专利名称：获得用于内燃机及一般铸件的高电阻灰铁合金的方法
技术领域：
本发明限定一类新的灰铁合金，这类灰铁合金是通过新方法制备的，以获得更高的拉伸强度，同时保持了与常规灰铁合金相当的可加工性。更具体而言，通过这种方法制得的这种材料既可以用于高压缩率的内燃机，也可以用于目标之一在于降低重量的常规内燃机及一般铸件。
背景技术：
灰铁合金自十九世纪末即为人们所知，由于灰铁合金具有出色的性能，因此其成为汽车工业中的重要成就，主要是内燃机需要用到灰铁合金。长期以来人们所认识到的一些灰铁合金特性如下-出色的热传导性-出色的减振性能(damping vibration capacity)-出色的可加工性水平-相对较小的收缩率(铸件中不易出现内部孔隙)-良好的热疲劳水平(在使用钼基合金时)然而，由于对内燃机的要求越来越高(例如，要求具有更高的动力、更低的燃料消耗量以及更少的尾气排放以保护环境)，因此常规的灰铁合金便难以满足高压缩率的内燃机所要求的最低拉伸强度。作为简单的参考，一般来说，在气缸体的主轴承位置或在气缸盖的火力面处，这种对拉伸强度的要求至少为300MPa。准确来说，当前灰铁合金的主要局限性在于当要求具有更高的张力时，则这些灰铁合金的加工性能会大幅降低。因此，为了解决这一问题，一些冶金学家和材料专家决定关注一种不同的合金蠕墨类(compact graphite based),其通常被称作螺墨铸铁(compact graphite iron, CGI)。 许多文章讨论了 CGI的性质-R. D. Grffin,H. G. Li,E. Eleftheriou,C. Ε. BatesZiMachinability of Gray Cast Iron” .Atlas Foundry公司(已获AFS许可再版)-F. Koppka e A. Ellermeier，“0 Ferro Fundido de Grafita Vermicular ajuda a dominar altas pressoes de combustao”，Revista MM，2005 年 1 月。-Marquard,R&Sorger,H. “Modern Engine Design，，· CGI Design and Machining Workshop, Sintercast-PTW Darmstadt，Bad Homburg，德国，1997 年 11 月。-Palmer. K. B. “Mechanical properties of compacted graphite iron，，.BCIRA Report 1213，31-37 页，1976。-ASM. Speciality handbook :cast irons. United States :ASM International， 1996,33-267 页。-Dawson，Steve 等人，The effect of metallurgical variables on the machinability of compacted graphite iron. In :Design and Machining Workshop-CGI,1999。实际上，关于CGI工艺，已经有数件专利申请-Sinter-Cast AB (Viken, SE)的 US 4，667，725 (1987 年 5 月 26 日)。一种由含有结构改善性添加剂的铸铁来制备铸件的方法。由熔融铁浴得到的样品可在0. 5分钟至10 分钟内凝固。-SINTERCAST LTD.的 W09206809 (Al) (1992 年 4 月 30 日)。一种控制并校正铸铁熔体组成以及确保结构改善剂所需量的方法。尽管CGI合金表现出了出色的拉伸强度，但是其在性能或工业化方面也存在其他严重的局限性。在这些局限性方面，我们可着重于以下几点-较低的热传导性；-较低的减振性能；-较低的可加工性水平(因此，加工费用高)；-较高的收缩率(因此，较易于出现内部孔隙)；以及-显微组织稳定性较低(在很大程度上取决于铸件壁厚)。在这一方面，要解决的难题在于制造这样一种合金，该合金既能保持与灰铁合金类似的出色性质，同时还兼具CGI合金的宽的拉伸强度边界。这即为本发明的范围。目前，工厂中获得灰铁铸件的方法包括如下步骤-熔融阶段通过化铁炉、感应炉或电弧炉将装载物(废料、生铁、钢等)熔融。-化学平衡通常在感应炉内对液态物料进行，以根据所需规格来调节化学元素 (C、Si、Mn、Cu、S 等)。-孕育处理阶段通常在浇注包或在铸型操作时进行(在使用浇注炉时)，以促使形成足够的晶核，从而避免形成不利的碳化物。-浇注阶段在造型生产线上于浇注温度下进行，浇注温度通常限定在一定范围内，以防止在铸件凝固后产生气孔、在砂中燃烧及收缩。换言之，应根据铸件材料的坚固性 (soundness)来实际地限定浇注温度。-落砂阶段Ghake-OutPhase)通常在模具内的铸件温度充分地冷却至低于共析温度( 700 0C )时进行。这一工艺在世界范围内的工厂中被普遍应用，并且成为许多书籍、论文及技术文章的主题-Gray Iron Founders' Society Casting Design，第 II 卷Taking Advantage of the Experience of Patternmaker and Foundryman to Simplify the Designing of Castings，Cleveland,1962。-Straight Line to Production :The Eight Casting Processes Used to Produce Gray Iron Castings，Cleveland,1962. Henderson，G. E.禾口 Roberts。-Metals Handbook，第 8 版，第 1、2 禾口 5 卷，由 American Society for Metals 出片反，Metals Park，Ohio。-Gray&Ductile iron Castings Handbook(1971)，由 Gray and Ductile Iron Founders Society 出片反，Cleveland, Ohio。-Gray. Ductile and Malleable，Iron Castings Current Capabilities。ASTMSTP 455， (1969)。-Ferrous Materials :Steel and Cast Iron by Hans Berns, Werner Theisen, G. Scheibelein, Springer ；第 1 版(2008 年 10 月 24 日)-Microstructure of Steels and Cast Irons Madeleine Durand-Charre Springer ；第 1 版(2004 年 4 月 I5 日)-Cast Irons (Asm Specialty Handbook) ASM International (1996 ^f-9 J3i 1 H )
发明内容
本发明的目的是限定一种通过新方法获得的合金，该合金表现出灰铁合金的机械性能和物理性能，并且具有宽的CGI拉伸强度边界范围。这种新型的鳞片石墨基合金为高性能铁(HPI)合金。因此，这种HPI合金除了具有高拉伸强度外，还具有出色的可加工性、 减振性、热传导性、低收缩倾向以及良好的显微组织稳定性(与灰铁合金相当)。所述HPI的这些特性是通过限定了五种冶金学基本原理(metalIurgical fundaments)之间的特定相互作用的方法而获得的，这五种冶金学基本原理为化学分析； 液态金属的氧化；液态金属的成核；共晶凝固和共析凝固。
下面将参照如下非限制性附图对本发明进行阐述。图1和图2示出了 HPI合金的显微组织(未蚀刻的显微组织和蚀刻后的显微组织)；图3和图4示出了常规灰铁合金的显微组织(未蚀刻的显微组织和蚀刻后的显微组织)；图5示出了脱氧工艺之前的急冷测试探针；图6示出了脱氧工艺之后的急冷测试探针；图7示出了 HPI合金的冷却曲线及其微分曲线；图8示出了常规灰铁合金的冷却曲线及其微分曲线；图9示出了灰铁合金和HPI合金的冶金学示图的对比；并且图10示出了 Fe-C和Fe-Fe3C的界面平衡图。发明详述本发明限定了一种获得新型的鳞片石墨基合金的方法，其具有与常规灰铁同样出色的工业性能，并且具有更高的拉伸强度(最高达370MPa)，这使得与CGI合金相比，这种新型合金能够作为有利的替代品。通过分析手段和实践手段，所述方法能够促进五种冶金学基本原理之间的相互作用，这五种冶金学基本原理为化学分析；液态物料的氧化水平；液态物料的成核水平；共晶凝固和共析凝固。本发明的方法可使得这些基本原理中的每一项均获得最佳状态，从而制得了这种新型的高性能铁合金，本文中称之为HPI。化学分析在感应炉内，以常规方式进行化学修正，并且化学元素与市场上已知的元素相同 C、Si、Mn、Cu、Sn、Cr、Mo、P 禾口 S。
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然而，必须使某些化学元素保持如下的平衡标准，这样才能获得所需的鳞片石墨形态(A型，尺寸为4至7，鳞片无尖锐端)、所需的显微组织基体(100%珠光体，最多2%的碳化物)以及所需的材料性能。-碳当量(CE)限定为在3.6重量％至4.0重量％的范围内，同时使C含量保持为 2. 8%至3. 2%。与常规的灰铁合金相比，该HPI合金具有更高的亚共晶倾向。-Cr含量限定为最高0.4%，当与Mo联合时，必须符合如下标准％ Cr+% Mo ^ 0. 65%。这样能够允许恰当的珠光体细化(pearlitic refinement)。-Cu 和 Sn 必须按以下标准联合0. 010% 彡[% Cu/10+% Sn]彡 0.021%。-以指定范围的％Mn/% S比值来限定S含量和Mn含量，对％ Mn/% S比值加以计算，从而确保硫化锰MnS的平衡温度总是低于“液相线温度”(优选接近于共晶起始温度)。 除了改善该材料的机械性能外，该标准还促进了液态物料内部的成核。表1示出了将这些标准应用于柴油机气缸体，其中％ Mn限定在0. 4%至0. 5%之间。表1-理想的“Mn/S”范围，作为0Z0 Mn的函数
Mn = 0. 40%理想范围Mn/S = 3. 3至3. 9Mn = 0. 47%理想范围Mn/S = 4. 0至5. 0Mn = 0. 50%理想范围Mn/S = 4. 9至6. 0-Si含量范围限定为2.0%至2. 40%。- “P” 含量限定为％ P 彡 0. 10%。图1、2、3和4示出了常规灰铁与HPI合金间的显微组织对比，在这些附图中可观察到基体中所分布的石墨形态和石墨的量。液态物料的氧化为了获得HPI合金，感应炉中的液态物料必须不含那些不会促进成核的聚结氧化物(coalesced oxide)。此外，在整个液态物料范围内，液态物料必须是均勻的。因此，为了满足该标准，开发出了根据如下步骤进行的脱氧工艺-将炉温升至高于二氧化硅(SiO2)平衡温度；-将该炉的电源关闭至少5分钟，以促进聚结氧化物及其他杂质的漂浮；-将絮凝剂(agglutinatingagent)散布在液态物料表面上；以及-除去已被聚结氧化物饱和的所述絮凝剂材料，在该炉内留下较清洁的液态金属。尽管该操作降低了成核水平(参见示出了脱氧工艺之前和之后的急冷测试探针的图5和6)，但是所述步骤确保了在液态物料中仅存在作为成核促进剂的活性氧化物。该操作还会提升后面将会使用的孕育剂的效用。液态物料的成核与常规灰铁合金相比，HPI合金的另一重要特性恰恰在于增加的共晶团数量。与用目前的灰铁合金制得的相同铸件相比，HPI合金中所存在的共晶团数量多出20%至100%。 更多的共晶团数量会直接促使形成更小的石墨尺寸，因此有助于直接提高HPI材料的拉伸强度。此外，更多的共晶团数量也意味着在各个晶核的核心处形成了更多的MnS。在对HPI材料进行加工时，该现象对延长刀具寿命而言是至关重要的。在化学修正及脱氧工艺后，必须根据如下方法使炉内的液态物料成核-将炉内的液态物料的15%至30%浇注于指定的浇包上。-在该操作过程中，直接在液态金属流上孕育0.45重量％至最多0. 60重量％的粒状!^e-Si-Sr 合金或 i^e-Si-Ba-La 合金。-使孕育后的液态金属由浇包返回至炉内，使该操作保持高的金属流量。-在该操作过程中，必须将炉子保持为“开启”状态。除了形成新的晶核以外，所述方法还增加了炉内液态金属中的活性氧化物的量。依次来说，通常的孕育处理阶段是以常规方式进行的，这是因为这种常规方式长期为工厂所熟知。然而，HPI合金的不同之处恰恰在于，在马上要进行浇注操作之前施加至浇注包或浇注炉上的孕育剂的重量％范围0. 45%至0.60%。这是当前为进行常规灰铁合金制备而在该步骤中施加的孕育剂用量％的大概2倍。如下步骤通过热学分析详细说明了液态金属的成核。作为本申请目的的方法限定了取自冷却曲线的两个热参数，以更有效地确保实现所需的成核水平1)共晶过冷温度“Tse”，以及2)共晶再辉温度范围“ Δ Τ”。这两个参数必须同时加以考虑，以确定液态金属的成核程度是否足以满足HPI的要求。HPI合金的所需成核程度必须表现出如下数值Tse —最低为 1115°C ；并且Δ T—最高为 6 "C。图7示出了用HPI合金铸造的柴油机6缸筒气缸体的冷却曲线及其微分曲线，其中两个热参数均符合该标准的要求。该气缸体在轴承处所表现出的拉伸强度值为362Mpa， 硬度为MOHB。图8示出了用普通灰铁铸造的相同气缸体的冷却曲线，其中发现ΔΤ 2°C (符合 HPI成核要求)，但是Tse值为1105°C (不符合HPI成核要求)。该常规灰铁气缸体在轴承处表现出的拉伸强度值为M9Mpa，硬度为235HB。作为参考，下表2示出了利用两种不同孕育剂的HPI热学数据的对比表2 =Fe-Si合金Ba-La基孕育剂和Sr基孕育剂这两种孕育剂的热学分析数据 CC )的对比
权利要求
1.一种在感应炉中获得高电阻灰铁合金的方法，其中，使液态金属脱氧的方法包括以下步骤-将该炉的温度升至高于二氧化硅(SiO2)平衡温度； -将该炉的电源关闭至少5分钟，以促进聚结氧化物及其他杂质的漂浮； -将絮凝剂散布在液态物料表面上；以及-除去已被所述聚结氧化物饱和的所述絮凝剂材料，在该炉内留下较清洁的液态金属。
2.根据权利要求1的方法，其中成核包括以下步骤-将该炉内的液态物料的15%至30%浇注于指定的浇包上；-在该操作过程中，直接在该液态金属流上孕育0. 45重量％至0. 60重量％的粒状 Fe-Si-Sr 合金或 Fe-Si-Ba-La 合金；-使孕育后的液态金属由所述浇包返回至该炉内，使该操作保持强的金属流动； -在该操作过程中，必须将该炉保持为“开启”状态。
3.根据权利要求1和2的方法，其中所述成核包括取自冷却曲线的两个热参数1)共晶过冷温度Tse—最低为1115°C，以及2)共晶再辉温度范围ΔΤ—最高为6°C。 这两个参数必须同时加以考虑。
4.根据权利要求1-3中任意一项的方法，其中所述孕育的阶段是采用重量％范围为 0. 45%至0. 60%的孕育剂来进行的。
5.根据权利要求1-4中任意一项的方法，其中必须限定HPI铸件的浇注温度范围，以使铸件的总模数作为最佳浇注温度“Tp” (允许+/-10°C )的函数而介于1. 38和1. 52之间。
6.根据权利要求1-5中任意一项的方法，其中在共析阶段中，HPI显微组织表现出其基体上的石墨含量略微减少2. 3%，是参照!^e-Fe3C平衡相图通过“杠杆定律”计算得到的。
7.根据权利要求1-6的高电阻灰铁合金，其中-碳当量(CE)限定在3.6重量％至4.0重量％的范围内，同时使C含量保持为2.8% 至 3. 2% ；-Cr含量限定为最高0. 4 %，当与Mo联合时，必须符合以下标准％ Cr+ % Mo ≤0. 65% ；-Cu和Sn必须按以下标准联合0. 010%≤[% Cu/10+% Sn] ≤0. 021% ； -以指定范围的^Mn/W S比值来限定S含量和Mn含量，当Mn含量限定为介于0.4% 和0.5%之间时，必须采用以下范围-Mn = 0. 40%范围Mn/S = 3. 3 至 3. 9 -Mn = 0. 47%范围Mn/S = 4. 0 至 5. 0 -Mn = 0. 50%范围Mn/S = 4. 9 至 6. 0 -Si含量范围限定为2. 0%M 2. 40% ； -“P”含量限定为% P ≤0. 10%o
8.根据权利要求7的高电阻灰铁合金，其中，其物理性能为热传导率(W/m°K): 硬度(HB) 拉伸强度(Mpa)疲劳强度(Mpa):通过旋转弯曲测得热疲劳(循环次数)温度范围50°C - 600°C 可加工性(Km):利用陶瓷刀具以400米/分钟的速度进行铣削显微组织珠光体98%至100%:收缩倾向(％) 阻尼因子(％): 泊松比在室温下45 至 60 230 至 250 300 至 370 170 至 190 20x1039至11A型石墨，4/7 1.0 至 2.090 至 1000.25 至 0.2全文摘要
本申请的目的是限定一种通过本发明方法获得的新合金，这种合金同时表现出了灰铁合金的机械性能和物理性能，即出色的可加工性、减振性、热传导性、低收缩倾向以及良好的显微组织稳定性，并且具有宽的CGI拉伸强度边界范围。
文档编号C21C1/08GK102317480SQ200980156700
公开日2012年1月11日 申请日期2009年2月12日 优先权日2009年2月12日
发明者奥托·卢基亚诺·莫尔·德·奥利韦拉, 杰斐逊·平托·维拉福特 申请人:泰克西多巴西有限公司