本发明涉及铸铁领域，特别涉及一种高镁低稀土奥氏体蠕墨铸铁、其制备方法及其应用。
背景技术：
活塞是汽车发动机的“心脏”，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一。影响铝合金活塞使用寿命的一个主要因素就是活塞环槽磨损，特别是第一道环槽。
为了提高铝活塞第一道环槽的耐磨性，行业内普遍采用镶铸铸铁耐磨环座（镶圈）作为有效解决办法，这种镶圈活塞不但保持了铝活塞重量轻的特点，还兼具铸铁活塞环槽耐磨的优点，使得铝活塞使用寿命大幅度提高，镶圈铝活塞也得以全面推广应用。
目前，镶圈的材质主要有高镍和高锰奥氏体灰口铸铁，应用最广的是高镍奥氏体铸铁。高镍奥氏体镶圈的主要成分是：含镍量13.0-18.0%，含铜量4.0-8.0%，其余为铁、碳、硅和其他合金元素。基体为奥氏体组织，石墨形态都是以a型（片状）+b型（菊花状）石墨为主。虽然传统的高镍奥氏体镶圈能够满足国五及国五以下排放发动机的活塞要求，但是在目前国家大力倡导环保的要求下，“国六”排放标准将要在2020年正式实施，面对更加严格的排放法规，这样对高镍奥氏体镶圈的耐磨性提出了更高的要求，导致了传统的高镍奥氏体铸铁镶圈已满足不了目前的“国六”法规排放标准。
综合以上所述，在目前传统的高镍奥氏体镶圈生产技术中，为了保证符合“国六”发动机的排放标准，需要解决目前镶圈耐磨性不高、线膨胀系数偏低等问题，对此必须进行深入的科研攻关，寻求合理有效的解决办法。
生产实际中常用的铸铁材料根据石墨形状不同主要有三类：灰铸铁，石墨为片状，力学性能差，铸造性、减震性、减摩性缺口敏感性、切削性比好；球墨铸铁，石墨为球状，力学性能高；蠕墨铸铁，石墨介于两者之间为蠕虫状，力学性能稍低于球墨铸铁，耐磨性、铸造性能较球墨铸铁好，尤其是抗高低温蠕变性能好。寻求一种可以解决目前镶圈耐磨性不高、线膨胀系数偏低问题的铸铁是技术关键，也是技术难点。
本申请人于2017年4月12日向国家知识产权局专利局提交了一件申请号为“2017102370736”，专利名称为“一种活塞镶圈铸铁材料及其制造方法”的发明专利，该发明专利已于2017年6月9日公布，公布号为“cn106811677a”。该发明专利与本发明解决的技术问题相同，但是其效果依然不理想，为了满足技术需求，研发蠕化率更高、机械性能更高的铸铁材料至关重要。
技术实现要素：
为了弥补现有技术的不足，解决现有技术中铸铁镶圈耐磨性不高、线膨胀系数偏低的问题，本发明提供了一种高镁低稀土奥氏体蠕墨铸铁、其制备方法及其应用。
本发明的技术方案为：
一种高镁低稀土奥氏体蠕墨铸铁，按照质量百分比，由以下化学组分组成：碳2.0-3.8%、硅1.5-3.0%、锰0.8-2%、镍7-18%、铜3-8%、铬0.05-2.7%、镁0.08-0.12%、稀土≤0.03%、钛0.1-0.18%、硫≤0.08%、磷≤0.15%，其余为铁和不可避免的杂质。
作为优选方案，按照质量百分比，由以下化学组分组成：碳2.8-3.2%、硅2.2-2.6%、锰1.0-1.5%、镍10-15%、铜4-6%、铬1.0-1.5%、镁0.09-0.11%、稀土≤0.03%、钛0.13-0.16%、硫≤0.08%、磷≤0.15%，其余为铁和不可避免的杂质。
作为优选方案，按照质量百分比，由以下化学组分组成：碳2.9-3.0%、硅2.3-2.5%、锰1.1-1.3%、镍11-13%、铜4.5-5.5%、铬1.1-1.3%、镁0.10-0.11%、稀土≤0.02%、钛0.14-0.15%、硫≤0.06%、磷≤0.12%，其余为铁和不可避免的杂质。
所述高镁低稀土奥氏体蠕墨铸铁在活塞镶圈中的用途。
所述高镁低稀土奥氏体蠕墨铸铁的制备方法，包括步骤：
1）将增碳剂、生铁、废钢加入中频感应电炉熔炼，其中，增碳剂置于最底层；熔化后加入电解镍、电解铜、硅铁、铬铁、锰铁继续熔炼，有熔融铁液后加入回炉铁屑；
2）当铸铁溶液成分合格且温度达到1500-1600℃时，保温10-20分钟；
3）中转包底部放入0.2-0.8%的高镁蠕化剂，并加入0.10-0.18%海绵钛和0.3-0.7%的硅钡孕育剂，采用回炉铁屑将高镁蠕化剂、海绵钛以及硅钡孕育剂全部覆盖；
4）将步骤2）的铁液倒入步骤3）的中转包中，进行蠕化以及第一次孕育处理90±15秒；
5）蠕化以及第一次孕育完成后，将铁液转入浇注小浇包中，加入0.1-0.3%的硅钡孕育剂和0.1-0.2%的铸铁除渣剂，进行第二次孕育处理；
6）扒渣后浇注到离心铸造机模具，浇注温度为1400-1450℃，得铸铁镶圈毛坯。
其中，步骤3）和步骤6）中涉及的百分数均为相应物质的质量与铁液质量相比的质量百分数。
作为优选方案，所述高镁蠕化剂为低稀土高镁硅钙铁合金，所述高镁蠕化剂中镁的质量分数为6-10%；所述高镁蠕化剂的粒度为4-30mm。
作为优选方案，步骤3）中所述海绵钛的粒度为2-8mm。
作为优选方案，步骤3）和步骤5）所述硅钡孕育剂的粒度为2-8mm。
本发明的有益效果为：
本发明与本申请人申请的、公布号为“cn106811677a”、专利名称为“一种活塞镶圈铸铁材料及其制造方法”的发明专利的主要区别点包括：
1）本发明铸铁中镁的含量显著提高，同时较小程度的增加了钛的含量；
在公布号为“cn106811677a”、专利名称为“一种活塞镶圈铸铁材料及其制造方法”的专利中，其实钛视为杂质元素，没有专门加入钛，而本发明在蠕化时加入少量海绵钛；
经试验证明，增加镁的量，可以促进石墨球化，而增加钛会阻碍石墨球化，而当镁与钛在一定的比例范围时，蠕化率显著提高。
2）锰的质量分数显著提高；
铸铁中mn本身是阻止石墨化元素，铸铁中s是强烈阻碍石墨化的元素，s还会降低铸铁的力学性能和流动性。因此，铸铁中含s越少越好。但mn与s化合形成mns，减弱了s对石墨化的不利影响，故铸铁中允许有适量的mn。适当的提高锰的含量，一般灰铸铁锰含量为0.3%～2.0%，在铸件不出现白口的情况下尽量取上限，能提高铸铁的抗拉强度；本发明锰的含量使得本发明所得铸铁抗拉强度达到最高值。
3）本发明在蠕化处理前，采用回炉铁屑将高镁蠕化剂、海绵钛以及硅钡孕育剂全部覆盖；该处理可以有效降低蠕化剂反应速度，增加蠕化率。
4）采用炉外加入蠕化剂，在中转包中进行蠕化，可以有效降低蠕化剂反应速度，增加蠕化率。
5）钛采用炉外加入，与高镁蠕化剂共同加入中转包，利用镁与钛对石墨化的相反的影响效果，增加蠕化率。
6）本发明经过两次孕育处理。
二次孕育有效促进石墨化，细化共晶团。
7）本发明所得毛坯，铸铁组织为奥氏体基体、蠕虫状石墨和极少部分团球状石墨；本发明所得铸铁蠕化率≥91%，抗拉强度超过360mpa，线膨胀系数达到18.9*10-6，采用本发明铸铁制得的镶圈用于活塞上，通过cae分析可有效满足国六发动机对活塞的性能要求。
本发明通过调整镁、钛、稀土以及锰的含量，进一步显著提升了铸铁蠕化率，获得了极好的抗拉强度和耐磨性，耐磨性提高了25%以上，克服了技术缺陷，取得了意料不到的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1所得铸铁的金相图。
具体实施方式
各实施例中所用高镁蠕化剂为低稀土高镁硅钙铁合金，高镁蠕化剂中镁的质量分数为6-10%；该高镁蠕化剂由埃肯公司购买得到。
实施例1
一种高镁低稀土奥氏体蠕墨铸铁，按照质量百分比，由以下化学组分组成：
碳2.8%、硅2.6%、锰1.5%、镍10%、铜6%、铬1.0%、镁0.1%、稀土0.007%、钛0.15%、硫≤0.08%、磷≤0.15%，其余为铁和不可避免的杂质。
高镁低稀土奥氏体蠕墨铸铁的制备方法，包括步骤：
1）将增碳剂、生铁、废钢加入中频感应电炉熔炼，其中，增碳剂置于最底层；熔化后加入电解镍、电解铜、硅铁、铬铁、锰铁继续熔炼，有熔融铁液后加入回炉铁屑；
2）当铸铁溶液成分合格且温度达到1560℃时，保温15分钟；
3）中转包底部放入0.5%的高镁蠕化剂（粒度为8-10mm），并加入0.15%海绵钛（粒度为3-5mm）和0.3-0.7%的硅钡孕育剂（粒度为3-5mm），采用回炉铁屑将高镁蠕化剂、海绵钛以及硅钡孕育剂全部覆盖；
4）将步骤2）的铁液倒入步骤3）的中转包中，进行蠕化以及第一次孕育处理95秒；
5）蠕化以及第一次孕育完成后，将铁液转入浇注小浇包中，加入0.2%的硅钡孕育剂（粒度为3-5mm）和0.15%的铸铁除渣剂，进行第二次孕育处理；
6）扒渣后浇注到用于制造镶圈的离心铸造机模具，浇注温度为1430℃，得铸铁镶圈毛坯（所得铸铁用于制备活塞镶圈）。
在铸造毛坯上截取金相试样观测，铸铁组织为奥氏体基体、蠕虫状石墨和极少部分团球状石墨；该铸铁材料的蠕化率为93%，
在铸造毛坯上截取抗拉强度试样，测得其抗拉强度365mpa；
采用本发明铸铁制得的镶圈用于活塞上，通过cae分析可有效满足国六发动机对活塞的性能要求。
实施例2
一种高镁低稀土奥氏体蠕墨铸铁，按照质量百分比，由以下化学组分组成：
碳3.1%、硅2.3%、锰1.5%、镍13%、铜5%、铬1.5%、镁0.09%、稀土0.005%、钛0.6%、硫≤0.08%、磷≤0.15%，其余为铁和不可避免的杂质。
高镁低稀土奥氏体蠕墨铸铁的制备方法，包括步骤：
1）将增碳剂、生铁、废钢加入中频感应电炉熔炼，其中，增碳剂置于最底层；熔化后加入电解镍、电解铜、硅铁、铬铁、锰铁继续熔炼，有熔融铁液后加入回炉铁屑；
2）当铸铁溶液成分合格且温度达到1550℃时，保温17分钟；
3）中转包底部放入0.4%的高镁蠕化剂（粒度为12-15mm），并加入0.18%海绵钛（粒度为2-4mm）和0.3-0.7%的硅钡孕育剂（粒度为2-4mm），采用回炉铁屑将高镁蠕化剂、海绵钛以及硅钡孕育剂全部覆盖；
4）将步骤2）的铁液倒入步骤3）的中转包中，进行蠕化以及第一次孕育处理100秒；
5）蠕化以及第一次孕育完成后，将铁液转入浇注小浇包中，加入0.15%的硅钡孕育剂（粒度为2-4mm）和0.12%的铸铁除渣剂，进行第二次孕育处理；
6）扒渣后浇注到用于制造镶圈的离心铸造机模具，浇注温度为1450℃，得铸铁镶圈毛坯（所得铸铁用于制备活塞镶圈）。
在铸造毛坯上截取金相试样观测，铸铁组织为奥氏体基体、蠕虫状石墨和极少部分团球状石墨；该铸铁材料的蠕化率为92%，
在铸造毛坯上截取抗拉强度试样，测得其抗拉强度361mpa；
采用本发明铸铁制得的镶圈用于活塞上，通过cae分析可有效满足国六发动机对活塞的性能要求。
实施例3
一种高镁低稀土奥氏体蠕墨铸铁，按照质量百分比，由以下化学组分组成：
碳2.9%、硅2.5%、锰01.3%、镍8%、铜7%、铬2.5%、镁0.08%、稀土≤0.0038%、钛0.12%、硫≤0.08%、磷≤0.15%，其余为铁和不可避免的杂质。
高镁低稀土奥氏体蠕墨铸铁的制备方法，包括步骤：
1）将增碳剂、生铁、废钢加入中频感应电炉熔炼，其中，增碳剂置于最底层；熔化后加入电解镍、电解铜、硅铁、铬铁、锰铁继续熔炼，有熔融铁液后加入回炉铁屑；
2）当铸铁溶液成分合格且温度达到1600℃时，保温12分钟；
3）中转包底部放入0.28%的高镁蠕化剂（粒度为6-15mm），并加入0.17%海绵钛（粒度为4-6mm）和0.4%的硅钡孕育剂（粒度为4-6mm），采用回炉铁屑将高镁蠕化剂、海绵钛以及硅钡孕育剂全部覆盖；
4）将步骤2）的铁液倒入步骤3）的中转包中，进行蠕化以及第一次孕育处理105秒；
5）蠕化以及第一次孕育完成后，将铁液转入浇注小浇包中，加入0.12%的硅钡孕育剂（粒度为4-6mm）和0.18%的铸铁除渣剂，进行第二次孕育处理；
6）扒渣后浇注到用于制造镶圈的离心铸造机模具，浇注温度为1400℃，得铸铁镶圈毛坯（所得铸铁用于制备活塞镶圈）。
在铸造毛坯上截取金相试样观测，铸铁组织为奥氏体基体、蠕虫状石墨和极少部分团球状石墨；该铸铁材料的蠕化率为91%，
在铸造毛坯上截取抗拉强度试样，测得其抗拉强度362mpa；
采用本发明铸铁制得的镶圈用于活塞上，通过cae分析可有效满足国六发动机对活塞的性能要求。
实施例4
一种高镁低稀土奥氏体蠕墨铸铁，按照质量百分比，由以下化学组分组成：
碳3.6%、硅2.5%、锰1.8%、镍12%、铜5%、铬1.1%、镁1.0%、稀土0.005%、钛0.125%、硫≤0.08%、磷≤0.15%，其余为铁和不可避免的杂质。
高镁低稀土奥氏体蠕墨铸铁的制备方法，包括步骤：
1）将增碳剂、生铁、废钢加入中频感应电炉熔炼，其中，增碳剂置于最底层；熔化后加入电解镍、电解铜、硅铁、铬铁、锰铁继续熔炼，有熔融铁液后加入回炉铁屑；
2）当铸铁溶液成分合格且温度达到1530℃时，保温20分钟；
3）中转包底部放入0.4%的高镁蠕化剂（粒度为20-25mm），并加入0.13%海绵钛（粒度为7-8mm）和0.65%的硅钡孕育剂（粒度为7-8mm），采用回炉铁屑将高镁蠕化剂、海绵钛以及硅钡孕育剂全部覆盖；
4）将步骤2）的铁液倒入步骤3）的中转包中，进行蠕化以及第一次孕育处理90秒；
5）蠕化以及第一次孕育完成后，将铁液转入浇注小浇包中，加入0.25%的硅钡孕育剂（粒度为7-8mm）和0.11%的铸铁除渣剂，进行第二次孕育处理；
6）扒渣后浇注到用于制造镶圈的离心铸造机模具，浇注温度为1420℃，得铸铁镶圈毛坯（所得铸铁用于制备活塞镶圈）。
在铸造毛坯上截取金相试样观测，铸铁组织为奥氏体基体、蠕虫状石墨和极少部分团球状石墨；该铸铁材料的蠕化率为93%，
在铸造毛坯上截取抗拉强度试样，测得其抗拉强度363mpa；
采用本发明铸铁制得的镶圈用于活塞上，通过cae分析可有效满足国六发动机对活塞的性能要求。
实施例5
一种高镁低稀土奥氏体蠕墨铸铁，按照质量百分比，由以下化学组分组成：
碳2.3%、硅1.8%、锰1.1%、镍9%、铜3%、铬0.5%、镁0.1%、稀土0.006%、钛0.136%、硫≤0.08%、磷≤0.15%，其余为铁和不可避免的杂质。
高镁低稀土奥氏体蠕墨铸铁的制备方法，包括步骤：
1）将增碳剂、生铁、废钢加入中频感应电炉熔炼，其中，增碳剂置于最底层；熔化后加入电解镍、电解铜、硅铁、铬铁、锰铁继续熔炼，有熔融铁液后加入回炉铁屑；
2）当铸铁溶液成分合格且温度达到1580℃时，保温12分钟；
3）中转包底部放入0.45%的高镁蠕化剂（粒度为10-20mm），并加入0.14%海绵钛（粒度为5mm）和0.4%的硅钡孕育剂（粒度为5mm），采用回炉铁屑将高镁蠕化剂、海绵钛以及硅钡孕育剂全部覆盖；
4）将步骤2）的铁液倒入步骤3）的中转包中，进行蠕化以及第一次孕育处理85秒；
5）蠕化以及第一次孕育完成后，将铁液转入浇注小浇包中，加入0.2%的硅钡孕育剂（粒度为5mm）和0.16%的铸铁除渣剂，进行第二次孕育处理；
6）扒渣后浇注到用于制造镶圈的离心铸造机模具，浇注温度为1420℃，得铸铁镶圈毛坯（所得铸铁用于制备活塞镶圈）。
在铸造毛坯上截取金相试样观测，铸铁组织为奥氏体基体、蠕虫状石墨和极少部分团球状石墨；该铸铁材料的蠕化率为93%，
在铸造毛坯上截取抗拉强度试样，测得其抗拉强度365mpa；
采用本发明铸铁制得的镶圈用于活塞上，通过cae分析可有效满足国六发动机对活塞的性能要求。
实施例6
一种高镁低稀土奥氏体蠕墨铸铁，按照质量百分比，由以下化学组分组成：
碳3.0%、硅2.79%、锰1.2%、镍14.72%、铜7.963%、铬0.74%、镁0.09%、稀土0.018%、钛0.139%、硫0.008%、磷0.038%，其余为铁和不可避免的杂质。
高镁低稀土奥氏体蠕墨铸铁的制备方法，包括步骤：
1）将增碳剂、生铁、废钢加入中频感应电炉熔炼，其中，增碳剂置于最底层；熔化后加入电解镍、电解铜、硅铁、铬铁、锰铁继续熔炼，有熔融铁液后加入回炉铁屑；
2）当铸铁溶液成分合格且温度达到1580℃时，保温12分钟；
3）中转包底部放入0.4%的高镁蠕化剂（粒度为10-20mm），并加入0.14%海绵钛（粒度为5mm）和0.4%的硅钡孕育剂（粒度为5mm），采用回炉铁屑将高镁蠕化剂、海绵钛以及硅钡孕育剂全部覆盖；
4）将步骤2）的铁液倒入步骤3）的中转包中，进行蠕化以及第一次孕育处理85秒；
5）蠕化以及第一次孕育完成后，将铁液转入浇注小浇包中，加入0.2%的硅钡孕育剂（粒度为5mm）和0.16%的铸铁除渣剂，进行第二次孕育处理；
6）扒渣后浇注到用于制造镶圈的离心铸造机模具，浇注温度为1420℃，得铸铁镶圈毛坯（所得铸铁用于制备活塞镶圈）。
在铸造毛坯上截取金相试样观测，铸铁组织为奥氏体基体、蠕虫状石墨和极少部分团球状石墨；该铸铁材料的蠕化率为93%，
在铸造毛坯上截取抗拉强度试样，测得其抗拉强度365mpa；
采用本发明铸铁制得的镶圈用于活塞上，通过cae分析可有效满足国六发动机对活塞的性能要求。
实施例6与本申请人申请的、公布号为“cn106811677a”、专利名称为“一种活塞镶圈铸铁材料及其制造方法”的发明专利说明书记载的实施例3的区别仅在于镁含量、钛含量和锰含量的提高，以及工艺有所调整；然而由于以上区别蠕化率由70%提升到93%，抗拉强度由333mpa提升到365mpa，蠕化率以及抗拉强度均提升显著。