用于内燃机机体和缸头的蠕墨铸铁合金的制作方法

本发明涉及蠕墨铸铁合金，其被特别设计来用于具有机械强度和疲劳强度特殊要求的内燃机机体和缸头。

发明背景

在汽车工业中对于具有高机械强度的铸造合金的需求强烈，其意在减少车辆重量和提高发动机功率。采用cgi400和cgi450牌号的蠕墨铁的到来给设计者带来新的机遇，用于具有不同尺寸但都具有高功率密度的发动机中的机体和缸头。这些蠕墨铸铁具有比灰口铸铁好得多的机械强度，达到最高至450mpa的强度极限和315mpa的屈服应力0.2，其中在具有平均拉伸等于零的拉伸-压缩应力中疲劳极限可高于160mpa。另外，蠕墨铸铁的热传导性好，介于球墨铁和灰口铁之间，允许暴露于高温的零件中的良好散热。

技术标准iso16112/200预见最高至500mpa强度极限的一类，但是这并没有转变为对这一类有用的任何合适的工业制造技术。另外，根据iso标准，这一类的硬度将为最高至260hb。标准astma842因为该标准限制蠕墨铁的球化率为20％，所以没有预测所述一类具有500mpa强度极限，因为其将需要更大的球化率。在标准saej1887中预期了500类别，然而具有最高至50％球化率和最高至269hb的硬度，其应该明显地减小热传导性并表现出存在收缩和机加工的特殊困难。严格的讲，所述类别仅适合具有非常简单几何形状的零件，例如气缸套和环。同样，描述于专利cn101423914中的蠕墨铁(甚至具有珠光体基体)仅适用于具有非常简单几何形状的零件例如环，因为它们含有高磷水平，磷提高复杂零件中铸造缺陷的存在趋势，从而使其不能获得高机械强度(特别是疲劳强度)值。另一个专利甚至更早，1977年的美国专利4,036,641描述使用铁-硅-镁-稀土-钛合金制造蠕墨铁的方法，其产生具有高钛含量(最高至0.15％)的蠕墨铁，这由于倾向形成内部孔隙(从而不允许实现高机械强度值)而也不适用于复杂零件例如发动机机体和缸头。

因此，在机体和缸头(具有复杂几何形状的零件)中提高蠕墨铁的使用，需要新一类这种材料，其具有500mpa的最小强度极限和不超过260hb的硬度值。

发明目的

在这一方面提出了具有机械强度和疲劳强度特殊要求的蠕墨铸铁合金的本发明。

发明概述

提出了具有高机械强度和高疲劳强度用于制备内燃机机体和缸头的蠕墨铁合金，具有珠光体基体和主要为蠕虫状石墨(>70％)并且存在最高至30％石墨球的显微组织，其中通过如以下限定的具有显微组织因数值高于0.94的显微组织因数(fm)描述它的石墨显微组织，其中fm＝(8.70×a1-0.541×a2+0.449×a3+0.064×a4)/1000，(a1-球化百分比，是指石墨的球形颗粒数(考虑到颗粒小于10μm)，a2-每mm²大于10μm的石墨颗粒数，a3-每mm²小于10μm的石墨颗粒数，和a4-每cm²共晶晶胞数。具有高机械强度用于制备内燃机机体和缸头的蠕墨铁合金表现出500mpa的最小强度极限、350mpa的最小屈服应力、190mpa的最小疲劳极限(拉伸-压缩，r＝-1)。

提出了内燃机机体，其在从支撑轴承获得的样品中表现出500mpa的最小强度极限、350mpa的最小屈服应力、190mpa的最小疲劳极限(拉伸-压缩，r＝-1)。

提出了内燃机缸头，其在从燃烧面获得的样品中表现出500mpa的最小强度极限、350mpa的最小屈服应力、190mpa的最小疲劳极限(拉伸-压缩，r＝-1)。

附图简要描述

将以以下所列附图为基础来详细描述本专利的发明，其中：

图1显示本发明目的的蠕墨铁的显微照片，其中：(a)-光学显微术，200x放大倍率，没有侵蚀；(b)-扫描电子显微术，采用深度侵蚀，1000x放大倍率；

图2显示本发明目的的蠕墨铁的显微组织(奈塔尔腐蚀液侵蚀和400x放大倍率)；

图3显示对于本发明目的的蠕墨铁而言的拉伸强度极限和屈服应力的结果。从v6发动机机体的轴承获得样品。样品的平均强度极限＝540mpa。样品的平均屈服应力＝390mpa。

发明详细描述

本发明提供新的蠕墨铸铁合金，其具有允许获得高机械性质(特别是疲劳强度)水平的显微组织。可在图1和2中看到这种显微组织，其由珠光体基体和主要为蠕虫状石墨的组织(标准iso945/1975的形式iii)、具有最小70％的蠕虫状石墨并且存在最高至30％石墨球(标准iso945/1975的形式vi)组成。与cgi400和cgi450牌号的蠕墨铁对比，这种新类型蠕墨铁的主要显微组织区别描述在显微组织因数(fm)中，其限定如下：

fm＝(8.70×a1-0.541×a2+0.449×a3+0.064×a4)/1000，其中：a1-球化百分比，是指石墨的球形颗粒数(考虑到颗粒小于10μm)；a2-每mm²大于10μm的石墨颗粒数；a3-每mm²小于10μm的石墨颗粒数；和a4-每cm²共晶晶胞数。

cgi400和cgi450牌号的蠕墨铁表现出在0和0.93之间的显微组织因数，而本发明的蠕墨铁显示大于0.94的显微组织因数。通过将金属浇铸在模具中之前液浴处理，并且包括联合添加平衡比例的mg(从0.010至0.070％)、稀土(从0.005至0.050％)和富si球化剂(从0.005至0.150％)来获得这种显微组织区别。蠕墨铁的化学组成是这种材料的特性，不具有特殊的合金化元素，并且含有碳(3.0-3.9％)、锰(0.1-0.6％)、硅(1.5-3.0％)、镁(0.005-0.030％)、铈(0.005-0.030％)、锡(0.04-0.12％)、铜(0.2-1.2％)、硫残余(小于0.030％)、磷残余(小于0.050％)和钛残余(小于0.020％)，所有这些百分比以重量计。还可存在铸铁中的其他常见杂质。

如此获得的具有显微组织因数大于0.94的显微组织，允许在具有r＝-1的107次循环的拉伸-压缩测试中获得500mpa的最小强度极限、350mpa的最小屈服应力和190mpa的最小疲劳极限。硬度值为最高至255hb。

特别地，所述蠕墨铁合金特征在于其呈现出导致高机械性质值的显微组织。所述机械性质特征在于在107次循环的拉伸-压缩测试中500mpa的最小强度极限、350mpa的最小屈服应力和190mpa的最小疲劳极限。采用珠光体基体并且采用通过如本文所述的显微组织因数描述的石墨形态和分布获得这组性质。

这一显微组织因数应假定最小值为0.94，其中蠕虫状石墨占多数(>70％)并且存在最高至30％的球状石墨。

具有这组性质，则可设计新的发动机机体和缸头以便减小部件的重量并提高发动机功率。

图3显示本发明目的的蠕墨铸铁拉伸测试的一组结果。证实了这种蠕墨铁在从零件获得的样品中(在来自v6发动机机体的支撑轴承的情况下)表现出大于500mpa的强度极限，和大于350mpa的屈服应力。这一样品通过阶梯法在具有r＝-1的拉伸-压缩测试中提供了193mpa的疲劳极限值。

因此，本发明具有高机械强度(特别是高疲劳强度)的蠕墨铁允许开发适合于包括高机械应力水平的高功率密度发动机的高性能发动机机体和缸头。