一种高碳钢质低成本气缸套用无缝钢管及其制备方法、气缸套与流程

本发明属于金属材料加工，涉及一种高碳钢质低成本气缸套用无缝钢管及其制备方法、气缸套。该方法旨在通过优化管材的选材、轧制及后续处理等关键环节，提高无缝钢管的综合力学性能、尺寸精度和表面质量，以满足发动机气缸套在高温、高压、高摩擦工况下的使用要求，延长其使用寿命并提升发动机的整体性能。

背景技术：

1、目前，发动机气缸套作为发动机的核心零部件之一，其材料性能直接影响发动机的耐久性、可靠性和综合效能。气缸套在工作过程中，内壁需承受高温高压燃气的冲击、活塞环的高速摩擦以及冷却液的腐蚀，因此对其材料的力学性能（如强度、硬度）、尺寸精度（如内径公差、椭圆度）和表面质量（如光洁度、耐磨性）均提出了极高要求。

2、目前，气缸套材料主要分为灰铸铁和钢质两大类。

3、对于灰铸铁气缸套而言，其性能提升主要依赖合金强化和热处理工艺。然而，传统的珠光体灰铸铁抗拉强度一般在320mpa以下，硬度通常低于280hb。虽然通过合金化和热处理可以获得贝氏体灰铸铁，使其抗拉强度达到400mpa、硬度达到330hb，但贝氏体材料存在成本较高、组织稳定性差以及耐腐蚀性不足等明显缺陷，严重制约了其大规模应用。

4、在钢质气缸套方面，随着发动机技术向大功率、高爆压、轻量化方向发展，对气缸套的强度、刚度和耐磨性提出了更高要求。现有钢质气缸套（中国专利cn105331898a所公开的贝氏体钢质气缸套）虽然在一定程度上提升了硬度和刚度，但其性能提升幅度仍然有限。此外，传统钢质气缸套制备工艺往往需要进行正火或调质处理，流程复杂、成本较高。如何在简化工艺流程的同时，进一步显著提高钢质气缸套的强度、刚度和硬度等核心性能指标，同样是本领域亟需解决的关键问题。

5、综上所述，无论是灰铸铁还是钢质气缸套，现有技术均难以同时满足内燃机行业对气缸套高强度、高刚度、优异耐磨耐蚀性以及低成本、工艺简化的综合需求，亟需开发新型气缸套材料及其制备方法。

技术实现思路

1、针对现有气缸套材料制备方法中存在的组织不均匀、晶粒粗大导致力学性能不足，尺寸精度控制能力有限、后续加工成本高，以及表面耐磨性和耐腐蚀性欠佳等问题，本发明旨在提供一种高碳钢质低成本气缸套用无缝钢管及其制备方法、气缸套，该方法通过优化选材、改进轧制工艺及热处理等手段，旨在获得组织细化均匀、综合力学性能（强度、硬度）优异，尺寸精度（内径公差、椭圆度）高，且内壁表面耐磨性和耐腐蚀性显著提升的无缝钢管，从而满足高端发动机对气缸套材料的严苛要求，降低生产成本，延长发动机的运行稳定性和使用寿命。

2、本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

3、本发明第一方面提供一种高碳钢质低成本气缸套用无缝钢管，其化学成分按重量百分比计为：c：0.50%-0.55%，si：0.17%-0.40%，mn：0.65%-1.00%，p≤0.025%，s≤0.015%，其余为fe和不可避免的杂质。

4、优选地，所述无缝钢管的金相组织为回火马氏体组织。

5、优选地，所述无缝钢管在铸态的性能如下：抗拉强度900-1100mpa，屈服强度700-800mpa，硬度为260～340hb。

6、本发明第二方面提供一种高碳钢质低成本气缸套用无缝钢管的制备方法，包括以下步骤：

7、（1）冶炼与连铸：按所述的化学成分配比原料，经电炉炼钢，lf精炼、vd真空脱气后，进行连铸，得到管坯；

8、（2）加热：将管坯送入环形加热炉进行加热，采用分段式控温制度；

9、（3）穿孔：将加热后的管坯送至锥形辊穿孔机进行穿孔，制成毛管，控制顶头前压下率为15%-25%，轧辊转速为80-120r/min，导板间距根据毛管规格进行精确调整，确保毛管壁厚均匀，椭圆度控制在1.5%以内。

10、（4）连轧、定径及冷却：将穿孔后的毛管送入pqf连轧管机组进行减径、延伸和减壁，得到荒管；将连轧后的荒管进行定径，定径后的钢管在大冷床冷却至室温。

11、（5）热处理：将冷却后的钢管送入步进梁式连续热处理炉进行加热、淬火及回火处理，得到无缝钢管。

12、优选地，所述分段式控温制度如下：首先以200-300℃/h的升温速率将炉温升至850-900℃，保温1.5-2.0小时，使管坯心部温度均匀；随后继续升温至1150-1280℃，保温2.0-3.0小时，确保管坯完全奥氏体化，且奥氏体晶粒得到初步细化。

13、优选地，步进梁式连续热处理炉加热830℃-900℃，采用50-95℃高温水淬方式，淬火冷却速度不高于50℃/s。随后进行在线回火处理，回火温度为500-650℃，保温时间根据钢管壁厚按1.5-2.0min/mm计算，以获得均匀的回火复合组织，改善钢管的强韧性匹配。

14、优选地，所述热处理完成后，还包括对钢管依次进行矫直、修磨、探伤、切定尺、测长、称重和喷标的精整工序。

15、本发明第三方面提供一种高碳钢质低成本气缸套，由所述的无缝钢管经机械加工而成，其内壁表面粗糙度ra为0.4～0.8μm。

16、本发明的优点及有益效果是：

17、1. 本发明采用高碳钢（c：0.50%-0.55%）热连轧工艺生产气缸套用无缝钢管，相较于传统冷拔或铸造工艺，热连轧过程中金属变形均匀、温度场稳定，有效避免了冷拔过程中常见的内壁划伤、折叠、微裂纹等表面缺陷。配合后续精镗或珩磨加工，可使气缸套内壁表面粗糙度ra稳定控制在0.4-0.8μm，显著降低活塞环与气缸套配合副的摩擦系数，减少摩擦功损失。同时，高碳成分结合最终热处理（高温水淬+500-650℃高温回火），获得均匀细小的回火马氏体组织，赋予材料优异的抗粘着磨损和抗磨粒磨损性能，有效延长了气缸套的使用寿命。

18、2. 热连轧过程中，金属材料经历了充分的塑性变形，晶粒得到细化，使钢管的综合力学性能得到提高（抗拉强度≥900mpa，屈服强度≥750mpa，硬度260-340hb）。同时，热连轧工艺对钢管的外径和壁厚具有良好的控制能力，配合后续的精加工，能够保证内径尺寸精度，满足气缸套对配合间隙的严格要求，减少了装配过程中的废品率。

19、3. 本发明采用高碳低合金成分设计（仅含c、si、mn三种主要合金元素，不含cr、mo、v、ni等贵重合金），从源头上大幅降低了原材料成本。制备工艺上，采用“连铸圆坯→分段加热→穿孔→pqf连轧→定径→高温水淬+高温回火”的短流程热连轧路线，相比传统铸造工艺，材料利用率提高，金属废料显著减少。同时，一体化的成型和后续处理工序，简化了气缸加工厂家的生产流程，缩短了生产周期，有助于提高气缸加工厂家的生产效率，高碳低合金钢管合金含量低，综合力学性能满足要求，降低了生产成本。

1.一种高碳钢质低成本气缸套用无缝钢管，其特征在于，其化学成分按重量百分比计为：c：0.50%-0.55%，si：0.17%-0.40%，mn：0.65%-1.00%，p≤0.025%，s≤0.015%，其余为fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高碳钢质低成本气缸套用无缝钢管，其特征在于，所述无缝钢管的金相组织为回火马氏体组织。

3.根据权利要求1所述的高碳钢质低成本气缸套用无缝钢管，其特征在于，所述无缝钢管在铸态的性能如下：抗拉强度≥900mpa，屈服强度≥750mpa，硬度为260～340hb。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的高碳钢质低成本气缸套用无缝钢管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述分段式控温制度如下：首先以200-300℃/h的升温速率将炉温升至850-900℃，保温1.5-2.0小时，使管坯心部温度均匀；随后继续升温至1150-1280℃，保温2.0-3.0小时。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步进梁式连续热处理炉加热830℃-900℃，采用50-95℃高温水淬方式，淬火冷却速度不高于50℃/s；随后进行在线回火处理，回火温度为500-650℃，保温时间根据钢管壁厚按1.5-2.0min/mm计算。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述热处理完成后，还包括对钢管依次进行矫直、修磨、探伤、切定尺、测长、称重和喷标的精整工序。

8.一种高碳钢质低成本气缸套，其特征在于，由权利要求1-3任一项所述的无缝钢管经机械加工而成，其内壁表面粗糙度为0.4～0.8μm。