CN100378240C - 具有改进的机械性能的球墨铸件的制造和成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有改进的机械性能的球墨铸件的制备和成形方法，包括下列步骤：a)制备包含下列组成的液态混合物： C 、 Si 、 Mn 、 Ni 、Cu 、 Mo 、 Mg 、铁和杂质，所述杂质主要是 S 和 P ；b)在1350℃至1550℃之间的温度下将液态混合物浇铸到模具中，以得到坯件；c)在固相线和AR3之间的温度Ts下，将坯件从模具中取出。固相线和AR3代表了组合物的奥氏体区的限定温度；d)在位于1050℃和AR3之间的温度Tf下直接在热模中通过热塑性形变使坯件成形，以获得具有最终尺寸和形状的部件；e)直接将部件从成形温度淬火冷却至贝氏体区内的温度Tb，并使其在所述温度Tb下保持一段时间tb；和f)将部件再冷却至室温。本发明还涉及按照本发明制造的具有改进的机械性能的球墨铸件。

Description

具有改进的机械性能的球墨铸件的制造和成形方法

技术领域

本发明涉及一种具有高级机械性能的球墨铸铁铸件的制备和成形方法，还涉及实施该方法获得的铸铁。

更确切地，本发明涉及具有高韧性，即高机械强度的球墨铸铁铸件的制备和成形方法。术语“高韧性”通常用来指表现出1000兆帕(MPa)至1700Mpa的牵引强度、在牵引强度下的弹性极限比Rp0.2/Rm≥0.68，而且致断伸长为大约4％至大约14％的铸铁。

背景技术

某些技术的进步要求必须得到具有高级性能、能够承受越来越高的机械应力的铸铁或更普通地说，得到具有上述特征的材料。由于机动车发动机性能的提高，这本身使得施加于各种机械构件和组件上的应力强度提高，因此，上述情况特别适用于汽车工业。

目前，可以得到用于这些机械应用领域的多种等级的模制铸铁。它们代表了非常多种类的适合各种应力的性能级别，而且对于制造承受非常高应力的构件而言，它们通常构成优于其它材料，特别是优于高性能锻钢的材料。

发明内容

然而，在某些应用中，出于竞争需要，经济上的限制越来越苛刻，因此，对于能够满足非常严酷的使用条件并实现制造商制造各种部件的期望的结构材料，扩充其范围是特别有利的。

为了实现这个目的，本发明提供了具有高级机械性能的球墨铸铁部件的制备和成形方法，该方法的特征在于它包括下列步骤：

a)制备具有下列重量组成的液态混合物：3％至4％C；1.7％至3％Si；0.1％至0.7％Mn；0至4％Ni；0至1.5％Cu；0至0.5％Mo，Mg的残余含量根据部件的厚度处于0.025％至0.080％之间，剩余的是铁和制备过程中产生的杂质；所述杂质主要是含量低于0.015％的S和含量低于0.10％的P；

b)在1350℃至1550℃之间的温度下将所述液态混合物浇铸到一个能够得到与加工件相近形状的模具中，这是指部件坯；

c)在固相线和AR3之间的温度Ts下，将所述部件坯从模具中取出，固相线和AR3代表了划定所述组合物的奥氏体区的温度；

d)在浇铸后趁热立即直接通过热塑性形变使部件坯成形，以获得具有最终形状和尺寸的部件，成形是在位于1050℃和AR3之间的温度Tf下进行的；

e)在成形后趁热立即直接采用位于贝氏体范围内的温度Tb将所述部件淬火，并使其在所述温度Tb下保持一段时间tb；和

f)将所述部件冷却至室温。

此处和全文中都是广义地使用术语“淬火”或“贝氏体分段淬火”，即它涉及足够快的冷却以获得几乎不含铁素体-珠光体或几乎不含马氏体的结构。

淬火或贝氏体分段淬火是为了使加工件具有主要为贝氏体的结构，即由多于50％的贝氏体构成。

对于使用所述组合物获得的铸铁等级，与贝氏体分段淬火对应的冷却速率是15℃/秒至150℃/秒。

在本发明方法的第一种实施方式中，以及在下文的Ts高于Tf的实施方式中，从浇铸步骤至将加工件冷却至室温的步骤，制造铸铁加工件所需的所有连续步骤都是在浇铸后趁热立即进行的，即在所述步骤之间没有中间的再加热。与传统的热处理和成形方法相比，本发明方法的这两种在制造铸铁加工件所需的连续步骤之间不含中间再加热的实施方式特别提供了在能量消耗方面的高性能。因此，对于制备具有高级机械性能的球墨铸铁，这两种实施方式是特别便宜的。

在本发明方法的另一种实施方式中，在步骤c)和步骤d)之间，即在将坯件从模具中取出和在趁热通过塑性形变使该坯件成形的步骤之间，再进行一个步骤，在该步骤中，当坯件从模具中取出时的温度TS高于锻造所需的温度Tf时，将该坯件在比锻造温度Tf高20℃至50℃的温度Tm下保持10分钟至60分钟，以确保坯件内的温度均匀；或者当坯件从模具中取出时的温度Ts低于锻造所需的温度Tf时，将坯件加热并在比锻造温度Tf高20℃至50℃的温度Tm下保持10分钟至60分钟。

在本发明方法的另一种实施方式中，进行直接的贝氏体分段淬火的步骤e)被下列两种处理方式中的一种取代：

1)热塑性形变后，将加工件冷却至温度Tir位于AR1+20℃至AR3之间的临界区，并将其在该温度Tir下保持15分钟至60分钟，以使其结构均化，在位于贝氏体区的温度Tb下进行贝氏体分段淬火，并将加工件在温度Tb下保持一段时间tb；

2)热塑性形变后，将加工件冷却至温度AR1以下，然后将加工件重新加热并在位于AC1+20℃至AC3之间的温度Tic下，即在该铸铁组合物的临界区内，保持30分钟至180分钟的一段时间，以使其结构均化，在位于贝氏体区的温度Tb下进行贝氏体分段淬火，并将加工件在温度Tb下保持一段时间tb。

AR1、AR3、AC1和AC3代表了所述组合物分别在冷却(指数R)和加热(指数C)过程中测得的临界范围(也称作临界区)的极值；在临界区或临界范围内的温度Tic或Tir位于740℃至850℃之间，这取决于所述铸铁的组成。

处理2)在能量方面比处理1)昂贵，但仍然是优选的，因为它更易于在贝氏体分段淬火之前在铁素体含量和奥氏体含量方面调节铸铁的结构。

在贝氏体分段淬火之前在临界区进行处理的本发明的实施方式可以降低所得加工件的硬度，并由此使它们随后更易于进行适当的机械加工；由于在贝氏体分段淬火后获得的铸铁结构中含有更大比例的铁素体，该实施方式还可以促使材料产生非常高的韧性。实际上，其结构在这些情况下由两种铁素体变体与奥氏体一起构成，由在临界区的处理产生的铁素体I，和由在贝氏体区的处理产生的铁素体II；铁素体II和奥氏体代表了贝氏体。

在本发明方法的另一种实施方式中，进行贝氏体分段淬火的步骤e)之前，先将温度在950℃至900℃的范围内保持15分钟至60分钟，从而在进行随后的贝氏体分段淬火处理之前，使加工件各个部分的温度更加均一并由此使其化学组成更加均一。

最后，在本发明方法的另一种实施方式中，在将加工件冷却至室温的步骤f)之后再加入一个对加工件进行冷校准的步骤，该校准是在至少两个具有最终部件形状的形腔之间进行的，从而提高其尺寸精度并通过对其表面进行加工硬化来提高加工件材料的机械性能和疲劳强度；在进行冷校准之前，先进行喷丸处理，其作用是清除氧化层并产生表面压缩应力，以进一步增强由校准得到的加工硬化效果。

本发明的球墨铸铁部件的制备和成形方法的各种实施方式能够获得其结构主要为贝氏体的铸铁或其结构由以下两种铁素体构成的铸铁：铁素体I和含奥氏体的铁素体II，铁素体I是由于停留在温度为Tir或Tic的临界范围内产生的，铁素体II是由在温度为Tb的贝氏体区内进行处理产生的，而且该铸铁在20℃下的机械特性通常为具有1000MPa至1700的牵引强度Rm、在牵引强度下的弹性极限比：Rp0.2/Rm大于0.68，而且致断伸长系数为大约4％至大约14％。在临界区或临界范围内的温度Tic或Tir位于740℃至850℃之间，其取决于所述铸铁的组成。

上下文所用的术语“热塑性形变”是指比率大体为2％至60％的形变。

对于良好的强度-韧性折衷效果，根据所用的在1050℃至铸铁的AR3之间的锻造温度，在20％至50％的热塑性形变比率下能够获得最好的效果，因为高于50％时，观察到石墨球具有对机械性能有害的大形变。此处给出的形变比率是指加工件中通过压平进行锻造的区段的原始厚度和锻造后的最终厚度之间的差数，与加工件所述区段的原始厚度的比值乘以100％，从而用百分比表示其结果。

术语“热塑性形变”或术语“锻造”在上下文中主要是指在高于所述铸铁组合物的AC3或AR3的温度中进行的冲压操作，也指在高于所述铸铁组合物的AC3或AR3的温度中进行的其它形式的热塑性形变，例如自由锻造、冲压、轧制、液压成形等等。

为了在本发明中进行这种热塑性形变，必须使得形状上接近部件的模制加工件坯件在长、宽、高上至少有一项尺寸大于该部件，这样才可能进行所述热塑性形变。

优选地，用于浇铸加工件坯件的模具是由至少两半涂有脱模剂的金属部分构成的永久铸模，另外，该模具也可以是由至少两个壳型砂模部分置于一个金属模具中构成的半永久砂模，或者它可以是化学砂或硅石-粘土绿砂的非永久铸模。

如果使用砂模，在进行锻造加工之前，该加工件坯件必须进行热抛光(hot-brushed)或热喷沙(hot-sanded)，以去除粘附在其上的砂粒。

贝氏体分段淬火温度Tb位于260℃至420℃之间。当需要具有高的Rp0.2/Rm比率和高牵引强度Rm时，该温度Tb优选位于260℃至300℃之间；相反，当需要具有接近1000MPa或1100MPa的牵引强度时，Tb应该选择高于300℃。

为了获得适当成形的结构，即含有由碳饱和的铁素体和奥氏体构成的贝氏体，贝氏体分段淬火温度Tb的保持时间优选为60分钟至180分钟。

本发明还提供了使用本发明的方法制备和成形的具有高级机械性能而且结构主要为贝氏体的球墨铸铁，其在20℃下具有下列机械性能：

·牵引强度Rm：1000MPa≤Rm≤1700MPa；

·在牵引强度Rm下的弹性极限比：Rp0.2/Rm≥0.68；和

·致断伸长A：4％≤A≤14％。

最后，本发明提供了一种通过实施本发明的方法制备和成形的具有高级机械性能而且其结构由下述两种铁素体变体和奥氏体一起构成的球墨铸铁：铁素体I和铁素体II，铁素体I是由于在温度为Tir或Tic的临界范围内停留一定时间产生的，铁素体II是在温度为Tb的贝氏体区内进行处理产生的，该铸铁在20℃下具有下列机械性能：

·牵引强度Rm：1000MPa≤Rm≤1700MPa；

·在牵引强度Rm下的弹性极限比：Rp0.2/Rm≥0.68；和

·致断伸长A：4％≤A≤14％。

本发明特别适合，但并不限于，制造汽车发动机部件，例如连杆或发动机的其它活动件。由于重量更轻而且具有与目前用于发动机的锻钢连杆相同或更好的机械性能，由按照本发明的方法制备和成形的具有高级机械性能的球墨铸铁制成的连杆能够提高发动机的能效率并由此节省其燃料消耗。

附图说明

图1是使用本发明一种实施方式对合金1-4所得到的结果；

图2是使用本发明另一种实施方式对合金2所得到的结果。

具体实施方式

阅读下面以非限制性实施例的方式给出的对本发明的两种实施方式的描述，可以更好地看出本发明的其它特性和优点。

使用具有下列组成的各种球墨铸铁试样进行试验：

标号	C％	Si％	Mn％	Ni％	Cu％	Mo％	Mg％
								1	3.54	2.61	0.17	痕量	1.02	痕量	0.040
2	3.6	2.40	0.12	0.7	0.9	0.15	0.042
								3	3.72	2.42	0.24	痕量	0.6	痕量	0.045
4	3.7	2.70	0.13	0.3	0.5	0.28	0.045

按照本发明，在电感炉中制备这些标为1至4号的铸铁，将它们用硅铁镁合金处理，并以1460℃至1500℃之间的温度浇铸入温度调节为280℃并涂有保护性脱模剂的金属铸模中。

使用每种铸铁组合物铸造出五个试样坯件，这些试样是尺寸如下的矩形条：

坯件标号	截面，毫米(mm)	长，mm
			A	20×10	150
B	20×12	150
			C	20×15	150
D	20×18	150
			E	20×24	150

对于每次模铸，都做一整组试样坯件。每种组合物进行四次浇铸。

在本发明的实施过程中，在经发现在整个试验过程中都位于1000℃至980℃之间的温度下，将试样坯件从模具中取出，立即将它们放到温度调节为980℃的含硅砂流化床的浴中，从而确保每个坯件都具有相同的锻造温度。

在调节温度为980℃的流化床浴中放置10分钟后，以大约10秒(sec)为间隔，一个接一个地取出坯件，并在两个形腔之间冲压以便通过热塑性形变使它们成形，这两个形腔具有使试样陷在其中的挖空形状。这样，通过在960℃至940℃之间进行冲压来使每个坯件产生塑性形变，从而使每个试样的最终截面积为20mm×10mm。

在这些条件下，每个试样坯件承受的形变比率如下：

坯件标号	原始截面mm	最终截面mm	形变比率，％
				A	20×10	20×10	0％
B	20×12	20×10	(12-10)/12×100＝16.7％
				C	20×15	20×10	(15-10)/15×100＝33.3％
D	20×18	20×10	(18-10)/18×100＝44.4％
				E	20×24	20×10	(24-10)/24×100＝58.3％

冲压之后，立即将每个试样在压力下进行修边操作，并立即放入锆砂流化床浴中，该流化床浴的温度调节为300℃并具有足够大的容积以确保以大约10秒的间隔浸入各种试样时，流化床中的温差小于5℃。这样，在300℃对每个试样进行贝氏体分段淬火，并使流化床中的所述温度保持110分钟，此后将每个试样从流化床浴中取出并按照本发明在空气中冷却至室温。

图1的表表示所得结果。该表表明，确实获得了所期望的机械性能，即：

·牵引强度Rm：1000MPa≤Rm≤1700MPa；

·在牵引强度Rm下的弹性极限比：Rp0.2/Rm≥0.68；和

·致断伸长A：4％≤A≤14％。

同时主要具有由铁素体和奥氏体构成的贝氏体结构。

使用标号为2的铸铁组合物按照本发明的另一种实施方式进行另一系列的试验：在这些试验中，制备试样坯件的条件和试样坯件本身都和上述试验相同，只是在冲压步骤与修边操作及贝氏体分段淬火操作之间再进行一个步骤，即将试样保持在临界区内的温度下。以与上述试验相同的方式锻造和修边后，立即将试样放入调节后的温度Tic为810℃的流化床中，该温度位于临界区内，同时还位于AC1+20℃至AC3之间，在该温度下放置60分钟，然后如上述试验所示并在完全相同的条件下，将试样在流化床的调节后的温度Tb为300℃的贝氏体区内淬火，并使它们在该温度下保持110分钟。在贝氏体分段淬火处理的最后，按照本发明，从流化床浴中取出试样并在空气中冷却至室温。

图2的表表示所得结果。该表表明，确实获得了所期望的机械性能，即：

·牵引强度Rm：1000MPa≤Rm≤1700MPa；

·在牵引强度Rm下的弹性极限比：Rp0.2/Rm≥0.68；和

·致断伸长A：4％≤A≤14％。

同时其结构由两种铁素体变体组成：由于保存在温度为Tic或Tir的临界区内产生的铁素体I，和含有奥氏体的铁素体II，该铁素体II是由在温度为Tb的贝氏体区进行处理产生的。

Claims (20)

1.具有高级机械性能的球墨铸铁部件的制备和成形方法，该方法的特征在于它包括下列步骤：

a)制备具有下列重量组成的液态混合物：3％至4％C；1.7％至3％Si；0.1％至0.7％Mn；0至4％Ni；0至1.5％Cu；0至0.5％Mo，Mg的残余含量根据部件的厚度处于0.025％至0.080％之间，剩余的是铁和制备过程中产生的杂质；所述杂质主要是含量低于0.015％的S，和含量低于0.10％的P；

b)在1350℃至1550℃之间将所述液态混合物浇铸到一个能够得到与加工件相近形状的模具中，该形状是指部件坯；

c)在固相线和AR3之间的温度Ts下，将所述部件坯从模具中取出，固相线和AR3代表了划定所述组合物的奥氏体区的温度；

d)浇铸后趁热立即直接通过热塑性形变使部件坯成形，以获得具有最终形状和尺寸的部件，成形是在位于1050℃和AR3之间的温度Tf下进行的；

e)成形后趁热立即直接以位于贝氏体范围内的温度Tb将所述部件淬火，并使其在所述温度Tb下保持一段时间tb；和

f)将所述部件冷却至室温。

2.具有高级机械性能的球墨铸铁部件的制备和成形方法，该方法的特征在于它包括下列步骤：

a)制备具有下列重量组成的液态混合物：3％至4％C；1.7％至3％Si；0.1％至0.7％Mn；0至4％Ni；0至1.5％Cu；0至0.5％Mo，Mg的残余含量根据部件的厚度位于0.025％至0.080％之间，剩余的是铁和制备过程中产生的杂质；所述杂质主要是含量低于0.015％的S，和含量低于0.10％的P；

b)在1350℃至1550℃之间将所述液态混合物浇铸到一个能够得到与加工件相近形状的模具中，该形状是指部件坯；

c)在固相线和AR3之间的温度Ts下，将所述部件坯从模具中取出，固相线和AR3代表了划定所述组合物的奥氏体区的温度；

c’)将该坯件在比锻造温度Tf高20℃至50℃的温度Tm下保持10分钟至60分钟，以确保坯件内部的温度均匀；

d)通过热塑性形变使部件坯成形，以获得具有最终形状和尺寸的部件，成形是在位于1050℃和AR3之间的温度Tf下进行的；

e)成形后趁热立即直接以位于贝氏体范围内的温度Tb将所述部件淬火，并使其在所述温度Tb下保持一段时间tb；和

f)将所述部件冷却至室温。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于在步骤c’)中，当坯件从模具中取出时的温度Ts低于锻造所需的温度Tf时，将坯件加热并在比锻造温度Tf高20℃至50℃的温度Tm下保持10分钟至60分钟。

4.具有高级机械性能的球墨铸铁部件的制备和成形方法，该方法的特征在于它包括下列步骤：

a)制备具有下列重量组成的液态混合物：3％至4％C；1.7％至3％Si；0.1％至0.7％Mn；0至4％Ni；0至1.5％Cu；0至0.5％Mo，Mg的残余含量根据部件的厚度位于0.025％至0.080％之间，剩余的是铁和制备过程中产生的杂质；所述杂质主要是含量低于0.015％的S，和含量低于0.10％的P；

b)在1350℃至1550℃之间将所述液态混合物浇铸到一个能够得到与加工件相近形状的模具中，该形状是指部件坯；

c)在固相线和AR3之间的温度Ts下，将所述部件坯从模具中取出，固相线和AR3代表了划定所述组合物的奥氏体区的温度；

d)浇铸后趁热立即直接通过热塑性形变使部件坯成形，以获得具有最终形状和尺寸的部件，成形是在位于1050℃和AR3之间的温度Tf下进行的；

e)将部件冷却至位于AR1+20℃至AR3之间的临界区内的温度Tir，并将其在该温度Tir下保持15分钟至60分钟，以使其结构均化，并在位于贝氏体区的温度Tb下进行贝氏体分段淬火，并将该部件在温度Tb下保持一段时间tb，AR1、AR3、AC1和AC3代表了所述组合物分别在冷却(指数R)和加热(指数C)过程中测得的临界范围或临界区的极值；和

f)将所述部件冷却至室温。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于在步骤d)中通过热塑性形变使部件成形后，将所述部件冷却至温度AR1以下，然后将该部件加热并在位于AC1+20℃至AC3之间的温度Tic下，即在该铸铁组合物的临界区内，保持30分钟至180分钟范围内的一段时间，以使其结构均化，并在位于贝氏体区的温度Tb下进行贝氏体分段淬火，并将该部件在温度Tb下保持一段时间tb，AR1、AR3、AC1和AC3代表了所述组合物分别在冷却(指数R)和加热(指数C)过程中测得的临界范围的极值；和

将所述部件冷却至室温。

6.如权利要求1至5任何一项所述的方法，其特征在于在温度Tb下对该部件进行贝氏体分段淬火的步骤之前，先将该部件在位于950℃至900℃的温度下保持15分钟至60分钟，从而在进行随后的贝氏体分段淬火处理之前，使部件各个部分的温度均一并由此使其化学组成均一。

7.如权利要求1至5任何一项所述的方法，其特征在于在将部件冷却至室温的步骤之后再加入一个对该部件进行冷校准的步骤，该附加的步骤是在至少两个具有最终部件形状的形腔之间进行的，从而提高其尺寸精度并通过对其表面进行加工硬化来提高该部件材料的机械性能和疲劳强度。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于在进行冷校准之前，先进行喷丸处理，以清除氧化层并对其表面施加抗压应力，以增强由校准得到的加工硬化效果。

9.如权利要求1至5任何一项所述的方法，其特征在于用于浇铸部件坯的模具为由至少两半涂有脱模剂的金属构成的永久铸模。

10.如权利要求1至5任何一项所述的方法，其特征在于与贝氏体分段淬火相对应的冷却速率为15℃/秒至150℃/秒。

11.如权利要求4至5任何一项所述的方法，其特征在于该部件保持在临界区或临界范围内的温度Tic或Tir位于740℃至850℃之间。

12.如权利要求1至5任何一项所述的方法，其特征在于在高于所述铸铁组合物的AC3或AR3的温度中进行的热塑性形变主要是冲压操作，还包括锻造、轧制、液压成形。

13.如权利要求1至5任何一项所述的方法，其特征在于热塑性形变是比率为2％至60％的形变。

14.如权利要求1至5任何一项所述的方法，其特征在于部件铸坯具有与该部件相近的形状，而且其在长、宽、高上至少有一项尺寸大于该部件，这样才可能进行所述热塑性形变。

15.如权利要求1至5任何一项所述的方法，其特征在于贝氏体分段淬火温度Tb位于260℃至420℃之间。

16.如权利要求1至5任何一项所述的方法，其特征在于贝氏体分段淬火温度Tb的保持时间tb为60分钟至180分钟。

17.按照权利要求1至16任何一项所述的方法制备并成形的具有高级机械性能的球墨铸铁，其具有下列重量组成：3％至4％C；1.7％至3％Si；0.1％至0.7％Mn；0至4％Ni；0至1.5％Cu；0至0.5％Mo，Mg的残余含量根据部件的厚度位于0.025％至0.080％之间，剩余的是铁和制备过程中产生的杂质；所述杂质主要是含量低于0.015％的S和含量低于0.10％的P，而且该铸铁的特征在于其结构主要是贝氏体。

18.按照权利要求1至16任何一项所述的方法制备并成形的具有高级机械性能的球墨铸铁，其具有下列重量组成：3％至4％C；1.7％至3％Si；0.1％至0.7％Mn；0至4％Ni；0至1.5％Cu；0至0.5％Mo，Mg的残余含量根据部件的厚度位于0.025％至0.080％之间，剩余的是铁和制备过程中产生的杂质；所述杂质主要是含量低于0.015％的S和含量低于0.10％的P，而且该铸铁的特征在于其结构是由两种铁素体变体和奥氏体构成的。

19.一种铸铁部件，其特征在于它是由权利要求17或权利要求18所述的球墨铸铁制成的。

20.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于从浇铸步骤至将该部件冷却至室温的步骤，制造铸铁部件所需的所有连续步骤都是在浇铸后趁热立即进行的，即在所述步骤之间没有中间加热。

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