專利名稱：一種新型活塞環(huán)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于發(fā)動(dòng)機(jī)部件及其制造方法，特別是一種高耐磨、高韌性、抗折斷、熱穩(wěn) 定性好的新型活塞環(huán)及其制備方法。
背景技術(shù)：
活塞環(huán)是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一，其性能的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指 標(biāo)。發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞環(huán)工作在高溫、高壓、腐蝕等惡劣環(huán)境中，它對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能和排 放、使用壽命有著極為重要的影響。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)向著高速、高功率發(fā)展，對(duì)活塞環(huán)材料的耐 磨性、韌性、抗彎強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性提出了更高的要求。在不提高成本的前提條件下，如何提高 活塞環(huán)上述性能成了工程科研人員關(guān)心的焦點(diǎn)。現(xiàn)在發(fā)明了許多改進(jìn)方法，例如活塞環(huán) 材料中加入了 W、V、Ti、Mo、Cu、Cr等多種合金，活塞表面進(jìn)行鍍鉻處理，為此開創(chuàng)了多種有 效的加工工藝，確實(shí)大大提高了活塞環(huán)的性能，但上述方法成本較高且抗彎強(qiáng)度較低，易折 斷，沒(méi)有從活塞環(huán)的整體材料進(jìn)行改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種高耐磨、高韌性、抗折斷、熱穩(wěn)定性好的新 型活塞環(huán)及其制備方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種新型活塞環(huán)，化學(xué)成分含量為C3.5 3. 8%,Si 2. 3 2. 8%、Mn 0. 6 0. 9%、P 0.25 0.4%，S 0. 01 0. 06%、Cr 0. 25 0. 35%, Cu 0. 35% -0. 45%, B 0. 025 0. 035%，其余為鐵。一種制備新型活塞環(huán)的方法，包括以下步驟步驟1 配料，所用的原料為增碳劑、硅鐵、錳鐵、磷鐵、小蘇打，其余為廢鋼；步驟2 加料，在感應(yīng)電爐中放入步驟1中配制好的原材料，并加入鉻鐵、電解銅、 硼鐵；步驟3 加熱熔煉；步驟4 孕育過(guò)程，在熔煉溫度下出水并在隨鐵水流加入硅鍶孕育劑；步驟5 澆注、清理、理化及性能檢驗(yàn)后得到活塞環(huán)毛坯，對(duì)活塞環(huán)毛坯進(jìn)行后續(xù) 加工，得到高耐磨、高韌性、抗折斷、熱穩(wěn)定性好的活塞環(huán)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)1)碳素廢鋼為主料生產(chǎn)的活塞環(huán)抗彎強(qiáng) 度、疲勞強(qiáng)度大大提高；2)產(chǎn)品材料中的添加的Cr、Cu、B三種元素對(duì)產(chǎn)品、對(duì)環(huán)境不造成 污染；3)只要稱好重量可與原配方中材料同時(shí)進(jìn)行熔煉，操作簡(jiǎn)單；4)材料耐磨性好、抗 彎強(qiáng)度> 450Mp、熱穩(wěn)定性(彈力消失率)300°C X3h，切向彈力消失率<8%，彈性模數(shù) 100士 15GPa ；5)活塞環(huán)毛坯廢品率低、成本低廉，有利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式一種新型活塞環(huán)，化學(xué)成分含量為C 3. 5 3.8%、Si 2. 3 2.8%、Mn 0. 6 0. 9%, P 0. 25 0.4%，S 0. 01 0. 06%、Cr 0. 25 0. 35 %、Cu 0. 35% -0. 45%, B 0. 025 0. 035%，其余為鐵。一種制備新型活塞環(huán)的方法，包括以下步驟步驟1 配料，所用的原料為增碳劑、硅鐵、錳鐵、磷鐵、小蘇打，其余為廢鋼；所用 的原料的配入量為增碳劑3. 0 6. 0%、硅鐵2. 0 3. 0%、錳鐵0. 8 1. 5%、磷鐵1. 0 2. 0%、小蘇打2%，其余為廢鋼；所述的廢鋼為Q195、Q235、45等碳素廢鋼。步驟2 加料，在感應(yīng)電爐中放入步驟1中配制好的原材料，并加入鉻鐵、電解銅、 硼鐵；加入鉻鐵的含量為步驟1中配入量的0. 2 0. 6%，電解銅的含量為步驟1中配入量 的0. 3 0. 5%，硼鐵的含量為步驟1中配入量的0. 1 0. 3%。步驟3 加熱熔煉；加熱熔煉的溫度為1540 1580°C。步驟4 孕育過(guò)程，在熔煉溫度下出水并在隨鐵水流加入硅鍶孕育劑；加入硅鍶孕 育劑的量為鐵水重量的0. 25 0. 35%。步驟5 澆注、清理、理化及性能檢驗(yàn)后得到活塞環(huán)毛坯，對(duì)活塞環(huán)毛坯進(jìn)行后續(xù) 加工，得到高耐磨、高韌性、抗折斷、熱穩(wěn)定性好的活塞環(huán)。在實(shí)際生產(chǎn)操作中要注意以下幾方面1、應(yīng)使用表面無(wú)銹、無(wú)油污的Q195、Q235、45等碳素鋼；2、加料時(shí)首先放入增碳劑、硼鐵、鉻鐵，緊接著投入錳鐵、磷鐵、硅鐵、增碳劑及小 蘇打，在鐵水溫度達(dá)到1300°C時(shí)，加入電解銅；3、熔煉溫度達(dá)到1420 1480°C，取樣化驗(yàn)，使各成分必須滿足規(guī)定要求；4、在鐵水達(dá)到1540 1580°C;出水并在隨鐵水流加入0. 25 0. 35%的硅鍶孕育 劑。本發(fā)明的新型活塞環(huán)材料的金相組織石墨以A+F+B型為主，D型石墨彡40%, E 型石墨彡10%，石墨長(zhǎng)度彡140um;基體組織為索氏體或細(xì)片狀珠光體，游離鐵素體小于或 等于5%，含硼碳化物或含硼復(fù)合物呈斷續(xù)網(wǎng)孔狀或條、塊狀均勻分布，含硼復(fù)合物中的磷 共晶和單獨(dú)分布的磷共晶之和不大于視場(chǎng)中硬質(zhì)相總面積的40%。力學(xué)性能硬度98 106HRB抗彎強(qiáng)度彡450MPa彈性模數(shù)100士 15GPa熱穩(wěn)定性(彈力消失率)300°C X3h，切向彈力< 8%。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用碳素鋼加入碳粉生產(chǎn)的活塞環(huán)抗強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)大于用 生鐵生產(chǎn)的活塞環(huán)。促進(jìn)石墨化的銅元素一般不能單獨(dú)使用，常與阻礙石墨化的鉻搭配，成 為鉻、銅合金鑄鐵。搭配二種石墨化性能相反的元素目的，一方面是穩(wěn)定碳化物，以獲得細(xì) 小的珠光體，以期得到較好的基體組織；另一方面使過(guò)共晶石墨細(xì)化與分布均勻，以得到理 想的石墨組織。這樣的結(jié)果使活塞環(huán)具有良好的彈性模量、韌性，以有較好的耐磨性能。硼 是最強(qiáng)烈的有阻礙石墨化元素，鑄鐵加硼后，對(duì)石墨及基體組織幾乎不引起變化，但在磷共 晶周圍出現(xiàn)了含硼固溶體的碳化物，硬度達(dá)到1000HVai，超過(guò)了珠光體、磷共晶的硬度，甚 至是表面鍍鉻層的硬度，這大大增加了材料的耐磨性及硬度。這種含硼復(fù)合物不僅有高的 耐磨性，還有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。含硼復(fù)合物與鉻、銅合金搭配使用，既保留了該材料的高耐磨性， 又保留鉻、銅材料的韌性，具有很好的效果。
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述實(shí)施例1一種制備新型活塞環(huán)的方法，包括以下步驟步驟1 配料，所用的原料為增碳劑、硅鐵、錳鐵、磷鐵、小蘇打，其余為廢鋼；所用 的原料的配入量為增碳劑3. 0%、硅鐵2. 0%、錳鐵0. 8%、磷鐵1.0%、小蘇打2%，其余為 廢鋼；所述的廢鋼為45廢鋼。步驟2 加料，在感應(yīng)電爐中放入步驟1中配制好的原材料，并加入鉻鐵、電解銅、 硼鐵；加入鉻鐵的含量為步驟1中配入量的0. 4%，電解銅的含量為步驟1中配入量的 0. 35%，硼鐵的含量為步驟1中配入量的0.2%。步驟3 加熱熔煉；加熱熔煉的溫度為1540 1580°C。步驟4 孕育過(guò)程，在熔煉溫度下出水并在隨鐵水流加入硅鍶孕育劑；加入硅鍶孕 育劑的量為鐵水重量的0. 3%。步驟5 澆注、清理、理化及性能檢驗(yàn)后得到活塞環(huán)毛坯，對(duì)活塞環(huán)毛坯進(jìn)行后續(xù) 加工，得到高耐磨、高韌性、抗折斷、熱穩(wěn)定性好的活塞環(huán)。該活塞環(huán)的化學(xué)成分為C3. 52%, Si 2. 45%, Mn 0. 81%, P 0. 32%, S 0. 04%, Cr 0. 28%, Cu 0. 36%, B 0.028%，其余為鐵。上述制備的新型活塞環(huán)材料的金相組織石墨以A+F型為主，少量的B型石墨，D 型石墨為25%、E型石墨為4%，石墨長(zhǎng)度為llOum;基體組織為索氏型細(xì)片狀珠光體，游離 鐵素體為3%，含硼碳化物或含硼復(fù)合物呈斷續(xù)網(wǎng)孔狀或條、塊狀均勻分布，含硼復(fù)合物中 的磷共晶和單獨(dú)分布的磷共晶之和不大于視場(chǎng)中硬質(zhì)相總面積的20%。力學(xué)性能硬度103HRB抗彎強(qiáng)度472MPa彈性模數(shù)105GPa熱穩(wěn)定性(彈力消失率)300°C X3h，切向彈力4%。實(shí)施例2一種制備新型活塞環(huán)的方法，包括以下步驟步驟1 配料，所用的原料為增碳劑、硅鐵、錳鐵、磷鐵、小蘇打，其余為廢鋼；所用 的原料的配入量為增碳劑4. 0%、硅鐵2. 5%、錳鐵1. 0%、磷鐵1.5%、小蘇打2%，其余為 廢鋼；所述的廢鋼為Q195廢鋼。步驟2 加料，在感應(yīng)電爐中放入步驟1中配制好的原材料，并加入鉻鐵、電解銅、 硼鐵；加入鉻鐵的含量為步驟1中配入量的0. 35%，電解銅的含量為步驟1中配入量的 0.4%，硼鐵的含量為步驟1中配入量的0.3%。步驟3 加熱熔煉；加熱熔煉的溫度為1540 1580°C。步驟4 孕育過(guò)程，在熔煉溫度下出水并在隨鐵水流加入硅鍶孕育劑；加入硅鍶孕 育劑的量為鐵水重量的0. 28%。步驟5 澆注、清理、理化及性能檢驗(yàn)后得到活塞環(huán)毛坯，對(duì)活塞環(huán)毛坯進(jìn)行后續(xù) 加工，得到高耐磨、高韌性、抗折斷、熱穩(wěn)定性好的活塞環(huán)。該活塞環(huán)的化學(xué)成分為C3. 61%, Si 2. 58%, Mn 0. 89%, P 0. 40%, S 0. 02%, Cr 0. 26%, Cu 0. 39%, B 0.032%，其余為鐵。
本發(fā)明的新型活塞環(huán)材料的金相組織石墨以A+F型為主，D型石墨15%、E型石 墨2%，石墨長(zhǎng)度130um;基體組織為索氏體或細(xì)片狀珠光體，游離鐵素體為1%，含硼碳化 物或含硼復(fù)合物呈斷續(xù)網(wǎng)孔狀或條、塊狀均勻分布，含硼復(fù)合物中的磷共晶和單獨(dú)分布的 磷共晶之和不大于視場(chǎng)中硬質(zhì)相總面積的30%。力學(xué)性能硬度100. 5HRB
抗彎強(qiáng)度:495MPa
彈性模數(shù):99GPa
熱穩(wěn)定性(彈力消失率)300°C X3h，切向彈力3%
權(quán)利要求
一種新型活塞環(huán)，其特征在于，化學(xué)成分含量為C 3.5～3.8％、Si 2.3～2.8％、Mn 0.6～0.9％、P 0.25～0.4％，S 0.01～0.06％、Cr 0.25～0.35％、Cu 0.35％ 0.45％、B0.025～0.035％，其余為鐵。
2.一種制備權(quán)利要求1所述新型活塞環(huán)的方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟1 配料，所用的原料為增碳劑、硅鐵、錳鐵、磷鐵、小蘇打，其余為廢鋼；步驟2 加料，在感應(yīng)電爐中放入步驟1中配制好的原材料，并加入鉻鐵、電解銅、硼鐵；步驟3 加熱熔煉；步驟4 孕育過(guò)程，在熔煉溫度下出水并在隨鐵水流加入硅鍶孕育劑； 步驟5 澆注、清理、理化及性能檢驗(yàn)后得到活塞環(huán)毛坯，對(duì)活塞環(huán)毛坯進(jìn)行后續(xù)加工， 得到高耐磨、高韌性、抗折斷、熱穩(wěn)定性好的活塞環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備新型活塞環(huán)的方法，其特征在于，步驟1中所用的原料的 配入量為增碳劑3. 0 6. 0%、硅鐵2. 0 3. 0%、錳鐵0. 8 1. 5%、磷鐵1. 0 2. 0%、 小蘇打2%，其余為廢鋼；所述的廢鋼為Q195、Q235、45等碳素廢鋼。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備新型活塞環(huán)的方法，其特征在于，步驟2中加入鉻鐵的含 量為步驟1中配入量的0. 2 0. 6%，電解銅的含量為步驟1中配入量的0. 3 0. 5%，硼 鐵的含量為步驟1中配入量的0. 1 0. 3%。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備新型活塞環(huán)的方法，其特征在于，步驟3加熱熔煉的溫度 為 1540 1580°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備新型活塞環(huán)的方法，其特征在于，步驟4加入硅鍶孕育劑 的量為鐵水重量的0. 25 0. 35%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種活塞環(huán)材料及其制造方法，其材料包括廢鋼、硅鐵、錳鐵、磷鐵、硅鍶孕育劑、增碳劑、小蘇打。該活塞環(huán)材料的配方為增碳劑3.0～6.0％、硅鐵2.0～3.0％、錳鐵0.8～1.5％、磷鐵1.0～2.0％、小蘇打2％、硅鍶孕育劑0.25～0.35％，其余為廢鋼，還包括Cr、Cu、B三個(gè)合金元素。本產(chǎn)品材料中碳素廢鋼及Cr、Cu、B三種元素對(duì)產(chǎn)品、對(duì)環(huán)境不造成污染；只要稱好重量可與原配方中材料同時(shí)進(jìn)行熔煉，操作簡(jiǎn)單、成本低廉；由該材料生產(chǎn)的活塞環(huán)耐磨性好、韌性高、抗彎強(qiáng)度大、熱穩(wěn)定性好、不易折斷，生產(chǎn)的毛坯廢品低，有利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C22C33/08GK101921948SQ20101027220
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月3日
發(fā)明者張喜仁, 朱有慧 申請(qǐng)人:江蘇儀征威龍活塞環(huán)有限公司