[发明专利]奥氏体灰铸铁材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种合金材料，具体来说是活塞上的镶圈用的铸铁材料。

背景技术

活塞镶圈：是在活塞第一环槽部位镶嵌的一个环形圆圈，它一般是奥氏体灰铸铁材料，其主要作用是提高活塞环槽处的耐磨性、耐热性，增强活塞与活塞环的密封性能，从而提高活塞的使用寿命和内燃机运行的可靠性。

用奥氏体灰铸铁做内燃机活塞镶圈，是因为这种材料的热膨胀系数非常接近铸造铝合金的热膨胀系数(21×10^-6/℃)，而且其耐磨性、导热性好，有良好的力学性能和机械加工性能。

现有镶圈材料一般采用国际标准ISO2892《奥氏体铸铁》中牌号为L-NiCuCr1562的奥氏体灰铸铁，其化学成分(重量百分比)是：

C≤3.0％，Si 1.0～2.8％，Mn 0.5～1.5％，Ni 13.5％～17.5％，Cu 5.5～7.5％，Cr 1.0～2.5％，余量为Fe。这种奥氏体灰铸铁的力学性能(随铸件一起浇注的试样的测试数据)：

弹性模数E为85～105×10³MPa；抗拉强度σ_b为170～210MPa；硬度为140～200HBS。

物理性能(随铸件一起浇注的试样的测试数据)：

密度ρ为7.3g/cm³；热导率λ为37.7～41.9W/m·K；热膨胀系数α为18.7×10^-6/K。

在这种铸铁中，Ni发挥着重要作用，主要表现在：使共晶点向左向上移动，每增加5％Ni，共晶含碳量减低0.4％，每增加1％Ni，提高共晶温度约6℃。Ni溶于Fe，加速Fe的自扩散速度，减弱Fe与C的结合力，因而促进石墨化，其作用相当于Si的1/3。Ni溶于奥氏体，使其强化，提高铸铁的强度和硬度。Ni的主要作用是扩大奥氏体区，镍含量合适时，室温下获得稳定的奥氏体组织。

但是，镍是稀有金属，价格昂贵，这种材料的镍含量高达13.5％～17.5％，因此使这种镶圈材料成本及价格较高。因此，有必要开发一种新型的合金材料以替代现在的L-NiCuCr1562，在降低材料成本的前提下要保证新的合金材料符合活塞镶圈的要求。

中国专利文献CN1526843A介绍了一种低铝低镍中锰奥氏体铸铁及其工艺方法，其化学成分(重量百分比)为：C 3.0～4.0％，Si 2.0～3.0％，Mn 8.0～10.0％，Ni 1.0～4.0％，Cu<3.0％，Al≤0.3％。该文献记载，这种奥氏体铸铁适用于工作温度低于500℃的电器设备零件以及发动机活塞镶圈和缸套。但这种铸铁如用作活塞镶圈材料，存在的不足是：这种材料Mn含量高，会使奥氏体基体具有类似高锰钢的特性，很容易加工硬化而导致铸件无法加工；成分配比易使组织中出现B型、C型、F型等石墨形态，影响铸件性能；工艺中的随流孕育方法使孕育剂的加入量不易精确控制，增加了批量生产的难度；铸件中易出现气孔、夹渣等缺陷。因此，综合考虑，这种铸铁材料并不是理想的活塞镶圈材料，无法真正取代L-NiCuCr1562。

中国专利文献CN1055772A也公开了一种铸铁材料，但用于镶圈材料所体现出来的不足是：铸铁的强度性能和耐磨性能都相当高，因而降低了材料的机械加工性能，造成刀具磨损快。因此，在活塞镶圈材料上推广应用有其局限性。

然而，由于合金材料所体现出来的特性是合金中各元素相互影响、相互作用的结果，某一元素含量的调整都会影响合金材料的综合性能，而特别是Ni在奥氏体合金中的作用是广泛的，所以如果单纯降低Ni元素的含量，将会影响最终合金材料的性能，难以符合活塞镶圈的要求。因此，目前还没有现成的合金材料可以使用。这也是研发新的L-NiCuCr1562替代产品的一个难点，即在降低镍含量的同时，要保证新的合金材料的力学性能和物理性能与现有的L-NiCuCr1562性能接近或相当，才能满足活塞镶圈的使用性能和加工性能的要求。

发明内容

针对目前的活塞镶圈合金材料中镍含量高造成的成本和价格高的问题，本发明的目的在于提供一种新的低Ni活塞镶圈合金材料，以降低这种活塞镶圈的成本及价格。

为了实现本发明的第一个目的，采用如下技术方案：一种奥氏体灰铸铁材料，其化学成分按重量百分比计为：

C 1.5～2.9％，Si 1.5～3.0％，Mn 5.0～7.5％，Ni 5.0～8.0％，Cu 3.0～6.0％，0<Al≤0.3％，杂质≤0.25％，其余为Fe。