[發明專利]一種提升發動機氣缸蓋可靠性的方法及硅固溶強化鐵素體蠕墨鑄鐵

有效

• 申請號: 201910156139.8
• 申請日: 2019-03-01
• 公開（公告）號: CN109811250B
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發明（設計）人: 劉治軍;郭全領;梁成振;王春風;周應榮;李章立;何春華
• 申請（專利權）人: 廣西玉柴機器股份有限公司
• 主分類號: C22C37/10
• 分類號: C22C37/10;F02F1/24
• 代理公司: 廣州海心聯合專利代理事務所(普通合伙) 44295
• 代理人: 王洪娟;馬赟齋

本發明公開了一種提升發動機氣缸蓋可靠性的方法，以硅固溶強化鐵素體蠕墨鑄鐵為鑄造材料，依次進行熔煉鐵水、鐵水精煉、鐵水包孕育和澆注成型得到發動機氣缸蓋；所述硅固溶強化鐵素體蠕墨鑄鐵包含以下質量分數的化學成分：碳2.9～3.3％，硅4.0～4.8％，硫0.008～0.015％，鎂0.009～0.020％，稀土0.018～0.035％，余量為鐵以及不可避免的微量元素。其中碳當量需保持在4.2～4.7％，所述碳當量＝碳的質量百分比+硅的質量百分比/3。本發明得到的發動機氣缸蓋抗拉強度高，硬度適中且均勻、氣缸蓋收縮傾向小、熱疲勞性能好。

技術領域

本發明涉及發動機氣缸蓋的鑄造，更具體地說，涉及一種提升發動機氣缸蓋可靠性的方法。本發明還涉及提升發動機氣缸蓋可靠性的硅固溶強化鐵素體蠕墨鑄鐵。

背景技術

氣缸蓋是發動機關鍵的部件，也是發動機最易出可靠性問題的部件，它安裝在發動機缸體的上面，從上部密封氣缸并構成燃燒室。在發動機工作過程中氣缸蓋底面燃燒區與高溫高壓燃氣直接相接觸，承受很大的熱負荷和機械負荷。氣缸蓋在工作中受到低周熱疲勞損傷、高周熱疲勞損傷和蠕變損傷：在發動機的啟動—停車過程中啟動循環，氣缸蓋被急劇的加熱和冷卻，產生較大的循環熱應力，受到低周熱疲勞損傷；在發動機啟動后的每個工作循環中，氣缸蓋發生較小幅度的溫度變化，遭受高周熱疲勞損傷；氣缸蓋局部材料在高于蠕變溫度的環境中長期工作，受到蠕變損傷。另外，氣缸蓋內部有形狀復雜的水腔和氣道，氣缸蓋整體結構非常復雜，鑄造熱節很多，易在熱節部位出現縮孔縮松等缺陷，鑄造難度較高。氣缸蓋上有較多細長的加工孔，加工精度要求也很高，加工難度也較大。

由于氣缸蓋工作環境和結構的特殊性，為滿足其可靠性需求，對氣缸蓋的鑄造材料提出特殊要求：要有足夠高的抗拉強度以保證氣缸蓋工作過程中能承受較大的機械負荷；要有足夠高的耐熱疲勞性能以防止氣缸蓋在冷熱循環工作環境中的低周和高周熱疲勞損傷；要有良好的鑄造性能以解決因氣缸蓋結構復雜導致的縮孔縮松問題；要有良好的加工性能以便氣缸蓋易于在現代化加工流水線上批量加工。

現有公開技術中，氣缸蓋一般采用灰鑄鐵或合金鑄鐵鑄造而成，材質牌號一般為HT250、HT275，其生產工藝方法相對簡單而且成熟，工藝適應性好，生產成本也適中，應用較為普遍。隨著發動機排放升級和爆壓提高，燃燒室的溫度和壓力也在提高，氣缸蓋材料提升為灰鑄鐵HT300、HT350，其工藝適應性稍差，鑄造易產生縮松漏水等質量問題，加工難度也提高，生產成本也相對較高，在中高端發動機上得到應用。

灰鑄鐵比較適合鑄造氣缸蓋的牌號是HT250和HT275，牌號HT300后鑄造難度大增，最高也只能到HT350，再往上就是灰鑄鐵難以逾越的瓶頸，因此灰鑄件的缺點是：無法適用于大功率發動機高強度要求的情況。

現有技術中，蠕墨鑄鐵被認為是鑄造大功率發動機氣缸蓋較為理想材料，比較適合鑄造氣缸蓋的牌號是RuT350、RuT400，牌號低的RuT300時強度硬度低不能滿足氣缸蓋的使用要求，而牌號高的RuT450、RuT500存在如下缺點：

(1)鑄造性能差，在結構復雜的氣缸蓋上難以鑄造出來，因為蠕鐵的強度由蠕化率和珠光體含量共同決定，蠕化率越低、珠光體含量越高則蠕鐵強度越高，由于氣缸蓋結構復雜，為減少凝固收縮和保證蠕鐵導熱性能，生產氣缸蓋必須選取高蠕化率，一般要求蠕化率80％以上，這樣要提高蠕鐵強度只有提高蠕鐵基體中珠光體含量，從而需要添加Cu、Mo、Sn、Ni等促進珠光體形成的合金元素，這不但直接增加生產成本，最為致命的是增加這些合金元素含量又導致縮孔縮松傾向增加，從而使氣缸蓋的鑄造廢品率大幅增加。

(2)加工性能差，RuT450、RuT500由于添加了Cu、Mo、Sn、Ni等促進珠光體形成的合金元素，隨著珠光體含量增高，鑄件硬度也增高，而且由于鑄件各部分冷卻速度不一樣導致珠光體含量不一樣，從而導致鑄件各部位的硬度差也隨之增大，造成機加工斷刀或加速刀具磨損，增加機加工成本同時也降低加工精度。