专利名称：合金灰铸铁活塞环、其制造方法及专用模板的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种合金灰铸铁活塞环，尤其涉及一种采用新材料的合金灰铸铁活塞环及其制造方法，其应用内燃机上。
背景技术：
内燃机是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。内燃机是一种用途广泛的机械设备，其中活塞环是内燃机发动机中最为关键的零部件之一，它在柴油发动机中有三大作用，它将燃烧室和曲轴箱密封， 将活塞上的热能传到气缸壁上，并控制其油耗。活塞环的工作条件相当恶劣，既要承受高温、高压的作用，又要承受剧烈的磨损和较大的冲击负荷作用。为了提高工作的可靠性及耐久性，对活塞环材料提出了较高要求，即活塞环必须要有良好的耐磨性、必要的强度及足够的弹性和弹性保持性，具体为硬度100 110HRB，抗弯强度彡500N/mm2 MPa,弹性模量 110000 150000 N/mm2，热稳定性:彡 92%。
目前，活塞环的材质一般为高弹性模量和抗弯强度的合金铸铁，其一般都需要经过调质处理才能获得，工艺比较复杂。因为现阶段采用砂型铸造生产的合金灰铸铁的弹性模量以及抗弯强度都比较低，弹性模量为70000-100000MPa，抗弯强度为390-500 MPa，因为需要经过调质处理才能提高其弹性模量、抗弯强度。发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种机械性能好、且不需要经过调质处理即可使用的合金灰铸铁活塞环，并提供该活塞环的生产方法及其专用模板。
为解决上述技术问题，本发明活塞环所采取的技术方案是该活塞环材质中各元素的重量百分含量如下c 3. 2 3.5%，Si 2. 3 2.6%，Mn 0.70 0.9%，P0.1 0.30%，Cr 0.1 0.3%，Mo 0.4 0.5%，Cu 0.6 1.0%，Ni 0.3 0.5%， S彡0. 1%，余量为Fe。
本发明制造上述活塞环所采取的技术方案具体包括以下步骤a.造型；b.按上述各组份元素进行配料，然后加入熔炼炉中熔炼，铁水过热至1525 1540°C；c.静置至1510 1520°C出炉，出炉前加入硅锶孕育剂进行孕育，硅锶孕育剂的粒度为 I 3 mm，加入量为铁水重量的0. 4 0. 6% ；d.浇注，浇注温度为1380 1440°C，浇注过程在3分钟内完成。
上述工序b中配料时除C、Si外，其余元素均按炉后化学成分的重量百分含量配制，C元素在炉内时的重量百分含量控制在3. 3 3. 6%，当其重量百分含量小于3. 3%时加入碳粉调整至3. 3%以上，当其重量百分含量大于3. 6%时加入废钢调整至3. 6%以下；Si元素在炉内时的重量百分含量控制在2. I 2. 3%，当其重量百分含量小于2. 1%时向炉内补加结晶硅或75硅铁，使Si含量大于2. 1%，当其重量百分含量大于2. 3%时向炉内补加QlO生铁或废钢，使Si含量小于2. 3%。
上述工序a中造型时采用的型砂为石英砂和膨润土的混合物，其中石英砂和膨润土配比当石英砂采用旧砂时，膨润土体积百分含量为I 3%，当石英砂采用新砂时，膨润土体积百分含量为15 20%，当石英砂为旧砂和新沙的混合物时，新砂每增加10%，膨润土的体积百分含量增加I. 5 2%;型砂的湿压强度为I. 2-1. 6Kg/cm2，紧实率为25_40%，透气性彡50，含水量为3-4%，含泥量彡15%，有效膨润土含量彡8%。
上述石英砂的SiO2含量> 98%，粒度75-150目，耐火度> 1700°C，含泥量< 1% ;膨润土粒度要求95%过200目筛，吸蓝量每100克大于30克。
本发明还提供了上述步骤c中浇注用的模板，其具体结构为包括底板、设于底板上的横浇道以及设于横浇道中间位置的连通横浇道的直浇道；所述横浇道的两端对称设有四个第一模型环，横烧道同一端的两个第一模型环对称设置于横烧道两侧，连通各第一模型环与横浇道的第一内浇道与横浇道垂直；在所述直浇道的两侧的两个第一模型环间各设置一个第二模型环，连通第二模型环与横浇道之间的第二内浇道与横浇道的夹角的锐角为 54°，两个第二模型环及第二内浇道相对关于横浇道的对称中心对称设置。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于(I)本发明对活塞环的具体组份进行调整，并对其生产工艺进行了改进，显著提高了合金灰铸铁活塞环的铸造能力，且不经过调质处理即可获得高弹性模量较高的活塞环，满足了高性能发动机对活塞环大比压的要求，减少了发动机的排放，并能节约机油。
(2)在生产工艺上由于省去了调质工序，缩短了加工流程，进而提高了劳动效率， 降低了制造成本。
(3)浇注时采用本发明造型用的模板制作浇注系统，这样的浇注系统布局可提高型腔强度、保证铁水充型速度，有利于铁水合理充型，减少铸造缺陷，提高毛坯质量。
图I是本发明中浇注模板的示意图；图2是本发明中OFZ9842 —道石墨-100X金相图；图3是本发明中0FZ9842 —道基体-500X金相图；其中，I、直浇道；2、横浇道；3-1为第一内浇道，3-2为第二内浇道；4、第一模型环；5、 底板；6、第二模型环。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例I本实施例合金灰铸铁活塞环的材质选择合适的C, Si, Mn, P, Cr, Mo, Cu, Ni, S等组份的重量百分含量，各成份具体含量参见表2，余量均为Fe。
本实施例合金灰铸铁活塞环的制造方法包括下述步骤a.造型型砂为石英砂与膨润土的混合物，两者的配比见表1，当石英砂采用旧砂时， 膨润土体积百分含量为I 3%，当石英砂采用新砂时，膨润土体积百分含量为15 20%， 当石英砂为旧砂和新沙的混合物时，新砂每增加10%，膨润土的体积百分含量增加I. 5 2%。其中具体要求为I)石英砂的SiO2含量彡98%，粒度75-150目，耐火度彡1700°C， 含泥量彡1% ；2)膨润土 粒度要求95%过200目筛，吸蓝量每100克大于30克。
型砂性能要求湿压强度I. 2 I. 6Kg/cm2,紧实率25_40%，透气性彡50，含水量 3-4%，含泥量彡15%，有效膨润土含量> 8%。
b.将上述配比合适的原材料加入熔炼炉中熔炼，并过热至1525 1540°C，以便提高铁水的纯净度，过热度一般高于铁水出炉温度15-20°C。其中，上述各组份中除C、Si 外，其余元素均按炉后化学成分的重量百分含量控制，C元素在炉内铁水的重量百分含量控制在3. 3 3. 6% (考虑0. 1%烧损量)小于3. 3%时加入碳粉调整至3. 3%以上；大于3. 6% 时加入废钢调整至3. 6%以下。Si元素在炉内的重量百分含量控制在2. I 2.3%，当小于2.1%时向炉内补加结晶硅或75硅铁，使Si含量大于2. 1%，当大于2. 3%时向炉内补加QlO 生铁或废钢(均须预热)，使Si含量小于2. 3%。
c.将上述铁水静置，待其冷却至1510 1520°C出炉，出炉前加入硅锶孕育剂进行孕育，加入量为铁水重量的0. 4 0. 6%，硅锶孕育剂的粒度为I 3 mm，为使孕育剂充分吸收，加入时要随流孕育。由于活塞环为薄壁小铸件，在碳硅含量较低的情况下，容易产生碳化物，为有效消除碳化物，所以选择硅锶做孕育剂。d.浇注孕育后，将浇包拉到放置砂型的工位进行浇注，浇注温度为1380 1440°C，为保持孕育效果，孕育后的铁水必须在3分钟内浇完。
浇注时需要合理的选择浇注工艺，并根据模型环断面系数(断面系数=断面面积/ 断面周长)、铁水充型能力、凝固特点来设计模板布局位置，保证浇注时铁水合理充型。参见附图1，本FZ9842 —道模板设有一个底板5，底板5的上面设有浇道系统，其包括横浇道2， 第一内浇道3-1、第二内浇道3-2以及在横浇道2的中部位置竖着向上设置的与横浇道2连通的直浇道I ;第一内浇道3-1 —共设置4个，在横浇道2的左右两端各对称设置两个，位于横浇道2同一端的两个第一内浇道3-1关于横浇道2对称设置，每个第一内浇道3-1与横浇道2垂直设置，在每个第一内浇道3-1的流道末端均设置一个第一模型环4 ;在直浇道 I的两侧、且位于两个第一模型环4之间各设有一个倾斜的第二内浇道3-2，两个内浇道3-2 关于横浇道2的对称中心中心对称设置，内浇道3-2与横浇道2之间所夹的锐角为54°，每个第二内浇道3-2的末端均设有一个第二模型环6 ;第二内浇道3-2的长度比第一内浇道 3-1的长度长。
采用上述材料和方法生产出来的本活塞环的机械性能为(参见表2):硬度为 104HRB，抗弯强度为554/mm2 MPa，弹性模量为152516.5 N/mm2，热稳定性为96%。其完全可以满足活塞环的使用要求。
为了满足使用要求，对合金灰铸铁活塞环的金相组织要求如下1)石墨均匀分布细小片状A型石墨+点状D型石墨，允许E型石墨，E型石墨不大于视场面积的10% ；2)基体组织为细片状珠光体、允许有针状组织，游离碳化物、铁素体<5% ；3)磷共晶应为单个细小块状或呈断续网状均匀分布。
对上述实施例活塞环进行金相检测，参见附图2和附图3，可知其金相组织中石墨为小片状A型石墨+少量D型石墨，基体为细片状珠光体+针状组织，完全满足相关使用要求。且没有发现大块或连续网状的磷共晶。
实施例2 12这些实施例中各组份的重量百分含量参见表2，其生产方法以及工艺与上述实施例I 相同。这些实施例产品的机械性能参见表3。
通过上述实施例以及批量的生产试验证明，采用本新材料以及新的生产工艺方法制造的合金灰铸铁活塞环的铸造机械性能有了较大提高，铸造完毕的毛坯不经过调质处理就达到了原需要调质处理才能实现的性能要求。不仅缩短了加工流程，提高了劳动效率，还降低了制造成本。如生产其它材质需调质处理的活塞环，每调质处理FZ9842 —道10万片约需14330度电，电力成本约7165元。生产此种材质活塞环，不经过调质处理，每10万片可节约电力成本约7165元。原生产(铸造+调质处理)10万片FZ9842 —道环，共需要195 小时，现生产(铸造)10万片此种毛坯需55小时，人工劳效提高(195-55) /195=71. 8%。
表I型砂中石英砂和膨润土的配比(体积百分含量)
权利要求
1.一种合金灰铸铁活塞环，其特征在于该活塞环材质各元素的重量百分含量如下C 3. 2 3. 5%，Si 2. 3 2. 6%, Mn 0. 70 0. 9%, P 0. I 0. 30%, Cr 0. I 0. 3%, Mo 0. 4 0. 5%，Cu 0. 6 I. 0%，Ni 0. 3 0. 5%，S 彡 0. 1%，余量为 Fe。
2.权利要求I所述的合金灰铸铁活塞环的制造方法，其特征在于包括以下工序a.造型；b.按上述各组份进行配料，然后加入熔炼炉中熔炼，铁水过热至1525 1540°C；c.静置至1510 1520°C出炉，出炉前加入硅锶孕育剂进行孕育，硅锶孕育剂的粒度为 I 3 mm，加入量为铁水重量的0. 4 0. 6% ；d.浇注，浇注温度为1380 1440°C，浇注过程在3分钟内完成。
3.根据权利要求2所述的合金灰铸铁活塞环的制造方法，其特征在于所述工序b中配料时除C、Si外，其余元素均按炉后化学成分的重量百分含量配制，C元素在炉内时的重量百分含量控制在3. 3 3. 6%，当其重量百分含量小于3. 3%时加入碳粉调整至3. 3%以上， 当其重量百分含量大于3. 6%时加入废钢调整至3. 6%以下；Si元素在炉内时的重量百分含量控制在2. I 2. 3%，当其重量百分含量小于2. 1%时向炉内补加结晶硅或75硅铁，使Si 含量大于2. 1%，当其重量百分含量大于2. 3%时向炉内补加QlO生铁或废钢，使Si含量小于 2. 3%。
4.根据权利要求2所述的合金灰铸铁活塞环的制造方法，其特征在于所述工序a中造型时采用的型砂为石英砂和膨润土的混合物，其中石英砂在混合物中的体积百分含量如下当石英砂采用旧砂时，膨润土体积百分含量为I 3%，当石英砂采用新砂时，膨润土体积百分含量为15 20%，当石英砂为旧砂和新沙的混合物时，新砂每增加10%，膨润土的体积百分含量增加I. 5 2%;型砂的湿压强度为I. 2-1. 6Kg/cm2，紧实率为25_40%，透气性彡50，含水量为3-4%，含泥量彡15%，有效膨润土含量彡8%。
5.根据权利要求4所述的合金灰铸铁活塞环的制造方法，其特征在于所述石英砂的 SiO2含量>98%，粒度75-150目，耐火度> 1700°C，含泥量< 1% ;膨润土粒度要求95%过200 目筛，吸蓝量每100克大于30克。
6.权利要求2的步骤a中造型用的模板，其特征在于所述模板包括底板(5)、设于底板(5)上的横浇道(2)以及设于横浇道(2)中间位置的连通横浇道(2)的直浇道(I);所述横浇道(2)的两端对称设有四个第一模型环(4)，横浇道(2)同一端的两个第一模型环(4) 对称设置于横烧道(2)两侧,连通各第一模型环(4)与横烧道(2)的第一内烧道(3-1)与横浇道(2 )垂直；在所述直浇道(I)的两侧的两个第一模型环(4 )之间各设置一个第二模型环(6)，连通第二模型环(6)与横浇道(2)之间的第二内浇道(3-2)与横浇道(2)的夹角的为 54°，两个第二模型环(6)及第二内浇道(3-2)关于横浇道(2)的对称中心对称设置。
全文摘要
本发明公开了一种合金灰铸铁活塞环及其制造方法和专用模板，该活塞环材质元素的重量百分含量如下C3.2～3.5％，Si2.3～2.6％，Mn0.70～0.9％，P0.1～0.30％，Cr0.1～0.3％，Mo0.4～0.5％，Cu0.6～1.0％，Ni0.3～0.5％，S≤0.1％，余量为Fe。制造活塞环的步骤为造型；熔炼；孕育后出炉并浇注。造型时采用下述模板包括底板、横浇道以及设于横浇道中间位置的直浇道；横浇道的两端对称设有第一模型环，连通各第一模型环与横浇道的第一内浇道与横浇道垂直；在直浇道的两侧的两个第一模型环间各设置一个第二模型环。本发明提高了活塞环的铸造能力，不经过调质处理即可获得高弹性模量较高的活塞环，满足了发动机对活塞环大比压的要求，减少了发动机的排放。
文档编号C22C37/10GK102534354SQ20111044143
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者刘津东, 张彩霞, 王焕平, 贾改丽 申请人:石家庄金刚内燃机零部件集团有限公司