專利名稱：合金灰鑄鐵活塞環(huán)、其制造方法及專用模板的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種合金灰鑄鐵活塞環(huán)，尤其涉及一種采用新材料的合金灰鑄鐵活塞環(huán)及其制造方法，其應用內燃機上。
背景技術：
內燃機是一種動力機械，它是通過使燃料在機器內部燃燒，并將其放出的熱能直接轉換為動力的熱力發(fā)動機。內燃機是一種用途廣泛的機械設備，其中活塞環(huán)是內燃機發(fā)動機中最為關鍵的零部件之一，它在柴油發(fā)動機中有三大作用，它將燃燒室和曲軸箱密封， 將活塞上的熱能傳到氣缸壁上，并控制其油耗。活塞環(huán)的工作條件相當惡劣，既要承受高溫、高壓的作用，又要承受劇烈的磨損和較大的沖擊負荷作用。為了提高工作的可靠性及耐久性，對活塞環(huán)材料提出了較高要求，即活塞環(huán)必須要有良好的耐磨性、必要的強度及足夠的彈性和彈性保持性，具體為硬度100 110HRB，抗彎強度彡500N/mm2 MPa,彈性模量 110000 150000 N/mm2，熱穩(wěn)定性:彡 92%。
目前，活塞環(huán)的材質一般為高彈性模量和抗彎強度的合金鑄鐵，其一般都需要經過調質處理才能獲得，工藝比較復雜。因為現(xiàn)階段采用砂型鑄造生產的合金灰鑄鐵的彈性模量以及抗彎強度都比較低，彈性模量為70000-100000MPa，抗彎強度為390-500 MPa，因為需要經過調質處理才能提高其彈性模量、抗彎強度。發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種機械性能好、且不需要經過調質處理即可使用的合金灰鑄鐵活塞環(huán)，并提供該活塞環(huán)的生產方法及其專用模板。
為解決上述技術問題，本發(fā)明活塞環(huán)所采取的技術方案是該活塞環(huán)材質中各元素的重量百分含量如下c 3. 2 3.5%，Si 2. 3 2.6%，Mn 0.70 0.9%，P0.1 0.30%，Cr 0.1 0.3%，Mo 0.4 0.5%，Cu 0.6 1.0%，Ni 0.3 0.5%， S彡0. 1%，余量為Fe。
本發(fā)明制造上述活塞環(huán)所采取的技術方案具體包括以下步驟a.造型；b.按上述各組份元素進行配料，然后加入熔煉爐中熔煉，鐵水過熱至1525 1540°C；c.靜置至1510 1520°C出爐，出爐前加入硅鍶孕育劑進行孕育，硅鍶孕育劑的粒度為 I 3 mm，加入量為鐵水重量的0. 4 0. 6% ；d.澆注，澆注溫度為1380 1440°C，澆注過程在3分鐘內完成。
上述工序b中配料時除C、Si外，其余元素均按爐后化學成分的重量百分含量配制，C元素在爐內時的重量百分含量控制在3. 3 3. 6%，當其重量百分含量小于3. 3%時加入碳粉調整至3. 3%以上，當其重量百分含量大于3. 6%時加入廢鋼調整至3. 6%以下；Si元素在爐內時的重量百分含量控制在2. I 2. 3%，當其重量百分含量小于2. 1%時向爐內補加結晶硅或75硅鐵，使Si含量大于2. 1%，當其重量百分含量大于2. 3%時向爐內補加QlO生鐵或廢鋼，使Si含量小于2. 3%。
上述工序a中造型時采用的型砂為石英砂和膨潤土的混合物，其中石英砂和膨潤土配比當石英砂采用舊砂時，膨潤土體積百分含量為I 3%，當石英砂采用新砂時，膨潤土體積百分含量為15 20%，當石英砂為舊砂和新沙的混合物時，新砂每增加10%，膨潤土的體積百分含量增加I. 5 2%;型砂的濕壓強度為I. 2-1. 6Kg/cm2，緊實率為25_40%，透氣性彡50，含水量為3-4%，含泥量彡15%，有效膨潤土含量彡8%。
上述石英砂的SiO2含量> 98%，粒度75-150目，耐火度> 1700°C，含泥量< 1% ;膨潤土粒度要求95%過200目篩，吸藍量每100克大于30克。
本發(fā)明還提供了上述步驟c中澆注用的模板，其具體結構為包括底板、設于底板上的橫澆道以及設于橫澆道中間位置的連通橫澆道的直澆道；所述橫澆道的兩端對稱設有四個第一模型環(huán)，橫燒道同一端的兩個第一模型環(huán)對稱設置于橫燒道兩側，連通各第一模型環(huán)與橫澆道的第一內澆道與橫澆道垂直；在所述直澆道的兩側的兩個第一模型環(huán)間各設置一個第二模型環(huán)，連通第二模型環(huán)與橫澆道之間的第二內澆道與橫澆道的夾角的銳角為 54°，兩個第二模型環(huán)及第二內澆道相對關于橫澆道的對稱中心對稱設置。
采用上述技術方案所產生的有益效果在于(I)本發(fā)明對活塞環(huán)的具體組份進行調整，并對其生產工藝進行了改進，顯著提高了合金灰鑄鐵活塞環(huán)的鑄造能力，且不經過調質處理即可獲得高彈性模量較高的活塞環(huán)，滿足了高性能發(fā)動機對活塞環(huán)大比壓的要求，減少了發(fā)動機的排放，并能節(jié)約機油。
(2)在生產工藝上由于省去了調質工序，縮短了加工流程，進而提高了勞動效率， 降低了制造成本。
(3)澆注時采用本發(fā)明造型用的模板制作澆注系統(tǒng)，這樣的澆注系統(tǒng)布局可提高型腔強度、保證鐵水充型速度，有利于鐵水合理充型，減少鑄造缺陷，提高毛坯質量。


圖I是本發(fā)明中澆注模板的示意圖；圖2是本發(fā)明中OFZ9842 —道石墨-100X金相圖；圖3是本發(fā)明中0FZ9842 —道基體-500X金相圖；其中，I、直澆道；2、橫澆道；3-1為第一內澆道，3-2為第二內澆道；4、第一模型環(huán)；5、 底板；6、第二模型環(huán)。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
實施例I本實施例合金灰鑄鐵活塞環(huán)的材質選擇合適的C, Si, Mn, P, Cr, Mo, Cu, Ni, S等組份的重量百分含量，各成份具體含量參見表2，余量均為Fe。
本實施例合金灰鑄鐵活塞環(huán)的制造方法包括下述步驟a.造型型砂為石英砂與膨潤土的混合物，兩者的配比見表1，當石英砂采用舊砂時， 膨潤土體積百分含量為I 3%，當石英砂采用新砂時，膨潤土體積百分含量為15 20%， 當石英砂為舊砂和新沙的混合物時，新砂每增加10%，膨潤土的體積百分含量增加I. 5 2%。其中具體要求為I)石英砂的SiO2含量彡98%，粒度75-150目，耐火度彡1700°C， 含泥量彡1% ；2)膨潤土 粒度要求95%過200目篩，吸藍量每100克大于30克。
型砂性能要求濕壓強度I. 2 I. 6Kg/cm2,緊實率25_40%，透氣性彡50，含水量 3-4%，含泥量彡15%，有效膨潤土含量> 8%。
b.將上述配比合適的原材料加入熔煉爐中熔煉，并過熱至1525 1540°C，以便提高鐵水的純凈度，過熱度一般高于鐵水出爐溫度15-20°C。其中，上述各組份中除C、Si 外，其余元素均按爐后化學成分的重量百分含量控制，C元素在爐內鐵水的重量百分含量控制在3. 3 3. 6% (考慮0. 1%燒損量)小于3. 3%時加入碳粉調整至3. 3%以上；大于3. 6% 時加入廢鋼調整至3. 6%以下。Si元素在爐內的重量百分含量控制在2. I 2.3%，當小于2.1%時向爐內補加結晶硅或75硅鐵，使Si含量大于2. 1%，當大于2. 3%時向爐內補加QlO 生鐵或廢鋼(均須預熱)，使Si含量小于2. 3%。
c.將上述鐵水靜置，待其冷卻至1510 1520°C出爐，出爐前加入硅鍶孕育劑進行孕育，加入量為鐵水重量的0. 4 0. 6%，硅鍶孕育劑的粒度為I 3 mm，為使孕育劑充分吸收，加入時要隨流孕育。由于活塞環(huán)為薄壁小鑄件，在碳硅含量較低的情況下，容易產生碳化物，為有效消除碳化物，所以選擇硅鍶做孕育劑。d.澆注孕育后，將澆包拉到放置砂型的工位進行澆注，澆注溫度為1380 1440°C，為保持孕育效果，孕育后的鐵水必須在3分鐘內澆完。
澆注時需要合理的選擇澆注工藝，并根據模型環(huán)斷面系數(斷面系數=斷面面積/ 斷面周長)、鐵水充型能力、凝固特點來設計模板布局位置，保證澆注時鐵水合理充型。參見附圖1，本FZ9842 —道模板設有一個底板5，底板5的上面設有澆道系統(tǒng)，其包括橫澆道2， 第一內澆道3-1、第二內澆道3-2以及在橫澆道2的中部位置豎著向上設置的與橫澆道2連通的直澆道I ;第一內澆道3-1 —共設置4個，在橫澆道2的左右兩端各對稱設置兩個，位于橫澆道2同一端的兩個第一內澆道3-1關于橫澆道2對稱設置，每個第一內澆道3-1與橫澆道2垂直設置，在每個第一內澆道3-1的流道末端均設置一個第一模型環(huán)4 ;在直澆道 I的兩側、且位于兩個第一模型環(huán)4之間各設有一個傾斜的第二內澆道3-2，兩個內澆道3-2 關于橫澆道2的對稱中心中心對稱設置，內澆道3-2與橫澆道2之間所夾的銳角為54°，每個第二內澆道3-2的末端均設有一個第二模型環(huán)6 ;第二內澆道3-2的長度比第一內澆道 3-1的長度長。
采用上述材料和方法生產出來的本活塞環(huán)的機械性能為(參見表2):硬度為 104HRB，抗彎強度為554/mm2 MPa，彈性模量為152516.5 N/mm2，熱穩(wěn)定性為96%。其完全可以滿足活塞環(huán)的使用要求。
為了滿足使用要求，對合金灰鑄鐵活塞環(huán)的金相組織要求如下1)石墨均勻分布細小片狀A型石墨+點狀D型石墨，允許E型石墨，E型石墨不大于視場面積的10% ；2)基體組織為細片狀珠光體、允許有針狀組織，游離碳化物、鐵素體<5% ；3)磷共晶應為單個細小塊狀或呈斷續(xù)網狀均勻分布。
對上述實施例活塞環(huán)進行金相檢測，參見附圖2和附圖3，可知其金相組織中石墨為小片狀A型石墨+少量D型石墨，基體為細片狀珠光體+針狀組織，完全滿足相關使用要求。且沒有發(fā)現(xiàn)大塊或連續(xù)網狀的磷共晶。
實施例2 12這些實施例中各組份的重量百分含量參見表2，其生產方法以及工藝與上述實施例I 相同。這些實施例產品的機械性能參見表3。
通過上述實施例以及批量的生產試驗證明，采用本新材料以及新的生產工藝方法制造的合金灰鑄鐵活塞環(huán)的鑄造機械性能有了較大提高，鑄造完畢的毛坯不經過調質處理就達到了原需要調質處理才能實現(xiàn)的性能要求。不僅縮短了加工流程，提高了勞動效率，還降低了制造成本。如生產其它材質需調質處理的活塞環(huán)，每調質處理FZ9842 —道10萬片約需14330度電，電力成本約7165元。生產此種材質活塞環(huán)，不經過調質處理，每10萬片可節(jié)約電力成本約7165元。原生產(鑄造+調質處理)10萬片F(xiàn)Z9842 —道環(huán)，共需要195 小時，現(xiàn)生產(鑄造)10萬片此種毛坯需55小時，人工勞效提高(195-55) /195=71. 8%。
表I型砂中石英砂和膨潤土的配比(體積百分含量)
權利要求
1.一種合金灰鑄鐵活塞環(huán)，其特征在于該活塞環(huán)材質各元素的重量百分含量如下C 3. 2 3. 5%，Si 2. 3 2. 6%, Mn 0. 70 0. 9%, P 0. I 0. 30%, Cr 0. I 0. 3%, Mo 0. 4 0. 5%，Cu 0. 6 I. 0%，Ni 0. 3 0. 5%，S 彡 0. 1%，余量為 Fe。
2.權利要求I所述的合金灰鑄鐵活塞環(huán)的制造方法，其特征在于包括以下工序a.造型；b.按上述各組份進行配料，然后加入熔煉爐中熔煉，鐵水過熱至1525 1540°C；c.靜置至1510 1520°C出爐，出爐前加入硅鍶孕育劑進行孕育，硅鍶孕育劑的粒度為 I 3 mm，加入量為鐵水重量的0. 4 0. 6% ；d.澆注，澆注溫度為1380 1440°C，澆注過程在3分鐘內完成。
3.根據權利要求2所述的合金灰鑄鐵活塞環(huán)的制造方法，其特征在于所述工序b中配料時除C、Si外，其余元素均按爐后化學成分的重量百分含量配制，C元素在爐內時的重量百分含量控制在3. 3 3. 6%，當其重量百分含量小于3. 3%時加入碳粉調整至3. 3%以上， 當其重量百分含量大于3. 6%時加入廢鋼調整至3. 6%以下；Si元素在爐內時的重量百分含量控制在2. I 2. 3%，當其重量百分含量小于2. 1%時向爐內補加結晶硅或75硅鐵，使Si 含量大于2. 1%，當其重量百分含量大于2. 3%時向爐內補加QlO生鐵或廢鋼，使Si含量小于 2. 3%。
4.根據權利要求2所述的合金灰鑄鐵活塞環(huán)的制造方法，其特征在于所述工序a中造型時采用的型砂為石英砂和膨潤土的混合物，其中石英砂在混合物中的體積百分含量如下當石英砂采用舊砂時，膨潤土體積百分含量為I 3%，當石英砂采用新砂時，膨潤土體積百分含量為15 20%，當石英砂為舊砂和新沙的混合物時，新砂每增加10%，膨潤土的體積百分含量增加I. 5 2%;型砂的濕壓強度為I. 2-1. 6Kg/cm2，緊實率為25_40%，透氣性彡50，含水量為3-4%，含泥量彡15%，有效膨潤土含量彡8%。
5.根據權利要求4所述的合金灰鑄鐵活塞環(huán)的制造方法，其特征在于所述石英砂的 SiO2含量>98%，粒度75-150目，耐火度> 1700°C，含泥量< 1% ;膨潤土粒度要求95%過200 目篩，吸藍量每100克大于30克。
6.權利要求2的步驟a中造型用的模板，其特征在于所述模板包括底板(5)、設于底板(5)上的橫澆道(2)以及設于橫澆道(2)中間位置的連通橫澆道(2)的直澆道(I);所述橫澆道(2)的兩端對稱設有四個第一模型環(huán)(4)，橫澆道(2)同一端的兩個第一模型環(huán)(4) 對稱設置于橫燒道(2)兩側,連通各第一模型環(huán)(4)與橫燒道(2)的第一內燒道(3-1)與橫澆道(2 )垂直；在所述直澆道(I)的兩側的兩個第一模型環(huán)(4 )之間各設置一個第二模型環(huán)(6)，連通第二模型環(huán)(6)與橫澆道(2)之間的第二內澆道(3-2)與橫澆道(2)的夾角的為 54°，兩個第二模型環(huán)(6)及第二內澆道(3-2)關于橫澆道(2)的對稱中心對稱設置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種合金灰鑄鐵活塞環(huán)及其制造方法和專用模板，該活塞環(huán)材質元素的重量百分含量如下C3.2～3.5％，Si2.3～2.6％，Mn0.70～0.9％，P0.1～0.30％，Cr0.1～0.3％，Mo0.4～0.5％，Cu0.6～1.0％，Ni0.3～0.5％，S≤0.1％，余量為Fe。制造活塞環(huán)的步驟為造型；熔煉；孕育后出爐并澆注。造型時采用下述模板包括底板、橫澆道以及設于橫澆道中間位置的直澆道；橫澆道的兩端對稱設有第一模型環(huán)，連通各第一模型環(huán)與橫澆道的第一內澆道與橫澆道垂直；在直澆道的兩側的兩個第一模型環(huán)間各設置一個第二模型環(huán)。本發(fā)明提高了活塞環(huán)的鑄造能力，不經過調質處理即可獲得高彈性模量較高的活塞環(huán)，滿足了發(fā)動機對活塞環(huán)大比壓的要求，減少了發(fā)動機的排放。
文檔編號C22C37/10GK102534354SQ20111044143
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權日2011年12月26日
發(fā)明者劉津東, 張彩霞, 王煥平, 賈改麗 申請人:石家莊金剛內燃機零部件集團有限公司