專利名稱：用于機器的具有由屈氏體組成的基本組織結(jié)構(gòu)的灰鑄鐵部件或構(gòu)件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于機器的部件或構(gòu)件，特別是用于大型機器的部件或構(gòu)件，所述部件或構(gòu)件由包含嵌入基本組織結(jié)構(gòu)的石墨的鑄鐵材料構(gòu)成。本發(fā)明的另一個構(gòu)思涉及一種用于制造這種部件或構(gòu)件的方法。構(gòu)件在本申請范圍內(nèi)是指這樣的成品件，其已經(jīng)可以安裝和實現(xiàn)功能。部件在本申請范圍內(nèi)是指半成品或較簡單的初級產(chǎn)品，如鑄造坯料、壓制坯料等，由所述初級產(chǎn)品可以制成一個或多個構(gòu)件。當然，前面的定義在本申請的范圍內(nèi)在一定的范圍是靈活使用的。
背景技術(shù)：
機器的功率在發(fā)展的過程中變得越來越高。因此對機器構(gòu)件的承載能力的要求也隨之提高。例如限定發(fā)動機的燃燒室的構(gòu)件必須設(shè)計成，使得這些構(gòu)件在當前的發(fā)動機中能夠承受提高的壓力和溫度負荷。這種構(gòu)件通常由所謂的灰口鑄鐵形式的鑄鐵組成。這是一種這樣的鑄鐵材料，所述鑄鐵材料具有由FeC合金組成的基體和嵌入其中的石墨。在灰口鑄鐵中，基體通常具有層狀的結(jié)構(gòu)，這種層狀的結(jié)構(gòu)具有較大的層間距。所謂的石墨相可以具有不同的形式。具有層狀石墨相的灰口鑄鐵類型得到廣泛的使用。這實現(xiàn)了良好的可加工性并主要確保了良好的摩擦學特性，這特別是在制造發(fā)動機時是特別重要的。在不變地保持已知類型的層狀結(jié)構(gòu)化的材料的情況下，只能通過較大地設(shè)計尺寸，即加大壁厚才能改進承載能力。但這不僅要求相應(yīng)地重新設(shè)計相關(guān)構(gòu)件，而且同時導致，這些構(gòu)件不再與其余的構(gòu)件相兼容，從而也必須相應(yīng)地重新設(shè)計其余的構(gòu)件。此外還使得材料用量提高。尺寸設(shè)計較大導致的耗費因此非常高。

另一個改進承載能力的可能性是，使用比鑄鐵更好的材料，如鋼。但其結(jié)果是，目前為止用于制造這種構(gòu)件的鑄鐵設(shè)備不再合適，這還會進一步提高必要的費用。此外，選擇不同于鑄鐵的材料對相互之間的滑動面的區(qū)域的摩擦學特性會產(chǎn)生不利影響并由此可能提高快速磨損或所謂咬傷的風險。對于具有球墨的鑄鐵材料，也可以達到較高的抗拉強度值。但球墨不能簡單地獲得。為了獲得球墨，必須添加成球介質(zhì)和合金元素，例如鎂。此外，具有球墨的鑄鐵具有較差的滑動特性并且因此在摩擦學方面是不利的。經(jīng)驗顯示，由具有球墨的鑄鐵制成的滑動部件易于出現(xiàn)所謂的咬傷(刮傷Schuffing)。DE 35 09 709 Al記載了一種由具有球墨的鑄鐵制造機器部件的方法，其中在鑄造之后，從奧氏體穩(wěn)定溫度到屈氏體轉(zhuǎn)化溫度的冷卻應(yīng)這樣進行，使得避免珠光體的脫落。對于球墨，球狀的石墨相嵌入金屬的基本材料中。珠光體是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的共析的組織結(jié)構(gòu)。此外，希望的對珠光體相的抑制還意味著，這里不應(yīng)形成對于珠光體來說特征性的共析的組織結(jié)構(gòu)。此外，由所述的DE 35 09 709 Al已知的材料在任何情況下都具有球墨，從而不存在總體上層狀結(jié)構(gòu)化的材料，這可能使得加工變得困難，并且此外還導致較差的可滑動性并由此導致不利的摩擦學特性。此外，生成球狀的石墨相需要特別的耗費。這種生成也僅在新制造鑄鐵工件時能夠?qū)崿F(xiàn)。在已使用的不含有球墨的部件中，不能事后生成球墨。因此這里不能考慮對沒有球墨的已使用的部件事后升級。

發(fā)明內(nèi)容
由此出發(fā)，本發(fā)明的目的在于，這樣改進開頭所述類型的部件或構(gòu)件，使得其在保持其目前為止的尺寸和與相鄰部件或構(gòu)件的兼容性的同時具有與目前為止的由層狀結(jié)構(gòu)的灰口鑄鐵組成的部件和構(gòu)件相比較高的承載能力，并且仍可以利用對于這種鑄鐵合適的設(shè)備制造并能夠簡單地加工以及確保良好的滑動特性。本發(fā)明的另一個目的在于，提供一種簡單的用于制造這種部件或構(gòu)件的方法。第一個目的的解決方案根據(jù)本發(fā)明在于，作為所述部件或構(gòu)件基礎(chǔ)的鑄鐵材料在部件或構(gòu)件的完成的、可以使用的狀態(tài)下至少局部地基本上層狀地結(jié)構(gòu)化并通過形成基本組織結(jié)構(gòu)的層狀構(gòu)成的、帶有嵌入的、層狀石墨的屈氏體形成。層狀構(gòu)成的屈氏體是一種FeC合金，它具有相對于常見的灰口鑄鐵或珠光體精細得多的層間距，所述層間距只有100-150nm，這使得盡管具有石墨的層狀結(jié)構(gòu)仍能形成相對于灰口鑄鐵明顯提高的承載能力。但同時石墨的層狀結(jié)構(gòu)以及由此導致的總體上設(shè)置為層狀的結(jié)構(gòu)的結(jié)果是，確保了良好的可加工性以及實現(xiàn)了良好的滑動特性以及由此有利的摩擦學性質(zhì)。原始材料實際上可以對應(yīng)于目前為止用于常見的鐵或前面所述類型的灰口鑄鐵的原始材料。因此借助于根據(jù)本發(fā)明的措施，可以有利地在保持目前為止的部件或構(gòu)件尺寸并在繼續(xù)使用目前為止的鑄造設(shè)備的同時明顯提高承載能力，而不會使可加工性和滑動特性明顯變差。此外由常見的具有層狀石墨的灰口鑄鐵組成的部件還有利地可以在不轉(zhuǎn)換石墨，即在保持其層狀結(jié)構(gòu)的情況下通過熱處理事后升級。利用本發(fā)明能實現(xiàn)的優(yōu)點因此總體上在于突出的經(jīng)濟性。這里，所述部件或構(gòu)件可以完全或僅局部地主要由具有嵌入的層狀石墨的屈氏體組成，這使得可以實現(xiàn)高度的結(jié)構(gòu)上的自由度。

如目前為止那樣，鐵材料以FeC基體為基礎(chǔ)，在所述FeC基體中鉗入石墨層結(jié)構(gòu)，但所述基體現(xiàn)在，即在根據(jù)本發(fā)明的部件或構(gòu)件中主要包含屈氏體。適宜的是，屈氏體占基體的比例按體積至少為95%。總體上所述基體可以包含按體積至少85%，優(yōu)選按體積多于85%的鐵材料。這里一個特別有利的措施在于，由石墨構(gòu)成的層位于屈氏體的層之間。由此還能增強上面所述的優(yōu)點。這里這樣來選擇所采用的原始材料，主要構(gòu)成基體的基礎(chǔ)的屈氏體的C含量最高為2%，優(yōu)選為O. 8%。由此可以特別可靠地實現(xiàn)具有希望的小層間距的層狀設(shè)置的、共析的組織結(jié)構(gòu)。屈氏體中這樣的C含量可以在使用具有最高多于4%的總C含量的鑄鐵類型時實現(xiàn)。希望的屈氏體的形成通常通過在冷卻時受控制的溫度進程來實現(xiàn)。因此適宜地，部件或構(gòu)件的最大壁厚為至少50_、優(yōu)選150_、最適宜地約為300mm,以便確保在整個橫截面上希望的溫度分布。根據(jù)本發(fā)明的部件或構(gòu)件的一個優(yōu)選的實施形式，所述部件或構(gòu)件可以有利地具有在形成屈氏體之后施加的、表現(xiàn)為實體的標記，所述標記至少顯示部件或構(gòu)件中的屈氏體質(zhì)量。以這種方式，可以避免錯誤地安裝錯誤的構(gòu)件，即不是按本發(fā)明的構(gòu)件，并由此便于執(zhí)行維護和維修工作以及執(zhí)行檢查工作。所述標志有利對于汽缸套可以在遠離燃燒室的端部的區(qū)域中設(shè)置在外周上。這個區(qū)域通常在視覺上是易于接近的，從而可以讀取或讀出所述標志。適宜地，所述標志可以設(shè)置在小的牌子或卡片上，所述牌子或卡片防取下地與所述部件或構(gòu)件相連。這有利地使得可以分開制造標志，這對制造精度起有利的作用。如果設(shè)有前面所述類型的標志，則所述標志還可以以恰當?shù)姆绞接糜谠谄渖洗鎯ζ渌c所述部件或構(gòu)件相關(guān)的信息，例如關(guān)于部件或構(gòu)件的真實性、材料組成、制造歷史或步驟、較早的使用、最依次的檢查和相關(guān)的檢查日期、其他fiillige的檢查等的信息。上面所述的另一個目的根據(jù)本發(fā)明的這樣來實現(xiàn)，S卩，在850-900° C的范圍內(nèi)的退火溫度下將所述部件或構(gòu)件保持一些時間，然后以受控制的溫度-時間曲線在8-12小時的冷卻時間之內(nèi)將其冷卻到120-20° C，此時，首先以較快的冷卻溫度冷卻到約400° C，接著進行較慢的剩余冷卻，冷卻到最終溫度。根據(jù)本發(fā)明的有控制的冷卻形式的熱處理可以有利地在新制造部件或構(gòu)件時，緊接著鑄造過程進行或者在處理完成的或使用過的部件或構(gòu)件時在相應(yīng)地加熱到希望的退火溫度之后執(zhí)行。目前為止，在鑄造過程之后的冷卻實際上不受控制地且較緩慢地進行，這會導致前面所述的、具有大的所制造的鑄造材料的基體的層間距的粗大的層狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明，冷卻過程保持在850-900° C的退火溫度下，從而實現(xiàn)了用于使組織結(jié)構(gòu)均勻化和精細化的正火過程，其中由于接下來到約400° C的快速冷卻，得到精細的層狀結(jié)構(gòu)并相應(yīng)地形成屈氏體。較為緩慢的剩余冷卻防止事后的脆化。所使用的原始材料實際上對應(yīng)于目前為止使用的原始材料。所實現(xiàn)的、承載能力的提高僅基于根據(jù)本發(fā)明的、受控制的冷卻形式的熱處理。根據(jù)本發(fā)明的方法因此可以`有利地利用目前為止的鑄造設(shè)備實施并因此提供了簡單和經(jīng)濟的可能性，以便相對于目前位置的方案實現(xiàn)提高的承載能力，而不必采用增大尺寸的措施或使用高級的原始材料。適宜地，根據(jù)本發(fā)明冷卻在可控制的冷卻爐中進行。這確保了高精度。另一個適宜的措施在于，對于相關(guān)構(gòu)件的每25mm的最大壁厚保持850-900° C的退火溫度至少1/2小時。這確保了可靠的、在整個橫截面上的正火。退火溫度優(yōu)選可以為880° C。這對應(yīng)于基礎(chǔ)鑄造材料的正火溫度。另一個適宜的措施可以在于，總冷卻時間對于相關(guān)構(gòu)件的每Imm壁厚為1. 5-2. 5分鐘，優(yōu)選為2分鐘，此時，對于每25mm壁厚在較短的、1/2小時的時間內(nèi)進行快速冷卻，并且在快速冷卻之內(nèi)，有利地對于構(gòu)件的每25mm的壁厚在只有10-15分鐘的時間內(nèi)跨過溫度723-400° C的溫度間隔。這有利地在最終產(chǎn)品中實現(xiàn)了特別精細的層狀的屈氏體以及由此實現(xiàn)了特別好的承載能力。對于具有強烈變化的壁厚，例如變化3-4倍的壁厚的部件或構(gòu)件，對于時間上受控的冷卻需要附加的補償，因為上面所述方法窗口給出了用于溫度-時間關(guān)系的界限，所述界限涉及具有相等壁厚的部件。但在具有較小壁厚的區(qū)域內(nèi)會出現(xiàn)過快的冷卻，并由此會出現(xiàn)不希望的硬的馬氏體結(jié)構(gòu)，而不是希望的屈氏體結(jié)構(gòu)，同時在相同部件的具有較大的壁厚，特別是超過300_的壁厚的區(qū)域中，特別是在中央?yún)^(qū)域的內(nèi)部，可能形成珠光體結(jié)構(gòu)，因為希望的屈氏體結(jié)構(gòu)從冷卻的表面出發(fā)向內(nèi)逐漸地形成。例如當相關(guān)構(gòu)件是用于具有直流掃氣的大型十字頭發(fā)動機的汽缸套或類似部件時，可能出現(xiàn)這樣的情況。這里或在類似情況下，附加地對受控的冷卻進行的補償由此實現(xiàn)，即，冷卻爐的內(nèi)腔分成多個部段，其中，每個部段具有其自己的冷卻能力，這例如可以通過單獨配設(shè)給每個部段的冷卻氣體循環(huán)強度來實現(xiàn)。特別是在上述類型的大型的、總體上管狀的構(gòu)件中，受控的冷卻適宜地在以基本上豎直的軸線立方的構(gòu)件中實施，其中通?？梢缘玫綌?shù)米的豎起高度。具有基本上恒定的壁厚的管狀的部件可以較容易地進行總體上基本上均勻的受控的冷卻，以便完全地實現(xiàn)希望的、大量的屈氏體結(jié)構(gòu)。這種基本上由屈氏體構(gòu)成的管可以例如用作半成品，從所述半成品上能分離出環(huán)狀件，這些環(huán)狀件以后可以進行處理，并且例如可以加工成用于具有較大直徑的活塞的活塞環(huán)。在新制造構(gòu)件時，所述構(gòu)件可以適宜地在鑄造后首先在包入模具中的狀態(tài)下冷卻，并且只有在約700° C時才從模具中取出。在正火過程期間，在優(yōu)選880° C的溫度下，所述構(gòu)件此時仍處于模具中，這防止了能量損失。在取出狀態(tài)下，從約700° C起實現(xiàn)特別快速的冷卻。這里相關(guān)類型的鑄件在正火溫度下并且從該溫度向下已經(jīng)是自承載且形狀穩(wěn)定的。因此，新鑄造的、用于制造汽缸套等的部件在豎立的位置中脫模，這便于這種較重的并仍紅熱的部件的操作及其相對于冷卻爐的定位，所述冷卻爐此時能簡單地繞基本上豎直定向的部件布設(shè)。由于這種處理方 式，即使在冷卻過程期間也可以將冷卻爐的各區(qū)段根據(jù)要遵守的方法條件繞相關(guān)部件或構(gòu)件的不同部段布置就位或除去，這首先是對于具有強烈變化的壁厚的部件是有利的。但也可以對由所述類型的灰口鑄鐵組成的已使用的或完成的構(gòu)件進行根據(jù)本發(fā)明的熱處理，并在此時在基體的區(qū)域內(nèi)在最大程度上獲得屈氏體。為此首先將相關(guān)構(gòu)件加熱到正火溫度，然后對其進行根據(jù)本發(fā)明的冷卻。正火溫度這里適宜地保持多個小時，優(yōu)選多于10個小時。由于根據(jù)本發(fā)明的方法實現(xiàn)了材料質(zhì)量的改進并由此實現(xiàn)了提高的強度，使用過的部件有利地可以在其受到根據(jù)本發(fā)明的處理之前或優(yōu)選之后進行切削加工，以便形成新的干凈的表面，而不會由于這樣降低壁厚而導致強度的損失。對于汽缸套以這種方式實現(xiàn)了比之前大的內(nèi)直徑。同樣，在根據(jù)本發(fā)明的熱處理中有時形成的接近表面的氧化層完全也可以除去，以便形成光滑的滑動面，而不會由此導致相對于此前的承載能力的弱化。


下面根據(jù)附圖詳細說明本發(fā)明的一個實施例。其中圖1示出帶有包入模具中的汽缸套的冷卻爐的示意圖，以及圖2示出屈氏體的放大的組織結(jié)構(gòu)圖的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的主要應(yīng)用領(lǐng)域是機器、特別是發(fā)動機，優(yōu)選是大型發(fā)動機的較大的部件或構(gòu)件，這里特別是限定這種發(fā)動機的燃燒室的構(gòu)件，如汽缸套、活塞、活塞環(huán)等，這些構(gòu)件在運行中受到高的壓力載荷和溫度載荷。這里所涉及類型的大型的部件或構(gòu)件例如在具有直流掃氣的二沖程大型發(fā)動機中獲得。作為大型發(fā)動機這里例如包括具有至少為200mm的汽缸孔直徑的發(fā)動機。圖1基于大型發(fā)動機，如二沖程大型發(fā)動機的汽缸套I。這種汽缸套I具有圓柱形的外殼，所述外殼設(shè)有一體成形的、在二沖程發(fā)動機中常見的進氣口，并具有設(shè)置在上端部的用于容納汽缸頭的法蘭。在法蘭的區(qū)域中的壁厚a大于外殼區(qū)域中的壁厚。出于上面已經(jīng)提到的原因，最大的壁厚應(yīng)限制在約300_，以便完全實現(xiàn)屈氏體結(jié)構(gòu)。汽缸孔的直徑d與發(fā)動機的功率相關(guān)并且在大型柴油發(fā)動機中可以為800mm或更大。在這種汽缸套中，沿軸向方向可以具有接近3m的長度或者說高度。如汽缸套I的構(gòu)件作為由鑄鐵組成的鑄造構(gòu)件制造。為此，建立在圖1中示出的模具2，所述模具的模腔用所使用的鑄鐵的液態(tài)熔體填充。汽缸套可以平放或立放地鑄造。優(yōu)選是立放的，這使得在除去模具后的操作變得容易。模具2具有型芯的砂型。所述熔體例如是與目前為止已經(jīng)用于制造由正常灰口鑄鐵組成的構(gòu)件、如汽缸套等所使用的材料相同的原始材料。所述原始材料是一種鐵材料，所述鐵材料主要由FeC合金組成，在所述FeC合金中置入由未溶解的C組成的、石墨層形式的石墨。當然也可以存在單獨的、其他的嵌入微粒,如碳化物微粒等。適宜地實際上構(gòu)成基體的基本材料的體積比例例如為總體積的約85%。前面所述類型的鑄鐵的熔點約為1340° C。在液態(tài)下澆鑄到模具2中的材料通過向模具2和由模具向周圍環(huán)境散發(fā)熱量冷卻，并在此時轉(zhuǎn)化到固體狀態(tài)。冷卻首先在模具中自發(fā)地進行到在850-900° C范圍內(nèi)、優(yōu)選為880° C的溫度。該溫度在下面稱為退火溫度。所述溫度是所使用的鐵材料的所謂正火溫度，該正火溫度約為880° C。還位于模具中的鑄造件、這里是在模具中鑄造的汽缸套I為了實施正火過程將所述的退火溫度保持預先規(guī)定的時間段。用于正火過程的所述時間段優(yōu)選對于相關(guān)構(gòu)件、這里是汽缸套I的最大壁厚的每25mm為半個小時(O. 5h)。對于300mm的最大壁厚，這里正火過程相應(yīng)地持續(xù)6小時。由此確保了，在整個構(gòu)件中完全地，即整體上可靠地發(fā)生希望的正火。在所述正火之后開始根據(jù)預先規(guī)定的時間-溫度關(guān)系的受控的冷卻形式的熱處理，直至達到120-20° C的最終溫度。這種冷卻適宜地在圖1中所示的冷卻爐3中進行，所述冷卻爐優(yōu)選是可控的，如通過控制輸入端4示出的那樣。冷卻過程包括8-12小時的時間。優(yōu)選冷卻時間對于相關(guān)構(gòu)件的最大壁厚的每Imm持續(xù)2分鐘。當最大壁厚為300mm時，相應(yīng)地得到優(yōu)選IO小時的總冷卻時間。在圖1中，為了簡化視圖，冷卻爐僅示意性地示出為靜止的箱體。但冷卻爐可以如上面所述的那樣可選地這樣構(gòu)成，使得其可以擺動、下降、升高等，以便能包圍以大致豎直的軸線立放的、適于直至汽缸套等的構(gòu)件。同樣，冷卻爐可以僅在內(nèi)部或總體上分成在冷卻溫度上優(yōu)選可單獨控制的部段，以便可以根據(jù)由溫度時間窗口結(jié)合實際的局部壁厚得出的規(guī)定值完全或部分地容納所述類型的構(gòu)件。這里可能出現(xiàn)這樣的情況，僅需要在整個冷卻時間的一部分中容納確定的軸向區(qū)域。特別是為了形成冷卻爐設(shè)定的在圖1中示出的布置形式具有多個環(huán)繞的、構(gòu)成堆疊的、優(yōu) 選能單獨控制的單個爐腔，這些爐腔用于以另外的方式實現(xiàn)局部能單獨選擇的冷卻能力，像通過改變冷卻介質(zhì)的循環(huán)和在相關(guān)構(gòu)件上的作用所實現(xiàn)的那樣?；旧显诳傮w上相同的時間上局部地改變溫度這里優(yōu)選用于，在較為薄壁的部件或部件區(qū)域中延長保持退火溫度的時間，以便提前避免提早冷卻以及由此形成不同于屈氏體的結(jié)構(gòu)?？傮w上上面所述的在時間相同時用于相同構(gòu)件所選出的區(qū)域的局部溫度改變通?？梢允遣煌?，使得在該構(gòu)建中與壁厚的局部差別無關(guān)地總體上，即基本上完全地實現(xiàn)希望的屈氏體結(jié)構(gòu)。同樣由此還可以如果出于任何原因希望在構(gòu)件的選擇的區(qū)域內(nèi)防止形成屈氏體并這樣進行冷卻，使得形成正常的珠光體結(jié)構(gòu)。在兩種情況下都涉及一種層狀結(jié)構(gòu)化的材料，但其中屈氏體的層間距明顯小于正常的珠光體的層間距。在此方面，屈氏體可以稱為一種具有非常小的層間距的特殊類型的珠光體。所述層間距可以僅為100-150nm。冷卻過程以多個階段進行。首先設(shè)定較為快速地進行的從退火溫度到約400° C的冷卻(下面稱為快速冷卻)。從退火溫度到約400° C的所述快速冷卻包括優(yōu)選至少l/2h每25mm最大壁厚的時間段，就是說，對于300mm的最大壁厚為6h的時間段。在所述的從退火溫度到約400° C的快速冷卻中，進行進一步的細分,其中，從共析點到約400° C的溫度范圍在僅10-15分鐘每25mm最大壁厚的時間內(nèi)進行。這里基礎(chǔ)的鑄鐵的共析點在723° C的范圍內(nèi)。由此形成共析的、具有特別精細的層結(jié)構(gòu)的組織結(jié)構(gòu)，所述組織結(jié)構(gòu)由于快速冷卻而得到保留。新鑄造的構(gòu)件，這里是汽缸套I在根據(jù)本發(fā)明的正火過程中以及也還在快速冷卻的第一范圍中仍包裝在模具2中。脫模在約700° C下進行。為此，模具2被破壞和/或除去。這樣進行此前不久鑄造的構(gòu)件、這里是汽缸套I的釋放有利于希望的快速冷卻。緊接著快速冷卻，從約400° C起作為另一個冷卻階段實現(xiàn)到希望的120-20° C的最終溫度的剩余冷卻。這種剩余冷卻相對于快速冷卻較為緩慢地進行并可以在這里存在的類型的構(gòu)件中持續(xù)約8小時。上面所述的受控的較快速冷卻形式的熱處理使得形成或保留這樣的屈氏體，所述屈氏體具有在圖2中示出的帶有層7的非常精細的間距的層狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)。圖2示出的示意性打磨圖還示出另外的層狀石墨微粒5以及分開的其他微粒，如碳化物微粒6，所述碳化物微粒嵌入通過層7示出的由 屈氏體組成的基體中。在根據(jù)圖2的示意圖中，石墨層5不均勻地橫向于屈氏體層7延伸。但也可能出現(xiàn)這樣的情況，即，石墨層5位于屈氏體層7之間并與其平行地延伸。石墨層5的厚度由于為了清楚地顯示的原因以放大的厚度顯示。在實際情況中，石墨層要薄很多。特別是當石墨層5位于屈氏體層7之間時，就是這樣。層7的間距b非常小，僅為100-150nm(納米)。這種間距明顯小于珠光體層的間距，通常約比其小10倍。相應(yīng)地，根據(jù)本發(fā)明形成的屈氏體還實現(xiàn)了較高的承載能力。屈氏體的斷裂強度約為330-350MPA，相對而言，珠光體僅為約250-270MPA。根據(jù)本發(fā)明形成的屈氏體的C含量在上述類型的作為原始材料的灰口鑄鐵形式的鑄鐵中最小為約O. 8%，并由該值向上可以為最高4. 3%，優(yōu)選為3. 8%±0· 5%，特別是±0. 2%。在新制造這里所述類型的構(gòu)件時，如圖1所示和如上所述，所述構(gòu)件首先包裝到模具2中，并在約700° C時取出。正火過程因此在包裝狀態(tài)下進行。在快速冷卻期間才除去模具2。但也可以在沒有相應(yīng)的模具的情況下，對這里所述類型的已經(jīng)完成或已使用的構(gòu)件按根據(jù)本發(fā)明的方式進行處理，以實現(xiàn)屈氏體基體。這里所述部件首先加熱到在850和900° C之間的范圍內(nèi)的正火溫度并在該溫度上保持確定的時間。這可以是約10小時的時間。接著進行多階段的冷卻，其中包括到約400° C的快速冷卻和接著進行的到最終溫度的剩余冷卻。冷卻過程這里按上面結(jié)合圖1所述的方式進行。
利用這些措施這里可以將由傳統(tǒng)的、具有較差(珠光體)材料質(zhì)量的鑄鐵制成的舊的磨損的構(gòu)件，例如汽缸套用作半成品，即作為用于用舊的部件、例如用舊的汽缸套的原始材料，所述汽缸套已擴孔或能夠用于相同的發(fā)動機規(guī)格，其中由于根據(jù)本發(fā)明形成屈氏體而實現(xiàn)的強度，盡管壁厚降低，仍實現(xiàn)了較高的允許最大汽缸壓力。遵守上面所述的時間-溫度關(guān)系總是重要的。如果冷卻過快地進行，則會出現(xiàn)硬的但非常脆的馬氏體材料。如果冷卻過慢地進行，則形成珠光體材料。如果確定出現(xiàn)了這種偏差，則可以事后進行校正，其方式是，如上面針對完成或已使用的部件所述的那樣，從新加熱到正火溫度，并保持該溫度優(yōu)選約10小時，接著進行根據(jù)本發(fā)明的冷卻過程。由于根據(jù)本發(fā)明的各措施實現(xiàn)允許更高的承載能力的質(zhì)量提升，這在實踐中也能得以利用，并且由于根據(jù)本發(fā)明的部件或構(gòu)件實際上可以具有和之前相同的外觀，為了避免混淆適宜的是，每個根據(jù)本發(fā)明的部件或構(gòu)件都具有在圖1中僅示意性示出的、表現(xiàn)為實體的標志8，所述標志在形成屈氏體之后設(shè)置并至少顯示部件或構(gòu)件中的屈氏體質(zhì)量。這既適于新制造的部件或構(gòu)件，也適用于通過根據(jù)本發(fā)明的處理升級的、此前已使用或磨損的部件或構(gòu)件。對于汽缸套，所述標志可以適宜地在外周上設(shè)置在遠離燃燒室的端部的區(qū)域內(nèi)。該區(qū)域在汽缸套已安裝的情況下也可以在視覺上很好地觀察。所述標志這里可以有利地包含在小的牌子或卡片上，所述牌子或卡片可以防取下地安裝在相關(guān)部件或構(gòu)件上。如果設(shè)有前面所述類型的標志，則所述標志還可以有利地用于在其上存儲其他關(guān)于所述部件或構(gòu)件的信息，例如關(guān)于部件或構(gòu)件的真實性、材料組成、生成歷史和步驟、此前的使用(對于舊部件)、最后 一次檢查和相關(guān)檢查日期、其他應(yīng)進行的檢查等的信息。
權(quán)利要求
1.用于機器的部件或構(gòu)件，特別是用于大型機器的部件或構(gòu)件，所述部件或構(gòu)件由包含嵌入基本組織結(jié)構(gòu)中的石墨的鑄鐵材料構(gòu)成，其特征在于，所述鑄鐵材料在所述部件或構(gòu)件的完成的、準備好使用的狀態(tài)下至少局部地基本上形成層狀結(jié)構(gòu)，并且形成通過形成基本組織結(jié)構(gòu)的、層狀構(gòu)成的屈氏體，所述屈氏體具有嵌入的層狀的石墨。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件或構(gòu)件，其特征在于，所述部件或構(gòu)件構(gòu)造成具有至少IOOkg的質(zhì)量的大型部件或構(gòu)件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的部件或構(gòu)件，其特征在于，所述部件或構(gòu)件構(gòu)造成具有至少500kg的質(zhì)量的大型部件或構(gòu)件。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的部件或構(gòu)件，其特征在于，所述部件或構(gòu)件構(gòu)造成管狀的。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的部件或構(gòu)件，其特征在于，所述部件或構(gòu)件構(gòu)造成大型發(fā)動機的部件或構(gòu)件，所述大型發(fā)動機具有至少200mm的汽缸孔直徑的并構(gòu)造成活塞往復式內(nèi)燃機。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的部件或構(gòu)件，其特征在于，所述部件或構(gòu)件構(gòu)造成帶有滯留掃氣的二沖程大型發(fā)動機的部件或構(gòu)件。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的部件或構(gòu)件，其特征在于，所述部件或構(gòu)件在完成的、已準備好使用的狀態(tài)下總體上基本上由層狀構(gòu)成的、具有嵌入的層狀石墨的屈氏體組成。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的部件或構(gòu)件，其特征在于，所述屈氏體構(gòu)成基體，主要是層狀的石墨微粒(5)嵌入所述基體中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件或構(gòu)件，其特征在于，石墨層(5)位于屈氏體的層(7)之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的部件或構(gòu)件，其特征在于，通過屈氏體形成的基體按體積占總基體的至少95%。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的部件或構(gòu)件，其特征在于，基體占總體積的體積比例多于85%。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件或構(gòu)件，其特征在于，屈氏體的C含量在最小值O.8%和最大值4. 3%之間的范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的部件或構(gòu)件，其特征在于，屈氏體的C含量為3.8%土最高O.5%。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的部件或構(gòu)件，其特征在于，屈氏體的C含量為3.8%±0. 2%。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的部件或構(gòu)件，其特征在于，屈氏體的層結(jié)構(gòu)具有100-150nm的層間距。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的部件或構(gòu)件，其特征在于，所述部件或構(gòu)件具有從至少50mm到至少150mm的最大壁厚。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的部件或構(gòu)件，其特征在于，所述部件或構(gòu)件從相應(yīng)最近的表面出發(fā)直至至少IOOmm的深度處基本上由具有嵌入的層狀石墨的層狀屈氏體組成。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件或構(gòu)件，其特征在于，所述部件或構(gòu)件構(gòu)造成對于其設(shè)定的功能已完成的部件或構(gòu)件。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的構(gòu)件，其特征在于，所述構(gòu)件構(gòu)造成限定發(fā)動機的燃燒室的構(gòu)件。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的構(gòu)件，其特征在于，所述構(gòu)件構(gòu)造成汽缸套(I)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的構(gòu)件，其特征在于，所述構(gòu)件基于舊的，經(jīng)擴孔的汽缸套。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的構(gòu)件，其特征在于，所述構(gòu)件構(gòu)造成從管狀件上切下的活塞環(huán)。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件或構(gòu)件，其特征在于，所述部件或構(gòu)件具有在形成屈氏體之后施加的、表現(xiàn)為實體的標志(8),所述標志至少顯示部件或構(gòu)件的屈氏體質(zhì)量。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的部件或構(gòu)件，其特征在于，在汽缸套(I)中，所述標志(8)在設(shè)置在遠離燃燒室的端部區(qū)域的外周上。
25.根據(jù)權(quán)利要求23或24之一所述的部件或構(gòu)件，其特征在于，標志(8)包含在一個小的牌子或卡片上，所述牌子或卡片防取下地安裝在所述部件或構(gòu)件上。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的部件或構(gòu)件，其特征在于，包含標志(8)的牌子或卡片包括一項或多項另外的、涉及所述部件或構(gòu)件的、能無接觸地讀出的信息，優(yōu)選是關(guān)于真實性、材料組成、生產(chǎn)歷史和步驟、以前的使用、最后一次檢查和相關(guān)檢查日期、其他應(yīng)進行的檢查的信息。
27.用于制造上述權(quán)利要求1至26之一所述的部件或構(gòu)件的方法，其特征在于，所述部件或構(gòu)件在850-900° C之間的范圍內(nèi)的退火溫度下保持一定時間，然后按受控制的溫度-時間關(guān)系在8-12小時的冷卻時間內(nèi)冷卻到120-20° C的最終溫度，其中，首先進行較快地進行的、到約400° C的冷卻，接著進行與此相比較慢的、到最終溫度的剩余冷卻。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，對于構(gòu)件的每25_最大壁厚保持退火溫度至少1/2小時的時間。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，退火溫度對應(yīng)于所使用的鑄鐵材料的正火溫度。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述退火溫度為880°C。
31.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，冷卻時間具有對于每1.5mm的壁厚1.5-2. 5分鐘的總時長。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，冷卻時間具有對于每Imm的最大壁厚2分鐘的總時長。
33.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，到約400°C的快速冷卻在對于每25mm的最大壁厚為O. 5小時的時間內(nèi)進行。
34.根據(jù)權(quán)利要求27或33所述的方法，其特征在于，在快速冷卻時，從優(yōu)選為723°C的共析點到400° C的溫度間隔在對于每25mm最大壁厚為10-15分鐘的時間內(nèi)經(jīng)過。
35.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，剩余冷卻具有約8小時的時長。
36.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，在新制造部件或構(gòu)件時，所述部件或構(gòu)件在鑄造后在包裝在模具(2 )中的狀態(tài)下冷卻到退火溫度，然后在該溫度下保持一段時間。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，在快速冷卻期間，模具(2)在約為700° C的溫度下除去。
38.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，為了形成屈氏體而被處理的部件或構(gòu)件是完成的或已使用的部件或構(gòu)件。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，首先將所述部件或構(gòu)件加熱到正火溫度，然后以受控制的溫度-時間曲線冷卻。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于，將正火溫度保持約10小時。
41.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，冷卻在可控的冷卻爐(3)中進行。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，冷卻在具有多個水平排列的可控制的區(qū)域的冷卻爐(3)中進行。
43.用于修理現(xiàn)有的活塞往復式內(nèi)燃機的方法，其中用合適的、按權(quán)利要求27至42之一處理的汽缸套更換至少一個由鑄鐵材料組成的、傳統(tǒng)的汽缸套，經(jīng)處理的汽缸套適于以小于目前為止的壁厚至少用于與目前為止相同的壓力載荷。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，更換用汽缸套適于用于比目前為止高的壓力載荷。
45.根據(jù)權(quán)利要求43和44所述的方法，其特征在于，更換用汽缸套盡管具有比目前為止小的壁厚但適用于比目前為止高的壓力載荷。
46.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，更換用汽缸套以用于相同類型或規(guī)格的發(fā)動機的已使用的汽缸套為基礎(chǔ)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于機器的部件或構(gòu)件，特別是用于大型機器的部件或構(gòu)件，所述部件或構(gòu)件由包含嵌入基本組織結(jié)構(gòu)中的石墨的鑄鐵材料構(gòu)成，其中，這樣來實現(xiàn)高的承載能力、良好的可加工性和好的摩擦學特性，即，通過根據(jù)預先規(guī)定的溫度-時間關(guān)系進行的受控制的冷卻以在850-900°C下的正火過程、接下來的直到約400°C的快速冷卻和此后較慢的剩余冷卻，形成精細層狀的屈氏體作為基體材料，所述屈氏體中嵌入層狀形式的石墨。
文檔編號C21D5/00GK103069030SQ201180039566
公開日2013年4月24日 申請日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月16日
發(fā)明者L·莫丘爾斯基, P·穆爾森 申請人:曼柴油機渦輪機歐洲股份公司曼柴油機渦輪機德國分公司