本发明属于重型柴油发动机材料领域，具体涉及一种重型柴油发动机蠕墨铸铁缸盖材料及其制备工艺，适用于显著提升材料的综合力学性能、保证蠕化率的稳定、降低生产成本。
背景技术：
在排放法规日益严苛和汽车限载的背景下，传统灰铸铁缸盖已经无法满足重型柴油发动机高爆压、高功率密度、轻量化的要求。与灰铸铁相比，蠕墨铸铁抗拉强度和弹性模量高，同一种尺寸和形状的蠕墨铸铁缸盖重量轻、能够承受更高的爆发压力、承受更高的热循环载荷、抗裂纹的极限更高。使用蠕墨铸铁材料生产发动机缸盖，不仅可以满足其使用寿命的要求，也可以满足未来尾气低排放和轻量化的要求。但由于蠕墨铸铁生产控制工艺窗口窄，对工艺要求很高，稍微波动就会造成废品率极高，生产不稳定，难以稳定获得高蠕化率蠕墨铸铁材料；同时，现有的蠕墨铸铁缸盖大多力学性能偏低，难以满足未来发动机更高爆压、节能、减排、增效、降重的迫切需求。
中国专利：申请公布号cn105908066a、申请公告日2016年8月31日的发明专利公开了一种高强韧蠕墨铸铁气缸盖材料及制备方法，该蠕墨铸铁气缸盖材料中各元素的含量为：碳(c)：3.6％-3.7％；硅(si)：2.20％-2.40％；锰(mn)：0.3％-0.5％；硫(s)＜0.02％；磷(p)：＜0.070％；铜(cu)：0.6％-0.7％；锡(sn)：0.01％-0.03％。所提供的蠕墨铸铁材料的制备方法采用三次孕育，其中炉内加入硅铁是第一次孕育，包底加孕育剂是第二次孕育，在铁水出炉时进行的随流孕育是第三次孕育。虽然通过上述方法制备得到的蠕墨铸铁材料蠕化率达到85％以上，其室温抗拉强度达到420mpa，350℃高温下达到375mpa；延伸率室温下达到2.0％，350℃高温下达到2.5％；硬度达到212hbw；疲劳强度达到163mpa；导热系数为36.11w/mk，但仍然存在以下问题：
1、其蠕墨铸铁基体组织中珠光体含量偏低，对材料力学性能的提升有限；
2、上述制备方法中，熔炼铁水时加入的硅铁不属于孕育的范畴，其实质上采用的还是包底加随流两次孕育处理，这种孕育方法可能会引起白口倾向和蠕化衰退，无法稳定生产出蠕化率在85％以上的理想缸盖铸件。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术中存在的材料力学性能不足、无法稳定生产出具有高蠕化率的缸盖材料的问题，提供一种具有高强度、高蠕化率且能保证蠕化率稳定性的重型柴油发动机蠕墨铸铁缸盖材料及其制备工艺。
为实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：
一种重型柴油发动机蠕墨铸铁缸盖材料，其原料组成及重量百分比含量为：c3.60％﹣3.90％、si1.90％﹣2.50％、mn0.50％﹣0.70％、mo0.4％﹣0.6％、cu0.70％﹣0.85％、cr0.2％﹣0.4％、mg0.01％﹣0.025％、re0.025％﹣0.04％、p≤0.070％、s≤0.015％，余量为fe和不可避免杂质。
所述材料的基体由珠光体和铁素体组成，且珠光体的含量大于85％。
所述材料的基体中，石墨组织包括蠕虫状石墨、球状石墨，且蠕虫状石墨的占比大于80％。
上述重型柴油发动机蠕墨铸铁缸盖材料的制备工艺依次包括以下步骤：
包内蠕化和孕育处理：先将蠕化剂放置于包底凹坑中，再将一号包内孕育剂均匀撒在蠕化剂上，并在一号包内孕育剂的表面覆盖一层铁豆，然后将熔炼后的铁水冲入包内进行蠕化处理和第一次孕育处理，当冲入包内的铁水量达到铁水总量的78％﹣85％时，在铁水表面均匀撒入一层二号包内孕育剂，再将剩余的铁水冲入包内进行第二次孕育处理，待铁水全部进入包内后进行扒渣，其中，所述蠕化剂的加入量为铁水总量的0.4％﹣0.6％，所述一号包内孕育剂的加入量为铁水总量的0.3％﹣0.45％，所述二号包内孕育剂的加入量为铁水总量的0.3％﹣0.35％；
随流孕育：在对蠕化后的铁水进行浇注的同时加入随流孕育剂进行随流孕育，浇注后即得到所述蠕墨铸铁缸盖材料，其中，所述随流孕育剂的加入量为铁水总量的0.08％﹣0.15％。
包内蠕化和孕育处理步骤中，所述蠕化剂为fesimg3re8，所述一号包内孕育剂、二号包内孕育剂均为尺寸在1﹣3mm的fesi75孕育剂；
随流孕育步骤中，所述随流孕育剂为尺寸在0.2﹣0.8mm的si-sb孕育剂，该孕育剂以硅铁合金为基料，其成分及重量百分比含量为：si63％﹣68％、sb4％﹣6％、sn＜1.5％、ba＜1.5％、re＜0.1％、cr＜0.1％、mn＜0.1％，余量为fe和不可避免杂质。
所述制备工艺还包括熔炼铁水步骤，该步骤位于包内蠕化和孕育处理步骤之前；
所述熔炼铁水步骤是指：先将生铁、废钢、回炉料、增碳剂加入熔炼炉，再将硅铁、锰铁、铜、铬铁、钼铁按所需含量加入熔炼炉中进行熔炼，待金属全部熔化后进行扒渣，随后出炉得到铁水，其中，所述生铁、废钢、回炉料的重量比为30﹣40：50﹣60：10。
熔炼铁水步骤中，所述生铁为q10生铁，所述增碳剂为高纯石墨增碳剂，所述出炉温度为1490﹣1510℃；
随流孕育步骤中，所述浇注温度为1400﹣1410℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种重型柴油发动机蠕墨铸铁缸盖材料的原料组成及其重量百分比含量为：c3.60％﹣3.90％、si1.90％﹣2.50％、mn0.50％﹣0.70％、mo0.4％﹣0.6％、cu0.70％﹣0.85％、cr0.2％﹣0.4％、mg0.01％﹣0.025％、re0.025％﹣0.04％、p≤0.070％、s≤0.015％，余量为fe和不可避免杂质，该配方中，mn可稳定珠光体，提高材料的强度和硬度，但会降低韧性，cu和cr能够促进珠光体形成，并细化珠光体和强化基体组织，同时可以降低白口倾向，但cr同样会降低韧性，mo可稳定和细化珠光体，固溶强化珠光体中的铁素体，明显提高铸铁的强度，且mo能以有限固溶体形式存在于基体中，通过固溶强化提高相变温度，从而提高高温强度，同时，在本体系中，合适的mo能够消除cu、cr对材料韧性的影响，改善材料在韧性上的缺陷，本设计通过cu–cr-mo的多元复合，可显著提高材料的综合力学性能，使其在强度、韧性、常温和高温疲劳性能方面表现极佳。因此，本发明可显著提升材料的综合力学性能。
2、本发明一种重型柴油发动机蠕墨铸铁缸盖材料的制备方法中包内蠕化和孕育处理采用三次孕育处理的方式，常规包底压包孕育为第一次孕育，出铁水78％﹣85％时补加孕育剂为第二次孕育，浇注时的随流孕育为第三次孕育，该设计通过在出铁水78％﹣85％时补加孕育剂进行第二次孕育能够有效提高孕育剂的吸收效率，从而改善孕育效果，同时延缓蠕化衰退，有利于保证蠕化率的稳定。因此，本发明采用三次孕育处理有利于保证蠕化率的稳定。
3、本发明一种重型柴油发动机蠕墨铸铁缸盖材料的制备方法中随流孕育剂为尺寸在0.2﹣0.8mm的si-sb孕育剂，该孕育剂以硅铁合金为基料，其成分及重量百分比含量为：si63％﹣68％、sb4％﹣6％、sn＜1.5％、ba＜1.5％、re＜0.1％、cr＜0.1％、mn＜0.1％，余量为fe和不可避免杂质，该随流孕育剂的加入使得在铁水中易形成弥散的石墨形核质点，并细化石墨，加强孕育效果，通过增加铸铁共析转变后的珠光体含量并强烈稳定珠光体，使珠光体含量稳定在85％以上，显著改善了铸铁的强度，其不仅对于保证蠕化率的稳定起到关键作用，而且有利于减少昂贵合金的使用量，降低生产成本。因此，本发明不仅能够加强孕育效果、保证蠕化率的稳定，而且有利于降低生产成本。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
一种重型柴油发动机蠕墨铸铁缸盖材料，其原料组成及重量百分比含量为：c3.60％﹣3.90％、si1.90％﹣2.50％、mn0.50％﹣0.70％、mo0.4％﹣0.6％、cu0.70％﹣0.85％、cr0.2％﹣0.4％、mg0.01％﹣0.025％、re0.025％﹣0.04％、p≤0.070％、s≤0.015％，余量为fe和不可避免杂质。
所述材料的基体由珠光体和铁素体组成，且珠光体的含量大于85％。
所述材料的基体中，石墨组织包括蠕虫状石墨、球状石墨，且蠕虫状石墨的占比大于80％。
上述重型柴油发动机蠕墨铸铁缸盖材料的制备工艺依次包括以下步骤：
包内蠕化和孕育处理：先将蠕化剂放置于包底凹坑中，再将一号包内孕育剂均匀撒在蠕化剂上，并在一号包内孕育剂的表面覆盖一层铁豆，然后将熔炼后的铁水冲入包内进行蠕化处理和第一次孕育处理，当冲入包内的铁水量达到铁水总量的78％﹣85％时，在铁水表面均匀撒入一层二号包内孕育剂，再将剩余的铁水冲入包内进行第二次孕育处理，待铁水全部进入包内后进行扒渣，其中，所述蠕化剂的加入量为铁水总量的0.4％﹣0.6％，所述一号包内孕育剂的加入量为铁水总量的0.3％﹣0.45％，所述二号包内孕育剂的加入量为铁水总量的0.3％﹣0.35％；
随流孕育：在对蠕化后的铁水进行浇注的同时加入随流孕育剂进行随流孕育，浇注后即得到所述蠕墨铸铁缸盖材料，其中，所述随流孕育剂的加入量为铁水总量的0.08％﹣0.15％。
包内蠕化和孕育处理步骤中，所述蠕化剂为fesimg3re8，所述一号包内孕育剂、二号包内孕育剂均为尺寸在1﹣3mm的fesi75孕育剂；
随流孕育步骤中，所述随流孕育剂为尺寸在0.2﹣0.8mm的si-sb孕育剂，该孕育剂以硅铁合金为基料，其成分及重量百分比含量为：si63％﹣68％、sb4％﹣6％、sn＜1.5％、ba＜1.5％、re＜0.1％、cr＜0.1％、mn＜0.1％，余量为fe和不可避免杂质。
所述制备工艺还包括熔炼铁水步骤，该步骤位于包内蠕化和孕育处理步骤之前；
所述熔炼铁水步骤是指：先将生铁、废钢、回炉料、增碳剂加入熔炼炉，再将硅铁、锰铁、铜、铬铁、钼铁按所需含量加入熔炼炉中进行熔炼，待金属全部熔化后进行扒渣，随后出炉得到铁水，其中，所述生铁、废钢、回炉料的重量比为30﹣40：50﹣60：10。
熔炼铁水步骤中，所述生铁为q10生铁，所述增碳剂为高纯石墨增碳剂，所述出炉温度为1490﹣1510℃；
随流孕育步骤中，所述浇注温度为1400﹣1410℃。
本发明的原理说明如下：
本发明提供了一种重型柴油发动机蠕墨铸铁缸盖材料及其制备工艺，通过铜、铬、钼等合金元素合理配比情况下，促进珠光体和细化晶粒，并强化基体组织；通过多次孕育及si-sb随流孕育剂的使用，不仅改善孕育效果，延缓蠕化衰退，还可以促进和稳定珠光体，保证珠光体含量稳定达到85％以上，蠕化率可稳定在80％以上。采用本制备工艺得到的蠕墨铸铁缸盖材料相较于传统方法制备的材料力学性能得到明显提升，铸件本体抗拉强度达到480mpa以上，硬度为190﹣250hb，在强度、韧性、常温和高温疲劳性能方面表现极佳，可满足未来发动机爆压提升、燃烧效率提高、降重的需求。
本发明材料主要配方元素的作用说明如下：
mn：稳定珠光体，其作用约相当于铜的1/3，可提高强度、硬度，但会降低韧性。为获得高强度蠕墨铸铁，本发明将锰含量控制在0.50％﹣0.70％。
cu：可在共析转变时显著地稳定和细化珠光体，改善铸铁的强度。本发明将其含量控制在较高水平，为0.70％﹣0.85％。
cr：阻碍石墨化，可强烈稳定珠光体，促进形成粒状珠光体，提高强度和硬度，但会降低韧性，同时，由于铬元素和铁素体均为体心立方结构，能固溶入铁素体中，置换铁素体，能起到固溶强化作用，此外，cr还可形成高硬度复杂的fe-cr-c化合物，对基体起到弥散强化作用。本发明将其控制在0.2％﹣0.4％。
mo：可稳定和细化珠光体，能以有限固溶体形式存在于基体中，通过固溶强化提高相变温度，从而提高铸铁的高温力学性能。同时，mo能够消除cu、cr对材料韧性的影响，保证材料在韧性上的表现。因此，其加入量在0.4％﹣0.6％。
本发明所述回炉料为冶炼本发明所述蠕墨铸铁材料后产生的废铸件。
实施例1：
一种重型柴油发动机蠕墨铸铁缸盖材料，所述材料的基体由珠光体和铁素体组成，基体中石墨组织包括蠕虫状石墨、球状石墨，蠕虫状石墨的占比大于80％，其原料组成及重量百分比含量为：c3.90％、si2.50％、mn0.50％、mo0.4％、cu0.70％、cr0.3％、mg0.01％、re0.025％、p0.030％、s0.010％，余量为fe和不可避免杂质。
上述材料按照以下制备工艺制备得到：
熔炼铁水：先将q10低s生铁、废钢、回炉料、高纯石墨增碳剂加入熔炼炉，再将硅铁、锰铁、铜、铬铁、钼铁按所需含量加入熔炼炉中进行熔炼，待金属全部熔化后在其表面洒一层集渣剂，进行扒渣，取样检测化学成分，如未达到工艺要求范围，则进行相应调整至达到要求，随后出炉得到铁水，其中，所述q10低s生铁、废钢、回炉料的重量比为30：60：10，所述出炉温度为1500℃；
包内蠕化和孕育处理：先将蠕化剂放置于包底凹坑中，再将一号包内孕育剂均匀撒在蠕化剂上，并在一号包内孕育剂的表面覆盖一层铁豆，然后将熔炼后的铁水冲入包内进行蠕化处理和第一次孕育处理，当冲入包内的铁水量达到铁水总量的78％时，在铁水表面均匀撒入一层二号包内孕育剂，再将剩余的铁水冲入包内进行第二次孕育处理，待铁水全部进入包内后进行扒渣，其中，所述蠕化剂为fesimg3re8，其加入量为铁水总量的0.4％，所述一号包内孕育剂、二号包内孕育剂均为尺寸在1﹣3mm的fesi75孕育剂，且一号包内孕育剂的加入量为铁水总量的0.35％，二号包内孕育剂的加入量为铁水总量的0.3％；
随流孕育：在对蠕化后的铁水进行浇注的同时加入随流孕育剂进行随流孕育，浇注后即得到所述蠕墨铸铁缸盖材料，其中，所述随流孕育剂为尺寸在0.2﹣0.8mm的si-sb孕育剂，该孕育剂以硅铁合金为基料，其成分及重量百分比含量为：si68％、sb4％、sn1.4％、ba1.3％、re0.05％、cr0.06％、mn0.02％，余量为fe和不可避免杂质，随流孕育剂的加入量为铁水总量的0.08％，所述浇注温度为1410℃。
经检测，通过上述蠕化和孕育工艺生产的蠕墨铸铁缸盖，其本体平均抗拉强度为510mpa，硬度为201hbw，蠕化率为95％，珠光体含量为85％。
实施例2：
与实施例1的不同之处在于：
所述缸盖材料的原料组成及重量百分比含量为：c3.60％、si2.10％、mn0.70％、mo0.5％、cu0.75％、cr0.2％、mg0.014％、re0.028％、p0.040％、s0.010％，余量为fe和不可避免杂质。
熔炼铁水步骤中，所述q10低s生铁、废钢、回炉料的重量比为40：50：10，所述出炉温度为1510℃；
包内蠕化和孕育处理步骤中，当冲入包内的铁水量达到铁水总量的85％时撒入二号包内孕育剂，所述蠕化剂的加入量为铁水总量的0.5％，所述一号包内孕育剂的加入量为铁水总量的0.3％，所述二号包内孕育剂的加入量为铁水总量的0.3％；
随流孕育步骤中，所述随流孕育剂的成分及重量百分比含量为：si63％、sb6％、sn1.1％、ba0.8％、re0.03％、cr0.05％、mn0.01％，余量为fe和不可避免杂质，随流孕育剂的加入量为铁水总量的0.10％，所述浇注温度为1400℃。
经检测，通过上述蠕化和孕育工艺生产的蠕墨铸铁缸盖，其本体平均抗拉强度为530mpa，硬度为205hbw，蠕化率为90％，珠光体含量为90％。
实施例3：
与实施例1的不同之处在于：
所述缸盖材料的原料组成及重量百分比含量为：c3.81％、si1.90％、mn0.51％、mo0.6％、cu0.85％、cr0.4％、mg0.025％、re0.04％、p0.030％、s0.010％，余量为fe和不可避免杂质。
熔炼铁水步骤中，所述q10低s生铁、废钢、回炉料的重量比为35：55：10，所述出炉温度为1490℃；
包内蠕化和孕育处理步骤中，当冲入包内的铁水量达到铁水总量的80％时撒入二号包内孕育剂，所述蠕化剂的加入量为铁水总量的0.6％，所述一号包内孕育剂的加入量为铁水总量的0.45％，所述二号包内孕育剂的加入量为铁水总量的0.35％；
随流孕育步骤中，所述随流孕育剂的成分及重量百分比含量为：si65％、sb5％、sn1.0％、ba1.2％、re0.02％、cr0.06％、mn0.08％，余量为fe和不可避免杂质，随流孕育剂的加入量为铁水总量的0.10％，所述浇注温度为1408℃。
经检测，通过上述蠕化和孕育工艺生产的蠕墨铸铁缸盖，其本体平均抗拉强度为543mpa，硬度为210hbw，蠕化率为85％，珠光体含量为95％。