[发明专利]一种提升发动机气缸盖可靠性的方法及硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁

说明书

本发明公开了一种提升发动机气缸盖可靠性的方法，以硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁为铸造材料，依次进行熔炼铁水、铁水精炼、铁水包孕育和浇注成型得到发动机气缸盖；所述硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁包含以下质量分数的化学成分：碳2.9～3.3％，硅4.0～4.8％，硫0.008～0.015％，镁0.009～0.020％，稀土0.018～0.035％，余量为铁以及不可避免的微量元素。其中碳当量需保持在4.2～4.7％，所述碳当量＝碳的质量百分比+硅的质量百分比/3。本发明得到的发动机气缸盖抗拉强度高，硬度适中且均匀、气缸盖收缩倾向小、热疲劳性能好。

技术领域

本发明涉及发动机气缸盖的铸造，更具体地说，涉及一种提升发动机气缸盖可靠性的方法。本发明还涉及提升发动机气缸盖可靠性的硅固溶强化铁素体蠕墨铸铁。

背景技术

气缸盖是发动机关键的部件，也是发动机最易出可靠性问题的部件，它安装在发动机缸体的上面，从上部密封气缸并构成燃烧室。在发动机工作过程中气缸盖底面燃烧区与高温高压燃气直接相接触，承受很大的热负荷和机械负荷。气缸盖在工作中受到低周热疲劳损伤、高周热疲劳损伤和蠕变损伤：在发动机的启动—停车过程中启动循环，气缸盖被急剧的加热和冷却，产生较大的循环热应力，受到低周热疲劳损伤；在发动机启动后的每个工作循环中，气缸盖发生较小幅度的温度变化，遭受高周热疲劳损伤；气缸盖局部材料在高于蠕变温度的环境中长期工作，受到蠕变损伤。另外，气缸盖内部有形状复杂的水腔和气道，气缸盖整体结构非常复杂，铸造热节很多，易在热节部位出现缩孔缩松等缺陷，铸造难度较高。气缸盖上有较多细长的加工孔，加工精度要求也很高，加工难度也较大。

由于气缸盖工作环境和结构的特殊性，为满足其可靠性需求，对气缸盖的铸造材料提出特殊要求：要有足够高的抗拉强度以保证气缸盖工作过程中能承受较大的机械负荷；要有足够高的耐热疲劳性能以防止气缸盖在冷热循环工作环境中的低周和高周热疲劳损伤；要有良好的铸造性能以解决因气缸盖结构复杂导致的缩孔缩松问题；要有良好的加工性能以便气缸盖易于在现代化加工流水线上批量加工。

现有公开技术中，气缸盖一般采用灰铸铁或合金铸铁铸造而成，材质牌号一般为HT250、HT275，其生产工艺方法相对简单而且成熟，工艺适应性好，生产成本也适中，应用较为普遍。随着发动机排放升级和爆压提高，燃烧室的温度和压力也在提高，气缸盖材料提升为灰铸铁HT300、HT350，其工艺适应性稍差，铸造易产生缩松漏水等质量问题，加工难度也提高，生产成本也相对较高，在中高端发动机上得到应用。

灰铸铁比较适合铸造气缸盖的牌号是HT250和HT275，牌号HT300后铸造难度大增，最高也只能到HT350，再往上就是灰铸铁难以逾越的瓶颈，因此灰铸件的缺点是：无法适用于大功率发动机高强度要求的情况。

现有技术中，蠕墨铸铁被认为是铸造大功率发动机气缸盖较为理想材料，比较适合铸造气缸盖的牌号是RuT350、RuT400，牌号低的RuT300时强度硬度低不能满足气缸盖的使用要求，而牌号高的RuT450、RuT500存在如下缺点：

(1)铸造性能差，在结构复杂的气缸盖上难以铸造出来，因为蠕铁的强度由蠕化率和珠光体含量共同决定，蠕化率越低、珠光体含量越高则蠕铁强度越高，由于气缸盖结构复杂，为减少凝固收缩和保证蠕铁导热性能，生产气缸盖必须选取高蠕化率，一般要求蠕化率80％以上，这样要提高蠕铁强度只有提高蠕铁基体中珠光体含量，从而需要添加Cu、Mo、Sn、Ni等促进珠光体形成的合金元素，这不但直接增加生产成本，最为致命的是增加这些合金元素含量又导致缩孔缩松倾向增加，从而使气缸盖的铸造废品率大幅增加。

(2)加工性能差，RuT450、RuT500由于添加了Cu、Mo、Sn、Ni等促进珠光体形成的合金元素，随着珠光体含量增高，铸件硬度也增高，而且由于铸件各部分冷却速度不一样导致珠光体含量不一样，从而导致铸件各部位的硬度差也随之增大，造成机加工断刀或加速刀具磨损，增加机加工成本同时也降低加工精度。