一种气缸盖材料及其制备工艺方法与流程

本发明涉及新材料和铸造技术领域，尤其涉及一种气缸盖材料及其制备工艺方法。

背景技术：

随着对汽车行业排放要求的快速提高，以及汽车行业在高功率、低能耗、高可靠性方面激烈竞争，都促使发动机向高强化、轻量化方向快速发展。与此相应，作为发动机核心零部件的缸盖，也向高强度、薄壁、高可靠性、功能复合化方向发展，以满足发动机发展的需要。

对于气缸盖这种结构特别复杂的薄壁件，解决ht250气缸盖缩松渗漏已经是行业一直研究的重点问题，因此对于ht300以上更高强度的灰铸铁气缸盖，特别是国五排放标准以后的气缸盖，高强度灰铸铁碳当量低，在铸造过程中收缩倾向大；为了提高强度加入合金元素，导致铁液的铸造性能更差；同时气缸盖集成的功能多，结构复杂、薄壁结构多，壁厚均匀性差，导致局部热节多，而且分散，不利于补缩。这些因素共同作用，使铸件缩松缺陷倾向非常大。tcd2013气缸盖开发中在壁厚较大的螺栓孔、油嘴孔、导杆孔区域产生严重缩松缺陷，新产品初期缩松废品率达60％以上，严重影响生产效率和产品的批量投产使用，造成很大经济损失。同时为了抢占市场先机，新品全面推向市场进度紧迫，气缸盖缩松已成为制约投产的瓶颈问题。

为了提高铸件强度，降低缩松，现有技术中通过改变铸铁配方用以提高铸件的机械性能，适用于体积较大的船用气缸盖。通过在铸铁配方中加入铬、镍、钼等合金元素，提高铸件的强度、耐热耐腐蚀和致密性，而对于体积小、高强度、薄壁、壁厚变差大的车用四气门气缸盖，加入大量合金元素后的反石墨化作用将使气缸盖的缩松倾向将非常大。

随着发动机技术升级带来的对高强度、低收缩率气缸盖的强烈需求，大幅提升气缸盖机械性能，同时保证铸件缩松废品率低的材料及工艺方法，已成为汽车行业亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种气缸盖材料及其制备工艺方法，以解决现有技术中铸铁气缸盖的机械强度不够和缩松率高问题。

本发明提供一种气缸盖的制备方法，包括如下步骤：

第一步，炉料选取；按照质量百分比，采用65-75％废钢和25-35％回炉铁。

第二步，熔炼炉料。

第三步，出铁；出铁过程中，随流加入增碳剂、第一次孕育剂，调整cr、mo元素含量；

第四步，浇注；

浇注过程中，采用浇注机进行随流加入第二次孕育剂。

经过上述方法步骤，制备得到气缸盖中各组分及含量，按照质量百分比分别为：c含量为3.15-3.25％，si含量为1.90-2.10％，cr含量为0.25-0.30％，mo含量为0.20-0.25％，mn含量为0.5-0.8％、p含量为≤0.06％，s含量为0.10-0.12％，cu含量为0.80-1.00％，sn含量为0.08-0.10％，余量为fe。其中，cr元素和mo元素的含量和为0.5％。

作为优选，第一步所述炉料中各合金元素及含量，按照质量百分比如下：c含量为3.15-3.20％，si含量为1.80-1.90％，mn含量为0.5-0.8％、p含量为≤0.06％，s含量为0.10-0.12％，cu含量为0.80-1.00％，mo含量为0.05-0.25％，sn含量为0.08-0.10％，cr含量为0.10-0.20％，余量为fe。

作为优选，所述熔炼炉料采用中频无芯感应电炉或冲天炉-电炉双联熔炼电炉，熔炼温度为1530±10℃。

作为优选，所述出铁过程中调整cr和mo元素的含量，满足铸铁件最终成分含量中，cr＝0.25-0.30％，mo＝0.20-0.25％，cr和mo元素含量和为0.5％。

作为优选，所述增碳剂选择石墨增碳剂，增碳量控制在0.05-0.09％，调整c含量为3.15-3.25％。

作为优选，所述第一次孕育剂选用大颗粒sisr孕育剂，颗粒粒径0.7-6.0mm，其中sr含量为0.6-1.0％，第二次sisr孕育剂选用小颗粒sisr孕育剂，颗粒粒径0.2-0.6mm，其中sr含量为0.6-1.0％。

作为优选，第四步中浇注的铁水温度控制在1430±10℃。

作为优选，采用出铁孕育和随流孕育的孕育方法，第一次孕育剂的加入量为气缸盖总质量的0.15-0.25％，第二次孕育剂的加入量为气缸盖总质量的0.10-0.15％，并且第一次孕育剂和第二次孕育剂的加入总量不超过气缸盖总质量的0.35％。

本发明还提供一种气缸盖，采用所述一种气缸盖的制备工艺方法制造而成。所述气缸盖顶板抗拉强度300-330mpa，底板燃烧室中心抗拉强度300-320mpa，螺柱部位抗拉强度250-290mpa，压缩区的布氏硬度为210-240，缩松渗漏废品率在2-4％。

本发明的有益效果：

1.本发明制定了合理的炉料成分配方，采用废钢和回炉铁配比的方案，优化了初始炉料材料性能，并在出铁过程中调整和严格控制c、si、cr、mo元素含量，在铸件获得较高强度的同时，将补缩困难区域的缩松倾向控制在较低水平，制造出先进的高强度合金铸铁气缸盖，并取得理想的降低缩松废品率效果。

2.本发明试验出针对低碳当量、高强度合金铸铁孕育效果最好的sisr孕育剂，并采用了先进的孕育工艺(过渡包倒包孕育，浇注时随流孕育的两次孕育)，优化孕育剂加入量，保证了孕育剂用量少、效率高，效果好，特别是不同部位抗拉强度运行性好，提升了铸件整体机械性能，同时减少铸件缩松缺陷效果最好。

3.本发明综合考虑铸件材料成分及工艺控制方法，使tcd2013气缸盖缩松废品率由60％降到4％以下，有效解决了气缸产品废品率高的问题，在满足高强度气缸盖发展趋势的同时，保证较低的生产成本。同时将有力促进后续高强度铸件气缸盖的高效开发，节约大量的研制成本，推进高强度合金铸铁技术的推广应用，促进了高强度气缸盖技术的进步。

附图说明

图1是本发明的气缸盖的制备方法流程图；

图2是本发明实施例1中经过两次孕育后制备的气缸盖的金相显微组织图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

本发明提供所述气缸盖为满足国五以上排放标准的高强度产品，强度要求高，同时采用四气门、双层水套等先进的设计方案，结构非常复杂，壁厚均匀性差，采用现有的制备方法容易导致浇注凝固过程中冷却条件差，独立热节多，补缩困难，在壁厚较大的螺栓孔、油嘴孔、导杆孔等区域壁厚较大，又相互交错独立，且均利用铸件的薄壁过渡连接，正常壁厚5mm，厚大区域壁厚达45mm，易导致凝固不同步，铸造过程中厚大区域补缩通道很难持续保持畅通，无法进行有效补缩，产生严重缩松缺陷的问题。为了解决该问题，本发明提供一种气缸盖材料及其制备工艺方法，通过合理的选取c、si等材料主要成分含量，采用最佳的孕育剂、先进的孕育工艺，调整合理的合金元素加入量，最终制备得到具有高强度、低缩松率的铸铁气缸盖。

本发明首先提供一种气缸盖的制备方法，如图1所示流程，所述制备方法包括如下步骤：

第一步，炉料选取。

制备高强度合金铸铁气缸盖，为满足最终低碳当量和合金含量的最终材料成分，初始炉料选择应使用废钢和回炉铁按适当比例配比而成，本发明选用65-75％废钢和25-35％回炉铁的炉料配比。

炉料中各合金元素成分及含量的测定结果如下：c含量为3.15-3.20％，si含量为1.80-1.90％，mn含量为0.5-0.8％、p含量为不大于0.06％，s含量为0.10-0.12％，cu含量为0.80-1.00％，mo含量为0.05-0.25％，sn含量为0.08-0.10％，cr含量为0.10-0.20％，余量为fe。

在没有特殊说明的情况下，本发明中给出的百分含量均为质量百分比含量。

第二步，熔炼。

采用中频无芯感应电炉或冲天炉-电炉双联熔炼电炉熔炼炉料。熔炼温度控制在1530±10℃进行高温熔炼。

第三步，出铁。

出铁过程中随流加入增碳剂和第一次孕育剂，调整cr、mo合金元素含量。

cr、mo元素均是典型的反石墨化元素，在铸铁中使碳在奥氏体中的溶解度增加，因而阻碍铁素体生核成长，是很强的珠光体促成元素，能细化珠光体、增强基体，可以提升铸件抗拉强度，但cr、mo元素的加入会导致共晶团数量增加，增大铸件的缩松倾向。根据cr、mo加入量对抗拉强度和缩松影响的变化趋势。本发明将气缸盖中cr、mo元素含量控制在：cr为0.25％-0.30％、mo为0.20％-0.25％，并严格控制出铁过程中∑(cr+mo)＝0.5％，即cr和mo元素的含量之和为5％。

在高强度铸件制备技术中，虽然降低碳当量ce(％)＝c(％)+13si(％)和si/c值，可以有效提升铸铁抗拉强度，但随着碳当量的降低，灰铁析出的石墨将变少，而且细小，导致共晶转变过程中石墨化膨胀也会减小，从而使铸件产生缩松缺陷的倾向增大。根据降低碳当量ce和si/c值对抗拉强度和缩松影响的变化趋势，本发明选定了气缸盖中碳当量ce＝3.84％-3.9％，si/c＝0.6-0.65，增碳量为0.05-0.09％(质量百分比含量)，调整c含量为3.15-3.25％。

孕育剂的种类、加入量和孕育方法都会对最后的孕育效果产生影响。孕育效果主要通过增加共晶团数、减少过冷度和白口倾向来评价，但增加共晶团数的同时，也带来了更大的缩松风险。通过对国内常用的六种类型孕育剂的综合评价和试验，对于高强度合金铸铁，sr基孕育剂对减少铸件缩松缺陷效果最好，并且铸件不同部位强度均匀性好。因此，本发明选择sisr孕育剂。

常规的孕育方法分为包内孕育、迟后孕育和型内孕育。包内孕育分为包内冲入法和出铁槽孕育，方法简单，但孕育剂浪费大，孕育到浇注间隔时间长，衰退严重；型内孕育浇注系统特殊，成品率低，一般用作辅助孕育；迟后孕育是在浇注过程中同步孕育，衰退很小，孕育效果好，同时大大减少了孕育剂的量。通过综合考虑，本发明采用方法为：选择sisr孕育剂，过渡包倒包加入第一次孕育剂0.15-0.25％，浇注时随流加入第二次孕育剂0.10-0.15％，并且两次加入孕育剂的总量不超过0.35％，所述百分比均为最终制备的气缸盖总质量的百分比含量。

所述第一次孕育剂和第二次孕育剂均选择了颗粒状sisr孕育剂，第一次孕育剂选用大颗粒进行长效孕育，颗粒粒径0.7-6.0mm，其中sr含量为0.6-1.0％，第二次sisr孕育剂选用小颗粒进行快速孕育，颗粒粒径0.2-0.6mm，其中sr含量为0.6-1.0％。

第四步，浇注。

浇注过程中，铁水温度控制在1430±10℃，并根据铸件大小确定合理的浇注时间。浇注过程随流加入第二次孕育剂为0.10-0.15％，同时保证si为1.90-2.10％。

上述浇注后得到的铸铁气缸盖，最终材料组分和含量为：c含量为3.15-3.25％，si含量为1.90-2.10％，cr含量为0.25-0.30％，mo含量为0.20-0.25％(∑cr+mo＝0.5％)，mn含量为0.5-0.8％、p含量为不大于0.06％，s含量为0.10-0.12％，cu含量为0.80-1.00％，sn含量为0.08-0.10％，余量为fe。

作为优选，所述气缸盖的材料组分和含量为：c含量为3.19-3.23％，si含量为1.98-2.07％，cr含量为0.25-0.30％，mo含量为0.20-0.25％，mn含量为0.5-0.8％、p含量为≤0.06％，s含量为0.10-0.12％，cu含量为0.80-1.00％，sn含量为0.08-0.10％，余量为fe，其中，cr和mo元素含量和为5％。

对所述铸铁气缸盖进行性能测试，抗拉强度包括：顶板抗拉强度300-330mpa，底板燃烧室中心抗拉强度300-320mpa，螺柱部位抗拉强度250-290mpa；压缩区的布氏硬度为210-240，缩松渗漏废品率在2-4％。

下面给出具体实施例，在百分数在无特别说明情况是均为气缸盖总质量的百分比。

实施例1：应用本发明提供的方法制备气缸盖。

所述气缸盖的制备工艺方法包括如下步骤：

第一步，炉料采用65％废钢和35％回炉铁配比方案，炉料中各合金元素成分及含量如下：c为3.20％，si为1.80％，cr为0.10％，mo为0.05％，mn为0.8％、p为≤0.06％，s为0.11％，cu为0.80％，sn为0.08％，余量为fe。

第二步，熔炼炉料。

采用中频无芯感应电炉，温度控制在1530℃进行高温熔炼。

第三步，出铁；出铁过程中，随流加入增碳剂、第一次孕育剂、cr元素和mo元素。

所述增碳剂选择石墨增碳剂，增碳量控制在0.05％。控制碳当量ce＝3.78-3.88％。所述增碳量是指增碳剂的加入量为气缸盖总质量的质量百分比。

所述cr、mo合金元素的加入量满足最终得到的铸件气缸盖总质量中cr、mo合金元素的百分含量为：cr为0.25％，mo为0.25％。

所述第一次孕育剂为sisr孕育剂，加入量为气缸盖总质量的0.20％。所述第一次孕育剂采用大颗粒，粒径0.7-6.0mm，其中sr元素含量为sr＝0.8％。

第四步，浇注；

浇注过程中，铁水温度控制在1430℃，并根据铸件大小确定合理的浇注时间。采用浇注机进行随流加入第二次孕育剂。第二次孕育剂的加入量为气缸盖总质量的0.15％。所述第二次孕育剂采用小颗粒，粒径0.2-0.6mm，其中sr元素含量为sr＝0.8％。

经过上述方法步骤，形成铸铁气缸盖最终材料成分配方为：c含量为3.23％，si含量为2.04％，cr含量为0.25％，mo含量为0.25％，mn含量为0.8％、p含量为≤0.06％，s含量为0.11％，cu含量为0.80％，sn含量为0.08％，其余为fe。

对制备得到的气缸盖进行拉伸强度和缩松测试，铸件不同部位抗拉强度差异减小，顶板抗拉强度300mpa，底板燃烧室中心抗拉强度300mpa，螺柱部位抗拉强度250mpa，各部位抗拉强度差小于50mpa。压缩区布氏硬度240，缩松泄漏率2％。如图2所示金相图，所述气缸盖显微组织呈条状珠光体，铁素体和自由渗碳体的百分含量均不超过5％，石墨形态分别为ia，长度级别4至6，按dineniso945。可见，采用两次孕育对解决铸件缩松问题效果好，金相组织满足较高的技术要求，同时铸件不同部位抗拉强度差异较小。

实施例2：应用本发明提供的方法制备气缸盖。

所述气缸盖的制备工艺方法包括如下步骤：

第一步，炉料采用70％废钢和30％回炉铁配比方案，炉料中各合金元素成分及含量如下：c含量为3.17％，si含量为1.82％，cr含量为0.20％，mo含量为0.25％，mn含量为0.5％、p含量为≤0.06％，s含量为0.10％，cu含量为1.00％，sn含量为0.10％。

第二步，熔炼炉料。

采用天炉-电炉双联熔炼电炉，温度控制在1530℃进行高温熔炼。

第三步，出铁；出铁过程中，随流加入增碳剂、第一次孕育剂、cr元素。

因为mo元素含量已经满足要求，因此在出铁过程中不再加入mo元素。

选择石墨增碳剂的增碳量控制在0.05％，控制碳当量ce＝3.78-3.88％。

所述cr合金元素的加入量满足最终得到的气缸盖总质量中cr合金元素的百分含量为0.25％。

所述第一次孕育剂为大颗粒sisr孕育剂，加入量为气缸盖总质量的0.25％。所述大颗粒sisr孕育剂的粒径为0.7-6mm，其中sr含量为0.8％。

第四步，浇注；

浇注过程中，铁水温度控制在1430℃，并根据铸件大小确定合理的浇注时间。采用浇注机进行随流加入第二次孕育剂，第二次孕育剂的加入量为气缸盖总质量的0.10％。所述第二次孕育剂采用小颗粒sisr孕育剂，粒径为0.2-0.6mm，其中sr含量为0.8％。

经过上述方法步骤，形成气缸盖最终材料成分为：c含量为3.19％，si含量为2.07％，cr含量为0.25％，mo含量为0.25％，mn含量为0.5％、p含量为≤0.06％，s含量为0.10％，cu含量为1.00％，sn含量为0.10％，其余为fe。

对制备得到的气缸盖进行拉伸强度和缩松测试，气缸盖不同部位抗拉强度差异减小，顶板抗拉强度330mpa，底板燃烧室中心抗拉强度320mpa，螺柱部位抗拉强度290mpa，各部位抗拉强度差为10-40mpa。压缩区布氏硬度210，缩松泄漏率4％。

实施例3：应用本发明提供的方法制备气缸盖。

所述气缸盖的制备工艺方法包括如下步骤：

第一步，炉料采用70％废钢和30％回炉铁配比方案，炉料中各合金元素成分及含量如下：c含量为3.19％，si含量为1.85％，cr含量为0.10％，mo含量为0.10％，mn含量为0.5％、p含量为≤0.06％，s含量为0.11％，cu含量为0.80％，sn含量为0.08％，余量为fe。

第二步，熔炼炉料。

采用天炉-电炉双联熔炼电炉，温度控制在1530℃进行高温熔炼。

第三步，出铁；出铁过程中，随流加入增碳剂、第一次孕育剂、cr元素和mo元素。

所述增碳剂选择石墨增碳剂，增碳量控制在0.07％。控制碳当量3.78-3.88％。

所述cr、mo合金元素的加入量满足最终得到的气缸盖总质量中cr、mo合金元素的百分含量分别为0.30％和0.20％。

所述第一次孕育剂为大颗粒sisr孕育剂，加入量为气缸盖总质量的0.15％。所述大颗粒sisr孕育剂的粒径为0.7-6.0mm，其中sr含量为0.8％。

第四步，浇注；

浇注过程中，铁水温度控制在1430℃，并根据铸件大小确定合理的浇注时间。采用浇注机进行随流加入第二次孕育剂，第二次孕育剂的加入量为气缸盖总质量的0.10％。所述第二次孕育剂为小颗粒sisr孕育剂，粒径0.2-0.6mm，其中sr含量为0.8％。

经过上述方法步骤，形成气缸盖最终材料成分为：c含量为3.22％，si含量为1.98％，cr含量为0.30％，mo含量为0.20％，mn含量为0.5％、p含量为≤0.06％，s含量为0.11％，cu含量为0.80％，sn含量为0.08％，其余为fe。

对制备得到的气缸盖进行拉伸强度和缩松测试，气缸盖不同部位抗拉强度差异减小，顶板抗拉强度320mpa，底板燃烧室中心抗拉强度315mpa，螺柱部位抗拉强度280mpa，各部位抗拉强度差小于40mpa。压缩区布氏硬度为228，缩松渗漏废品率控制在3％。

实施例4：应用本发明提供的方法制备气缸盖。

所述气缸盖的制备工艺方法包括如下步骤：

第一步，炉料采用75％废钢和25％回炉铁配比方案，炉料中各合金元素成分及含量如下：c含量为3.16％，si含量为1.89％，cr含量为0.10％，mo含量为0.05％，mn含量为0.8％、p含量为≤0.06％，s含量为0.10％，cu含量为0.80％，sn含量为0.08％，余量为fe。

第二步，熔炼炉料。

采用中频无芯感应电炉，温度控制在1530℃进行高温熔炼。

第三步，出铁，出铁过程中，随流加入增碳剂、第一次孕育剂、cr元素和mo元素。

所述增碳剂选择石墨增碳剂，增碳量控制在0.07％，控制碳当量ce＝3.78-3.88％。

所述cr、mo合金元素的加入量满足最终得到的气缸盖总质量中cr、mo合金元素的百分含量分别为0.30％和0.20％。

所述第一次孕育剂为大颗粒sisr孕育剂，加入量为气缸盖总质量的0.20％。所述大颗粒sisr孕育剂粒径为0.7-6mm，其中sr含量为0.8％。

第四步，浇注；

浇注过程中，铁水温度控制在1410-1450℃，并根据铸件大小确定合理的浇注时间。采用浇注机进行随流加入第二次孕育剂。第二次孕育剂的加入量为气缸盖总质量的0.10％。所述第二次孕育剂采用小颗粒sisr孕育剂，粒径为0.2-0.6mm，其中sr含量为0.8％。

经过上述方法步骤，形成气缸盖最终材料成分为：c为3.19％，si为2.01％，cr为0.30％，mo为0.20％，mn为0.8％、p≤0.06％，s为0.10％，cu为0.80％，sn为0.08％，其余为fe。

对制备得到的气缸盖进行拉伸强度和缩松测试，不同部位抗拉强度差异减小，顶板抗拉强度306mpa，底板燃烧室中心抗拉强度302mpa，螺柱部位抗拉强度267mpa，各部位抗拉强度差为14-35mpa。压缩区硬度/hbs为210，缩松渗漏废品率控制在3％。

将本发明提供的铸件气缸盖的制备方法用于制备tcd2013气缸盖，气缸盖缩松废品率对比原tcd2013气缸盖，由60％降到2-4％，达到新产品早期缩松废品率低于5％的目标，年产量可以节约3000多万元。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。