包括球墨铸铁所有的化学成分及微量合金元素外,还含有0.04－0.35%的钒,0.03－0.25%的钛;所述的生产加工方法包括原料准备、铸造、机械加工、电镀、包装等工艺过程,其特殊之处是在铸造过程中将熔化后的铁水在常温下依次进行了球化、孕育,使球墨铸铁的基体组织细化,本发明与已有技术相比具有耐磨性能好,使用寿命长的显著效果。
文档编号C22C37/00GK1326008SQ0011105
公开日2001年12月12日 申请日期2000年5月25日 优先权日2000年5月25日
发明者王义波 申请人:王义波