一种超高强度复相组织灰铸铁气缸套及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于汽车发动机气缸套制备技术领域，具体涉及一种超高强度复相组织(贝氏体+马氏体)气缸套及其制备方法。
【背景技术】
[0002]气缸套作为发动机的核心件、易损件之一，其质量好坏对发动机的功率、油耗、排放等影响较大。随着对汽车性能要求的提升，发动机设计师们对气缸套的硬度、加工精度、表面质量等要求日益严格，在气缸套选材方面多考虑到灰铸铁具有减震、减摩、自润、价格低、易加工等因素，因而气缸套材质多选灰口铸铁。但是灰铁抗拉强度低，塑性几乎为零，气缸套综合机械性能难以上台阶。为获得高性能的气缸套用材料，在各种铸铁基体组织中，贝氏体组织以其特有的机械性能，延长了气缸套的使用寿命，使得贝氏体铸铁受到了国内外众多汽车企业越来越广泛的关注。但是，针对不同适用范围的汽车产品，其对于气缸套性能要求也是不同的，例如大马力柴油发动机，其对于气缸套强度要求远高于其它类型的发动机要求，因而尚需继续开发新的、能够适应不同性能要求的气缸套产品。
【发明内容】
[0003]本发明目的在于提供一种复相组织(贝氏体+马氏体)灰铸铁气缸套及其制备方法，该气缸套具有超高强度，适用于大马力柴油发动机缸体使用。
[0004]下面对本发明的技术方案详细介绍如下。
[0005]一种复相组织灰铸铁气缸套，该气缸套材质为灰铸铁，其微观组织结构中包括贝氏体和马氏体两种组织相；以质量百分比计，该气缸套材质成分为:
碳，2.6-2.8% ;硅，1.8-2.2% ；
铌，0.4-0.8% ;铜，0.2-0.4% ；
锰，0.1-0.3% ;钴，0.1-0.3% ；
氮，0.08-0.3% ；
磷，彡0.08% K 0.08%，余量为铁。
[0006]所述复相组织灰铸铁气缸套，以质量百分比计，气缸套材质较优成分配比为:
碳，2.7%;硅，1.85%;
铌，0.8% ;铜，0.25% ；
锰，0.2%;钴，0.2%；
氮，0.15% ；
磷，0.05% ;硫，0.05%，余量为铁。
[0007]所述复相组织灰铸铁气缸套的制备方法，包括以下步骤:
(1)按比例配料，
(2)熔炼，浇注制备气缸套毛坯，将步骤(I)中混合均为物料在1450°C ~1550°C熔炼，1500°C ~1550°C出炉，1150~1250r/min离心浇注，浇注温度为1350°C ~1450°C ;模具温度在350~500°C，出模温度不低于740°C，浇注成型后出模制成毛坯；
(3)加工，将步骤(2)毛坯加工成气缸套半成品；
(4)复合组织相获得，
将步骤(3)中加工后气缸套半成品置入箱式电阻炉中进行奥氏体化处理，奥氏体化温度为880°C，保温时间为1.5小时；
将奥氏体化处理结束后气缸套迅速放入淬火液中进行淬火处理，淬火时间按照照90?120°C /s的冷速进行计算，工件温度淬至350?380°C，以防止冷却过程中发生珠光体转变；所述淬火液为质量浓度为28%的PAG淬火液，具体如深圳产好富顿AQ251型号的淬火液；
淬火结束后将气缸套迅速转移到360°C ~375°C的井式炉中保温80~100分钟，在该过程中发生贝氏体转变，此时组织为上贝氏体组织和残余奥氏体；随即将气缸套空冷至室温；
(5)低温回火处理，将步骤(4)中气缸套在180~220°C保温80~100分钟，在该过程中得到回火马氏体组织，随即空冷至室温，最终获得贝氏体加马氏体的复相组织的灰铸铁气缸套。
[0008]本发明所提供的复相组织灰铸铁气缸套，主要是对气缸套的合金成分进行了优化设计，其主要设计思路是:铌是中性元素，对气缸套铸件中石墨形状、分布的影响并不大，同时铌元素可与碳、氮形成NbC、Nb (C、N)等高硬度的碳、氮化物，这些高硬度的碳、氮化物呈弥散分布，可在最终的贝氏体和马氏体的复相组织中组成高耐磨性的复合基体，其颗粒大小一般为2~7ym，显微硬度达Hv2000~3390，能有效强化灰铸铁基体。钴能提高γ (奥氏体)一α (铁素体)(奥氏体向铁素体转变)的自由能从而缩短贝氏体的形成时间，与贵重元素钼的作用相同，与此同时还能促进石墨化。氮元素能完全取代镍元素，在奥氏体不锈钢中已得到充分体现，因此在本发明中引入适量的氮元素来代替贵重元素镍的使用。
[0009]发明人就本申请所提供的复相组织灰铸铁气缸套与现有技术中的气缸套进行了简要对比，简介如下。与现有技术一(CN 2007100551150)的对比，本申请在现有技术一的基础上，增加了钴、氮元素，同时不使用镍、铬、锡等元素，在一定程度上降低了生产成本；性能上优于现有气缸套的铸态贝氏体基体，具体而言，耐磨性得到明显提高，机械性能(包括抗拉强度、硬度)远高于现有气缸套材质。与现有技术二(CN 2012102231514)的对比，在材料成分中降低了碳、硅的含量，使得气缸套材质的韧性得到明显改善；同时现有技术二所制备的灰铸铁基体为珠光体，与本发明所得到的贝氏体与马氏体复相组织完全不一样，本发明所制备气缸套在经低温回火后，强度进一步加大，综合性能提升明显。与现有技术三(CN2012102050580)的对比，本发明中没有采用易于造成环境污染的锌元素，同时对比文件三中基体组织为珠光体组织，且机械性能与本申请也相差较大。
[0010]本发明所提供复相组织灰铸铁气缸套，主要特点是气缸套材质上，所用气缸套材质是在普通灰铸铁的基础上加入适量的铌(Nb)、钴(Co)、铜(Cu)、氮(N)等元素实现的，而完全不使用镍(Ni)、钼(Mo)等贵重金属元素，可有效降低生产成本。制备方法简便，采用的是低能耗的铸件冷却工艺，易于实现，相比铸态贝氏体镍钼铜合金铸铁和等温淬火等气缸套制备技术更具有经济性，本申请中气缸套的主要制备过程为:首先通过箱式电阻炉进行奥氏体化处理，然后将毛坯在淬火液中进行淬火处理，再迅速放入360~375°C的保温箱中进行保温处理，以保证贝氏体转变充分，最后再低温回火以促进残余奥氏体进一步转变形成马氏体组织，最终形成贝氏体加马氏体复相组织的灰铸铁气缸套。
[0011]对所制备的复相组织灰铸铁气缸套进行性能检测，主要性能如下:Rm (抗拉强度)> 600MPa，E > 150GPa ;相较于现有的贝氏体基体灰铸铁材料气缸套具有强度高、弹性模量高的特点，尤其大马力柴油发动机(高速重载发动机)缸体及其他高强度灰铸铁铸件中具有较好的应用前景。
【附图说明】
[0012]图1为实施例1所制备气缸套经过低温回火处理后气缸套的金相组织，其中a为180°C低温回火前组织图，b为180°C低温回火后组织图；
图2为实施例2所制备气缸套经过低温回火处理后气缸套的金相组织，其中a为180°C低温回火前组织图(回火前组织均为贝氏体+残余奥氏体+A型石墨)，b为180°C低温回火后组织图；
图3为实施例3所制备气缸套经过低温回火处理后气缸套的金相组织，其中a为220°C低温回火前组织图，b为220°C低温回火后组织图(回火处理后组织均为贝氏体+马氏体+A型石墨)。
【具体实施方式】
[0013]下面结合实施例对本申请做进一步的解释说明