專(zhuān)利名稱(chēng)：用于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體和氣缸蓋的灰口鑄鐵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)氣缸體和/或氣缸蓋鑄件的灰口鑄鐵合金，含有鐵、碳、硅、錳、磷、硫、錫和氮。本發(fā)明還涉及用根據(jù)本發(fā)明的灰口鑄鐵鑄造的內(nèi)燃機(jī)部件。
背景技術(shù)：
環(huán)境法規(guī)對(duì)于重型柴油機(jī)的污染排放要求變得越來(lái)越高。更高峰值的氣缸壓力是減少排放的解決方案之一。為此，對(duì)于氣缸體和氣缸蓋必須使用更強(qiáng)的材料來(lái)承受發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓力。使用致密石墨鑄鐵可以是一種解決方案，然而必須準(zhǔn)備更高的生產(chǎn)成本和材料更低的導(dǎo)熱性和更低的吸震能力。仍舊使用灰口鐵在很多方面都是積極的，如果其強(qiáng)度能更高的話。本發(fā)明就是致力于這個(gè)目標(biāo)。氮對(duì)于灰口鐵機(jī)械性能的影響自從二十世紀(jì)五十年代以來(lái)已經(jīng)進(jìn)行了研究，例如參見(jiàn)J.V.Dawson、L.W.L.Smith和B.B.Bach的英國(guó)鑄鐵研究協(xié)會(huì)雜志(BCIRAJournal)，1953，4，(12)，540頁(yè)，和/或F.A.Moutford的“氮對(duì)于灰口鑄鐵強(qiáng)度、堅(jiān)固性和結(jié)構(gòu)的影響”，英國(guó)鑄工(The British Foundryman)(1966)，4月，141-151頁(yè)。0.01％或100ppm水平的氮含量增加提高抗拉強(qiáng)度達(dá)到25％。氮含量可以高達(dá)150ppm而毫無(wú)問(wèn)題，盡管此時(shí)精確的氮測(cè)定和測(cè)量是可商榷的。
C.Atkin的“鐵中的氮”，鑄造世界(Foundry World)，fall，1(1979)，43-50頁(yè)還顯示，氮含量從40ppm增加到80ppm根據(jù)碳當(dāng)量能增加抗拉強(qiáng)度10-20％。在這個(gè)工作的后期，據(jù)報(bào)道，氮含量從40-50ppm增加到140-150ppm能增加抗拉強(qiáng)度29％而沒(méi)有缺陷問(wèn)題，然而鑄造工件的檢驗(yàn)測(cè)試不是那么成功，見(jiàn)P-E.Persson，L-E.Bj_rkegren的 Gr_j_rn med f_rh_jda mekaniska egenskaper，Gjuterif_reningen，20010409。所有的上述數(shù)據(jù)來(lái)自于獨(dú)立的鑄條(cast bars)。
盡管認(rèn)識(shí)到了積極效果，但是沒(méi)有在實(shí)際生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的報(bào)導(dǎo)。大多工作集中于阻止其消極效果，也就是，灰口鐵的商用鑄件中的氮已經(jīng)被視作在鑄件中形成空隙缺陷的有害元素，當(dāng)?shù)砍^(guò)90-100ppm時(shí)，參見(jiàn)J.M.Greehill和N.M.Reynolds的“鐵鑄件中的氮缺陷”，鑄造行業(yè)雜志(Foundry Trade Journal)，1981年7月16日，111-122頁(yè))，和鑄造技術(shù)聯(lián)盟國(guó)際委員會(huì)鑄造缺陷國(guó)際圖冊(cè)(International atlas of casting defects)，AFS，1993。由于氮所引起的缺陷稱(chēng)作裂紋、砂眼、針孔或散布的縮孔，這些在機(jī)械加工之后能看到。精確的允許水平取決于基體化學(xué)組分、其它氣體含量、鑄造幾何形狀和凝固速率。為何其積極效果沒(méi)有廣泛使用的另一原因可能是迄今對(duì)于灰口鐵的強(qiáng)度要求很容易通過(guò)調(diào)整碳當(dāng)量和增加易于控制的合金元素來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，利用這種常規(guī)方法將灰口鐵強(qiáng)度進(jìn)一步增加到將來(lái)所需的水平會(huì)引起鑄件嚴(yán)重的可鑄性問(wèn)題。因此需要新的途徑來(lái)克服可鑄性的問(wèn)題。
灰口鐵熔化物中的氮含量通常在0.004-0.009％或40-90ppm的范圍內(nèi)。精確含量取決于填充材料和熔化工藝。來(lái)自具有高百分比廢鋼的沖天爐的熔化物具有比來(lái)自電爐和低百分比廢鋼的熔化物更高的氮含量。由于含量處于如此低的水平，在鑄造實(shí)踐中通常忽略了對(duì)其含量的控制，除非一些鑄造工廠向熔化物中增加鈦以避免鑄件中的氣孔。

發(fā)明內(nèi)容
因此需要一種用于生產(chǎn)氣缸體和/或氣缸蓋鑄件的灰口鑄鐵合金，其具有比現(xiàn)有灰口鑄鐵合金更高的強(qiáng)度并且具有良好的可加工性和高度可控的氮水平以避免廢料。
為了這個(gè)目標(biāo)，根據(jù)本發(fā)明用于生產(chǎn)氣缸體和/或氣缸蓋鑄件的灰口鑄鐵合金含有鐵、碳、硅、錳、磷、硫、錫和氮，并且其特征在于合金的氮含量處于0.0095-0.0160％的范圍內(nèi)，以及合金的錫含量處于0.05-0.15％的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在以下從屬權(quán)利要求中提出。


以下將結(jié)合附圖以非限制的方式進(jìn)一步描述本發(fā)明，在附圖中圖1是示出灰口鑄鐵合金中抗拉強(qiáng)度和氮含量之間關(guān)系的圖表，和圖2是示出通過(guò)氮增加氣缸蓋鑄件的抗拉強(qiáng)度的圖表。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明，氣缸蓋和氣缸體用具有以下組分的灰口鑄鐵鑄成碳2.7-3.8％，硅1.0-2.2％，錳0.3-1.2％，磷0.02-0.1％，硫0.04-0.15％，錫0.05-0.15％，有或沒(méi)有高達(dá)1.5％銅、高達(dá)0.6％鉻和高達(dá)0.6％鉬的合金添加物，氮0.0095-0.0160％，一些雜質(zhì)和余量的鐵。鈦和鋁被視為雜質(zhì)。因?yàn)樗鼈儗?duì)氮的高度親和力，它們中和了氮的有益效果并且由于超硬氮化鈦還帶來(lái)了機(jī)械加工的問(wèn)題。優(yōu)選地，它們被限制為每個(gè)都少于0.02％。釩在鑄鐵中是和Ti類(lèi)似的元素。超過(guò)釩的一定限度，會(huì)有等軸碳氮化釩出現(xiàn)。為了避免其中和有利的氮和導(dǎo)致機(jī)械加工問(wèn)題的有害效果，其含量應(yīng)當(dāng)?shù)陀诖蠹s0.025％。具有這些組分的材料可以在濕砂型或化學(xué)粘結(jié)劑界定的砂型中鑄造。因?yàn)楦叩牡?，材料的?qiáng)度將高于不添加氮的材料。
氮控制方法為了使熔化物中的氮達(dá)到一定水平，對(duì)于基體鐵進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，通過(guò)已知的合金過(guò)渡系數(shù)(recovery)確定正確的添加量。使用分光計(jì)用于氮測(cè)量可以使這個(gè)工作非常容易。
氮化劑氮化錳、錳鐵、硅鐵和氮化硅能用作氮化劑。用這些材料對(duì)熔化物進(jìn)行處理不會(huì)對(duì)基體組分和爐渣帶來(lái)問(wèn)題。也能使用其它富含氮的材料，然而必須考慮到灰口鐵的最終化學(xué)組分和微觀結(jié)構(gòu)。氮化釩鐵和鉻鐵是會(huì)引入太多V和Cr并且在一些情況下會(huì)帶來(lái)碳化物問(wèn)題的材料。也可以使用氮?dú)?，但是這會(huì)要求更高的熔化溫度并且還導(dǎo)致了對(duì)于鑄造工廠投資的需要。
添加方法可以使用粉末或顆?；驁F(tuán)塊的氮化劑以下述之一的方法加入灰口鐵熔化物中1)加入澆包(pouring ladle)材料能被加入到鐵水包的底部上。為了在鐵水包中達(dá)到氮的均勻分布，氮化劑的尺寸應(yīng)當(dāng)根據(jù)鐵水包類(lèi)型和鐵水包中鐵的含量進(jìn)行選擇。對(duì)于某種類(lèi)型的鐵水包，攪拌熔化物是必要的。根據(jù)材料的顆粒大小，在500kg的鐵水包中均勻化氮需要高達(dá)幾分鐘。
2)加入澆注爐的鐵水罐車(chē)(transfer ladle)如果澆注爐和造型線(moulding line)一起使用，氮化劑能通過(guò)鐵水罐車(chē)加入，如同加入澆包中那樣。在這種情況下，澆注爐保持氮化處理的鐵水。如同爐中的高壓氣體那樣，利用氮在正常操作中保持正確的氮水平是沒(méi)有問(wèn)題的。例如，處理過(guò)的鐵能在7噸的澆注爐中保持三個(gè)小時(shí)而沒(méi)有從開(kāi)始處于130ppm水平的氮的明顯損失。
3)將粉末加入澆注流如果澆注爐和造型線一起使用但是模具不是連續(xù)地澆注，就孕育劑而言，可以使用流添加的方法來(lái)避免保持處理過(guò)的鐵太長(zhǎng)時(shí)間。顆粒大小高達(dá)例如1.5mm的材料粉末適于這種工藝。
4)通過(guò)模內(nèi)(In-Mould)方法加入通過(guò)所謂的模內(nèi)方法能實(shí)現(xiàn)氮的高合金過(guò)渡系數(shù)。如同用于球墨鑄鐵和CGI生產(chǎn)中那樣，反應(yīng)腔設(shè)計(jì)有澆注系統(tǒng)，其中用與球墨鑄鐵和CGI相同的原理進(jìn)行氮化處理。
5)粉末注射和導(dǎo)線供給(wire feeding)這些是鑄造工廠的生產(chǎn)中最昂貴的添加方法，然而這些方法能進(jìn)行氮的非常高的合金過(guò)度系數(shù)和極好的重復(fù)性。
將氮載體直接加入熔爐是不可行的。在那種情況下，在熔化過(guò)程中氮會(huì)有損失的危險(xiǎn)并且工藝控制將會(huì)復(fù)雜化。
氮對(duì)于灰口鐵性能的影響1)抗拉強(qiáng)度和氮水平抗拉強(qiáng)度(Rm，Mpa)和氮含量(N％)之間關(guān)系的一個(gè)例子在圖1中示出。數(shù)據(jù)來(lái)自于由100mm厚的測(cè)試板機(jī)械加工成的12mm測(cè)試棒。熔化物在生產(chǎn)中來(lái)自于沖天爐并且這些測(cè)試中的基本組分大致相同。熔化物在鑄包中由氮化錳進(jìn)行處理。根據(jù)這些結(jié)果，當(dāng)?shù)康陀诩s105ppm時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨著氮含量的增加而迅速增大。此后氮的進(jìn)一步增加導(dǎo)致強(qiáng)度的較慢增大。這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)于生產(chǎn)控制非常重要并且對(duì)于氮含量和強(qiáng)度變化而言提供了獲得恒定質(zhì)量的基礎(chǔ)。為了最小化強(qiáng)度變化并且獲得最大的強(qiáng)度，對(duì)于這個(gè)例子，優(yōu)選的氮含量應(yīng)當(dāng)高于約105ppm。
圖1還顯示了氮的負(fù)面作用。對(duì)于這個(gè)例子，當(dāng)?shù)扛哂?60ppm時(shí)，在鑄件中形成孔隙度。因此隨著氮的進(jìn)一步增加，強(qiáng)度開(kāi)始下降，如圖中趨勢(shì)線所示。因此本發(fā)現(xiàn)是根據(jù)對(duì)于鑄件的機(jī)械性能以及截面厚度的要求將氮含量增加到95至160ppm的范圍。氮在液態(tài)灰口鐵中的飽和度與鐵的成分相關(guān)，比如C、Si、Cr。向具有低碳、硅的鐵中加入相同的添加水平會(huì)導(dǎo)致高的合金過(guò)渡系數(shù)，因?yàn)檫@些元素的減少增加了氮在液態(tài)鐵中的溶解度。然而，這也會(huì)增加裂紋的危險(xiǎn)，因?yàn)橐蚨龃罅四虝r(shí)的超飽和程度。
來(lái)自氣缸蓋的防火板(fire deck)的抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)在圖2中示出。鑄件的重量是160kg。鑄模通過(guò)化學(xué)粘合劑結(jié)合于水冷系統(tǒng)，如同所謂的FPC工藝中所描述的(例如參見(jiàn)US 6,422,295)。圖2中所示的結(jié)果還涉及了氮之外的其它變化，這些變化不包括在本申請(qǐng)中。重量為180kg的其它氣缸蓋鑄件證實(shí)了氮的類(lèi)似作用。根據(jù)氣缸蓋鑄件中的基本成分，由額外的氮所增加的抗拉強(qiáng)度為10-20％。
另一個(gè)例子是在濕砂型中生產(chǎn)的12升柴油機(jī)氣缸體鑄件。通過(guò)將氮從60-80ppm增加到95-150ppm，氣缸體主支承區(qū)域中的抗拉強(qiáng)度增加10-20％。
很大數(shù)目的氣缸蓋和氣缸體組件顯示了，當(dāng)?shù)扛哂诩s95ppm時(shí)，獲得最好的效益。
2)疲勞強(qiáng)度拉伸和壓縮疲勞測(cè)試顯示，氮化處理的灰口鐵鑄件的疲勞和抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系遵循系數(shù)為0.3的經(jīng)驗(yàn)法則。這揭示了，通過(guò)添加氮來(lái)增加強(qiáng)度比傳統(tǒng)的添加合金要好，在傳統(tǒng)的添加合金中，抗拉強(qiáng)度比疲勞強(qiáng)度增加得更厲害，很可能是因?yàn)槲⒂^結(jié)構(gòu)中的碳化物。
3)導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性根據(jù)氮含量稍微降低幾個(gè)百分?jǐn)?shù)。這源自于稍短的片狀石墨的氮化作用以及珠光體組織的增加而導(dǎo)致自由石墨的稍微減少。在添加氮之后通過(guò)調(diào)節(jié)灰口鐵的基體成分有可能保持高的導(dǎo)熱性。
4)熱膨脹系數(shù)測(cè)試結(jié)果顯示，鑄件的熱膨脹系數(shù)不受添加氮的影響。
氮對(duì)于灰口鐵微觀結(jié)構(gòu)的影響1)石墨已經(jīng)注意到所報(bào)道的由于氮所導(dǎo)致的石墨的致密化。然而，致密程度在氣缸蓋和氣缸體鑄件中很輕，這是由于薄的截面厚度并且因而逐漸的高凝固速率的緣故。
2)基體添加氮提高了珠光體結(jié)構(gòu)并且細(xì)化了發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件的珠光體。然而，高達(dá)0.016％的氮對(duì)于消除鑄造工件中鑄件表面和具有過(guò)冷石墨的區(qū)域上的自由鐵素體來(lái)說(shuō)是不夠的。因此仍然需要錫來(lái)消除氣缸蓋和氣缸體鑄件中的自由鐵素體。在0.04％的錫之下，對(duì)于那么鑄件來(lái)說(shuō)影響還是不夠。超過(guò)0.15％就存在著使鐵脆化的危險(xiǎn)。
在具有適當(dāng)?shù)脑杏龝r(shí)，即使在高氮水平，也沒(méi)有觀察到通過(guò)添加氮而具有白熱凝固(white solidification)的危險(xiǎn)。
通過(guò)控制構(gòu)成金屬碳氮化物的N、Ti、Al、V及其它元素減少性能變化較高的強(qiáng)度是添加氮的作用之一。另外，根據(jù)當(dāng)前結(jié)果，在大多鑄造產(chǎn)品中，對(duì)于相同的基體成分，氮含量變化是強(qiáng)度變化的主要因素之一。根據(jù)本發(fā)明，對(duì)于相同程度的氮含量變化而言，抗拉強(qiáng)度的變化在較高氮含量時(shí)少于正常產(chǎn)品含量。
在用相同量的氮處理鐵時(shí)，如果Al、Ti和V含量變化，由于這些元素的中和作用，那么所得到的強(qiáng)度將不會(huì)相同。為了減少性能變化，在添加氮時(shí)，必須控制Al、Ti和V的含量。
總之，本發(fā)現(xiàn)不僅從填充材料控制氮含量，而且還有意地添加氮到熔化物中。最好的氮含量并非是如C.Atkin的“鐵中的氮”，鑄造世界(Foundry World)，F(xiàn)all，1(1979)，43-50中所報(bào)道的80-100ppm。對(duì)于氣缸蓋和氣缸體鑄件，氮含量可以擴(kuò)展高達(dá)0.0160％，優(yōu)選地在105-145ppm范圍內(nèi)。在本發(fā)明中，錫是與其它元素相組合獲得無(wú)鐵素體的鑄件的非常重要的元素。應(yīng)當(dāng)限制Ti、Al、V及其它中和元素的含量以獲得最好的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種用于制造氣缸體和/或氣缸蓋鑄件的灰口鑄鐵合金，含有碳、硅、錳、磷、硫、錫、銅、鉻、鉬和氮，其特征在于合金中的氮含量處于0.0095-0.0160％的范圍內(nèi)，并且合金中的錫含量處于0.05-0.15％的范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鑄造合金，其特征在于合金中的氮含量處于0.0105-0.0145％的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的鑄造合金，其特征在于合金中的碳含量處于2.7-3.8％的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的鑄造合金，其特征在于合金中的硅含量處于1.0-2.2％的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2的鑄造合金，其特征在于合金中的錳含量處于0.3-1.2％的范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2的鑄造合金，其特征在于合金中的磷含量處于0.02-0.1％的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2的鑄造合金，其特征在于合金中的硫含量處于0.04-0.15％的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2的鑄造合金，其特征在于所述合金含有高達(dá)0.025％的釩。
9.一種用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體和/或氣缸蓋鑄件的灰口鑄鐵合金，以重量比計(jì)含有2.7-3.8％的碳、1.0-2.2％的硅、0.3-1.2％的錳、0.02-0.1％的磷、0.04-0.15％的硫、高達(dá)1.5％的銅、高達(dá)0.6％的鉻、高達(dá)0.6％的鉬、少于0.02％的鋁、少于0.02％的鈦、少于0.025％的釩、氮以及補(bǔ)足100％的余量鐵和雜質(zhì)，其特征在于合金中的氮含量處于0.0095-0.0160％的范圍內(nèi)，并且合金中的錫含量處于0.05-0.15％的范圍內(nèi)。
10.一種由基本上珠光體灰口鑄鐵合金制成的內(nèi)燃機(jī)鑄造部件，所述合金含有碳、硅、錳、磷、硫、錫、銅、鉻、鉬和氮，其特征在于合金中的氮含量處于0.0095-0.0160％的范圍內(nèi)，并且合金中的錫含量處于0.05-0.15％的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的由合金制成的內(nèi)燃機(jī)鑄造部件，其特征在于合金中的氮含量處于0.0105-0.0145％的范圍內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11的由合金制成的內(nèi)燃機(jī)鑄造部件，其特征在于合金中的碳含量處于2.7-3.8％的范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10或11的由合金制成的內(nèi)燃機(jī)鑄造部件，其特征在于合金中的硅含量處于1.0-2.2％的范圍內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10或11的由合金制成的內(nèi)燃機(jī)鑄造部件，其特征在于合金中的錳含量處于0.3-1.2％的范圍內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求10或11的由合金制成的內(nèi)燃機(jī)鑄造部件，其特征在于合金中的磷含量處于0.02-0.1％的范圍內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求10或11的由合金制成的內(nèi)燃機(jī)鑄造部件，其特征在于合金中的硫含量處于0.04-0.15％的范圍內(nèi)。
17.根據(jù)權(quán)利要求10或11的由合金制成的內(nèi)燃機(jī)鑄造部件，其特征在于所述合金含有高達(dá)0.025％的釩。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于制造氣缸體和/或氣缸蓋鑄件的灰口鑄鐵合金，含有鐵、碳、硅、錳、磷、硫、錫、銅、鉻、鉬和氮。合金中的氮含量處于0.0095－0.0160％的范圍內(nèi)。
文檔編號(hào)C22C37/10GK1759197SQ200480006258
公開(kāi)日2006年4月12日 申請(qǐng)日期2004年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月19日
發(fā)明者肯特·埃里克森, 托尼·劉, 貝恩特·于倫斯滕, 約翰·奧貝格 申請(qǐng)人:沃爾沃拉斯特瓦格納公司