专利名称：用于发动机气缸体和气缸盖的灰口铸铁的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于生产气缸体和/或气缸盖铸件的灰口铸铁合金，含有铁、碳、硅、锰、磷、硫、锡和氮。本发明还涉及用根据本发明的灰口铸铁铸造的内燃机部件。
背景技术：
环境法规对于重型柴油机的污染排放要求变得越来越高。更高峰值的气缸压力是减少排放的解决方案之一。为此，对于气缸体和气缸盖必须使用更强的材料来承受发动机的高压力。使用致密石墨铸铁可以是一种解决方案，然而必须准备更高的生产成本和材料更低的导热性和更低的吸震能力。仍旧使用灰口铁在很多方面都是积极的，如果其强度能更高的话。本发明就是致力于这个目标。氮对于灰口铁机械性能的影响自从二十世纪五十年代以来已经进行了研究，例如参见J.V.Dawson、L.W.L.Smith和B.B.Bach的英国铸铁研究协会杂志(BCIRAJournal)，1953，4，(12)，540页，和/或F.A.Moutford的“氮对于灰口铸铁强度、坚固性和结构的影响”，英国铸工(The British Foundryman)(1966)，4月，141-151页。0.01％或100ppm水平的氮含量增加提高抗拉强度达到25％。氮含量可以高达150ppm而毫无问题，尽管此时精确的氮测定和测量是可商榷的。
C.Atkin的“铁中的氮”，铸造世界(Foundry World)，fall，1(1979)，43-50页还显示，氮含量从40ppm增加到80ppm根据碳当量能增加抗拉强度10-20％。在这个工作的后期，据报道，氮含量从40-50ppm增加到140-150ppm能增加抗拉强度29％而没有缺陷问题，然而铸造工件的检验测试不是那么成功，见P-E.Persson，L-E.Bj_rkegren的 Gr_j_rn med f_rh_jda mekaniska egenskaper，Gjuterif_reningen，20010409。所有的上述数据来自于独立的铸条(cast bars)。
尽管认识到了积极效果，但是没有在实际生产中广泛应用的报导。大多工作集中于阻止其消极效果，也就是，灰口铁的商用铸件中的氮已经被视作在铸件中形成空隙缺陷的有害元素，当氮含量超过90-100ppm时，参见J.M.Greehill和N.M.Reynolds的“铁铸件中的氮缺陷”，铸造行业杂志(Foundry Trade Journal)，1981年7月16日，111-122页)，和铸造技术联盟国际委员会铸造缺陷国际图册(International atlas of casting defects)，AFS，1993。由于氮所引起的缺陷称作裂纹、砂眼、针孔或散布的缩孔，这些在机械加工之后能看到。精确的允许水平取决于基体化学组分、其它气体含量、铸造几何形状和凝固速率。为何其积极效果没有广泛使用的另一原因可能是迄今对于灰口铁的强度要求很容易通过调整碳当量和增加易于控制的合金元素来实现。然而，利用这种常规方法将灰口铁强度进一步增加到将来所需的水平会引起铸件严重的可铸性问题。因此需要新的途径来克服可铸性的问题。
灰口铁熔化物中的氮含量通常在0.004-0.009％或40-90ppm的范围内。精确含量取决于填充材料和熔化工艺。来自具有高百分比废钢的冲天炉的熔化物具有比来自电炉和低百分比废钢的熔化物更高的氮含量。由于含量处于如此低的水平，在铸造实践中通常忽略了对其含量的控制，除非一些铸造工厂向熔化物中增加钛以避免铸件中的气孔。
发明内容
因此需要一种用于生产气缸体和/或气缸盖铸件的灰口铸铁合金，其具有比现有灰口铸铁合金更高的强度并且具有良好的可加工性和高度可控的氮水平以避免废料。
为了这个目标，根据本发明用于生产气缸体和/或气缸盖铸件的灰口铸铁合金含有铁、碳、硅、锰、磷、硫、锡和氮，并且其特征在于合金的氮含量处于0.0095-0.0160％的范围内，以及合金的锡含量处于0.05-0.15％的范围内。
本发明的优选实施例在以下从属权利要求中提出。
以下将结合附图以非限制的方式进一步描述本发明，在附图中图1是示出灰口铸铁合金中抗拉强度和氮含量之间关系的图表，和图2是示出通过氮增加气缸盖铸件的抗拉强度的图表。
具体实施例方式
根据本发明，气缸盖和气缸体用具有以下组分的灰口铸铁铸成碳2.7-3.8％，硅1.0-2.2％，锰0.3-1.2％，磷0.02-0.1％，硫0.04-0.15％，锡0.05-0.15％，有或没有高达1.5％铜、高达0.6％铬和高达0.6％钼的合金添加物，氮0.0095-0.0160％，一些杂质和余量的铁。钛和铝被视为杂质。因为它们对氮的高度亲和力，它们中和了氮的有益效果并且由于超硬氮化钛还带来了机械加工的问题。优选地，它们被限制为每个都少于0.02％。钒在铸铁中是和Ti类似的元素。超过钒的一定限度，会有等轴碳氮化钒出现。为了避免其中和有利的氮和导致机械加工问题的有害效果，其含量应当低于大约0.025％。具有这些组分的材料可以在湿砂型或化学粘结剂界定的砂型中铸造。因为高的氮含量，材料的强度将高于不添加氮的材料。
氮控制方法为了使熔化物中的氮达到一定水平，对于基体铁进行测量。根据测试结果，通过已知的合金过渡系数(recovery)确定正确的添加量。使用分光计用于氮测量可以使这个工作非常容易。
氮化剂氮化锰、锰铁、硅铁和氮化硅能用作氮化剂。用这些材料对熔化物进行处理不会对基体组分和炉渣带来问题。也能使用其它富含氮的材料，然而必须考虑到灰口铁的最终化学组分和微观结构。氮化钒铁和铬铁是会引入太多V和Cr并且在一些情况下会带来碳化物问题的材料。也可以使用氮气，但是这会要求更高的熔化温度并且还导致了对于铸造工厂投资的需要。
添加方法可以使用粉末或颗粒或团块的氮化剂以下述之一的方法加入灰口铁熔化物中1)加入浇包(pouring ladle)材料能被加入到铁水包的底部上。为了在铁水包中达到氮的均匀分布，氮化剂的尺寸应当根据铁水包类型和铁水包中铁的含量进行选择。对于某种类型的铁水包，搅拌熔化物是必要的。根据材料的颗粒大小，在500kg的铁水包中均匀化氮需要高达几分钟。
2)加入浇注炉的铁水罐车(transfer ladle)如果浇注炉和造型线(moulding line)一起使用，氮化剂能通过铁水罐车加入，如同加入浇包中那样。在这种情况下，浇注炉保持氮化处理的铁水。如同炉中的高压气体那样，利用氮在正常操作中保持正确的氮水平是没有问题的。例如，处理过的铁能在7吨的浇注炉中保持三个小时而没有从开始处于130ppm水平的氮的明显损失。
3)将粉末加入浇注流如果浇注炉和造型线一起使用但是模具不是连续地浇注，就孕育剂而言，可以使用流添加的方法来避免保持处理过的铁太长时间。颗粒大小高达例如1.5mm的材料粉末适于这种工艺。
4)通过模内(In-Mould)方法加入通过所谓的模内方法能实现氮的高合金过渡系数。如同用于球墨铸铁和CGI生产中那样，反应腔设计有浇注系统，其中用与球墨铸铁和CGI相同的原理进行氮化处理。
5)粉末注射和导线供给(wire feeding)这些是铸造工厂的生产中最昂贵的添加方法，然而这些方法能进行氮的非常高的合金过度系数和极好的重复性。
将氮载体直接加入熔炉是不可行的。在那种情况下，在熔化过程中氮会有损失的危险并且工艺控制将会复杂化。
氮对于灰口铁性能的影响1)抗拉强度和氮水平抗拉强度(Rm，Mpa)和氮含量(N％)之间关系的一个例子在图1中示出。数据来自于由100mm厚的测试板机械加工成的12mm测试棒。熔化物在生产中来自于冲天炉并且这些测试中的基本组分大致相同。熔化物在铸包中由氮化锰进行处理。根据这些结果，当氮含量低于约105ppm时，抗拉强度随着氮含量的增加而迅速增大。此后氮的进一步增加导致强度的较慢增大。这个发现对于生产控制非常重要并且对于氮含量和强度变化而言提供了获得恒定质量的基础。为了最小化强度变化并且获得最大的强度，对于这个例子，优选的氮含量应当高于约105ppm。
图1还显示了氮的负面作用。对于这个例子，当氮含量高于160ppm时，在铸件中形成孔隙度。因此随着氮的进一步增加，强度开始下降，如图中趋势线所示。因此本发现是根据对于铸件的机械性能以及截面厚度的要求将氮含量增加到95至160ppm的范围。氮在液态灰口铁中的饱和度与铁的成分相关，比如C、Si、Cr。向具有低碳、硅的铁中加入相同的添加水平会导致高的合金过渡系数，因为这些元素的减少增加了氮在液态铁中的溶解度。然而，这也会增加裂纹的危险，因为因而增大了凝固时的超饱和程度。
来自气缸盖的防火板(fire deck)的抗拉强度数据在图2中示出。铸件的重量是160kg。铸模通过化学粘合剂结合于水冷系统，如同所谓的FPC工艺中所描述的(例如参见US 6,422,295)。图2中所示的结果还涉及了氮之外的其它变化，这些变化不包括在本申请中。重量为180kg的其它气缸盖铸件证实了氮的类似作用。根据气缸盖铸件中的基本成分，由额外的氮所增加的抗拉强度为10-20％。
另一个例子是在湿砂型中生产的12升柴油机气缸体铸件。通过将氮从60-80ppm增加到95-150ppm，气缸体主支承区域中的抗拉强度增加10-20％。
很大数目的气缸盖和气缸体组件显示了，当氮含量高于约95ppm时，获得最好的效益。
2)疲劳强度拉伸和压缩疲劳测试显示，氮化处理的灰口铁铸件的疲劳和抗拉强度之间的关系遵循系数为0.3的经验法则。这揭示了，通过添加氮来增加强度比传统的添加合金要好，在传统的添加合金中，抗拉强度比疲劳强度增加得更厉害，很可能是因为微观结构中的碳化物。
3)导热性导热性根据氮含量稍微降低几个百分数。这源自于稍短的片状石墨的氮化作用以及珠光体组织的增加而导致自由石墨的稍微减少。在添加氮之后通过调节灰口铁的基体成分有可能保持高的导热性。
4)热膨胀系数测试结果显示，铸件的热膨胀系数不受添加氮的影响。
氮对于灰口铁微观结构的影响1)石墨已经注意到所报道的由于氮所导致的石墨的致密化。然而，致密程度在气缸盖和气缸体铸件中很轻，这是由于薄的截面厚度并且因而逐渐的高凝固速率的缘故。
2)基体添加氮提高了珠光体结构并且细化了发动机铸件的珠光体。然而，高达0.016％的氮对于消除铸造工件中铸件表面和具有过冷石墨的区域上的自由铁素体来说是不够的。因此仍然需要锡来消除气缸盖和气缸体铸件中的自由铁素体。在0.04％的锡之下，对于那么铸件来说影响还是不够。超过0.15％就存在着使铁脆化的危险。
在具有适当的孕育时，即使在高氮水平，也没有观察到通过添加氮而具有白热凝固(white solidification)的危险。
通过控制构成金属碳氮化物的N、Ti、Al、V及其它元素减少性能变化较高的强度是添加氮的作用之一。另外，根据当前结果，在大多铸造产品中，对于相同的基体成分，氮含量变化是强度变化的主要因素之一。根据本发明，对于相同程度的氮含量变化而言，抗拉强度的变化在较高氮含量时少于正常产品含量。
在用相同量的氮处理铁时，如果Al、Ti和V含量变化，由于这些元素的中和作用，那么所得到的强度将不会相同。为了减少性能变化，在添加氮时，必须控制Al、Ti和V的含量。
总之，本发现不仅从填充材料控制氮含量，而且还有意地添加氮到熔化物中。最好的氮含量并非是如C.Atkin的“铁中的氮”，铸造世界(Foundry World)，Fall，1(1979)，43-50中所报道的80-100ppm。对于气缸盖和气缸体铸件，氮含量可以扩展高达0.0160％，优选地在105-145ppm范围内。在本发明中，锡是与其它元素相组合获得无铁素体的铸件的非常重要的元素。应当限制Ti、Al、V及其它中和元素的含量以获得最好的结果。
权利要求
1.一种用于制造气缸体和/或气缸盖铸件的灰口铸铁合金，含有碳、硅、锰、磷、硫、锡、铜、铬、钼和氮，其特征在于合金中的氮含量处于0.0095-0.0160％的范围内，并且合金中的锡含量处于0.05-0.15％的范围内。
2.根据权利要求1的铸造合金，其特征在于合金中的氮含量处于0.0105-0.0145％的范围内。
3.根据权利要求1或2的铸造合金，其特征在于合金中的碳含量处于2.7-3.8％的范围内。
4.根据权利要求1或2的铸造合金，其特征在于合金中的硅含量处于1.0-2.2％的范围内。
5.根据权利要求1或2的铸造合金，其特征在于合金中的锰含量处于0.3-1.2％的范围内。
6.根据权利要求1或2的铸造合金，其特征在于合金中的磷含量处于0.02-0.1％的范围内。
7.根据权利要求1或2的铸造合金，其特征在于合金中的硫含量处于0.04-0.15％的范围内。
8.根据权利要求1或2的铸造合金，其特征在于所述合金含有高达0.025％的钒。
9.一种用于制造发动机气缸体和/或气缸盖铸件的灰口铸铁合金，以重量比计含有2.7-3.8％的碳、1.0-2.2％的硅、0.3-1.2％的锰、0.02-0.1％的磷、0.04-0.15％的硫、高达1.5％的铜、高达0.6％的铬、高达0.6％的钼、少于0.02％的铝、少于0.02％的钛、少于0.025％的钒、氮以及补足100％的余量铁和杂质，其特征在于合金中的氮含量处于0.0095-0.0160％的范围内，并且合金中的锡含量处于0.05-0.15％的范围内。
10.一种由基本上珠光体灰口铸铁合金制成的内燃机铸造部件，所述合金含有碳、硅、锰、磷、硫、锡、铜、铬、钼和氮，其特征在于合金中的氮含量处于0.0095-0.0160％的范围内，并且合金中的锡含量处于0.05-0.15％的范围内。
11.根据权利要求10的由合金制成的内燃机铸造部件，其特征在于合金中的氮含量处于0.0105-0.0145％的范围内。
12.根据权利要求10或11的由合金制成的内燃机铸造部件，其特征在于合金中的碳含量处于2.7-3.8％的范围内。
13.根据权利要求10或11的由合金制成的内燃机铸造部件，其特征在于合金中的硅含量处于1.0-2.2％的范围内。
14.根据权利要求10或11的由合金制成的内燃机铸造部件，其特征在于合金中的锰含量处于0.3-1.2％的范围内。
15.根据权利要求10或11的由合金制成的内燃机铸造部件，其特征在于合金中的磷含量处于0.02-0.1％的范围内。
16.根据权利要求10或11的由合金制成的内燃机铸造部件，其特征在于合金中的硫含量处于0.04-0.15％的范围内。
17.根据权利要求10或11的由合金制成的内燃机铸造部件，其特征在于所述合金含有高达0.025％的钒。
全文摘要
本发明提供了一种用于制造气缸体和/或气缸盖铸件的灰口铸铁合金，含有铁、碳、硅、锰、磷、硫、锡、铜、铬、钼和氮。合金中的氮含量处于0.0095－0.0160％的范围内。
文档编号C22C37/10GK1759197SQ200480006258
公开日2006年4月12日 申请日期2004年2月2日 优先权日2003年3月19日
发明者肯特·埃里克森, 托尼·刘, 贝恩特·于伦斯滕, 约翰·奥贝格 申请人:沃尔沃拉斯特瓦格纳公司