專利名稱：：銅硼鉻高性能低成本缸套材料的制作方法
技術領域：
：本發明涉及合金材料，特別是用于缸套生產的高性能低成本的合金材料。
背景技術：
：當前，國內生產缸套的專業生產廠家有數十家，相互之間競爭十分激烈。除產品質量競爭激烈外，價格競爭也十分突出，客戶對產品的要求是質量好、價格低，只有質好、價低的產品才能在激烈的競爭市場里處于優勢；否則，產品的銷售會受到極大的影響。這就要求缸套生產廠家除不斷提高產品質量外，還得不斷降低缸套生產成本。本申請人是生產缸套和活塞專業廠家，為早期上市公司之一，至今生產缸套已有幾十年歷史，產品質量在同行業一直處于領先水平。目前，所生產的缸套材質有四大類，其中釩鈦材質缸套因其具有優異的耐磨性，一直深受客戶青睞，每年該類材質缸套產量也最大，約占本企業生產的缸套總產量的65%左右，但是，近幾年來，釩鈦材質缸套材料中主要的合金化元素釩的價格不斷攀升，致使釩鈦材質缸套的生產成本大幅度提高，使其銷售量受到顯著影響。為了解決這一問題，研發低成本、高耐磨性的新型缸套材料勢在必行。
發明內容本發明的目的是提供一種性能高、成本低的銅硼鉻高性能低成本缸套材料。本發明的目的是這樣實現的一種銅硼鉻缸套材料，其特征是在灰口鑄鐵基礎上，由按重量百分比計的以下合金化添加元素組成C2.9%3.3%;S《0.08%;P0.1%0.3%;Mn0.7%1.0%;Si2.2%2.7%;Cr0.45%0.55%;Ti0.05%0.1%;B0,06%0.08%;Cu0.3%0.5%。本發明缸套材料命名為YHG06，目的是代替釩鈦材質，性能上與釩鈦相當或超越，成本比釩鈦材料低。釩鈦材質缸套我公司已生產近30年，該材料具有很好的綜合性能，經長期實際應用，優化出該缸套材料的抗拉強度為260MPa280MPa，抗彎強度約500MPa550MPa，材料快速磨損徑向磨損值在0.050.065mm范圍。雖然，原生產的釩鈦缸套經過長期實際應用客戶反映性能優異，且占據很大的國內市場份額，但是，該材料存在彈性模量值偏低，約為85GPa，造成缸套壁厚不得不加厚，缸套單件過重。此外，經核算每噸釩鈦缸套材料目前成本較高，其中，每噸鑄件中金屬釩的成本占總材料成本12%左右。YHG06缸套材料的性能指標和成本目標如下1、抗拉強度》270MPa;2、抗彎強度^500MPa;3、彈性模量^100GPa;4、快速磨損徑向磨損值《0.065腿；5、材料成本降低5%以上。采取的技術工藝措施-為了使新研發的YHG06材料達到甚至超過釩鈦材質的綜合性能，同時又兼顧降低鑄造成本，在全面綜述國內外關于灰口鑄鐵研究成果的基礎上，參考我們生產缸套的多年經驗積累，擬定在普通硼材質材料基礎上研發一種銅硼鉻材料，同時還添加部分新的合金化元素，并且研究相應的新技術和工藝措施。整體技術要求及措施分析如下1、將材料的硬度提高到HB250HB280。目的是除耐磨相起耐磨作用外，提高缸套的基體硬度，提高缸套材料的整體耐磨性能。同時，提高缸套材料的硬度，使缸套材料的抗拉強度和抗彎強度相應提高。2、嚴格控制石墨形態，提高缸套的耐磨性。要求石墨形態以A型或B型為主，(D+E)《15%。由于A型石墨呈片狀，石墨在缸套與活塞環工作時可以起到耐磨劑作用，并且，石墨脫落后留下的孔洞可以起到儲油作用，這樣保證或提高缸套的耐磨性的穩定性；同時，保證缸套材料具有高的韌性。如果D、E型石墨數量較多，不僅沒起到提高耐磨性作用，反而因其呈方向性分布，降低共晶團結合力，導致材料的強度降低。3、加入銅(Cu)元素進行合金化。目的是通過銅原子對基體的固溶強化作用，增強共晶體的結合力，達到材料的抗拉、抗彎強度的提高，同時，可以提高材料的彈性模量；此外，銅屬于石墨化元素，銅元素合金化可以減少碳和硅的添加量，一方面降低灰口鑄鐵白口化傾向；另一方面，減少灰口鑄鐵的石墨體積百分比，有效地提高其彈性模量。但是，金屬銅的價格較高，其添加量需要酌情考慮。4、加入較高的鉻(Cr)元素合金化。目的是提高材料的硬度和強度。鉻的加入，可以起到細化共晶體晶團的作用，使基體組織更加致密，從而提高材料的硬度和強度；鉻屬于強碳化物形成元素，鉻的添加，促使灰口鑄鐵基體中碳化物的形成，致使基體形成珠光體；同時鉻的碳化物具有高硬度、高耐磨性，可以提高缸套材料的耐磨性能。但是，鉻屬于灰口鑄鐵促使白口化的合金化元素，它的添加，會對石墨形態產生影響，石墨形態會變差，同時會促進滲碳體的產生，減低材料的強度。5、在研究的新型缸套灰口鑄鐵中還添加硼(B)、磷(P)和鈦(Ti)等合金化元素。硼是強碳化物形成元素，可以形成超高硬度的硼化物；磷的添加，在灰口鑄鐵中形成磷的三元共晶體或磷的二元共晶體，在含硼的灰口鑄鐵中，可以形成三維P-B-Fe多元共晶體，具有很高的耐磨性能，并且，它與基體具有很強的把持能力；強碳化物鈦的添加，可以形成碳化鈦化合物和硼化鈦，這兩者化合物均具有較高的硬度，可以作為硬質點相提高材料的耐磨性能。本材料的研發，基于形成多種不同物性的硬質點相組成的復合耐磨體，保證材料具有優異的耐磨性能。6、為了利于A型石墨的獲得，采用了多級孕育和合金化孕育處理一體化，強化了孕育效能，保證在強碳化物元素添加時，研發的缸套灰口鑄鐵仍然具有良好的A型石墨形態。7、為了減緩缸套冷卻速度，減少碳化物的形成，減小缸套內外硬度差，利于A型或B型石墨的獲得，采用了高保溫涂料，保證在強碳化物形成的同時，缸套不易出現白口組織。本發明YHG06缸套材料，通過試驗和性能參數測試，以及材料成本核算，可以得知具有以下創新點1、化學成分創新為了使材料具有高的強度、高的彈性模量、特別是優異的耐磨性，以及良好的加工性，我們在普通硼材質材料基礎上，研發出加銅(Cu)、鉻(Cr)、鈦(Ti)等元素成分，從而使得該材料的綜合性能達到、甚至優于原缸套釩鈦材質性能，特別是彈性模量和耐磨性提高十分突出。2、工藝創新為了在加入反石墨化元素成分后，仍然保證穩定獲得A型或B型石墨，在生產中采用了大劑量、多級孕育工藝，以及研發使用了高保溫涂料，并取得良好的效果。3、社會效益和經濟效益突出所研發的YHG06缸套材料，由于添加的合金元素成分為普通合金，而釩鈦材質中加入的釩為稀有資源金屬，兩者相比，YHG06缸套材料的成功研發大大節約了稀有資源，創造了一定的社會效益；此外YHG06缸套材料性能上優于釩鈦材質，接近YHG05材料，但噸材料成本比YHG05材料降低許多，從而可為公司創制良好的經濟效益。具體實施例方式本發明缸套材料合金化成分及性能指標等如下1、化學成分通過對關鍵合金化元素的優化實驗，得到最優合金化添加元素成分范圍，如鉻、銅、鈦等如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>2、孕育比例在實驗過程中，通過優化，該材料生產時釆用75硅鐵、硅鋇復合孕育劑進行孕育，總孕育量控制在0.7%1.2%范圍內；3、硬度控制綜合考慮缸套灰口鑄鐵材料的強度、彈性模量、基體的耐磨性，以及材料機加工的加工性能，將該材料的硬度控制在HB250HB280范圍內；4、石墨形態和量的控制為了保證缸套耐磨性能，通過試驗確認，該材料的石墨形態應以A型或B型為主，(D+E)《15%，這樣既利于缸套的耐磨，又有利于強度的提高；減少石墨含量，以提高材料的彈性模量；5、性能指標；按照以上要求進行控制，通過研發和試制，研發出的YHG06缸套材料，其各項性能指標實際值如下抗拉強度284MPa315MPa，較原缸套釩鈦材質提高了約10%;抗彎強度506MPa546MPa，與原缸套釩釹材質相當；彈性模量105GPa125GPa，較原缸套釩鈦材質提高30%以上；快速磨損徑向磨損值0.044mra(洛陽拖拉機研究所測試)，比原缸套釩鈦材質提高30%以上；由權威技術檢測的性能指標對比看出，新研發的YHG06缸套材料的綜合性能指標大大優于原釩鈦材質缸套，基本上與我們研發的YHG05材料性能相當；6、材料化學成分對石墨和性能的影響研發過程中我們對關鍵元素如C、Cr、Cu等對石墨或性能的影響作了對比試驗，具體情況如下(1)、碳(C)的影響(下表中為元素的重量百分比省略％，下同):<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>從檢測的數據可以看出碳(C)較低時雖然強度指標較好，但硬度很高，石墨形態也變差，加工性能變差；碳(C)較高時，硬度較低、石墨形態較好，且易加工，但性能指標降低較多。(2)、鉻(Cr)的影響<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>從檢測的數據可以看出鉻(Cr)較低時，石墨形態較好，硬度適中、易加工，但強度指標較低，而鉻(Cr)較高時，硬度較高、石墨形態變差，強度指標未能提高，反而不易加工。(3)、銅(Cu)的影響<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>從檢測的數據可以看出銅(Cu)高或低時，石墨形態均很好，加工性能也理想，但銅(Cu)較低時，硬度、強度和彈性模量均較低，隨著銅的增加，硬度、強度、彈性模量隨之提高，尤其彈性模量特顯突出，但考慮成本因素，在達到各項指標前提下，盡量控制銅量的多加入。7、成本分析在新研發的YHG06缸套材料中，合金化加入的為普通合金，如鉻鐵、銅、硼合金等，市場售價每噸僅幾千元幾萬元，而釩鈦材質加入的釩合金因屬于稀有資源金屬，市場售價每噸達10多萬元，因此，兩種材料的價格存在顯著差距，經材料成本核算，新研發的YHG06缸套材料與原缸套釩鈦材質相比，材料成本約有降低，同YHG05缸套材料相比，材料成本降低較大。權利要求1、一種銅硼鉻缸套材料，其特征是在灰口鑄鐵基礎上，由按重量百分比計的以下合金化添加元素組成C2.9％～3.3％；S≤0.08％；P0.1％～0.3％；Mn0.7％～1.0％；Si2.2％～2.7％；Cr0.45％～0.55％；Ti0.05％～0.1％；B0.06％～0.08％；Cu0.3％～0.5％。2、根據權利要求1所述銅硼鉻缸套材料，其特征是所述合金化元素組成為-C3.15%;S《0.032%;P0.17%;Mn0.86%;Si2.55%;Cr0.51%;Ti0.07%;B0.065%;Cu0.42%。3、根據權利要求1所述銅硼鉻缸套材料，其特征是所述合金化元素組成為..C3.2%;S《0.038%;P0.19%;Mn0.820/0;Si2.52%;Cr0.5%;Ti0.08%;B0.066%;Cu0.44%。4、根據權利要求1所述銅硼鉻缸套材料，其特征是所述合金化元素組成為-C3.17%;S《0.032%;P0.21%;Mn0.9%;Si2.45%;Cr0.5%;Ti0.06%;B0.062%;Cu0.3%。5、根據權利要求1所述銅硼鉻缸套材料，其特征是所述合金化元素組成為C3.18%;S《0.03%;P0.21%;Mn0.93%;Si2.48%;Cr0.48%;Ti0.07%;B0.062%;Cu0.4%。6、根據權利要求1所述銅硼鉻缸套材料，其特征是所述合金化元素組成為-C3.18%;S《0.032%;P0.22%;Mn0.92%;Si2.46%;Cr0.49%;Ti0.06%;B0.063%;Cu0.5%。7、根據權利要求1所述銅硼鉻缸套材料，其特征是所述材料的石墨形態A型或B型〉85。/。，石墨形態(D+E)《15%。8、根據權利要求1所述銅硼鉻缸套材料，其特征是所述材料生產時需采用75硅鐵、硅鋇復合孕育劑進行孕育，總孕育量控制在0.7%1.2%范圍內。全文摘要一種銅硼鉻缸套材料，在灰口鑄鐵基礎上，由按重量百分比計的以下合金化添加元素組成C2.9％～3.3％；S0.08％；P0.1％～0.3％；Mn0.7％～1.0％；Si2.2％～2.7％；Cr0.45％～0.55％；Ti0.05％～0.1％；B0.06％～0.08％；Cu0.3％～0.5％。該材料的石墨形態要求A型或B型＞85％、(D+E)≤15％，工藝上采用大比例復合孕育劑孕育鐵水及使用高保溫性涂料，材料的性能達到抗拉強度≥270MPa、抗彎強度≥500MPa、彈性模量≥100GPa、快速磨損徑向磨損值≤0.065mm；其綜合性能優于原缸套釩鈦材質性能，同時材料成本得到降低，從而提高了市場競爭力。文檔編號C22C37/10GK101591750SQ20091005990公開日2009年12月2日申請日期2009年7月3日優先權日2009年7月3日發明者余玉妹,彭期彥,徐昌友,均文,楊慶年,袁仕田,賀躍輝申請人:成都銀河動力股份有限公司