浇铸铁材料和由浇铸铁材料制得的汽车零件的制作方法
【专利说明】浇铸铁材料和由浇铸铁材料制得的汽车零件
[0001]本发明涉及具有层状石墨构造的浇铸铁材料。本发明还涉及由浇铸铁材料制成的汽车零件。
[0002]在汽缸盖和制动圆盘中使用不同于汽缸曲轴箱的其它材料，因为在最初提及的组件中导热性(而不是强度)是决定性的因素。因此在汽缸盖中主要存在具有蠕虫状石墨的铁素体浇铸铁并且在制动圆盘中主要存在铁素体基本结构，而在汽缸曲轴箱中主要存在珍珠状基质。
[0003]已知的是，通过加入铝使常规浇铸铁合金化从而将密度降低至低于7.2g/cm3。这造成组件的重量降低并且因此造成轻质结构。铝合金化的浇铸铁的不起鳞性也是已知的。不起鳞性表示在组件表面上存在紧固附着的氧化物层，所述氧化物层减少在热应力下磨损。所述氧化物层还阻止了在室温下铁锈的形成，铁锈的形成对于应用来说是不希望的。恰恰是在制动圆盘中，在汽车销售时铁锈在视觉上是干扰性的。
[0004]通过DE 197 35 217 B4已知三元组铁-铝-碳的浇铸材料，所述浇铸材料由(以重量百分比表示)20至28%的Al、至多1%的S1、大于I和至多3%的C以及剩余为Fe组成并且具有游离碳。
[0005]本发明的目的是制造具有更高导热性的铁素体浇铸铁材料。
[0006]根据本发明通过浇铸铁材料实现所述目的，所述浇铸铁材料除了 Fe之外还包含
[0007]3.0 至 4.2 重量％的 C，
[0008]0.3 至 0.9 重量％的 Si，和
[0009]2.0至 7重量 ％的 Al。
[0010]在本发明的范围内发现，相对于已知的浇铸铁材料，不仅改进了材料的导热性(测得至多50 W/mkK的值)，还改进了耐磨损性和耐腐蚀性。在许多技术领域中(例如在制动材料的领域中)恰恰需要高导热性和高耐磨损性和耐腐蚀性的组合，但是难以实现。通过所选择的化学组成在室温下已经形成(“自愈合”，因为其始终重新形成)氧化物层，所述氧化物层特别紧密并且紧固附着并且保护组件(例如制动器)免于磨损和腐蚀。所述氧化物层在热处理的过程中或通常在热负载的过程中(例如在制动圆盘的制动过程中)形成。特别地，元素Al和Si在所选择的含量范围内形成氧化物(Al203、Si02)。通过加入Bi而造成的微细结构从而控制氧化物层的形成。
[0011]在根据现有技术的浇铸铁材料中，在600°C下在氧化气氛中热负载20分钟发现约14.6微米的表面材料损失。所述材料损失表示在浇铸组件(例如作为制动圆盘)的应用中的高温腐蚀和因此而造成的磨损，这是不希望的。在根据本发明的材料中，在相同的条件下发现约3.6微米的表面材料损失。根据本发明的材料因此显示出减小76%的表面材料损失，这显著延长了浇铸零件(例如作为制动圆盘)的寿命。减小的材料损失归因于表面附近的Al2O3-层的形成，所述Al2O3-层相比于现有技术具有改进的附着强度和更少的热裂纹形成。在根据现有技术的材料中，在上述温度负载下发现作为热裂纹形成的裂纹网络。所述裂纹网络的特征在于约1800微米/mm2表面的平均裂纹长度。在由摩擦对象造成的机械负载下(例如在制动器中)，裂纹网络造成增加的磨损和因此造成寿命的缩短。在根据本发明的材料中存在显著更少的明显网络，即小于1000微米/mm2表面的平均裂纹长度。局部地，在热处理之后不存在裂纹。因此在热处理时的磨损小于根据现有技术的材料。在最初的实验中测量熔体的氧气活度并且确定67.8和42.4ppb (基于1470°C )的值。所述相比于灰口铸铁的800至1200 ppb的常规值显著降低的值显示出由于Al造成的剧烈去氧。
[0012]本发明的一个优选的实施方案在于，浇铸铁材料包含在0.005和0.03之间，优选在0.01和0.02之间和特别优选在0.02和0.03重量％之间的Bi。
[0013]本发明所基于的认识是，加入Bi和相比于铝合金化的浇铸铁材料的现有技术更高的C含量实现了树枝状结构的微细化和均匀分布，这造成均匀的散热。
[0014]还属于本发明的是，浇铸铁材料包含在2.5和6之间，优选在3.0和5.5之间和特别优选在3.5和5重量％之间的Al。
[0015]可以使用纯铝或来自钢厂的去氧材料作为Al原料，其中重要的是，Al中的伴生元素不构成材料中的干扰元素。重要的是，紧接着出料之前加入Al，从而保证均匀的混合同时最小化烧损。
[0016]属于本发明的是，浇铸铁材料包含至多0.08，优选至多0.06和特别优选至多0.04重量％的戸。
[0017]被证明有利的是，浇铸铁材料包含至多1.0，优选至多0.8和特别优选至多0.6重量％的Cu。
[0018]还合意的是，浇铸铁材料包含至多0.8，优选至多0.6和特别优选至多0.4重量％的Mn。
[0019]有利的是，浇铸铁材料包含至多0.2，优选至多0.15和特别优选至多0.1重量％的Sn0
[0020]还属于本发明的是，浇铸铁材料包含0.02至0.15，优选0.04至0.10，特别优选0.06至0.08重量％的S。
[0021]还有利的是，浇铸铁材料包含0.1至0.3，优选0.15至0.25，特别优选0.175至0.20重量％的Cr。
[0022]本发明的一个优选的实施方案在于，浇铸铁材料包含至多0.02，优选至多0.017，特别优选至多0.015重量％的Ti。在本发明的范围内发现，低的Ti含量具有重要意义。
[0023]根据本发明，浇铸铁材料包含至多40，优选至多30和特别优选至多20 ppm的Pb。
[0024]还合意的是，浇铸铁材料包含0.01至0.04，优选0.015至0.03，特别优选0.02至0.025重量％的舭。
[0025]将伴生元素故意调节至极低浓度，因此形成铁素体结构。因此给出伴生元素的上限。
[0026]在本发明的范围内还包括由根据本发明的浇铸铁材料制得的汽车零件，其中汽车零件可以特别为汽缸盖、制动圆盘、汽缸膛或汽缸衬垫。
[0027]在使用灰口铸铁衬垫连同铝块的情况下，由于所形成的保护层而在浇铸中实现在灰口铸铁和铝材料之间的改进的结合。
[0028]下文通过实施例描述本发明。
[0029]实施例1:
[0030]制备浇铸铁材料，所述浇铸铁材料除了 Fe之外还包含
[0031]4.2重量％的〇
[0032]0.3 重量％的 Si
[0033]5.9 重量 ％的 Al
[0034]0.03 重量％的 Bi
[0035]0.02 重量％的 P
[0036]0.05 重量 ％的 Cu
[0037]0.3 重量 ％的 Mn
[0038]0.03 重量％的 Sn。
[0039]除了 Fe之外的所有剩余合金元素〈0.05重量％。
[0040]实施例2:
[0041]制备浇铸铁材料，所述浇铸铁材料除了 Fe之外还包含
[0042]3.28 至 3.38 重量 ％ 的 C
[0043]0.50 至 0.60 重量％ 的 Si
[0044]至多0.04重量％的P
[0045]0.080 至 0.110 重量 ％ 的 S
[0046]0.45 至 0.55 重量 ％ 的 Mn
[0047]0.15 至 0.20 重量 Cr
[0048]0.70 至 0.80 重量 ％ 的 Cu
[0049]至多0.015重量％的Ti
[0050]3.00 至 3.30 重量 ％ 的 Al
[0051]最多30 ppm的铅
[0052]0.08 至 0.10 重量％ 的 Sn。
[0053]除了 Fe之外的所有剩余合金元素〈0.05重量％。
[0054]实施例3:
[0055]制备浇铸铁材料，所述浇铸铁材料除了 Fe之外还包含
[0056]3.28 至 3.38 重量 ％ 的 C
[0057]1.20 至 1.30 重量％ 的 Si
[0058]至多0.04重量％的P
[0059]0.080 至 0.110 重量 ％ 的 S
[0060]0.45 至 0.55 重量 ％ 的 Mn
[0061]0.15 至 0.20 重量 ％的 Cr
[0062]0.70 至 0.80 重量 ％ 的 Cu
[0063]至多0.015重量％的Ti
[0064]3.50 至 3.80 重量 ％ 的 Al
[0065]最多30 ppm的铅
[0066]0.02 至 0.03 重量 ％ 的 Mo
[0067]0.09 至 0.12 重量 ％ 的 V
[0068]0.08 至 0.10 重量％ 的 Sn。
[0069]除了 Fe之外的所有剩余合金元素〈0.05重量％。
【主权项】
1.具有层状石墨构造的浇铸铁材料，其特征在于，所述浇铸铁材料除了Fe之外还包含 3.0至4.2重量％的C， 0.3至1.5重量％的Si，和 2.0至7重量％的Al。
2.根据权利要求1所述的浇铸铁材料，其特征在于，浇铸铁材料包含在0.005和0.03之间，优选在0.01和0.02之间和特别优选在0.02和0.03重量％之间的Bi。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的浇铸铁材料，其特征在于，浇铸铁材料包含在2.5和6之间，优选在3.0和5.5之间和特别优选在3.5和5重量％之间的Al。
4.根据权利要求1至3任一项所述的浇铸铁材料，其特征在于，浇铸铁材料包含至多0.08，优选至多0.06和特别优选至多0.04重量％的P。
5.根据权利要求1至4任一项所述的浇铸铁材料，其特征在于，浇铸铁材料包含至多1.0，优选至多0.8和特别优选至多0.6重量％的Cu。
6.根据权利要求1至5任一项所述的浇铸铁材料，其特征在于，浇铸铁材料包含至多0.8，优选至多0.6和特别优选至多0.4重量％的Mn。
7.根据权利要求1至6任一项所述的浇铸铁材料，其特征在于，浇铸铁材料包含至多0.2，优选至多0.15和特别优选至多0.1重量％的Sn。
8.根据权利要求1至7任一项所述的浇铸铁材料，其特征在于，浇铸铁材料包含0.02至0.15，优选0.04至0.10，特别优选0.06至0.08重量％的3。
9.根据权利要求1至8任一项所述的浇铸铁材料，其特征在于，浇铸铁材料包含0.1至0.3，优选0.15至0.25，特别优选0.175至0.20重量％的0。
10.根据权利要求1至9任一项所述的浇铸铁材料，其特征在于，浇铸铁材料包含至多0.02，优选至多0.017和特别优选至多0.015重量％的Ti。
11.根据权利要求1至10任一项所述的浇铸铁材料，其特征在于，浇铸铁材料包含0.01至0.04，优选0.015至0.03，特别优选0.02至0.025重量％的Mo。
12.根据权利要求1至11任一项所述的浇铸铁材料，其特征在于，浇铸铁材料包含0.06至0.12，优选0.07至0.11，特别优选0.08至0.10重量％的乂。
13.由根据权利要求1至12所述的浇铸铁材料制得的汽车零件，其中汽车零件为汽缸盖、制动圆盘、汽缸膛或汽缸衬垫。
【专利摘要】本发明涉及具有层状石墨构造的浇铸铁材料。本发明还涉及由浇铸铁材料制成的汽车零件。为了制造具有更高导热性的铁素体浇铸铁材料，在本发明的范围内提出浇铸铁材料除了Fe之外还包含3.9至4.2重量％的C，0.3至0.9重量％的Si，和2.0至7重量％的Al。在本发明的范围内发现，相比于已知的浇铸铁材料，不仅改进了材料的导热性，还改进了耐磨损性和耐腐蚀性。
【IPC分类】C22C37-10, C22C37-06
【公开号】CN104736733
【申请号】CN201380013525
【发明人】U·乌尔萨瓦斯, M·沃肯廷, M·布罗达, D·拉得巴奇, F·翁格布勒, C·麦克逊
【申请人】福特工厂有限公司, 新哈尔伯格铸造有限公司
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2013年2月5日
【公告号】DE102012100990B3, EP2820164A2, US20140377122, WO2013117190A2, WO2013117190A3