一种合金铸铁及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金材料技术领域，尤其涉及一种合金铸铁及其制备方法。
背景技术
气缸套是一个圆筒形工件，位于机体的气缸体孔中，上部由气缸盖压紧固定，活塞在其内孔作往复运动，外有冷却水冷却；其与缸盖、活塞共同构成气缸工作空间。
随着新能源发动机的逐步使用，作为发动机的关键零件，仅有较高机械性能的传统缸套材料已不能满足发动机工作需要，缸套的腐蚀失效越来越严重。例如，目前某新型甲醇发动机采用高强度合金化铸态贝氏体灰铸铁气缸套，缸套材料强度可达400MPa以上，硬度在300HB左右，但在试验装机过程中，缸套内壁因被甲醇燃烧生成的酸腐蚀，造成缸套被腐蚀失效，导致发动机无法工作。因此，一种耐蚀烛台缸套材料的研发是迫不及待的。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种合金铸铁，本申请提供的合金铸铁具有较高的强度、良好的耐磨性，且耐蚀性良好。
有鉴于此，本申请提供了一种合金铸铁，包括：
优选的，所述Mn的含量为0.3～0.6wt％。
优选的，所述Si的含量为2.6～3.5wt％。
优选的，所述B的含量为0.025～0.06wt％。
优选的，所述Sn的含量为0.06～0.18wt％，所述Nb的含量为0.2～0.6wt％。
优选的，所述合金铸铁中包括：
本申请还提供了一种合金铸铁的制备方法，包括以下步骤：
按照1.7～2.8wt％的C，0.02～0.1wt％的S，2.5～4.0wt％的Si，＜0.1wt％的P，0.2～0.7wt％的Mn，0.2～0.8wt％的Cr，0.1～0.5wt％的Cu，0.02～0.08wt％的B，0.05～0.2wt％的Sn，0.1～0.7％的Nb和余量为Fe按照配比熔炼后孕育，得到铁水；
将所述铁水离心浇注，得到合金铸铁。
优选的，所述离心浇注的出型温度为800～900℃。
优选的，所述冷却采用压缩空气处理至温度为550～650℃。
本申请提供了一种合金铸铁，其具体包括1.7～2.8wt％的C；0.02～0.1wt％的S；2.5～4.0wt％的Si；＜0.1wt％的P；0.2～0.7wt％的Mn；0.2～0.8wt％的Cr；0.1～0.5wt％的Cu；0.02～0.08wt％的B；0.05～0.2wt％的Sn；0.1～0.7wt％的Nb；余量为Fe。本申请提供的合金铸铁的基体为细片状珠光体，其组织稳定；同时由于硼碳复合物在基体组织中均匀分布，又兼Nb(C、N)相的固溶强化及弥散分布，极大提高了材料的耐磨性，且该合金铸铁因降低了碳含量，减少了铸铁的石墨数量，同时增加了铸铁中的硅含量、铬含量并适当加了少许铜元素，这三种元素固溶于基体中，降低了铸铁中不同相之间的电极电位差，因此该铸铁不仅有高的强度，良好的耐磨性，而且耐酸腐蚀性良好，用于制备发动机缸套可极大提高了使用寿命。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
针对现有技术中缸套耐腐蚀性差的问题，本申请提供的了一种合金铸铁，该合金铸铁用于制备缸套，可消除缸套用铸铁不耐腐蚀的缺陷，且具有高强度、高耐磨、且耐酸腐蚀性能良好。具体的，本发明实施例公开了一种合金铸铁，包括：
本申请中C的含量为1.7～2.8wt％，Si的含量为2.5～4.0wt％；在本申请的合金铸铁中，C含量越低，铸铁强度越高，耐蚀性越好，但铸铁白口倾向越大，越不容易保证铸铁的金相要求；Si含量越高，其耐腐蚀性越好，但铸铁的脆性越大，容易产生铁素体组织，降低缸套耐磨性，不容易保证铸件的机械性能；因此，需要综合考虑碳硅的含量对性能的影响，只有其在以上范围内，才可保证合金铸铁缸套的金相组织及机械性能、耐磨性，又可保证铸铁的耐腐蚀性，减少缸套腐蚀磨损。在具体实施例中，所述C的含量为2.4～2.7wt％，更具体地，所述C的含量为2.45wt％、2.55wt％、2.60wt％、2.65wt％或2.68wt％。在具体实施例中，所述Si的含量为2.6～3.5wt％，更具体地，所述Si的含量为2.7～3.2wt％，更具体地，所述Si的含量为2.65wt％、2.70wt％、2.72wt％、2.76wt％、2.82wt％、2.93wt％、3.02wt％、3.15wt％或3.18wt％。
Mn主要用以综合硫元素的有害作用，其含量过高则增加铁水的过冷性，且影响Cr元素的加入量。在此基础上，所述Mn的含量为0.2～0.7wt％，在具体实施例中，所述Mn的含量为0.3～0.6wt％，更具体地，所述Mn的含量为0.32wt％、0.35wt％、0.42wt％、0.46wt％、0.52wt％或0.58wt％。
0.2～0.8wt％的Cr有利于提高铸铁的耐蚀性，增加珠光体含量，稳定基体，过低效果不明显，过高导致铸铁麻口和白口，恶化铸铁机械性能。在具体实施例中，Cr的含量0.25～0.65wt％，更具体地，所述Cr的含量为0.30wt％、0.48wt％、0.50wt％、0.52wt％、0.56wt％或0.62wt％。
0.1～0.5wt％的Cu可增加铸铁的耐蚀性，提高珠光体含量；过低效果不明显，过高增加成本较高，性能继续提高不明显。更具体地，所述Cu的含量为0.18wt％、0.22wt％、0.26wt％、0.28wt％、0.30wt％、0.32wt％、0.35wt％、0.42wt％、0.46wt％或0.48wt％。
0.02～0.08％的B，形成硼碳复合物，增加铸铁的耐磨性；过低效果不明显，过高增加铸铁脆性，降低铸铁强度；在具体实施例中，B的含量为0.025wt％、0.032wt％、0.038wt％、0.04wt％、0.046wt％、0.049wt％、0.050wt％、0.057wt％、0.062wt％、0.068wt％或0.072wt％。
0.05～0.2wt％的Sn可显著增加铸铁的耐腐蚀性，细化珠光体；太低效果不明显，含量过高增加铸铁脆性。在具体实施例中，所述Sn的含量为0.06～0.18wt％；更具体地，所述Sn的含量为0.07wt％、0.10wt％、0.12wt％、0.13wt％、0.14wt％、0.16wt％或0.18wt％。
0.1～0.7wt％的Nb可提高铸铁的抗拉强度，增加铸铁强度，其含量低效果不明显，含量高增加成本太多，性能提高不明显，降低性价比。在具体实施例中，所述Nb的含量为0.25～0.5wt％，更具体地，所述Nb的含量为0.28wt％、0.32wt％、0.34wt％、0.35wt％、0.38wt％、0.42wt％、0.46wt％、0.48wt％、0.50wt％、0.52wt％、0.59wt％、0.63wt％或0.67wt％。
P作为铸铁的有害元素，过多会影响强度、耐磨性和铸铁的耐蚀性，因此需要控制在一定的范围内，P＜0.1wt％，在具体实施例中，P≤0.05wt％。S含量为0.02～0.1wt％，硫含量低于0.02％铸造毛坯时孕育效果变差，S含量过高降低铁水流动性，降低铸铁机械性能及耐蚀性，在具体实施例中，所述S的含量为0.04～0.05wt％。
本申请提供了一个优选的合金铸铁成分，具体为：2.4～2.7wt％的C，2.7～3.2wt％的Si，0.4～0.5wt％的Mn，0.25～0.65wt％的Cr，0.2～0.3wt％的Cu，0.025～0.04wt％的B，0.09～0.15wt％的Sn，0.25～0.5wt％的Nb，≤0.05wt％的P，0.04～0.05wt％的S，余量为Fe。
本发明还提供了一种合金铸铁的制备方法，包括以下步骤：
按照1.7～2.8wt％的C，0.02～0.1wt％的S，2.5～4.0wt％的Si，＜0.1wt％的P，0.2～0.7wt％的Mn，0.2～0.8wt％的Cr，0.1～0.5wt％的Cu，0.02～0.08wt％的B，0.05～0.2wt％的Sn，0.1～0.7％的Nb，余量为Fe熔炼后孕育，得到铁水；
将所述铁水离心浇注，得到合金铸铁。
本申请首先按照配比将原料混合之后则熔炼后孕育，以得到铁水；所述熔炼与所述孕育为本领域技术人员熟知的技术手段，对此本申请不进行特别的限制。
按照本发明，然后将铁水进行离心浇注，以得到毛坯，该毛坯实际上就是合金铸铁；在此过程中，所述离心浇注的温度为1400～1500℃。所述离心浇注的出型温度为800～900℃。
在上述得到合金铸铁之后则将其冷却后依次进行粗加工和精加工，以得到合金铸铁缸套；上述冷却采用压缩空气处理至550～650℃。所述粗加工和所述精加工可以按照需要加工的产品的形状进行适应性的加工，所述粗加工完成后再于530～570℃保温2～3h后再进行精加工。
本发明提供一种低合金铸铁，包括以下质量百分比的组分：1.7～2.8％的C；0.02～0.1％的S；2.5～4.0％的Si；＜0.1％的P；0.2～0.7％的Mn；0.2～0.8％的Cr；0.1～0.5％的Cu；0.02～0.08％的B；0.05～0.2％的Sn；0.1～0.7％的Nb；余量为Fe。本发明通过优化设计合金成分和制备工艺，不仅使使合金铸铁的强度大大提高，而且耐酸腐蚀性能提高显著，其抗拉强度稳定达到380MPa以上，硬度可达270～350HBW，其机械性能和合金贝氏体灰铸铁相当，但耐腐蚀性能良好，在相同条件下，进行对比腐蚀测试，其平均腐蚀率仅为普通缸套材料的10％～20％。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的合金铸铁进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
将合金元素进行熔炼后孕育，得到铁水，所述熔炼的温度控制在1500～1520℃；孕育时采用的孕育剂为宁夏铸峰的硅钡孕育剂；
将获得的铁水离心浇注成毛坯，浇注温度控制在1400～1420℃，浇注过程中离心转速为1360r/min，850℃出型；
将获得的毛坯经过压缩空气冷却至650℃以下，风冷却期间的冷却速度大于70℃/min，之后空冷；
将冷却后的毛坯经过粗加工之后，在540±10℃保温3小时，精加工成缸套成品。
采用光电直读光谱仪根据GB/T24234-2009《铸铁多元素的测定火花放电原子发射光谱法》进行缸套成分的检测，检测结果为：缸套成分为：C：2.62wt％，Si：2.67wt％，P：0.006wt％，S：0.046wt％，Mn：0.51wt％，Cr：0.25wt％，Cu：0.27wt％，B：0.031wt％，Sn：0.091wt％，Nb：0.33wt％，余量为Fe。
将实施例1制备的缸套进行机械性能检测，按照GB/T 231.1-2018《金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》的标准检测，检测结果为：HBW：285；
采用万能材料试验机WDW-300，按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》的标准检测，检测结果为，抗拉强度：423MPa；
按照GB/T 22315-2008《金属材料弹性模量和泊松比试验方法》标准检测，检测结果为：本发明实施例1制备得到的气缸套的弹性模量：160GPa；
按照JB/T 7901金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法(腐蚀液为：将25ml浓盐酸和25ml浓硫酸依次倒入500ml水中，加2.5g氯化钠溶解后，稀释至1000ml，60℃恒温)，其腐蚀率是7.1μm/h。
实施例2
将合金原料熔炼后孕育，得到铁水；熔炼温度控制在1520～1540℃；孕育剂选用宁夏铸峰的硅钡孕育剂；
将获得的铁水离心浇注成毛坯，浇注温度控制在1420～1440℃，离心转速为1360r/min；800℃出型；
将获得的毛坯经过压缩空气冷却至580℃(冷却期间冷却速度大于70℃/min)，之后空冷；
将冷却后的毛坯经过粗加工之后，经540℃保温3小时，精加工成缸套成品；
按照实施例1的方法，检测本发明实施例2制备的缸套的成分，检测结果为：C：2.43wt％，Si：3.07wt％，P：0.007wt％，S：0.045wt％，Mn：0.48wt％，Cr：0.50wt％，Cu：0.26wt％，B：0.032wt％，Sn：0.092wt％，Nb：0.28wt％，余量为Fe；
按照实施例1的检测方法，对本发明实施例2制备的缸套进行机械性能检测，检测结果为：HBW：306，抗拉强度：432MPa，弹性模量：155GPa；
按照JB/T 7901金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法，(腐蚀液为：将25ml浓盐酸和25ml浓硫酸依次倒入500ml水中，加2.5g氯化钠溶解后，稀释至1000ml，60℃恒温)，其腐蚀率是6.9μm/h。
实施例3
将合金原料熔炼后孕育，得到铁水；熔炼温度控制在1490～1510℃；孕育剂选用宁夏铸峰的硅钡孕育剂；
将获得的铁水离心浇注成毛坯，浇注温度控制在1400～1420℃，离心转速为1360r/min；850℃出型；
将获得的毛坯经过压缩空气冷却至610℃，风冷却期间冷却速度大于70℃/min，之后空冷；
将冷却后的毛坯经过粗加工之后，经550℃保温3小时，精加工成缸套成品；
按照实施例1的方法，检测本发明实施例3制备的缸套的成分，检测结果为：C：2.71wt％，Si：2.63wt％，P：0.01wt％，S：0.041wt％，Mn：0.46wt％，Cr：0.65wt％，Cu：0.30wt％，B：0.035wt％，Sn：0.14wt％，Nb：0.37wt％，余量为Fe；
按照实施例1的方法，对本发明实施例3制备的缸套进行机械性能检测，检测结果为：HBW325，抗拉强度：453MPa，弹性模量：152GPa；按照JB/T 7901金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法(腐蚀液为：将25ml浓盐酸和25ml浓硫酸依次倒入500ml水中，加2.5g氯化钠溶解后，稀释至1000ml，60℃恒温)，其腐蚀率是5.7μm/h。
由以上实施例可知，本发明提供了一种高强度珠光体减磨铸铁，成分为：1.7～2.8wt％的C，0.02～0.1wt％的S，2.5～4.0wt％的Si，＜0.1wt％的P；0.2～0.7wt％的Mn，0.2～0.8wt％的Cr，0.1～0.5wt％的Cu，0.02～0.08wt％的B，0.05～0.2wt％的Sn，0.1～0.7wt％的Nb，余量为Fe。本发明通过离心铸造获得缸套毛坯，其抗拉强度稳定达到380MPa以上，硬度可达270～350HBW，机械性能和合金贝氏体灰铸铁相当，但生产工艺简单，成本低廉，耐磨性好，具有较高的使用价值和经济价值。
对比例1
一种高强度钼镍铜合金灰铸铁，其化学成分C：2.8～3.2wt％、S：0～0.10wt％、Si：1.5～2.5wt％、P：0～0.25wt％、Mn：0.5～0.8wt％、Cr：0.1～0.4wt％、Cu：0.3～0.5wt％、Mo：0.2～0.5wt％、Ni：0.2～0.5wt％；制备方法与实施例1相同，则该铸铁的硬度240～320HB，抗拉强度不低于350MPa；该材料加入了昂贵钼、镍合金，高强度、高耐磨在高端发动机上广泛使用，该材质在按照JB/T 7901金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法(腐蚀液为：将25ml浓盐酸和25ml浓硫酸依次倒入500ml水中，加2.5g氯化钠溶解后，稀释至1000ml，60℃恒温)，其腐蚀率是53μm/h。
对比例2
一种铜硼钼合金灰铸铁，其化学成分C：2.8～3.3wt％、S：0～0.10wt％、Si：1.8～2.4wt％、P：0～0.25wt％、Mn：0.6～0.8wt％、Cr：0.2～0.4％、Cu：1.3～1.7wt％、B：0.02～0.08wt％、Mo：0.1～0.5wt％；制备方法与实施例1相同，则该铸铁的硬度270～320HB，抗拉强度不低于320MPa，该材料强度高、高耐磨性良好在高端发动机上广泛使用，该材质在按照JB/T 7901金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法(腐蚀液为：将25ml浓盐酸和25ml浓硫酸依次倒入500ml水中，加2.5g氯化钠溶解后，稀释至1000ml，60℃恒温)，其腐蚀率是39μm/h。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
