CN101639003B - 一种离心铸造含稀土发动机气门座圈及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离心铸造含稀土发动机气门座圈及其制造方法，气门座的化学组成按质量百分比包括有：铬13.5-15.0％、钼0.35-0.5％、碳1.5-2.0％、锰1.0-2.0％、硅1.5-2.0％、稀土0.1-0.2％、硫≤1.0％、磷≤1.0％，余量为铁，其金相组织中不含任何形态和级别的石墨。稀土选用稀土Ce、La、Y，或其中两种或两中以上的混合物或稀土氧化物Ce2O3、La2O3、Y2O3。制造方法采用中频感应电炉熔炼、高速卧式离心铸造方法成型、两段式热处理。所得的气门座圈组织均匀、致密、稳定，无黑斑等缺陷，提高了气门座的成品率，缩短了生产周期，节约了生产成本，其气门座圈成品硬度为38-41HRC，气门座和气门的接触面在750℃下气门与气门座连续冲击60万次，强化磨损带宽小于1.28mm。
Description
技术领域
本发明涉及离心铸造领域，具体是一种离心铸造含稀土发动机气门座圈及其制造方法。
背景技术
气门与气门座是发动机的重要零件，也是发动机的四大摩擦副之一。气门座的功能是控制燃气的进入、废气的排出；承受高温环境受气门的冲击、磨损；以及进、排气流的冲蚀、氧化等作用，工作条件极其恶劣。气门座是发动机易损零件之一，其正常失效形式为磨损严重时气门下沉量过大、气密性差，其质量和性能直接影响了发动机的油耗、功率、效率、使用寿命。气门座材料的选用主要与发动机的工况、大小、冷却方式、燃料等有关，常用的气门座材料包括铸造合金、粉末冶金和锻钢制品三类，其中合金铸铁是传统的气门座材料。国内外发动机气门座铸件的生产工艺一般采用中频炉熔炼、砂型单片铸造、蜡模铸造或精密铸造等，但是都不同程度的存在着工艺复杂、生产效率低、废品率高、成本高、力学性能不均匀等缺点。
离心铸造是将一定量的金属溶液浇入旋转的铸型中，使金属液在离心力和重力的共同作用下凝固成型的一种特种铸造工艺方法，离心铸造工艺获得的铸件具有组织致密、晶粒细化、夹砂夹渣及气孔等缺陷少、生产效率高、节约材料、降低成本、力学性能高等优点。离心铸造在生产管状、筒状铸件时可不用型芯，尤其适宜制作薄壁筒状铸件，是铸铁管、汽缸套、铜套、双金属轴承等铸件主要的生产方法之一。
发明专利申请1(公开号CN 101358548A)公开了一种汽车发动机气门座及其工艺流程，其化学成份(质量百分比，％)为：C1.0-1.3，Si0.8-1.5，Mn0.5-1.0，Cr7.0-7.5，Mo1.8-2.2，V2.0-2.3，余量为Fe。工艺制备路线是：配料→造型→熔炼→热处理→机加工→检验→入库。该气门座最佳金相组织是在回火索氏体的基础上，均匀分布着弥散细小的碳化物颗粒。热稳定性能好，工作温度可达900℃，适宜于升功率达到45kw/L以上的高速高负荷发动机；硬度达38-44HRC，单件产品硬度差小于3个HRC；与同类材料相比，合金元素总量最低，降低了生产成本；抗拉强度提高15％，屈服强度提高10％；通过了1200小时高速高负荷发动机台架耐久试验，同时气门座腐蚀磨损和机械磨损总和仅为0.5mm。发明专利申请2(公开号CN 101225758A)公开了一种汽车发动机气门座及其制造工艺，该气门座的成份(质量百分比，％)包含Cr33-35％，Mo2.0-2.5％，C1.8-2.3％，Si1.8-2.1％，Ni＜0.5％，Mn＜1％，余量为Fe。制造工艺包括用失蜡铸造工艺制作易熔模及制备模壳，模壳700-950℃下焙烧0.5-3小时；在中频熔炼炉中熔炼合金并浇注铸件，其熔炼温度为1400-1800℃，浇注温度为1300-1700℃，加入量为小于0.1％(重量％)的钛铁和微量铝粉作为变质剂来细化晶粒；然后将铸件在箱式电阻炉中进行正火处理，正火温度900-1000℃，保温时间100-200分钟，冷却方式为空冷；经过粗车平面、内外圆，精磨平面，精车内孔，精磨外圆金加工得到成品气门座。该气门座疏松倾向小，铸件合格率较高，大大降低了生产成本；致密性好，硬度适中，一般在37-45HRC；气门座金相组织为铁素体基体上均匀分布的碳化铬质点，具有耐热、耐磨、耐蚀、线膨胀细数小等优良性能，适用于中、大马力汽车发动机。发明专利申请3(公开号CN 1487175A)公开了一种摩托车、助力车用燃气发动机专用气门座的制造方法，其化学成分(质量百分比，％)为C1.4-2.0，Si1.5-2.4，Mn0.5-0.9，Cr16-23，Mo3.0-4.2，Ni1.2-1.6，B0.5-1.4，V0.5-0.9，余量为Fe。以常用的混砂、造型、熔炼、浇注、落砂等工序铸造气门座毛坯，熔炼时主要原料为：铸造用生铁、铬铁、钼铁、硼铁、钒铁、镍块、锰铁。按气门座常用热处理方法进行，正火温度950-1050℃，保温5-7小时，空冷；回火温度300-350℃，保温2-3小时，空冷。机加工程序为：去外圆毛刺、平端面、磨端面、精车外圆、粗磨外圆、倒外角、车内孔、精磨外圆。该气门座热硬度和耐腐蚀能力明显提高，经过200小时台架实验和16000Km道路实验，使用液化石油气为燃料，验证无腐蚀现象发生，满足了摩托车的使用要求。发明专利申请4(公开号CN1064425A)公开了一种低合金铸铁气缸套离心铸造方法及设备，金属离心铸型预热温度为250-300℃，合金铸铁熔炼温度为1520-1540℃；静置3分钟后出炉，浇注温度1400-1320℃，工作温度120-250℃，金属离心铸型转速为630r/min，提高了铸件成品率，简化了工艺过程，净化了作业环境，减轻了劳动强度。发明专利申请5(公开号CN 1241644A)公开了一种离心铸造多元合金铸铁复合抗磨辊圈生产工艺，复合辊圈外层为含氮多元合金抗磨铸铁，内层为高强度普通球墨铸铁。采用离心铸造工艺，开浇时模温为200-250℃，多元合金铸铁的开浇温度为1500-1430℃，浇入约2/3后加入保护渣。浇完全部多元合金铸铁，并待其表面温度冷却到850-1000℃后浇入普通球墨铸铁。球墨铸铁的开浇温度为1300-1400℃。所得复合辊圈具有抗磨性能好、内应力小、使用寿命高、成本低等优点。发明专利申请6(公开号CN 1080666A)公开了一种适用于矫直辊、轧辊等用低碳高铬铸铁材料，其具有良好的铸造、机加工性能和焊接性能，使用寿命高于冷硬铸铁材料和锻钢淬火材料，可采用整体铸造，镶嵌复合铸造、离心铸造等方法制造。文献1(内燃机配件，2004，(2)：21)改进了高铬合金气门座的单体砂型铸造工艺，适当提高碳的含量，有效地提高了铁水的流动性，减少了铸件缩孔(松)，提高了铸件的正品率。同时提高了铸件的硬度和耐磨性，降低了出铁水温度和浇注温度，减少了能耗。文献2(现代铸铁，2003，(4)：16)选用高碳当量(CE)、高硅、锰及铬铜合金铸铁，用金属型离心铸造生产的内燃机气门座，铁液出炉温度1400-1450℃，浇注温度1400-1350℃，金属离心铸型转速为900-1000r/min。组织为为珠光体或索氏体基体上均匀分布的细腻的B、D型石墨，以及合金碳化物。气门座的的硬度为41-42HRC，每片硬度差小于3HRC。铸造废品率稳定在3-8％之内，并具有加工性能好，成本低，使用寿命与QZ3高铬合金铸铁气门座相当。
发明专利申请1-3涉及汽车发动机气门座或摩托车及助力车用燃气发动机气门座，但是其铸造工艺是普通钢模铸造及蜡模铸造，而非离心铸造。发明专利申请4-6虽然使用了离心铸造工艺，但是其产品皆非发动机气门座，而是材质、制备工艺、工作环境等完全与之不同的气缸套、复合辊圈或矫直辊与轧辊等。文献1生产的是高铬合金气门座，但使用的是单体砂型铸造工艺，非离心铸造工艺。虽然文献2是使用离心铸造技术生产高铬合金铸铁气门座，但是其含碳量较高，为石墨型的，金属离心铸型转速较低，铸件中会产生较多的夹杂物、组织致密性差，甚至出现壁厚不均等现象，直接影响了高铬合金铸铁气门座的性能、质量和使用寿命，而且只适用于单一的QZ3高铬合金铸铁气门座。上述发明专利申请和文献里的气门座及其它铸件的化学组成里均不含稀土元素，无稀土改性的内容。
发明内容
本发明提供了一种离心铸造含稀土发动机气门座圈及其制造方法，所述的含稀土高铬合金铸铁发动机气门座圈可适应不同服役条件、工作环境，具有均匀的金相组织及硬度、高耐磨、高耐蚀、高抗氧化性等特征，制造方法是对发动机气门座所用QZ5材料添加稀土元素进行改性；适于含稀土高铬合金铸铁气门座圈的离心铸造工艺。
本发明的技术方案为：
一种离心铸造含稀土发动机气门座圈，其特征在于：其化学组成按质量百分比为：铬13.5-15.0％、钼0.35-0.5％、碳1.5-2.0％、锰1.0-2.0％、硅1.5-2.0％、稀土0.1-0.2％、硫≤1.0％、磷≤1.0％，余量为铁，其金相组织中不含任何形态和级别的石墨。
所述的离心铸造含稀土发动机气门座圈，其特征在于：所述的稀土是指Ce、La或Y或者其中的多种，或者是指稀土氧化物Ce2O3、La2O3、Y2O3或者其中的多种。
所述的离心铸造含稀土发动机气门座圈的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)、按气门座圈的化学组成要求，将设定配比的生铁、铬铁、锰铁、硅铁和稀土进行混合，放入中频感应炉中熔炼得铁水，熔炼温度为1500-1550℃；
(2)、将金属离心铸型进行预热，预热温度为300-400℃，时间为3-5小时，然后在金属离心铸型内表面喷刷涂料，涂料是由下列各原料组分按重量份比混合而成：石英砂55-65、硅藻土20-30、膨润土7-8、陶土5-7、洗衣粉1-2；
(3)、将温度为1420-1470℃的铁水浇注入金属离心铸型中，在卧式离心铸造机中进行铸件，同时进行循环水冷却，当铸件温度达到350-400℃时停机，然后将金属离心铸型从卧式离心铸造机取出，铸件置于灰坑中冷却；
(4)、将冷却后的铸件进行热处理：将铸件置于井式炉中，加热到730-750℃，保温1.5-2.5小时，然后冷却至室温，再加热到750-770℃，保温1.5-2.5小时，冷却至室温，得产品。
所述的离心铸造含稀土发动机气门座圈的制造方法，其特征在于：所述的涂料的厚度为1-2mm；所述的卧式离心铸造机的转速为1800-1900r/min。
与不含稀土的高铬合金铸铁气门座圈，传统钢模筒体铸造、蜡模精密铸造、砂型单片铸造等铸造工艺相比，本发明的有益效果体现在：
1、稀土具有除氢、硫、杂质的作用，净化了高铬铸铁金属液，提高了致密性，减少了气孔和夹杂物；
2、在稀土和较高锰含量的作用下，铸件黑斑减少，提高了成品率；
3、高转速离心铸造可使铸件晶粒细化；使高铬合金铸铁气门座凝固时的杂质和夹杂物集中在内表面，利用机加工去除，得到组织致密、无黑斑等缺陷的铸件，提高了高铬合金铸铁气门座的力学性能和成品率；
4、离心铸造制造发动机气门座无需浇道口、辅料，且能耗降低明显；
5、.通过两段式热处理，获得了单一的索氏体基体，组织均匀、稳定，材料的强韧性与耐磨性得到了提高；与高铬合金铸铁气门座的常规淬火+回火工艺相比，两段式热处理工艺缩短了生产周期，节约了生产成本；
6、在气门座耐磨试验机上通过工作温度为750℃时，气门与气门座连续冲击60万次表明，本发明所述的气门座磨损带宽小于1.28mm；不含稀土的QZ5材质蜡模精密铸造的气门座和气门的接触面磨损带宽为1.44mm；不含稀土的QZ5材质砂型单片铸造的气门座和气门的接触面磨损带宽为1.47mm；因此，与无稀土QZ5气门座及其它铸造工艺相比，本发明所述的气门座具有优异的高致密性、高耐磨性和高温力学性能。
高铬合金铸铁气门座圈的硬度
| 测试点 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 无稀土高铬合金铸铁气门座圈 | 36.0 | 42.0 | 37.8 | 39.5 | 35.7 |
| 本发明所述的含稀土高铬合金铸铁气门座圈 | 39.0 | 39.5 | 40.0 | 39.5 | 41.0 |
具体实施方式
实施例1：
离心铸造含稀土发动机气门座圈的化学组成按质量百分比包括有：铬13.5-15.0％、钼0.35-0.5％、碳1.5-2.0％、锰1.0-2.0％、硅1.5-2.0％、混合稀土(Ce+La)0.1％、硫≤1.0％、磷≤1.0％，余量为铁。
制造方法：
(1)、按气门座圈的化学组分要求，将计算好配比的生铁、铬铁、锰铁、硅铁和稀土进行混合，放入中频感应炉中熔炼得铁水，熔炼温度为1500-1550℃；
(2)、将金属离心铸型进行预热，预热温度为300-400℃，时间为3-5小时，然后在金属离心铸型内表面喷刷涂料，涂料的厚度为1-2mm；涂料是由下列各原料组分按重量份比混合而成：石英砂55-65、硅藻土20-30、膨润土7-8、陶土5-7、洗衣粉1-2；
(3)、将温度为1465℃的铁水从金属离心铸型一侧环形端盖孔中浇注入金属离心铸型中，在卧式离心铸造机中进行铸件，卧式离心铸造机的转速为1800-1900r/min，同时进行循环水冷却，当铸件温度达到390℃时停机，然后将金属离心铸型由卧式离心铸造机的液压装置推出，铸件置于灰坑中冷却，得气门座坯料铸件；
(4)、将气门座圈坯料铸件置于井式炉中，加热到740℃，保温2小时，然后冷却至室温，再加热到760℃，保温2小时，冷却至室温，得产品。
经机械加工成成品气门座圈的金相组织符合内燃机气门座圈标准(JB/T8893-1999)要求，硬度在38-41HRC之间，在工作温度为750℃下，气门和气门座连续冲击60万次，强化耐磨试验结果为高耐磨合稀土高铬合金铸铁离心铸造气门座和气门的接触面磨损带宽为1.27mm。
实施例2：
离心铸造含稀土发动机气门座圈的化学组成按质量百分比包括有：铬13.5-15.0％、钼0.35-0.5％、碳1.5-2.0％、锰1.0-2.0％、硅1.5-2.0％、稀土金属Y0.15％、硫≤1.0％、磷≤1.0％，余量为铁。
制造方法：
(1)、按气门座圈的化学组分要求，将生铁、铬铁、锰铁、硅铁和稀土进行混合，放入中频感应炉中熔炼得铁水，熔炼温度为1500-1550℃；
(2)、将金属离心铸型进行预热，预热温度为300-400℃，时间为3-5小时，然后在金属离心铸型内表面喷刷涂料，涂料的厚度为1-2mm；涂料是由下列各原料组分按重量份比混合而成：石英砂55-65、硅藻土20-30、膨润土7-8、陶土5-7、洗衣粉1-2；
(3)、将温度为1465℃的铁水从金属离心铸型一侧环形端盖孔中浇注入金属离心铸型中，在卧式离心铸造机中进行铸件，卧式离心铸造机的转速为1800-1900r/min，同时进行循环水冷却，当铸件温度达到390℃时停机，然后将金属离心铸型由卧式离心铸造机的液压装置推出，铸件置于灰坑中冷却，得气门座坯料铸件；
(4)、将气门座圈坯料铸件置于井式炉中，加热到740℃，保温2小时，然后冷却至室温，再加热到760℃，保温2小时，冷却至室温，得产品。
经机械加工成成品气门座圈的金相组织符合内燃机气门座圈标准(JB/T8893-1999)要求，硬度在38-41HRC之间，在工作温度为750℃下，气门与气门座连续冲击60万次耐磨试验结果为高耐磨含稀土高铬合金铸铁离心铸造气门座和气门的接触面磨损带宽为1.28mm。
实施例3：
离心铸造含稀土发动机气门座圈的化学组成按质量百分比包括有：铬13.5-15.0％、钼0.35-0.5％、碳1.5-2.0％、锰1.0-2.0％、硅1.5-2.0％、稀土氧化物La2O30.2％、硫≤1.0％、磷≤1.0％，余量为铁。
制造方法：
(1)、按气门座圈的化学组分要求，将生铁、铬铁、锰铁、硅铁和稀土进行混合，放入中频感应炉中熔炼得铁水，熔炼温度为1500-1550℃；
(2)、将金属离心铸型进行预热，预热温度为300-400℃，时间为3-5小时，然后在金属离心铸型内表面喷刷涂料，涂料的厚度为1-2mm；涂料是由下列各原料组分按重量份比混合而成：石英砂55-65、硅藻土20-30、膨润土7-8、陶土5-7、洗衣粉1-2；
(3)、将温度为1470℃的铁水从金属离心铸型一侧环形端盖孔中浇注入金属离心铸型中，在卧式离心铸造机中进行铸件，卧式离心铸造机的转速为1800-1900r/min，同时进行循环水冷却，当铸件温度达到390℃时停机，然后将金属离心铸型由卧式离心铸造机的液压装置推出，铸件置于灰坑中冷却，得气门座坯料铸件；
(4)、将气门座圈坯料铸件置于井式炉中，加热到740℃，保温2小时，然后冷却至室温，再加热到760℃，保温2小时，冷却至室温，得产品。
经机械加工成成品气门座圈的金相组织符合内燃机气门座圈标准(JB/T8893-1999)要求，硬度在38-41HRC之间，在工作温度为750℃下，气门与气门座连续冲击60万次耐磨试验结果为高耐磨含稀土高铬合金铸铁离心铸造气门座和气门的接触面磨损带宽为1.28mm。
Claims (4)
1.一种离心铸造含稀土发动机气门座圈，其特征在于：其化学组成按质量百分比为：铬13.5-15.0％、钼0.35-0.5％、碳1.5-2.0％、锰1.0-2.0％、硅1.5-2.0％、稀土0.1-0.2％、硫≤1.0％、磷≤1.0％，余量为铁，气门座圈金相组织中不含任何形态和级别的石墨。
2.根据权利要求1所述的离心铸造含稀土发动机气门座圈，其特征在于：所述的稀土是指Ce、La或Y中的一种或多种，或者是指稀土氧化物Ce2O3、La2O3、Y2O3中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的离心铸造含稀土发动机气门座圈的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)、按气门座圈的化学组成要求，将设定配比的生铁、铬铁、锰铁、硅铁和稀土进行混合，放入中频感应炉中熔炼得铁水，熔炼温度为1500-1550℃；
(2)、将金属离心铸型进行预热，预热温度为300-400℃，时间为3-5小时，然后在金属离心铸型内表面喷刷涂料，涂料是由下列各原料组分按重量份比混合而成：石英砂55-65、硅藻土20-30、膨润土7-8、陶土5-7、洗衣粉1-2；
(3)、将温度为1420-1470℃的铁水浇注入金属离心铸型中，在卧式离心铸造机中进行铸件，同时进行循环水冷却，当铸件温度达到350-400℃时停机，然后将金属离心铸型从卧式离心铸造机取出，铸件置于灰坑中冷却；
(4)、将冷却后的铸件进行热处理：将铸件置于井式炉中，加热到730-750℃，保温1.5-2.5小时，然后冷却至室温，再加热到750-770℃，保温1.5-2.5小时，冷却至室温，得产品。
4.根据权利要求3所述的离心铸造含稀土发动机气门座圈的制造方法，其特征在于：所述的涂料的厚度为1-2mm；所述的卧式离心铸造机的转速为1800-1900r/min。
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