专利名称：：含铌的高强度灰铸铁的制作方法
技术领域：
：本发明总体涉及灰铸铁，更具体而言，本发明涉及具有高强度的灰铸铁。
背景技术：
：一般而言，铸铁是铁、碳和硅的合金，其中，碳的存在量比共晶温度下奥氏体固态溶液中可能保持的碳更多。铸铁中碳的含量通常大于1.7%和小于4.5%。工业应用中存在着多种类型的铸铁。作为炼铁高炉产物的生铁可以被认为是铸铁，因为它是被铸造成锭或块(其随后用于再熔和铸造成最终形式)的铁。另外一种合金铁是奥氏体铸铁，其通过添加镍和其它元素进行改造以降低其转变温度，以使得在室温或常温下其结构是奥氏体的。奥氏体铸铁通常被用于需要高度耐腐蚀性的应用中。白铸铁是铸铁的一种类型，其中，几乎所有的碳与铁相结合形成渗碳体。通常白铸铁被用于需要高耐磨性的应用中。另一类的铸铁被称为可锻铸铁。可锻铸铁是通过将白铸铁进行退火以改变铁中碳的结构而制成的。通过退火，白铸铁中的渗碳体分解成为小的石墨致密颗粒(而不是灰铸铁中观察到的片状石墨)，从而增加了材料的延展性。还有另外两类铸铁，它们是可延展的，被称为球墨铸铁(nodulariron)和延性铸铁(ductilecastiron)。球墨和延性铸铁是通过添加锰或铝制成的，其或者以结合状态束縛住碳，或者使游离碳成为球形或结节状。这一结构为铸造提供了更大的延展性或可锻性。此外还有包含少量铬、镍、钼、铜或其它用于提供特定性质的元素的合金铸铁。这些合金通常提供更高强度的铸铁。高强度铁的主要用途之一为铸造汽车曲轴。这些合金有时候被称为半钢或以其专用商标名称相称。应用最广的铸铁类型被称为灰铁。其大规模的产量超过了其它任何铸造金属的产量。灰铁的组成各式各样，但是通常情况下其基质(matrix)结构主要是在整个范围内分散着许多片状石墨的珠光体。灰铸铁的弯曲能力和延展性非常低。延展性低是由于存在片状石墨，其起到间断面的作用。灰铸铁具有多种材料性质，例如低浇注温度、高流动性、低液态至固态收缩性等，这些性质使得灰铸铁适宜铸造。灰铸铁还容易得到，并且是最便宜的铁质材料形式之一。广泛应用灰铸铁的一个工业领域是汽车工业。使用合金元素调整灰铸铁性质的能力使其适用于制造不同的汽车部件。例如，经过调整具有耐热疲劳性的灰铸铁组合物被用于制造发动机组和气缸盖，而经过调整具有高热传导性和比热容的灰铸铁组合物被用于制造刹车片。为了满足新的性能要求和更加严格的汽车排放标准，要求发动机比以前制造的发动机在更高的温度和更高的压力下运行。更高的温度和更高的压力需要增加灰铸铁的强度和提高灰铸铁的耐热疲劳性。这对于发动机气缸盖而言尤为重要。发动机气缸盖由于与燃烧室非常近，其最容易受到热疲劳损伤和发生蠕变。在燃料燃烧过程中，燃料室中的气体温度可接近1300°F,压力可接近160MPa。该热量可以传导至气缸盖。为了避免在吸气沖程中热量传导回燃烧室内的吸入空气中(其降低吸气效率并最终降低发动机效率)，可以使冷却液经过气缸盖中的通道进行循环来冷却气缸盖。在发动机操作过程中对气缸盖进行的循环加热和冷却与由气缸壁上的压力产生的高机械应力相结合，使得气缸盖非常容易发生热疲劳和蠕变。研究显示，灰铸铁气缸盖的抗热疲劳和蠕变性取决于灰铸铁中合金元素的组成。传统上，钼(Mo)和钒(V)是已知提高耐热疲劳性的最有效的促进剂。在传统合金元素中，这两种元素被认为对于优化灰铸铁的共晶团(eutecticcell)大小以提高耐热疲劳性是独一无二的。于1993年9月7日授权于Begin的美国专利5242510(下面称为510专利)公开了含钼的灰铸铁，用以提高汽车组件的高温热疲劳抗性。510专利中公开的铸铁合金的碳含量为3.4重量百分比至3.6重量百分比，主要的合金添加物为含量为0.25百分比至0.4百分比的钼和含量为大约0.3百分比至0.6百分比的铜的组合。510专利中的铸铁合金还包含大约1.8百分比至2.1百分比的硅、大约0.5至0.9百分比的锰，以及不大于0.25百分比的铬和0.15百分比的碌"由专利510的铁合金铸造的样品显示了具有优化的共晶团大小的全珠光体基质的微观结构。该微观结构还显示出任意位向的基本均匀的石墨分布。510专利微观结构中的石墨的片大小主要为5_7ASTM。由510专利的合金铸造的样品还显示出抗拉强度为至少40000psi(-276MPa),硬度为大约179至大约229BHN。尽管510专利中的灰铸铁合金具有可接受的耐热疲劳性和强度，但是含钼灰铸铁合金的成本可能很高。随之灰铸铁材料成本的增加会对该材料在汽车(和其它商业)应用中的适用性造成负面影响。因此，在商业应用中需要具有良好的耐热疲劳性和强度的低成本灰铸铁合金。本发明旨在克服现有技术中高强度灰铸铁的一个或多个缺陷。
发明内容本发明的一个方面公开了一种灰铸铁合金。该合金包含大约3.05至大约3.40重量百分比的碳、大约0.05至大约0.3重量百分比的铌和大约1.75至大约2.3重量百分比的硅。该合金还包含小于或等于大约0.06重量百分比的^^。本发明的另一个方面公开了一种包含大约3.05至大约3.40重量百分比的碳、大约0.05至大约0.3重量百分比的铌和大约0.04至大约0.15重量百分比的硫的灰铸铁合金。该合金中的碳基本以ASTMA247中限定的具有3-6的片大小的A型构型片状石墨形式存在。本发明的再另一个方面公开了一种由灰铸铁合金制成的铸件。该铸件包含大约3.05至大约3.40重量百分比的碳。该铸件中的碳基本以ASTMA247A型片状石墨的形式存在。该铸件还包含大约0.05至大约0.3重量百分比的铌、大约1.75至大约2.3重量百分比的硅，以页及小于或等于大约4.1重量百分比的碳当量。该铸件在室温下的抗拉强度为大约290MPa至大约360MPa。具体实施例方式灰铸铁之所以这样命名是由于其断面呈灰色。灰铸铁在由铁素体、珠光体或二者的组合物构成的基质中包含片状石墨形式的碳。这些片状石墨的形状和分布可能会影响灰铁铸件的性质。确定石墨分布和大小的标准方法是基于美国金属测试协会(ASTM)规范A247，其对石墨的形式、分布和大小进行了分类。在ASTMA247中，片状形态被分为五类(A型-E型)。A型是大小基本均匀的片的随机分布。当在液态铁中存在高成核(nucleation)度时，通常形成A型片状石墨，从而促进接近于平衡石墨共晶体的固化。B型石墨是以菊花(rosette)模式形成。由于成核度较低，B型石墨的共晶团大小较大。在菊花的中心由于过冷(undercooling)形成细片，且随着结构的生长，这些细片变粗。C型结构通常出现在过共晶铁(见下文描述)中，其中，最初形成的石墨主要为漂浮石墨。D型和E型是在石墨核不足的快速冷却铁中形成的细的、过冷的片状石墨。这一石墨形态阻止全珠光体基质的形成。ASTM规范还提供了测量片状石墨大小的标准。该测量是通过将100X的标准放大倍率下合金的抛光样本与规范中提供的一系列标准图进行对比来完成的。片状石墨的大小和类型主要取决于固化温度、冷却速率和熔体的成核状态。片状石墨起到应力集中部位(stressraiser)的作用，其在低应力下过早地造成局部的塑性流动，并在高应力下引起基质断裂。因此，灰铸铁的非弹性性能最低，但是却具有良好的阻尼特性，因而在不发生显著塑性变形的情况下不能拉伸(也就是脆性)。片状石墨的存在还使得灰铸铁具有良好的机械加工性能和自润滑特性。为了在灰铁铸件中实现理想的机械性能，液态铁必须具有适当的组成，并必须包含合适的合金元素来诱导固化时形成的适当石墨结构(也就是石墨化能力(graphitizationpotential))。石墨化能力部分地通过合金中的碳当量值(下面详细说明)和硅含量决定。为了在具有不同壁厚的铸件中使用合金，合金性质的截面大小敏感性较低也是重要的。某些情况下，为了增加强度而添加的合金元素会提高截面大小敏感性。除了形成一致的石墨结构以外，灰铸铁合金还应该相对地消除冷铁(chill)、碳化物和游离铁素体，并显示出具有均匀强度和硬度的细珠光体微观结构。冷铁是指由于与模具的金属表面相接触引起局部加速冷却而导致固化成为白铸铁的铸件部分。在固化过程中，碳化物会在铸铁中析出。尽管碳化物不会特别地损害合金的强度，但是它们会负面影响合金的机械加工性能。基质中的游离铁素体可以降低铸件的强度。由于珠光体比游离铁素体强度要高，因此合金强度可以通过完全消除游离铁素体而最大化。合金元素的主要功能是控制奥氏体的转变以实现细珠光体结构，从而提高强度。但是，有助于这一转变过程的某些合金元素对固化过程具有负面作用，会产生冷铁和碳化物。因此，为了制造出具有理想特性的合金，需要对合金元素的组成进行良好的控制。下述表I列出了本发明公开的高强度灰铸铁的一些成分的大致组成范围。表I成分大致组成(重量百分比)样口c^的组成范围(重量百分比)碳(c)硅(Si)碳当量(C.E)=%C+(%Si/3)锰(Mn)最低的锰硫(S)磷(P)镍(Ni)3.05至3.401.75至2.300.5至0.701.7x0.04至0.1550.0650.063.1至3.351.9至2.2S楊0.5至0,6(%S)+0.30.09至0.15<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>合金中存在的碳可以为大约3.05至大约3.40重量百分比，尽管在某些实施方式中，碳的组成可以为大约3.1至大约3.35重量百分比。碳可能是合金中最重要的成分。除了基质珠光体中的碳以外，碳以石墨形式存在。合金中存在的片状石墨主要是ASTMA247的A型构型，且片大小为3-6。尽管基质主要是由珠光体组成的，但是还可能存在一些铁素体和痕量的贝氏体和/或马氏体。如果存在斯氏体和碳化物的话，它们的量不能超过最大2%，并可作为孤立的非块状颗粒或非连续网状物均匀地分布。合金中存在的硅可以为大约1.75至大约2.30重量百分比。在某些实施方式中，合金中硅的组成可以为大约1.9至大约2.2重量百分比。可以向合金添加硅来减少冷铁和碳化物。但是，硅可能通过促进铁素体的形成对合金的强化产生负面影响。控制硅的组成对于实现合金的理想性质而言是重要的。添加硅可以降低碳在铁中的溶解度，并可以降低共晶体中碳的含量。提高硅含量可以降低珠光体的碳含量，并提高铁素体加珠光体向奥氏体转变的转变温度。铁和碳的共晶体大约为4.3重量百分比。每添加l.OO重量百分比的硅降低共晶体中大约0.33重量百分比的碳量。既然碳和硅是合金中的两种主要元素，这两种元素的组合效应可以表述为碳当量(C.E)。碳当量表示为合金中碳的重量百分比加上合金中硅的重量百分比的1/3。本发明公开的合金的C.E值可以小于或等于大约4.1重量百分比。在某些实施方式中，C.E值可以小于或等于大约4.08重量百分比。碳当量值小于大约4.3百分比的灰铸铁被称为亚共晶铁，而碳当量值大于大约4.3百分比的灰铸铁被称为过共晶铁。因此，本发明的铸铁合金为亚共晶铁合金。对于汽车和配套工业中的亚共晶铁而言，碳当量值每增加0.10%可以降低大约18.6MPa的抗拉强度。如果冷却和固化速率对于合金的碳当量值而言太大的话，合金可能会凝固在铁-铁碳化物亚稳态系统中，而不是形成稳定的铁-石墨系统，这可能导致在铸件上形成硬边或冷边(chillededge)。可以通过改变碳和硅的含量之一或者两者来改变碳当量值。相对于增加碳含量，增加硅含量达到相同的碳当量值可以对减少硬边起到更大的作用。合金中存在的锰可以为大约0.5至大约0.7重量百分比。在某些实施方式中，锰的浓度可以为大约0.5至大约0.6重量百分比。合金中存在的锰大部分为硫化锰。高于结合硫所需量的过量锰可以延缓铁素体的形成，并适度地细化珠光体。只有不与硫结合的锰的部分才能达到这个目的。在某些实施方式中，锰的最低浓度可以限制为大约(1.7x硫的百分比)+0.3百分比或更高。例如，对于含0.05百分比的硫的合金，锰的浓度可以为大约0.5至大约0.7重量百分比，而对于含大约0.14百分比的硫的合金，锰的浓度可以为大约0.54至大约0.7重量百分比。锰是强的珠光体形成促进剂，因为锰可以通过提高奥氏体中的碳的溶解度来稳定奥氏体。锰还可以降低铁素体形成的平衡温度。向合金中添加大量的锰可能扰乱硫-锰平衡并改变成核的状态，因而导致较低的共晶团计数以及粗或过冷的石墨。合金中存在的硫可以为大约0.04至大约0.15重量百分比。在某些实施方式中，^L的组成可以为大约0.09至大约0.15重量百分比。在高达大约0.15百分比时，硫可以倾向于促进A型石墨的形成。高于该百分比时，碌u可以导致在铸件中形成气孔。合金中磷的含量可以小于或等于大约0.06重量百分比。在某些实施方式中，合金中磷的含量可以保持小于或等于大约0.02重量百分比。高达大约0.06百分比的磷可以促进熔融金属的流动性。高于该量时，磷化铁的形成可能对铸件的性质产生不利的影响。在某些实施方式中，当铬的含量小于或等于大约0.2百分比时，可以预想合金中磷的含量可以高达0.08百分比。合金中不需要存在铜和镍，因为不存在这些元素也可以实现所需的合金性质，而它们的添加增加了合金的成本。但是，可以预想在合金的某些实施方式中，铜和镍可以作为有意添加的合金元素或残留的合金元素存在。如果存在的话，合金中铜的浓度可以小于或等于大约l重量百分比。如果存在的话，镍的浓度可以小于或等于大约0.06重量百分比。在某些实施方式中，合金中镍的最大浓度可以小于或等于大约0.04重量百分比。铜是相对强的珠光体促进剂。与锡类似，铜可以通过在奥氏体-石墨界面聚集而作为碳扩散的屏障。铜只能较弱地细化珠光体。但是，当与其它合金元素(例如钼)结合时，铜可以显示出强得多的可硬化(hardenability)效应。与铜类似，镍也是弱的珠光体细化剂，且在与其它合金元素(例如钼)结合时，镍具有更好的可硬化效应。一般而言，铜和镍在铸铁中可以以相似的方式发挥作用。也就是铜和镍可以强化基质并降低铸件上形成硬边的趋势。由于铜和镍都是温和的石墨化剂，它们可以取代合金中的一些硅。合金中4各的含量可以小于或等于大约0.25重量百分比。添加铬可以提高合金的硬度和强度。铬是强的珠光体促进剂，因为其增加碳在奥氏体中的溶解度，并因此抑制铁素体的形成。在高达大约0.25百分比时，铬可以提高合金的高温强度。但是，高于大约0.25百分比时，铬可能在固化过程中促进冷铁和碳化物的形成。钼可用于提高灰铸铁合金的高温性质。合金中存在的钼可以为大约0.05至大约0.4重量百分比。在某些实施方式中，钼的浓度可以为大约0.05至大约0.3重量百分比。传统上，钼是用以提高灰铸铁强度的最广泛使用的合金元素。由于钼与磷形成复合共晶体并因此降低合金效应，当磷的含量低于O.IO百分比时可以实现最佳结果。由于钼的弹性模量非常高，因此添加钼可能增加合金的弹性模量。但是，钼造成的成本增加可能使得含钼的灰铸铁变得比较昂贵。为了降低合金的成本，合金中的钼可由铌代替。合金中存在的铌可以为大约0.05至大约0.3重量百分比。为了降低成本，铌可以代替合金中的钼。因此，在合金的某些实施方式中，一部分钼可由铌代替。可以预想在钼由铌代替的某些实施方式中，钼的浓度可以更接近于允许范围的下限(即大约0.05重量百分比)，而铌的浓度可以更接近允许范围的上线(即更接近于大约0.3重量百分比)。合金中存在的锡可以高达大约0.1重量百分比。少量添加锡(小于0.10百分比)可以提高合金中珠光体的稳定性。高于这一限度时，锡可能在合金中？1起脆化以及其它的负面副作用。合金组合物的余量可以由铁组成。除了表I中所列的成分，该合金还可以包含痕量的其它杂质。表II列出了合金中可能存在的一些杂质及其典型的最大浓度。需要强调的是，表n只是示例性的，合金可能包含表n中未列出的杂质。一种或多种杂质的浓度也可能超出表n中所列出的典型的最大浓度。表n<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>工业实用性本发明公开的高强度灰铸铁可用于制造可能暴露于高温和/或热循环条件下并需要高强度的任何物品。本发明公开的合金可用于发动机和动力系统的组件。例如，本发明公开的合金可用于柴油发动机气具有足以耐受气缸盖所承受的应力和循环温度的高强度和耐热疲劳性。但是，本发明并不局限于这些应用，因为其它的应用对于本领域技术人员也是显而易见的。本领域已知的任何模制和孕育(innoculation)工艺都可被用于铸造高强度灰铸铁物品。合适的铸造工艺的非限制性例子是湿砂铸造、干砂铸造、壳模铸造、离心铸造等。另外，产生具有所要求的石墨形态和机械性能的合金的任何本领域已知的冷却曲线都可以用于冷却熔融合金。具有表I所列范围内的组成的不同实施方式合金的样品(在标题为"样品的組成范围"的栏下所列的)被铸造，并经受冶金学和机械测试。特别地，这些样品按照ASTM标准在铸造的同样条件下进行抗拉和硬度测试。测试样品的抗拉强度为大约290-360MPa,样品的硬度为大约195-253BHN。在硬度测试中，样品被研磨到足够的深度(大约1mm)以避免表面效应。可以设想，如果样品的才几械加工性能不受到负面影响的话，合金的抗拉强度可以超过360MPa。机械加工性的负面影响可能特别表现为加工过程中工具寿命的降低、较差的表面光洁度等。通过以IOOX放大倍率对直径1.6mm范围的铸件进行微观结构分析，发现石墨形态主要是ASTM的A型，片大小为3-6。还可以设想，合金的实施方式可能包含其它片状类型，以使得样品的抗拉强度为大约290-360MPa。样品基质主要由珠光体组成。可以设想在合金的某些实施方式中，基质中可以存在铁素体，其程度使得合金的抗拉强度不会下降到低于大约290MPa。基质中还可以存在痕量的贝氏体或马氏体。在某些实施方式中，基质中可以存在高达2百分比上限的斯氏体和碳化物。如果合金中存在斯氏体和碳化物，它们可以作为冶金学和机械测试表明合金的强度、耐热疲劳性和其它性质达到或超过典型的含钼灰铸铁合金的性质。合金强度的增加是通过用铌取代钼来实现的。市场研究显示铌的价格远远低于钼的价格。因此，减少高强度灰铸铁合金中的钼成分可以显著地降低合金的成本。本领域技术人员知道，可以对本发明公开的高强度灰铸铁进行各种不同的改进和变化。在考虑了本发明公开的高强度灰铸铁的说明书和对其进行实施后，其它的实施方式对本领域技术人员是显而易见的。本发明的说明书和实施例仅是示例性的，要求保护的真正范围由下述权利要求书和它们的等同范围确定。权利要求1.一种灰铸铁合金，包含大约3.05至大约3.40重量百分比的碳；大约0.05至大约0.3重量百分比的铌；大约1.75至大约2.3重量百分比的硅；小于或等于大约4.1重量百分比的碳当量；和小于或等于大约0.06重量百分比的镍。2.根据权利要求1所述的灰铸铁合金，进一步包含大约0.04至大约0.15重量百分比的^L;锰的最低浓度大于或等于(1.7x硫浓度+0.3)和0.5中较大者；和锰的最高浓度小于或等于大约0.7重量百分比。3.根据权利要求1所述的灰铸铁合金，进一步包含小于或等于大约0.06重量百分比的磷；和小于或等于大约0.25重量百分比的铬。4.根据权利要求1所述的灰铸铁合金，进一步包含大约0.05至大约0.4重量百分比的钼。5.根据权利要求1所述的灰铸铁合金，进一步包含小于或等于大约0.1重量百分比的锡；和小于或等于大约1重量百分比的铜。6.根据权利要求1所述的灰铸铁合金，其中，所述合金在室温下的抗拉强度为大约290MPa至大约360MPa，且在足以避免表面效应的深度进行测量时，其石更度值为大约195BHN至大约253BHN。7.根据权利要求1所述的灰铸铁合金，其中，碳基本以片状石墨形式存在，且如ASTMA247规范所确定的，该片状石墨基本上为A型构型并具有3-6的片大小。8.由权利要求1-7中任一项所述的灰铸铁合金制成的物品。9.一种由灰铸铁合金制成的铸件，包含大约3.05至大约3.40重量百分比的碳，其中，所述碳基本以ASTMA247A型片状石墨形式存在；大约0.05至大约0.3重量百分比的铌；大约1.75至大约2.3重量百分比的硅；和小于或等于大约4.1重量百分比的碳当量，其中，该合金在室温下的抗拉强度为大约290MPa至大约360MPa。10.根据权利要求9所述的铸件，进一步包含大约0.04至大约0.15重量百分比的碌u;锰的最低浓度大于或等于(1.7x硫浓度+0.3)和0.5中的较大者；和锰的最高浓度小于或等于大约0.7重量百分比。全文摘要本发明涉及一种灰铸铁合金。所述灰铸铁合金包含大约3.05至大约3.40重量百分比的碳、大约0.05至大约0.3重量百分比的铌和大约1.75至大约2.3重量百分比的硅。所述灰铸铁合金还包含小于或等于大约0.06重量百分比的镍。文档编号C22C37/00GK101622367SQ200880006275公开日2010年1月6日申请日期2008年1月31日优先权日2007年2月28日发明者J·K·贾斯扎罗维斯基,J·W·埃登伯恩(已故),L·W·玛西尼,M·J·莫蒂尔,R·W·康科林申请人:卡特彼勒公司