專利名稱：鑄鐵鑄件和用于生產(chǎn)鑄鐵鑄件的方法
鑄鐵鑄件和用于生產(chǎn)鑄鐵鑄件的方法本發(fā)明涉及鑄鐵鑄件，具體地涉及曲軸和用于生產(chǎn)曲軸的方法。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 1563的曲軸由根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN-GJS 700或EN-GJS 800的球狀石墨鑄鐵制成，其中，材料EN-GJS 700具有至少700MPa的抗拉強(qiáng)度，材料EN-GJS 800具有至少 800MPa的抗拉強(qiáng)度。為了減少燃料消耗，通過(guò)渦輪增壓增大發(fā)動(dòng)機(jī)中的點(diǎn)火壓力，并且為了附加地減少燃料消耗，盡可能地減小曲軸直軸承的直徑。這進(jìn)一步增大了曲軸的負(fù)荷。由于增大的負(fù)荷，曲軸常常由鍛鋼制成，這是因?yàn)殇撉S具有比球狀石墨鑄鐵制成的曲軸高的承載能力。鋼材料具有比鑄造材料高的密度，這增大了發(fā)動(dòng)機(jī)的總重量。使用鋼曲軸的附加缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)質(zhì)量增大。這兩個(gè)效應(yīng)致使機(jī)動(dòng)車(chē)所燃燒的燃料增多。此外， 鋼曲軸通常比鑄造曲軸成本高。還有在關(guān)于消耗潛能、聲學(xué)和安裝空間優(yōu)化質(zhì)量平衡時(shí)，鍛鋼曲軸相對(duì)于鑄造曲軸有以下缺點(diǎn)無(wú)法提供用于減輕重量的內(nèi)腔，因此必須例如通過(guò)鉆孔來(lái)提供重量減輕，而鉆孔成本高。還已知的是用ADI (奧氏體淬火延性鐵)來(lái)生產(chǎn)曲軸，ADI具有奧鐵結(jié)構(gòu)，這是指奧氏體結(jié)構(gòu)和鐵素體結(jié)構(gòu)。因此，將包括球狀石墨的鑄鐵鑄件加熱至奧氏體化溫度若干小時(shí)，然后淬火至約 350°C，這提供了奧鐵結(jié)構(gòu)。由ADI制成的曲軸具有高的抗拉強(qiáng)度、韌度和耐磨性。然而，像曲軸那樣的、由ADI 制成的厚壁鑄件需要高百分比的鎳和像鉬那樣的其它貴金屬成分，因此使鑄造合金復(fù)雜化。因此，本發(fā)明的一目的是提供一種鑄鐵鑄件，尤其是一種具有高強(qiáng)度、韌度和耐磨性的鑄鐵曲軸，而無(wú)需增加生產(chǎn)成本。根據(jù)本發(fā)明，這通過(guò)如權(quán)利要求1所述的鑄件來(lái)提供。權(quán)利要求2至5涉及根據(jù)本發(fā)明的鑄件的較佳實(shí)施例。權(quán)利要求6涉及根據(jù)本發(fā)明的用于生產(chǎn)鑄件的較佳方法。根據(jù)本發(fā)明，鑄件具有以下結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)包括第一層，第一層位于鑄件表面處且由奧鐵體形成，因此混合的結(jié)構(gòu)包括針狀鐵素體和嵌入的穩(wěn)定殘余奧氏體。鑄件表面處的奧鐵體層具有至少800MPa、尤其至少900MPa的抗拉強(qiáng)度(Rm)。奧鐵體層的彈性極限(Rp 0.2)較佳地是至少600MPa，尤其至少650MPa?？估瓘?qiáng)度也可大于lOOOMPa，但機(jī)加工就會(huì)變得困難。鑄件表面處的奧鐵體層的層厚較佳地是至少2mm，尤其至少4mm。在形成第一層的、鑄件表面處的奧鐵體層之后，有朝向鑄件內(nèi)部的第二層，第二層由包括奧鐵體(因此鐵素體和奧氏體)和屈氏體的混合結(jié)構(gòu)形成。屈氏體是細(xì)條狀珠光體，形成為羅賽塔形。在非常高放大倍數(shù)的光學(xué)顯微鏡下只能看到珠光體的細(xì)片。因此，在200倍放大倍數(shù)下，屈氏體的細(xì)片僅僅形成黑點(diǎn)，這意味著具體的細(xì)片非常細(xì)小以至于在這個(gè)放大倍數(shù)下無(wú)法看到。由于細(xì)小結(jié)構(gòu)，屈氏體具有低的內(nèi)部缺口效應(yīng)。因此，屈氏體有利于實(shí)現(xiàn)高的疲勞強(qiáng)度。這對(duì)于像曲軸那樣的高度受壓部件來(lái)說(shuō)是非常有利的。
根據(jù)鑄件的壁厚，結(jié)構(gòu)的其余部分，因此也是鑄件的與由奧鐵體和屈氏體形成的第二層相鄰的內(nèi)部，可由屈氏體和/或含屈氏體和比屈氏體粗的珠光體的混合結(jié)構(gòu)形成。 因此，例如在壁厚例如大于30mm的較厚鑄件中，典型的是，鑄件內(nèi)部有屈氏體和/或含屈氏體和較粗珠光體的混合結(jié)構(gòu)。這意味著，根據(jù)本發(fā)明的鑄件由梯度材料形成，該梯度材料包括第一層，第一層位于鑄件表面處且由奧鐵體形成；第二層由含奧鐵體和屈氏體的混合結(jié)構(gòu)形成；以及可選的在內(nèi)部的屈氏體和/或屈氏體和比屈氏體粗的珠光體的混合結(jié)構(gòu)。當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的鑄件用球狀石墨GJS作為基材來(lái)生產(chǎn)時(shí)，該鑄件進(jìn)一步在兩層中，以及在鑄件內(nèi)部的屈氏體或較粗珠光體中(假如設(shè)置的話)，包括球狀石墨。因此，石墨球均勻地分布，其中，參照橫截面，最小值較佳地是每平方毫米100個(gè)石墨球，且至多超過(guò) 0. 5%。由于球狀石墨，材料的密度相對(duì)于鋼材料減小，所以根據(jù)本發(fā)明的鑄件，因此尤其根據(jù)本發(fā)明的曲軸，比由具有相同體積的鍛鋼制成的曲軸輕。此外，在根據(jù)本發(fā)明的鑄件、 尤其根據(jù)本發(fā)明的曲軸中的具有不同構(gòu)造的內(nèi)腔提供了顯著的減重。根據(jù)本發(fā)明的鑄件生產(chǎn)所需的鑄鐵具有以下化學(xué)成分以重量計(jì)3. 2-3. 9%的碳，以重量計(jì)2. 0-2. 4%的硅，以重量計(jì)0.6-1. 3%的錳，以重量計(jì)0.6-1.0%的銅，以重量計(jì)0.030-0. 050%的鎂，以重量計(jì)0. 0-0. 1 %的錫，以重量計(jì)0.0-0. 5%的鎳，其余包括鐵和通常的雜質(zhì)。這意味著根據(jù)本發(fā)明的鑄件生產(chǎn)所需的鑄鐵不包括鉬，且不包括鎳或僅包括非常少量的鎳。因此，根據(jù)本發(fā)明的用于生產(chǎn)鑄件的鑄鐵成本不是非常高。根據(jù)本發(fā)明的鑄件由具有上述化學(xué)成分的鑄鐵鑄成。在鑄造和機(jī)加工至正確尺寸之后，實(shí)施兩步式熱處理。因此，在保護(hù)氣氛下將鑄件加熱至910°C -950°C的奧氏體化溫度，尤其加熱至約920°C，并在該溫度處保持至少一小時(shí)，較佳地保持至少兩小時(shí)。接著，在溫度約為 300°C-40(TC的介質(zhì)中冷卻鑄件。鹽浴可用作冷卻介質(zhì)。冷卻介質(zhì)中的停留時(shí)間是至少一小時(shí)，較佳地至少兩小時(shí)。因此，鑄件表面處的奧氏體轉(zhuǎn)化成奧鐵體層，因此就是含鐵素體和殘余奧氏體的混合結(jié)構(gòu)。當(dāng)鑄件表面層在被引入冷卻介質(zhì)中時(shí)迅速?gòu)膴W氏體化溫度冷卻并因此淬火以在表面處形成奧鐵體時(shí)，向鑄件內(nèi)部提供其它冷卻條件，這導(dǎo)致形成第二層，因此將奧氏體轉(zhuǎn)化成奧鐵體和屈氏體，并且在具有大壁厚的鑄件中，這導(dǎo)致在朝向鑄件內(nèi)部的第二層之后將奧氏體轉(zhuǎn)化成屈氏體結(jié)構(gòu)和/或含屈氏體和比屈氏體粗的珠光體的混合結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的鑄件較佳地是用于內(nèi)燃機(jī)的曲軸，然而它也可以例如是齒輪、沖壓工具、支重輪或其它高度受壓的鑄件。
接下來(lái)參照附圖、基于曲軸的一實(shí)施例來(lái)更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中

圖1示出了曲軸一部分的剖視圖；以及圖2示出了圖1的部分A的放大圖。根據(jù)圖1和2，帶有轉(zhuǎn)動(dòng)軸線2的曲軸1包括位于表面處的第一層3和位于第一層 3和曲軸1內(nèi)部5之間的第二層4。附圖標(biāo)記6和7標(biāo)示曲軸1中的內(nèi)腔。第一層3由奧鐵體形成，層厚d例如為5mm。第二層4由包括奧鐵體和屈氏體的混合結(jié)構(gòu)形成，其中，內(nèi)部5由屈氏體和/或包括屈氏體和珠光體的混合結(jié)構(gòu)形成，珠光體比屈氏體粗。通過(guò)奧鐵體層3，曲軸1、尤其還在主軸承和曲柄銷(xiāo)軸承的高負(fù)荷過(guò)渡部分中具有高強(qiáng)度，在該過(guò)渡部分，曲軸1通過(guò)彎曲和扭轉(zhuǎn)而受壓。下面的實(shí)施例用來(lái)更詳細(xì)地描述本發(fā)明。實(shí)例曲軸由具有以下成分的鑄鐵鑄成碳3.5%，以重量計(jì)，硅2.2%，以重量計(jì)，錳0.9%，以重量計(jì)，銅0.8%，以重量計(jì)，鎂0.04%，以重量計(jì)，錫0.05%，以重量計(jì)，鎳0.2%，以重量計(jì)。鑄成的曲軸經(jīng)受兩步熱處理法。因此，在爐子中在例如氬氣的保護(hù)氣氛下將曲軸加熱至920°C的溫度，并在該溫度處保持150分鐘。接著，在鹽浴中將因此奧氏體化的鑄件淬火至360°C，并在其中保持150 分鐘，接著冷卻至環(huán)境溫度。例如根據(jù)DIN EN 10002來(lái)確定抗拉強(qiáng)度(Rm)和彈性極限(Rm 0. 2)。奧鐵體層， 因此根據(jù)圖2在曲軸1的表面處的層3，具有920MPa的抗拉強(qiáng)度和660MPa的彈性極限。此外，產(chǎn)生了曲軸的以下層的研磨圖像(顯微鏡圖像)奧鐵體層，因此根據(jù)圖2 的第一層3 ；由奧鐵體和屈氏體形成的混合結(jié)構(gòu)的第二層4 ；由屈氏體和/或由屈氏體和相對(duì)較大珠光體制成的混合結(jié)構(gòu)形成的內(nèi)部5。圖3示出了由奧鐵體形成的第一層3的拋光面圖像。圖4示出了包括含奧鐵體和屈氏體的混合結(jié)構(gòu)的第二層4的拋光面圖像，圖5示出了包括屈氏體和/或含屈氏體和比屈氏體粗的珠光體的混合結(jié)構(gòu)的內(nèi)部5的混合面圖像。
權(quán)利要求
1.一種鑄鐵鑄件，包括結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括第一層(3)和第二層G)，所述第一層位于鑄件表面處且由奧鐵體制成，所述第二層與所述第一層C3)相鄰、朝向所述鑄件的內(nèi)部(5) 且由奧鐵體和屈氏體制成。
2.如權(quán)利要求1所述的鑄鐵鑄件，其特征在于，所述鑄件的與所述第二層(4)相鄰的所述內(nèi)部(5)的結(jié)構(gòu)由屈氏體和/或含屈氏體和比屈氏體粗的珠光體的混合結(jié)構(gòu)制成。
3.如權(quán)利要求1或2所述的鑄鐵鑄件，其特征在于，由奧鐵體制成的所述第一層(3)具有至少900MPa的抗拉強(qiáng)度(Rm)和至少600MPa的彈性極限(Rp 0. 2)。
4.如前述權(quán)利要求中一項(xiàng)所述的鑄鐵鑄件，其特征在于，所述鑄鐵鑄件包括球狀石墨。
5.如前述權(quán)利要求中一項(xiàng)所述的鑄鐵鑄件，其特征在于，所述鑄鐵具有以下成分 以重量計(jì)3. 2-3. 9%的碳，以重量計(jì)2. 0-2. 4%的硅， 以重量計(jì)0. 6-1. 3%的錳， 以重量計(jì)0. 6-1.0%的銅， 以重量計(jì)0. 030-0. 050%的鎂， 以重量計(jì)0. 0-0. 的錫， 以重量計(jì)0. 0-0. 5%的鎳， 其余包括鐵和通常的雜質(zhì)。
6.一種用于生產(chǎn)如權(quán)利要求1至4中一項(xiàng)所述的鑄鐵鑄件的方法，其中，在爐子中將具有權(quán)利要求5所述成分的球狀石墨鑄鐵(GJS)加熱至910°C -950°C的奧氏體化溫度；在至少60分鐘的停留時(shí)間之后，在介質(zhì)中將所述球狀石墨鑄鐵冷卻至300°C -400°C的溫度；以及在冷卻介質(zhì)中的至少60分鐘的停留時(shí)間之后，將所述球狀石墨鑄鐵冷卻至環(huán)境溫度。
7.如權(quán)利要求1至5中一項(xiàng)所述的鑄鐵鑄件，其特征在于，所述鑄鐵鑄件形成為曲軸⑴。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鑄鐵鑄件，尤其涉及鑄造曲軸(1)，該鑄鐵鑄件具有第一層(3)和第二層(4)，第一層由奧鐵體形成，第二層與內(nèi)部(5)相鄰且由奧鐵體和屈氏體形成。
文檔編號(hào)F16C3/06GK102575326SQ201080045116
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月5日
發(fā)明者D·雷德巴馳, J·米特瑞馳, M·赫伯, P·蘇斯 申請(qǐng)人:寶馬股份公司, 新哈爾博格鑄造有限公司