一种气缸套及其制备方法与流程

本发明涉及发动机配件技术领域，尤其涉及一种气缸套及其制备方法。

背景技术：

随着发动机功率及爆发压力的不断提高，发动机使用过程中，其主要零件气缸套常常因导热不良，不能及时将温度传导至冷却水中而引起缸套乃至发动机高温，这种高温环境严重影响了发动机的使用寿命，还会使润滑油的油耗进一步上升，一定程度地引起拉缸、早磨、穴蚀等失效。因此，如何使气缸套具有高的导热性能、高的抗拉强度、弹性模量、良好的抗穴蚀性，明显减少气缸套因高温而磨损、腐蚀、热疲劳等失效更换频次，进一步提高气缸套、活塞、活塞环乃至发动机的使用寿命，是各大主机厂及其配件生产企业亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种气缸套及其制备方法，本发明提供的气缸套具有良好的导热性能、抗拉强度、弹性模量和抗穴蚀性。

本发明提供了一种气缸套，成分为：

碳2.3～3.0wt％；

硅1.5～2.5wt％；

磷0～0.15wt％；

硫0.05～0.1wt％；

锰2.1～3.0wt％；

铜3.5～4.0wt％；

铅0.05～0.1wt％；

余量为铁。

在本发明中，所述碳的质量含量优选为2.4～2.9％，更优选为2.5～2.8％，最优选为2.6～2.7％。在本发明中，所述硅的质量含量优选为1.8～2.2％，更优选为2％。在本发明中，所述磷的质量含量优选为0.01～0.12％，更优选为0.03～0.1％，最优选为0.05～0.08％。在本发明中，所述硫的质量含量优选为0.06～0.09％，更优选为0.07～0.08％。在本发明中，所述锰的质量含量优选为2.2～2.8％，更优选为2.4～2.6％，最优选为2.5％。在本发明中，所述铜的质量含量优选为3.2～3.8％，更优选为3.4～3.6％，最优选为3.5％。在本发明中，所述铅的质量含量优选为0.06～0.09％，更优选为0.07～0.08％。

在本发明中，铸铁中，铜在奥氏体中的溶解度约为3.5％，常温铁素体中溶解度约为0.35％，本发明中铜含量的范围超过了其在奥氏体中的溶解度，在水冷金属型离心铸造过冷度较大条件下凝固共晶过程中会直接在铁液中形成石墨+奥氏体+未溶解直接析出的铜基合金粒子，随着铁液温度的降低，直接析出的铜基合金粒子在离心力的作用不断向共晶团边界及残留液体中富集，形成的铜基合金粒子呈正偏析(一般情况下，铜元素在共晶凝固时呈负偏析，其仅针对固溶的铜而言)，同时，本发明中所采用的锰含量使锰元素被不断长大的共晶团所排挤，富集到残留铁液中，由于直接析出的铜基合金的隔离作用，使锰元素失去了与碳结合的机会，因此，在共晶团的边界以铜锰合金cu2mnpb析出物形式凝固，本发明中离心铸造的出缸温度为800～850℃，在此温度下气缸套毛坯组织为渗碳体+奥氏体+铜基合金粒子(要想形成此铜基复合析出物合金粒子，需要的铸造方式为离心铸造且保证奥氏体中未固溶的铜含量≥2倍锰元素含量)。

在本发明中，本发明所采用的锰的含量使锰固溶入铜中强化合金，并保持良好的塑性；固溶强化铁素体，且锰含量超过2.0wt％后，珠光体的片间距明显减小；锰元素与硫元素结合生成硫化锰微粒，硫化锰微粒为石墨形核质点。

在本发明中，本发明所采用的铅的质量含量是铅以细小分散的颗粒分布于析出的铜基合金基体上，使气缸套具有良好的自润滑作用，能降低摩擦系数，提高耐磨性，而且铅能够填补铜基合金枝晶空隙，有助于消除显微缩松。

本发明提供了一种上述技术方案所述的气缸套制备方法，包括以下步骤：

将碳源、硅源、磷源、硫源、锰源、铜源、铅源和铁源依次进行熔炼和离心铸造，得到毛坯；

将所述毛坯出缸后冷却，得到气缸套毛坯；

将所述气缸套毛坯淬入nano2盐浴中，得到气缸套。

本发明对所述碳源、硅源、磷源、硫源、锰源、铜源、铅源和铁源的种类和来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的铸铁合金熔炼的原料即可，可采用各成分的单质材料。在本发明中，所述碳源、硅源、磷源、硫源、锰源、铜源、铅源和铁源的用量配比满足上述技术方案所述的气缸套中各成分的质量含量即可。

在本发明中，所述熔炼的温度优选为1450～1500℃，更优选为1460～1490℃，最优选为1470～1480℃。在本发明中，所述熔炼完成后，优选将得到的合金液进行静置，使铜、锰等元素充分溶解于铁液中。在本发明中，所述静置的时间优选为10～20min，更优选为12～18min，更优选为14～16min，最优选为15min。

在本发明中，进行所述离心铸造之前，优选将静置后的合金液进行孕育处理，所述孕育处理的方法优选为：

将所述静置后的合金液倒入大浇包进行孕育处理；然后将孕育处理后的合金液转入浇火勺中再次进行孕育处理。

在本发明中，所述大浇包底部放置有孕育剂，所述孕育剂优选为硅钡孕育剂。在本发明中，所述浇火勺底部放置有孕育剂，所述孕育剂优选为硅锶孕育剂。

在本发明中，所述离心铸造优选采用单工位离心浇注机。在本发明中，所述离心铸造浇注温度优选为1420～1450℃，更优选为1430～1440℃，最优选为1435℃。在本发明中，所述离心铸造过程中的转速优选为1000～1300转/分，更优选为1100～1200转/分，最优选为1150转/分。在本发明中，所述离心铸造过程中模具表面的涂料厚度优选为0.5～1mm，更优选为0.6～0.9mm，最优选为0.7～0.8mm。在本发明中，所述离心铸造过程中模具的预热温度优选为260～280℃，更优选为265～275℃，最优选为270℃。在本发明中，所述离心铸造过程中的来水时间优选为10～15秒，更优选为11～14秒，最优选为12～13秒。在本发明中，所述离心铸造过程中的激水时间优选为80～90秒，更优选为82～88秒，最优选为84～86秒。在本发明中，所述离心铸造过程中的还原时间优选为90～100秒，更优选为92～98秒，最优选为94～96秒。

在本发明中，所述离心铸造完成后得到毛坯的出缸温度优选为800～850℃，更优选为810～840℃，最优选为820～830℃。

在本发明中，所述冷却的方法优选为：

将所述毛坯进行喷雾冷却的方式快速冷却至500～530℃，然后空冷至室温，得到气缸套毛坯。

在本发明中，所述喷雾冷却优选冷却至510～520℃，更优选为515℃；所述室温的温度优选为10～40℃，更优选为20～30℃，最优选为25℃。

在本发明中，得到气缸套毛坯后，本发明优选对所述气缸套毛坯进行粗加工，所述气缸套的外圆水道部位优选采用干车削的方式进行加工，所述干车削的加工过程中不能有水及切削液。在本发明中，优选将气缸套的水道部位加工至成品尺寸，将其他部位的加工尺寸留有0.1～0.5mm的余量，优选为0.2～0.5mm的余量，更优选为0.3mm的余量，得到半成品气缸套。

本发明优选将半成品气缸套淬入nano2盐浴中，得到气缸套。

在本发明中，所述盐浴的温度优选为350～400℃，更优选为360～390℃，最优选为370～380℃；所述淬入的时间优选为15～30分钟，更优选为20～25分钟。在本发明中，所述淬入完成后本发明优选将得到的产品空冷至室温，在半成品气缸套表面形成一层致密的氧化膜。在本发明中，所述氧化膜的厚度优选为0.02～0.1mm，更优选为0.05～0.08mm，最优选为0.06～0.07mm。

在本发明中，上述盐浴完成后，本发明优选将盐浴后的缸套表面残留的盐进行清洗，然后进行精加工，然后对缸套的外壁表面进行抛光，最后涂抹防锈油，即可得到气缸套。

本发明制备得到的气缸套的基体组织为珠光体+马氏体+含铜的残余奥氏体+铜锰复合析出物合金+少量富铜相及磷共晶，为一种新型的自生的镶嵌有铜基合金的新型高性能合金复合材料。这种基体组织的气缸套在内燃机工作过程中(工作温度300℃左右)含铜奥氏体中还会不断有纳米级的富铜相析出，这些富铜相具有良好的抗磨、减磨性能、抗极压性能，还可以在磨损过程中弥补微小的疲劳裂纹源，具有一定的自修复功能，同时这里形成的富铜相其晶粒尺寸可达纳米级，由于这些富铜相的固溶强化作用使缸套强度、硬度急剧升高，大幅提高其抗磨性及减磨性。

通过本发明的成分及生产工艺所制备的自生的镶嵌有铜基合金的新型复合材料的气缸套，具有高强度、高塑性，减磨性和良好的润滑性；要想形成此铜锰复合析出物合金cu2mnpb，需要铸造方式为离心铸造且保证奥氏体中未固溶的铜含量(铸铁中，铜在奥氏体中的溶解度为3.0％左右)≥2倍锰含量。

铸铁中铜元素一般的作用为促进石墨化、降低白口倾向；本发明解决的技术问题不仅包括如何进一步提高气缸套内壁的耐磨、减磨性能，还包括提高气缸套的抗腐蚀及导热性能；这种珠光体+马氏体+含铜残余奥氏体+铜基合金析出物+少量含铜相及磷共晶的新型“搓板式”结构具有良好的耐磨性、减磨性，由于铜基合金的存在，缸套的导热性能相比普通灰铸铁气缸套明显提高。

本发明中的成分及制备方法所得到的复合材料气缸套具有高强度、高塑性、高弹性模量，良好的减磨性、润滑性、导热性能及抗穴蚀性能，其抗拉强度＞450mpa，弹性模量＞140gpa。

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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1制备得到的气缸套100倍的石墨金相照片；

图2为本发明实施例1制备得到的气缸套100倍的基体组织金相照片；

图3为本发明实施例1制备得到的气缸套500倍的基体组织金相照片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

将碳、硅、磷、硫、锰、铜、铅和铁进行配料，准确称取各原料进行熔炼，熔炼温度为1460～1480℃，熔炼后，高温静置15min，使铜、锰等合金元素充分溶解于合金液中。

将上述合金液采用水冷金属型离心铸造工艺制备得到毛坯，使用单工位离心浇注机进行浇注，先将静置后的合金液倒入大浇包，大浇包底部放有硅钡孕育剂进行一次孕育处理(孕育剂用量0.6wt％)；然后转入浇火勺中进行二次孕育，浇火勺底部放置有硅锶孕育剂(孕育剂用量0.2wt％)，孕育完成后进行浇注，浇注温度为1430℃～1450℃，浇注机转速为1200转/分，模具涂料厚度为0.6mm，模具预热温度为260℃，来水时间为19秒，激水时间为60秒，还原时间为60秒，离心铸造完成后控制毛坯的出缸温度为850℃。

毛坯850℃高温出缸后，采用喷雾快冷的方式快速冷却至500℃后空冷至室温，得到气缸套毛坯；此步骤的作用为：使铜基合金粒子保留至室温，最终形成的气缸套基体组织为珠光体+马氏体+含铜的残余奥氏体+铜锰复合析出物合金+少量含铜相及磷共晶。

将所述气缸套毛坯进行粗加工，外圆水道部位采用干车削方式加工(即整个车削过程中不能有水及切削液)，水道部位加工至成品尺寸，其余部分加工尺寸留有0.15mm的余量，然后将半成品缸套直接淬入350℃的nano2盐浴中等温30分钟，等温到时后直接出炉空冷至室温，使半成品气缸套表面形成一层致密的厚度为0.03mm的氧化膜。

对半成品气缸套表面残留的盐进行清洗，清洗完成后进行精加工，精加工完成后，对缸套外壁表面进行抛光，最后涂抹防锈油即得所述锰铜合金化超级材料气缸套。

采用hwf-900b红外碳硫分析仪、紫外分光光度计、icp光谱分析，按照gb/t14203-1993《钢铁及合金光电发射光谱分析法通则》、gb/t20123-2006《钢铁总碳硫含量的测定高频感应炉燃烧后红外吸收法(常规方法)》、gb/t223.5-2008《钢铁及合金化学分析方法还原型硅钼酸盐光度法测定酸溶硅含量》、gb/t233.59-2008《钢铁及合金磷含量的测定铋磷钼蓝分光光度法和锑磷钼蓝分光光度法》、gb/t223.63-1988《钢铁及合金化学分析方法高碘酸钠(钾)光度法测定锰量》、gb/t223.19-1989《钢铁及合金化学分析方法新亚铜灵—三氯甲烷萃取光度法测定铜量》和gb/t20125-2006《低合金钢中多元素的测定电感耦合等离子发射光谱法》标准，检测本发明实施例1制备得到的气缸套的成分，检测结果为，本发明实施例1制备得到的气缸套的成分为：c：2.31wt％，si：1.95wt％，p：0.11wt％，s：0.08wt％，cu：3.52wt％，mn：2.1wt％，pb：0.06wt％，余量为铁。

对本发明实施例1制备得到气缸套进行金相组织检测，检测结果如图1～3所示，通过对金相组织分析可知，本发明实施例1制备得到的气缸套的基体组织为a型石墨+珠光体+马氏体+富铜残余奥氏体+铜锰基复合析出物+少量富铜相及磷共晶。

采用万能材料试验机wdw-300，按照gb/t228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》的标准，测试本发明实施例1制备得到的气缸套的抗拉强度，检测结果为，本发明实施例1制备得到的气缸套的抗拉强度为450mpa。

采用动态弹性模量分析仪，按照gb/t22315-2008《金属材料弹性模量和泊松比试验方法》标准，测试本发明实施例1制备得到的气缸套的弹性模量，检测结果为，本发明实施例1制备得到的气缸套的弹性模量151gpa。

采用umt-3型号的高速摩擦磨损试验机，按照astmg181-2004(2009)《在润滑条件下进行活塞环和缸衬材料摩擦试验的标准》，将本发明实施例1制备得到的气缸套加热至300℃模拟其使用环境温度测试摩擦磨损性能，检测结果如表1所示。

表1本发明实施例1制备的气缸套300℃高温摩擦磨损性能

本发明实施例1制备的气缸套的基体组织的气缸套在内燃机工作过程中(工作温度300℃左右)含铜奥氏体中还会不断有纳米级的富铜相析出，这些富铜相具有良好的抗磨、减磨性能、抗极压性能，还可以在磨损过程中弥补微小的疲劳裂纹源，具有一定的自修复功能，同时这里形成的富铜相其晶粒尺寸可达纳米级，由于这些富铜相的固溶强化作用使缸套强度、硬度急剧升高，大幅提高其抗磨性及减磨性。

采用dlf-1300型号的导热率测试仪，按照astme228-2006《用推杆膨胀计测定固体材料线性热膨胀系数的标准试验方法》标准，检测本发明实施例1制备得到的气缸套的导热性能，检测结果如表2所示。

表2本发明实施例1制备得到的气缸套的导热性能

按照gb6458-86《盐雾试验国家标准》，测试本发明实施例1制备得到的气缸套的耐蚀性，检测结果为，本发明实施例1制备得到的气缸套在12小时中性盐雾中不生锈。

实施例2

将碳、硅、磷、硫、锰、铜、铅和铁进行配料，准确称取各原料进行熔炼，熔炼温度为1450～1470℃，熔炼后，高温静置15min，使铜、锰等合金元素充分溶解于合金液。

将上述合金液采用水冷金属型离心铸造工艺制备得到毛坯；使用单工位离心浇注机进行浇注，先将静置后的合金液倒入大浇包，大浇包底部放有硅钡孕育剂进行一次孕育处理(孕育剂用量0.6wt％)；然后转入浇火勺中进行二次孕育，浇火勺底部放置硅锶孕育剂(孕育剂用量0.2wt％)，然后进行浇注，浇注温度1430℃～1450℃，浇注机转速1200转/分，模具涂料厚度为0.6mm，模具预热温度260℃，来水时间19秒，激水时间60秒，还原时间60秒，离心铸造完成后控制毛坯出缸温度830℃。

毛坯830℃高温出缸后，采用喷雾快冷的方式快速冷却至500℃后进行空冷至室温，得到气缸套毛坯；此步骤的作用为：使铜基合金粒子保留至室温，最终形成的气缸套基体组织为珠光体+马氏体+含铜的残余奥氏体+铜锰复合析出物合金+少量含铜相及磷共晶。

将所述气缸套毛坯进行粗加工，外圆水道部位采用干车削方式加工(即整个车削过程中不能有水及切削液)，水道部位加工至成品尺寸，其余部分加工尺寸留有0.15mm的余量，然后将半成品缸套直接淬入350℃的nano2盐浴中等温30分钟，等温到时后直接出炉空冷至室温，使半成品气缸套表面形成一层致密的厚度0.04mm的氧化膜。

对缸套表面残留的盐进行清洗，清洗完成后进行精加工，精加工完成后，对缸套外壁表面进行抛光，最后涂抹防锈油即得所述锰铜合金化超级材料气缸套。

按照实施例1的方法测试本发明实施例2制备得到气缸套的成分，检测结果为，本发明实施例2制备得到的气缸套的成分为：c：2.31wt％，si：2.15wt％，p：0.1wt％，s：0.07wt％，cu：3.8wt％，mn：2.2wt％，pb：0.07wt％，余量为铁。

对本发明实施例2制备得到气缸套进行金相组织检测，通过对金相组织分析可知，本发明实施例2制备得到的气缸套的基体组织为a型石墨+珠光体+马氏体+富铜残余奥氏体+铜锰基复合析出物+少量富铜相及磷共晶。

按照实施例1的方法对本发明实施例2制备得到的气缸套的抗拉强度、弹性模量、导热性能和耐蚀性进行检测，检测结果为，本发明实施例2制备得到的气缸套的抗拉强度为450mpa，300℃的摩擦磨损试验结果如表3所示，弹性模量为151gpa，导热性能如表4所示，耐蚀性能为12.5小时中性盐雾中不生锈。

表3本发明实施例2制备的气缸套300℃高温摩擦磨损性能

表4本发明实施例2制备得到的气缸套的导热性能

实施例3

将碳、硅、磷、硫、锰、铜、铅和铁进行配料，准确称取各原料进行熔炼，熔炼温度为1450～1470℃，熔炼后，高温静置15min，使铜、锰等合金元素充分溶解于合金液。

将上述合金液采用水冷金属型离心铸造工艺制备得到毛坯；使用单工位离心浇注机进行浇注，先将静置后的合金液倒入大浇包，大浇包底部放有硅钡孕育剂进行一次孕育处理(孕育剂用量0.6wt％)；然后转入浇火勺中进行二次孕育，浇火勺底部放置硅锶孕育剂(孕育剂用量0.2wt％)，然后进行浇注，浇注温度1430℃～1450℃，浇注机转速1200转/分，模具涂料厚度为0.6mm，模具预热温度260℃，来水时间19秒，激水时间60秒，还原时间60秒，离心铸造完成后控制毛坯出缸温度830℃。

毛坯830℃高温出缸后，采用喷雾快冷的方式快速冷却至500℃后进行空冷至室温，得到气缸套毛坯；此步骤的作用为：使铜基合金粒子保留至室温，最终形成的气缸套基体组织为珠光体+马氏体+含铜的残余奥氏体+铜锰复合析出物合金+少量含铜相及磷共晶。

将所述气缸套毛坯进行粗加工，外圆水道部位采用干车削方式加工(即整个车削过程中不能有水及切削液)，水道部位加工至成品尺寸，其余部分加工尺寸留有0.15mm的余量，然后将半成品缸套直接淬入350℃的nano2盐浴中等温30分钟，等温到时后直接出炉空冷至室温，使半成品气缸套表面形成一层致密的厚度0.04mm的氧化膜。

对缸套表面残留的盐进行清洗，清洗完成后进行精加工，精加工完成后，对缸套外壁表面进行抛光，最后涂抹防锈油即得所述锰铜合金化超级材料气缸套。

按照实施例1的方法测试本发明实施例3制备得到气缸套的成分，检测结果为，本发明实施例3制备得到的气缸套的成分为：c：2.31wt％，si：2.15wt％，p：0.1wt％，s：0.07wt％，cu：4.0wt％，mn：2.2wt％，pb：0.07wt％，余量为铁。

对本发明实施例3制备得到气缸套进行金相组织检测，通过对金相组织分析可知，本发明实施例3制备得到的气缸套的基体组织为a型石墨+珠光体+马氏体+富铜残余奥氏体+铜锰基复合析出物+少量富铜相及磷共晶。

按照实施例1的方法对本发明实施例3制备得到的气缸套的抗拉强度、弹性模量、导热性能和耐蚀性进行检测，检测结果为，本发明实施例3制备得到的气缸套的抗拉强度为460mpa，300℃的摩擦磨损试验结果如表5所示，弹性模量为153gpa，导热性能如表6所示，耐蚀性能为13小时中性盐雾中不生锈。

表5本发明实施例3制备的气缸套300℃高温摩擦磨损性能

表6本发明实施例3制备得到的气缸套的导热性能

由以上实施例可知，本发明提供了一种气缸套，成分为：c2.3～3.0wt％，si1.5～2.5wt％，p0～0.15wt％，s0.05～0.1wt％，mn2.1～3.0wt％，cu3.5～4.0wt％，pb0.05～0.1wt％，余量为fe。本发明通过采用特定成分的气缸套配方使制备得到的气缸套具有较高的抗拉强度、弹性模量、良好的导热性及抗腐蚀性，内壁磨损面具有良好的耐磨性、减磨性及抗热疲劳性能。而且，本发明提供的气缸套的成分组成及生产工艺简单、成本较低。本发明提供的气缸套可以有效地减少气缸套因磨损、腐蚀、热疲劳等失效而更换的频次即提高气缸套的使用寿命，并且明显地降低气缸套的生产成本。