氣缸套和鑄鐵合金的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種鑄鐵合金（1），其呈現(xiàn)球狀石墨形態(tài)（3）。所述合金用于制備內(nèi)燃機(jī)的氣缸套，其優(yōu)點(diǎn)是具有更好的機(jī)械性能，這會(huì)使所得的氣缸套具有降低的厚度，使得發(fā)動(dòng)機(jī)更輕、功率更大、更耐久，并且會(huì)獲得總體上好得多的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。
【專利說明】氣缸套和鑄鐵合金
[0001]本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)部件的球狀石墨鑄鐵合金，更具體而言，本發(fā)明涉及機(jī)械性能優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)、同時(shí)能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率以及使其重量減輕的氣缸套(cylinderliner)。
【背景技術(shù)】
[0002]用于內(nèi)燃機(jī)的氣缸套是這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)部件:它們由于所進(jìn)行的工作類型而要經(jīng)受顯著的磨損。
[0003]鑒于市場(chǎng)的新需求，對(duì)新型發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部構(gòu)件具有更高的要求，就這一點(diǎn)而言，需要提供能夠確保具有更好的性能并且還能有助于提供更可靠和更高的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的方案。
[0004]基于這一原則，一些汽車零部件的制造商試圖尋找一些技術(shù)方案，特別是用于內(nèi)燃機(jī)的汽缸套的技術(shù)方案等。
[0005]能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的可能的解決方案之一可通過加強(qiáng)用于生產(chǎn)汽缸套的材料來實(shí)現(xiàn)。就此而言，人們提出了一些改進(jìn)，特別是在包含鑄鐵合金的汽缸套方面提出了一些改進(jìn)。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中用于制備汽缸套的主要合金之一是灰鑄鐵。這種合金成本低，能提供良好的機(jī)械性能，這是因?yàn)槠滹@微組織中存在有游離的石墨。然而，灰鑄鐵的形態(tài)顯示出:(片狀)析出石墨(graphitization)呈脈狀(vein)分布在珠光體顯微組織中，這最終會(huì)損害重要的機(jī)械性能，如 抗拉強(qiáng)度、剛度和疲勞強(qiáng)度。
[0007]這一事實(shí)是因?yàn)榇嬖谟幸跃W(wǎng)狀形式分布(隨機(jī)分布)于珠光體顯微組織基質(zhì)中的脈狀石墨而導(dǎo)致的，由于該石墨形態(tài)所致的溝槽效應(yīng)(grooving effect),導(dǎo)致材料中除了可能的裂紋擴(kuò)展以外，還產(chǎn)生一定量的互相連接的間隙。換句話說，包含灰鑄鐵的氣缸套不具有塑性變形的特征。
[0008]在嘗試改善用于生產(chǎn)氣缸套的材料的性質(zhì)時(shí)，為了使灰鑄鐵合金的缺陷最小化，人們已經(jīng)提出了多種合金。為了這一目的，已經(jīng)提出了包含致密石墨的珠光體鑄鐵合金的技術(shù)方案，與常規(guī)的片狀珠光體材料相比，該合金獲得了更好的性能。
[0009]就這一點(diǎn)而言，專利文獻(xiàn)PI9704066-5描述了一種用于制備內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)的鑄鐵合金，其中公開了高度耐熱的鑄鐵合金。該合金包含占主要量的珠光體基礎(chǔ)組織，其具有致密的且為球狀的石墨形式的石墨析出物。雖然該文獻(xiàn)簡(jiǎn)要地提到了其它可能的應(yīng)用，以假設(shè)的方式指出了可用于氣缸套，但是該文獻(xiàn)并沒有對(duì)該主題做進(jìn)一步闡述，這給不同的鑄鐵合金在多種發(fā)動(dòng)機(jī)部件中的可能的應(yīng)用留下了機(jī)會(huì)。
[0010]請(qǐng)注意，該特定的文獻(xiàn)確定了:在欲具有致密化石墨的材料中，球狀石墨的典型限度為30%。因此，被視為致密化石墨鑄鐵合金的材料通常具有一定百分比的球狀石墨(參見圖1)。
[0011 ] 但是，在專利文獻(xiàn)PI9704066-5提出的方案中，除了氣缸套的成本(例如)在工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的可行性方面存在缺陷這一事實(shí)之外，即使鑄鐵合金中的石墨具有既致密化又為球狀的石墨形態(tài)，也不能充分確保氣缸套具有優(yōu)異的性能。
[0012]此外，美國(guó)專利6，318，330描述了具有兩相石墨形態(tài)的氣缸套，其中外徑是由球狀石墨和致密化石墨鐵構(gòu)成的，內(nèi)徑主要是由灰鐵或片狀鐵構(gòu)成的。該專利的優(yōu)點(diǎn)在于延性鐵材質(zhì)的外徑十分結(jié)實(shí)并且耐疲勞、耐裂紋和耐斷裂。該內(nèi)徑表現(xiàn)出良好的耐磨耗性和耐摩擦性(scuff resistance)。
[0013]但是，該兩相材料在生產(chǎn)時(shí)顯示出有障礙，主要是在控制襯套的內(nèi)徑與外徑之間的石墨形態(tài)分布時(shí)存在障礙，這會(huì)顯著影響生產(chǎn)成本。作為用來控制這種從球狀-致密化石墨至片狀石墨的形態(tài)分布的方法，該專利提到了根據(jù)Mg (鎂)和S (硫)對(duì)一種或另一種形態(tài)的形成所具有的不利影響來控制添加至合金中的Mg和S的含量，從而確保形態(tài)沿著襯套壁的橫截面逐漸過渡。要控制的含量區(qū)間在非常嚴(yán)格的范圍內(nèi)，有時(shí)為殘留量，這增加了生產(chǎn)難度，使得實(shí)際上無法根據(jù)規(guī)則說明以及分別按照品質(zhì)控制來供給材料。
[0014]例如，Mg的存在量會(huì)對(duì)石墨的形態(tài)產(chǎn)生顯著影響。濃度低于0.008%的Mg會(huì)導(dǎo)致形成片狀石墨，其組織主要為薄片狀的。濃度為0.008%至0.013%的Mg會(huì)導(dǎo)致形成致密化的CGI石墨，其組織是致密化的。此外，濃度為0.013%至0.020%的Mg會(huì)導(dǎo)致形成具有致密化和球狀性質(zhì)的致密化和球狀石墨的混合物。此外，濃度為0.020%至0.035%的Mg會(huì)導(dǎo)致形成80%至100%的球狀石墨組織，而濃度高于0.035%的Mg會(huì)導(dǎo)致形成完全球狀的石墨組織。
[0015]類似的是，S含量必須介于0.015%至0.02%之間，因?yàn)楦哂谠撝档臐舛葧?huì)導(dǎo)致球狀石墨組織向薄片狀狀態(tài)退化。
[0016]因此，鑒于這些文獻(xiàn)和現(xiàn)有技術(shù)，需要提出這樣的合金，該合金能夠獲得可避免現(xiàn)有技術(shù)問題的石墨形 態(tài)，從而提供一種具有優(yōu)異的機(jī)械性能的氣缸套的技術(shù)方案。
[0017]重要的是，需要指出，目前還沒有能夠獲得具有更優(yōu)的機(jī)械性能的氣缸套從而可能降低其壁厚以及提高抗氣蝕性和抗腐蝕性的技術(shù)方案。
[0018]發(fā)明目的
[0019]因此，本發(fā)明的目的是提供一種包含合金的氣缸套，所述合金能夠提高氣缸套的機(jī)械性能，從而獲得耐久性更長(zhǎng)、效率更高的發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0020]本發(fā)明的另一目的是提出一種氣缸套，該氣缸套能夠提供更高性能的內(nèi)燃機(jī)并使其最終重量有所減輕。
[0021]最后，本發(fā)明的目的還在于提出一種鑄鐵合金，其具有呈球狀的析出石墨，能夠提供具有上述特征的發(fā)動(dòng)機(jī)元件。
[0022]發(fā)明概述
[0023]本文所述的本發(fā)明的目的是通過提供一種用于內(nèi)燃機(jī)的氣缸套來實(shí)現(xiàn)的，所述氣缸套包含具有珠光體結(jié)構(gòu)的鑄鐵合金，并且至少70%的析出石墨具有球狀石墨形態(tài)，所述氣缸套具有高于230兆帕(MPa)的疲勞強(qiáng)度。
[0024]此外，本發(fā)明的目的是通過提供一種用于制備內(nèi)燃機(jī)部件的鑄鐵合金來實(shí)現(xiàn)的，所述合金具有珠光體結(jié)構(gòu)，至少70%為球狀的析出石墨，所述鑄鐵合金具有:至少2.8重量％至4.0重量％的碳，1.8重量％至3.5重量％的硅，0.2重量％至1.0重量％的錳，至多
0.5重量％的磷，至多0.05重量％的硫，至多0.5重量％的釩，至多0.5重量％的鑰，0.2重量％至1.5重量％的鎳，至多0.3重量％的錫，0.005重量％至0.06重量％的鎂，以及余量的鐵。
[0025]附圖的簡(jiǎn)要說明
[0026]下文將基于附圖示出的實(shí)施例來對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)的說明。所述附圖示出:
[0027]圖1一是現(xiàn)有技術(shù)鑄鐵合金的顯微照片；以及
[0028]圖2—是本發(fā)明鑄鐵合金的顯微照片。
[0029]圖3—是示出本發(fā)明鑄鐵襯套的形變(外側(cè)線)與現(xiàn)有技術(shù)鐵襯套的形變(內(nèi)側(cè)線)相對(duì)照的圖。
[0030]附圖的詳細(xì)說明
[0031]本發(fā)明提出了一種球狀石墨鑄鐵合金以及由所述合金制備的氣缸套。所述合金主要呈現(xiàn)出球狀石墨占主導(dǎo)地位的石墨形態(tài)。換言之，在鐵基質(zhì)I中，所謂的具有球狀石墨形態(tài)的析出石墨應(yīng)當(dāng)占大多數(shù)，圖中以參考標(biāo)號(hào)3不出，余量(不超過30%)的石墨具有脈狀的形態(tài)，圖中以參考標(biāo)號(hào)2示出(參見圖1)。因此,如圖1示例性示出的那樣，球狀石墨形態(tài)將在70%至100%的范圍內(nèi)變化。
[0032]為了避免形成脈 狀形式的石墨(已知的是，鎂的量升高有助于脈狀形式的減少)，構(gòu)想出了在氣缸套中具有優(yōu)異的適用性的珠光體鑄鐵合金。根據(jù)圖2，鑄鐵合金I具有主要為球狀的石墨形態(tài)2,而不存在余量的具有脈狀形態(tài)3的石墨。
[0033]這樣的鑄鐵合金呈現(xiàn)出至少70%為球狀的析出石墨3，并含有:至少2.8重量％至
4.0重量％的碳，1.8重量％至3.5重量％的硅，0.2重量％至1.0重量％的錳，至多0.5重量％的磷，至多0.05重量％的硫，至多0.5重量％的釩，至多0.5重量％的鑰，0.2重量％至
1.5重量％的鎳，至多0.3重量％的錫，0.005重量％至0.06重量％的鎂，以及余量的鐵。
[0034]此外，本發(fā)明的合金包含以下元素中的至少一者:銅、鈷、鈦、鈮、硼、鋁、鑰、鋯、氮、銻、砷和鉍，其合計(jì)占所述合金總重量的至多7.0%。
[0035]請(qǐng)注意，本發(fā)明的球狀石墨鑄鐵合金中的化學(xué)元素可以在所述的值之間變化，只要其表現(xiàn)出的形態(tài)中大于70% (可以達(dá)到100%的最大量)為球狀石墨3即可。
[0036]本發(fā)明的球狀石墨鑄鐵合金尤其是針對(duì)內(nèi)燃機(jī)的氣缸套而開發(fā)的，由此確保了這類合金的主要特征成為氣缸套的固有特征。
[0037]這類合金的多種優(yōu)點(diǎn)源自于以下事實(shí):石墨在金屬基質(zhì)中保持游離態(tài)，但是為球狀石墨的形式。這種形狀的石墨使材料具有更高的彈性模量，從而賦予與常規(guī)鋼材在這方面的性質(zhì)相接近的性質(zhì)。
[0038]雖然該合金的成本略高于灰鑄鐵(其具有脈狀形式的石墨)，但是，氣缸套的機(jī)械性能的提高完全彌補(bǔ)了這種差異。
[0039]因此，與現(xiàn)有技術(shù)的合金相比，本發(fā)明的合金能夠提供具有總體上更優(yōu)的耐機(jī)械性和良好的耐腐蝕性的氣缸套，這是因?yàn)榇嬖谟星驙钚问降牟贿B續(xù)的石墨。
[0040]因此，與現(xiàn)有技術(shù)的合金相比，本發(fā)明的合金表現(xiàn)出非常優(yōu)異的典型值，如下表所
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[0041]表1:由不同類型的鑄鐵合金獲得的結(jié)果的對(duì)比
【權(quán)利要求】
1.一種用于內(nèi)燃機(jī)的氣缸套，其特征在于，所述氣缸套包含鑄鐵合金，所述鑄鐵合金具有珠光體結(jié)構(gòu)，并且至少70%的析出石墨具有球狀石墨形態(tài)(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣缸套，其特征在于，所述鑄鐵合金包含:至少2.8重量％至.4.0重量％的碳，1.8重量％至3.5重量％的硅，0.2重量％至1.0重量％的錳，至多0.5重量％的磷，至多0.05重量％的硫，至多0.5重量％的釩，至多0.5重量％的鑰，0.2重量％至.1.5重量％的鎳，至多0.3重量％的錫，0.005重量％至0.06重量％的鎂，以及余量的鐵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的氣缸套，其特征在于，所述鑄鐵合金的顯微組織包含至多.15重量％的鐵素體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的氣缸套，其特征在于，所述鑄鐵合金包含以下元素中的至少一者:銅、鈷、鈦、鈮、硼、鋁、鑰、鋯、氮、銻、砷和鉍，其合計(jì)占所述合金總重量的至多.7.0%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的氣缸套，其特征在于，所述鑄鐵合金具有這樣的珠光體結(jié)構(gòu):至少70%為球狀的析出石墨(3)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5所述的氣缸套，其特征在于，所述氣缸套能夠在距離制得成品部件尚有至少一個(gè)步驟之前經(jīng)受淬火熱處理，所述淬火熱處理是通過在內(nèi)徑中的表面感應(yīng)進(jìn)行的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的氣缸套，其特征在于，該氣缸套在至少兩個(gè)機(jī)械加工步驟之后經(jīng)受熱處理，接著在至少三個(gè)機(jī)械加工步驟之后經(jīng)受新的熱處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7所述的氣缸套，其特征在于，該氣缸套具有高于500兆帕(MPa)的抗拉強(qiáng)度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8所述的氣缸套，其特征在于，該氣缸套具有高于130吉帕(GPa)的彈性模量。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-5所述的氣缸套，其特征在于，該氣缸套具有高于240HV的硬度。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的的氣缸套，其特征在于，該氣缸套具有在300Hv至835Hv范圍內(nèi)的硬度。
12.一種用于制造內(nèi)燃機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)部件的鑄鐵合金，其特征在于，該鑄鐵合金具有珠光體結(jié)構(gòu)，至少70%為球狀的析出石墨(3),所述鑄鐵合金包含:至少2.8重量％至4.0重量％的碳，1.8重量％至3.5重量％的硅，0.2重量％至1.0重量％的錳，至多0.5重量％的磷，至多0.05重量％的硫，至多0.5重量％的釩，至多0.5重量％的鑰，0.2重量％至1.5重量％的鎳，至多0.3重量％的錫，0.005重量％至0.06重量％的鎂，以及余量的鐵。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的鑄鐵合金，其特征在于，所述鑄鐵合金的顯微組織包含至多15重量％的鐵素體。
14.根據(jù)權(quán)利要求12和13所述的鑄鐵合金，其特征在于，所述鑄鐵合金包含以下元素中的至少一者:銅、鈷、鈦、鈮、硼、鋁、鑰、鋯、氮、銻、砷和鉍，其合計(jì)占所述合金總重量的至多 7.0%。
15.根據(jù)權(quán)利要求12-14所述的鑄鐵合金，其特征在于，所述鑄鐵合金具有珠光體結(jié)構(gòu)，至少100%為球狀的析出石墨(3)。
16.根據(jù)權(quán)利要求12-15所述的鑄鐵合金，其特征在于，該鑄鐵合金用于制備活塞環(huán)，或者用于制備凸輪軸的部件。
【文檔編號(hào)】C22C37/04GK104024449SQ201280050054
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2012年8月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月17日
【發(fā)明者】埃德莫·蘇亞雷斯·尤尼奧爾 申請(qǐng)人:馬勒發(fā)動(dòng)機(jī)零部件巴西有限公司, 馬勒國(guó)際公司