一种球蠕铸铁材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于合金材料，具体涉及一种球蠕铸铁材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、气缸套作为发动机的重要零件，其性能直接影响了发动机的使用寿命。由于气缸套在工作环境中需要承受高温高压的循环和摩擦组件的交变载荷作用，因此要求其不仅要具备高的强度和硬度，还需要良好的耐磨性和导热性，尤其随着甲醇发动机、氢燃料发动机的使用，其酸性燃烧产物会混入润滑油，对缸套造成严重的腐蚀磨损，造成缸套失效。

2、目前，采用合金化的方法已经获得了耐腐蚀性能较好的气缸套材料，如现有专利文献公开的《一种合金铸铁及其制备方法》和现有专利文献公开的《一种铸铁缸套及铸铁缸套制作方法》，均为耐腐蚀的气缸套材料，但在批量装机热试中，分别出现了新的问题，其中一个典型问题是，与传统汽油机和柴油机相比，甲醇燃料燃烧会产生更多的热量，气缸内瞬时温度非常高，造成活塞环涂层脱落，进一步导致拉缸。

3、综上，需要开发一种保证高的硬度、抗拉强度和弹性模量的同时，兼具良好的导热性、耐腐蚀性和耐磨性的铸铁材料。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的气缸套在应用中存在的上述问题，特别是导热性不能满足清洁燃料发动机使用要求等缺陷，从而提供一种球蠕铸铁材料及其制备方法和应用。

2、为此，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供一种球蠕铸铁材料，所述球蠕铸铁基体中珠光体含量大于90％，所述球蠕铸铁材料包括以下质量百分比的组分：c：3.0-3.9wt％，s：≤0.015wt％，si：2.5-4.0wt％，p：≤0.6wt％，mn：≤0.4wt％，cu：≤0.5wt％，sn：0.3-0.8wt％，mg:0.03-0.08wt％,re：0.01-0.05wt％,余量为fe和不可避免的杂质。

4、可选地，所述球蠕铸铁基体中还包括磷共晶；若基体中存在磷共晶的话，磷共晶在基体中呈均匀分布。

5、和/或，所述球蠕铸铁材料的球化率≥40％，其余为蠕虫状石墨。

6、可选地，所述球蠕铸铁材料的球化率为50-70％。

7、可选地，包括以下质量百分比的组分：c：3.2-3.7wt％，s：≤0.012wt％，si：3.0-3.5wt％，p：0.05-0.45wt％，mn：0.1-0.3wt％，cu：0.2-0.4wt％，sn：0.5-0.7wt％，mg:0.03-0.05wt％,re：0.01-0.03wt％,余量为fe和不可避免的杂质；

8、和/或，所述球蠕铸铁的硬度为≥270hbw，抗拉强度≥450mpa，弹性模量≥155gpa。

9、本发明还提供一种上述球蠕铸铁材料的制备方法，包括如下步骤：

10、s1，将原料熔炼，一次孕育，稀土镁合金处理，得到铁液；

11、s2，将所得铁液进行铸造，浇注前进行二次孕育处理，得到毛坯；

12、s3，将所述毛坯进行退火处理。

13、本发明中球蠕铸铁材料制备工艺中各步骤的具体操作参数均为领域内常规的。

14、可选地，步骤s1中，所述熔炼温度为1540-1550℃；

15、和/或，所述一次孕育过程中一次孕育剂的加入量为铁液质量的1-1.5％；

16、和/或，所述稀土镁合金处理过程中稀土镁合金的加入量为铁液质量的1.5-2％。

17、典型非限定性地，所述一次孕育和稀土镁合金处理，采用三明治法覆盖在火包底部进行；一次孕育剂为粒度1-3mm的硅钡孕育剂；二次孕育剂为0.4-1.1mm的硅锶孕育剂。

18、可选地，步骤s2中，所述的二次孕育处理过程中二次孕育剂的加入量为铁液质量的0.1-0.2％。

19、可选地，步骤s3中，所述退火处理的温度为560-580℃，退火处理的时间为3-3.5h。

20、本发明还提供一种上述的球蠕铸铁材料或上述的制备方法制备得到的球蠕铸铁材料在汽油发动机、柴油发动机、甲醇发动机、氢燃料发动机零件中的应用。

21、可选地，所述零件为气缸套。

22、下面对本发明球蠕铸铁材料中合金元素的选择和含量限定的原因做详细的说明：

23、在本发明中，c含量为3.0-3.9wt％，si含量为2.5-4.0wt％；c含量越低，铸铁强度越高，耐蚀性越好；si含量越高，起到形成氧化膜的作用，提高耐蚀性，但会引起脆性增加，造成脆断。综合考虑c、si含量对性能的影响，优选的，c含量为3.2-3.7wt％，si含量为3.0-3.5wt％。

24、在本发明中，mn是阻碍石墨化的元素，可稳定和细化珠光体，但mn易产生偏析，降低铸件的塑韧性，故mn含量控制在≤0.4wt％，优选的，mn含量为0.1-0.3wt％。

25、在本发明中，p在晶界上形成磷共晶，增加材料的耐磨性，改善导热和耐热性，但p含量高时也会导致材料的脆性增大，所述p的含量为≤0.6wt％，优选的，p含量为0.05-0.45wt％。

26、在本发明中，s为有害元素，s高必然消耗较多的稀土镁合金，引起缩孔、缩松及皮下气孔等缺陷，所述s的含量为≤0.015wt％，优选为≤0.012wt％。

27、在本发明中，cu在铸铁中有较高的正极电位，有抑制活性溶解的作用，可提高铸铁在酸性介质中的耐蚀能力，所述的cu含量为≤0.5wt％,优选为≤0.2-0.4wt％。

28、在本发明中，元素sn一方面可使珠光体数量明显增加，并使基体组织细化，腐蚀介质不易侵入基体内部，另一方面sn可固溶于基体中，提高基体的电极电位，减少腐蚀电流，再配合少量的cu，提高铸铁的析氢过电位，进一步提高其耐腐蚀性。sn有明显的耐腐蚀性改善效果，但是也具有球化阻碍作用，所述的sn含量为0.3-0.8wt％，优选为0.5-0.7wt％。

29、在本发明中，mg是球化元素，同时又是脱s、脱o十分强烈的反石墨化元素，因此残余mg含量不能过高，也不能过低，所述的残余mg含量为0.03-0.08wt％，优选为0.03-0.05wt％。

30、本发明技术方案，具有如下优点：

31、本发明提供的球蠕铸铁材料，所述球蠕铸铁为珠光体基体，包括以下质量百分比的组分：c：3.0-3.9wt％，s：≤0.015wt％，si：2.5-4.0wt％，p：≤0.6wt％，mn：≤0.4wt％，cu：≤0.5wt％，sn：0.3-0.8wt％，mg:0.03-0.08wt％,re：0.01-0.05wt％，余量为fe和不可避免的杂质。本发明创造性的通过合金元素的设计，获得一种保证高的硬度、抗拉强度和弹性模量的同时，兼具良好的导热性、耐腐蚀性和耐磨性的材料，其基体组织珠光体含量大于90％，若存在磷共晶的话，磷共晶呈均匀分布，石墨中球状石墨≥40％，其余为蠕虫状石墨，与普通灰铸铁相比，球墨铸铁和蠕墨铸铁均拥有更高的机械性能，并且相比于球墨铸铁，蠕墨铸铁表现出更高的导热率。普通灰铸铁中的片状石墨之间可形成相互沟通的沟槽，容易使电解质入侵，造成晶间腐蚀，而石墨成球状和蠕虫状时，石墨之间相互隔离，表面积小，耐腐蚀性优于片状石墨。另外，元素sn的加入，一方面使得珠光体组织细化，配合较高含量的si，两种元素均是提高材料耐腐蚀性能的关键元素，腐蚀介质不易侵入基体内部；另一方面sn可固溶于基体中，提高基体的电极电位，减少腐蚀电流，再配合少量的cu，提高铸铁的析氢过电位，进一步提高其耐腐蚀性；p元素能够在晶界上形成磷共晶，增加材料的耐磨性，进一步改善材料的导热和耐热性。

32、本发明提供的球蠕铸铁材料的制备方法，包括如下步骤：s1，将原料熔炼，一次孕育，稀土镁合金处理，得到铁液；s2，将所得铁液进行铸造，浇注前进行二次孕育处理，得到毛坯；s3，将所述毛坯进行退火处理。本发明通过合金元素的设计，利用元素mg的球化作用，得到球状石墨，利用元素sn的反球化作用，得到蠕虫状石墨。

33、本发明提供的球蠕铸铁材料在汽油发动机、柴油发动机、甲醇发动机、氢燃料发动机零件中的应用，特别是在发动机气缸套中的应用，由于材料本身具有较高的硬度、抗拉强度和弹性模量，同时，兼具良好的导热性、耐腐蚀性和耐磨性，能够满足气缸套的使用要求，同时能够避免气缸内瞬时温度非常高造成活塞环涂层脱落和拉缸现象发生。