一种发动机缸体铸造材料及其制备方法与流程

本发明涉及材料技术领域，具体为一种发动机缸体铸造材及其制备方法料。

背景技术：

发动机缸体是五大部件之一，是发动机安装所有零件的基础。发动机通过缸体将发动机的曲柄连杆机构和配气机构以及供油、润滑、冷却等机构联接为一个整体。正是由于发动机缸体在发动机中是核心结构，因此，发动机缸体的稳定性直接影响到整个发动机的稳定性。现有的发动机缸体，主要是通过铸造完成，在不考虑铸造工艺的前提下，铸造发动机缸体的材料成为决定发动机缸体性能的重要基础条件。

如公开号为cn107287529a的中国专利中提到一种发动机缸体合金材料，包括以下重量份的组分：zn：1-10份，ti：2-8份，ni：3-9份，b：0.2-1.3份，sn：4-10份，p：1-5份，v：2-8份，fe：30-70份。本发明发动机缸体合金材料，具有强度大、性能更稳定，表面无退火粘结的特点，具有良好的强度、抗氧化性、耐疲劳性和断裂韧性，使用温度可达到1800℃，较高的强度特性、钎焊性、耐蚀性优异并具有良好的可加工性能。

又如授权公告号为cn105755359b的中国专利中：其背景技术为：尾气标准和高性能比的要求将继续促使柴油发动机技术的发展。较高的燃烧峰压改善了内燃机的性能和尾气的净化,但同时亦增加了热和力的负荷。这都需要从设计方面找到解决方法。所以发动机的设计者们不是增加传统灰口铁或铝发动机的重量就是要采用较高强度的材料,例如蠕墨铸铁。新的发动机的设计与制造通常要支持3-4代的车辆技术发展,因而选用的材料不仅要满足目前设计上的要求,也得满足将来发动机性能提高所带来的高材质要求,而不需改变总的设计。与灰口铁或铝相比较,蠕墨铸铁的抗拉强度高了75％,弹性模量高出40％及疲劳强度高出100％,所以它是当前及将来发动机设计和性能提高所需要的理想材料。

然而现有技术工艺下存在两大难题：a蠕化率范围难以控制，相同生产条件下，不同处理包次的蠕化率相差(极差)可能达到50～70％，而允许的极差应≤30％；b高蠕化率难以获取，很多重要蠕铁件如汽车发动机缸体、缸盖，要求蠕化率≥70％甚至≥80％。同时，现有蠕化技术的衰退时间较短，导致较多铁水未能在衰退前完成浇铸，只能回炉重炼。

针对上述背景，该专利提到一种适用于柴油发动机缸体、缸盖的材料的生产工艺，属于铸造技术领域。该工艺包括设备准备、配料、加料、熔化、调整铁水化学成分、孕育和浇注七大步骤。采用本发明工艺生产的柴油机缸体、缸盖材料铁水的共晶度sc控制在0.9-0.93之间，碳当量ce控制在3.95-4.1之间，确保了铁水流动性和铸造工艺性；同时，铁水的成熟度rg可以达到113％，确保了孕育效果，材质本身的潜力得到了充分发挥。制得的柴油机缸体、缸盖材料的相对硬度rh可以达0.84，切削性能优异。该工艺通过了一年多的应用，可以使每吨铸件降低300元的成本。

从上述内容，可以看出，对材料的改进能够提供更好的性能和更低的成本，有利于创造更好的经济效益，因此提出本申请。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种发动机缸体铸造材料及其制备方法，其具有良好的稳定性，并且能够提供良好的材料性能，同时，能够快速获得该材料，进而降低生产成本。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种发动机缸体铸造材料，该材料总质量为100份，则各个组分的质量为：c：3.8-4.05、si：1.95-2.25、mo：0.6-0.7、cu：0.5-0.7、mn：0.33-0.41、ni：0.26-0.34、zr：0.15-0.25、ta：0.1-0.2、la：0.05-0.1、p：0.03-0.04、s：0.01-0.02、余量为fe。

通过上述技术方案，在该材料中加入si、mn、mo等元素，能够显著提高该材料的结构性能、并且该材料的各个元素的范围较窄，使得不同批次生产的该种材料的性能差异更小，从而更加保障了材料的稳定性，进而使得该材料更加易于推广和稳定的进行使用。

优选的，c的含量为3.92-4.02份。

通过上述技术方案，按照上述的c的含量，使得合金能够在高温条件下耐热使用，同时具有满足使用的韧性和硬度。

优选的，mn的含量为0.38-0.40份。

通过上述技术方案，mn的加入使得材料获得良好的强度和硬度，满足铸造发动机缸体的要求。

优选的，mo的含量为0.5-0.7份。

通过上述技术方案，mo对铁素体具有固溶强化的作用，能够提高碳化物的稳定性，因此对钢的强度产生有利作用。

优选的，包括以下步骤：

a、制备中间材料：称取生铁、废钢、硅铁、锰铁、钛铁、电解铜等炉料加入到中频感应电炉中进行熔炼，熔炼温度为1510-1540℃，待炉料全部熔化后检测铁液化学成分，并使得成分满足某一种或两种金属元素小于目标值的条件；

b、制备中间体：按照粉末钢中制取粉末的步骤，制取对应的一种或两种金属元素与fe的粉末混合物，并计算需要加入的质量；

c、添加中间体：保持熔炼温度为1560-1600℃范围，加入制备好的中间体，同时在加入过程中，持续搅拌，保持5到10min；

d、再次进行检测，当成分检测合格后于1460-1490℃出炉。

通过上述技术方案，本申请优化了冶炼的工艺，在冶炼的成分比接近需要制备的材料时，采用添加中间体粉末的方法，使得成分达到制备的材料，不仅能够将材料中的成分比控制的更加精确，同时由于中间体是粉末状态能够快速的熔化并与金属液混合，因此，能够大幅缩短材料的制备时间，从而提高了生产效率。

优选的，中间体粉末的粒度为50到200微米。

通过上述技术方案，保持合适的粉末粒度，既能够合理的控制成本，又能够使得粉末快速熔化，达到生产需求。

优选的，在加入中间体前，对中间体进行预热，预热温度为800-1300℃，加热时间为3-5min，且在预热过程中采用惰性气体进行保护。

通过上述技术方案，对中间体进行预热能够使得中间体更快速的达到熔化条件，从而节约时间和增加效率。

优选的，搅拌方式采用电磁搅拌。

通过上述技术方案，电磁搅拌具有容易控制钢液流动的方向和搅拌功率的大小的优点。

优选的，中间体在加入时按质量分为3到5等份，每等份加入的间隔时间为20s到40s。

通过上述技术方案，分成多个等份并且分次加入，能够使得中间体在熔融的金属液中分布均匀，从而更好的完成材料的冶炼。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)在该材料中加入si、mn、mo等元素，能够显著提高该材料的结构性能、并且该材料的各个元素的范围较窄，使得不同批次生产的该种材料的性能差异更小，从而更加保障了材料的稳定性，进而使得该材料更加易于推广和稳定的进行使用；

(2)优化了冶炼的工艺，在冶炼的成分比接近需要制备的材料时，采用添加中间体粉末的方法，使得成分达到制备的材料，不仅能够将材料中的成分比控制的更加精确，同时由于中间体是粉末状态能够快速的熔化并与金属液混合，因此，能够大幅缩短材料的制备时间，从而提高了生产效率；

(3)该生产工艺能够使得材料的各个组分控制在一个很小的范围内，从而能够保障各个批次材料的性能一致，进而使得材料制成的发动机缸体具有稳定的寿命和结构性能，保障发动机能够长久安全的使用。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的实施例一到实施例四：

实施例一：一种发动机缸体铸造材料，该材料总质量为100份，则各个组分的质量为：c：3.8-4.05、si：1.95-2.25、mo：0.6-0.7、cu：0.5-0.7、mn：0.33-0.41、ni：0.26-0.34、zr：0.15-0.25、ta：0.1-0.2、la：0.05-0.1、p：0.03-0.04、s：0.01-0.02、余量为fe。在该材料中加入si、mn、mo等元素，能够显著提高该材料的结构性能、并且该材料的各个元素的范围较窄，使得不同批次生产的该种材料的性能差异更小，从而更加保障了材料的稳定性，进而使得该材料更加易于推广和稳定的进行使用。

实施例二：与实施例一不同的是，c的含量为3.92-4.02份。按照上述的c的含量，使得合金能够在高温条件下耐热使用，同时具有满足使用的韧性和硬度。

实施例三：与实施例一不同的是mn的含量为0.38-0.40份。mn的加入使得材料获得良好的强度和硬度，满足铸造发动机缸体的要求。

实施例四：与实施例一不同的是mo的含量为0.5-0.7份。mo对铁素体具有固溶强化的作用，能够提高碳化物的稳定性，因此对钢的强度产生有利作用。

最后提供该种发动机缸体铸造材料的制备方法，包括以下步骤：

a、制备中间材料：称取生铁、废钢、硅铁、锰铁、钛铁、电解铜等炉料加入到中频感应电炉中进行熔炼，熔炼温度为1510-1540℃，待炉料全部熔化后检测铁液化学成分，并使得成分满足某一种或两种金属元素小于目标值的条件；在该步骤中，由于纯粹采用废钢进行熔炼，由于废钢的所含的成分未知，因此且熔炼结果也难以精确控制，因此使得成分范围变宽，不利于精确熔炼后材料的比例。

b、制备中间体：按照粉末钢中制取粉末的步骤，制取对应的一种或两种金属元素与fe的粉末混合物，并计算需要加入的质量；制成的中间体粉末便于计量，因而能够精确的控制加入中间体后的结果，从而获得精确的冶炼过程。采用现有的粉末钢中粉末制取的步骤，是因为该技术现已较为成熟。

c、添加中间体：保持熔炼温度为1560-1600℃范围，加入制备好的中间体，同时在加入过程中，持续搅拌，搅拌方式采用电磁搅拌，电磁搅拌具有容易控制钢液流动的方向和搅拌功率的大小的优点，保持5到10min。由于中间体粉末的力度很小，因此在粉末加入熔融金属液体后，通过搅拌能够快速熔化，从而能够快速的获取该材料，进而降低和生产时间，降低生产成本，提高生产效益。此外，在加入中间体前，对中间体进行预热，预热温度为800-1300℃，加热时间为3-5min，且在预热过程中采用惰性气体进行保护，对中间体进行预热能够使得中间体更快速的达到熔化条件，从而节约时间和增加效率；并且在加入时，将中间体按质量分为3到5等份，每等份加入的间隔时间为20s到40s，这样做能够使得中间体在熔融的金属液中分布均匀，从而更好的完成材料的冶炼。

d、再次进行检测，当成分检测合格后于1460-1490℃出炉。

从上述内容，我们可以看出本申请优化了冶炼的工艺，在冶炼的成分比接近需要制备的材料时，采用添加中间体粉末的方法，使得成分达到制备的材料，不仅能够将材料中的成分比控制的更加精确，同时由于中间体是粉末状态能够快速的熔化并与金属液混合，因此，能够大幅缩短材料的制备时间，从而提高了生产效率。

为了更好的满足生产需要，在生产的过程中中间体粉末的粒度控制为50到200微米。保持合适的粉末粒度，既能够合理的控制成本，又能够使得粉末快速熔化，达到生产需求。

综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)在该材料中加入si、mn、mo等元素，能够显著提高该材料的结构性能、并且该材料的各个元素的范围较窄，使得不同批次生产的该种材料的性能差异更小，从而更加保障了材料的稳定性，进而使得该材料更加易于推广和稳定的进行使用；(2)优化了冶炼的工艺，在冶炼的成分比接近需要制备的材料时，采用添加中间体粉末的方法，使得成分达到制备的材料，不仅能够将材料中的成分比控制的更加精确，同时由于中间体是粉末状态能够快速的熔化并与金属液混合，因此，能够大幅缩短材料的制备时间，从而提高了生产效率；(3)该生产工艺能够使得材料的各个组分控制在一个很小的范围内，从而能够保障各个批次材料的性能一致，进而使得材料制成的发动机缸体具有稳定的寿命和结构性能，保障发动机能够长久安全的使用。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

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