CN101072890A - 球墨铸铁合金及由该球墨铸铁合金制备铸件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适于铸铁产品的球墨铸铁合金,其具有高的机械强度、高的耐磨性和同时具有高的韧性,该球墨铸铁合金含2.5-3.8重量%的C、2.4-3.4重量%的Si、0.02-0.08重量%的P、0.02-0.06重量%的Mg、0.01-0.05重量%的Cr、0.002-0.02重量%的Al、0.0005-0.015重量%的S、0.0002-0.002重量%的B和通常的杂质作为非铁成分,其中该合金含3.0-3.7重量%的C,2.6-3.4重量%的Si,0.02-0.05重量%的P,0.025-0.045重量%的Mg,0.01-0.03重量%的Cr,0.003-0.017重量%的Al,0.0005-0.012重量%的S和0.0004-0.002重量%的B。该合金例如可在汽车制造中用于制备底盘部件或制动盘。
Description
本发明涉及一种球墨铸铁合金(Sphirogusslegierung),其适于制备具有高机械强度、高耐磨性以及同时具有高韧性的铸铁产品,该球墨铸铁合金含2.5-3.8重量%的C、2.4-3.4重量%的Si、0.02-0.08重量%的P、0.02-0.06重量%的Mg、0.01-0.05重量%的Cr、0.002-0.02重量%的Al、0.0005-0.015重量%的S、0.0002-0.002重量%的B和通常的杂质作为非铁成分。
在汽车制造中应用铸铁合金来制备必需具有高耐磨性的铸件,例如制动盘,其在制动过程中需将汽车动能转变成热能。这时该制动盘可达约850℃。在制动过程中不仅磨损制动覆层,还磨损制动盘。制动盘具有无规律的磨损,并通常仍在保修期内即需要厂商以高成本来进行替换。为使在制动盘表面上的磨损尽可能均匀地发生,对该结构提出了高的晶体结构和均匀性要求。通过适当的铸造方法可提高均匀性。
由GB 832666已知一种含1.0-2.5重量%的C、1.5-3.2重量%的Si、小于1.15重量%的Mn、小于0.5重量%的S和0.001-0.05重量%的B作为非铁成分的铸铁合金。浇铸后石墨组分呈致密状。因为该合金不含Mg,所以不存在球形石墨或蛭石墨,而主要是存在看上去像退火铸件的回火碳结点的石墨构成。该合金含5-10%的主要呈珠光体基体的碳化物,其结果为较低的断裂伸长。为限制层状石墨的形成和由此改进弹性模量,混入碲和铋作为合金元素。通过接着的热处理达到更高的断裂伸长值。
由US 2004/0112479-A1中已知另一种铸铁合金,其优选含3.7重量%的C、2.5重量%的Si、1.85重量%的Ni、0.85重量%的Cu和0.05重当%的Mo。该材料的特征为在抗拉强度为500-900 MPa时的伸长为20-16%,布氏硬度为180-290HB。这些特性在经耗时的依次包括下列步骤的热处理后实现:在750-790℃间的10-360分钟的奥氏体化,在盐浴中快速冷却到300-400℃,在300-400℃间的1-3小时的 氏体等温淬火和冷却到室温。经该处理后,该材料具有含奥氏体和铁素体微结构的结构。该材料特征在于,与以通常方式经奥氏体等温淬火的铸铁相化具有更容易的机械可加工性。
由现有技术出发,本发明的目的在于提供一种铸铁合金,其可由尽可能廉价的元素制备,该铸件不经附加热处理可具有尽可能高的耐温性和强度特别是耐磨性,并同时具有非常高的韧性。
该目的是通过适于具有高机械强度、高耐磨性和同时具有高韧性的铸铁产品的球墨铸铁合金实现的,该球墨铸铁合金含2.5-3.8重量%的C、2.4-3.4重量%的Si、0.02-0.08重量%的P、0.02-0.06重量%的Mg、0.01-0.05重量%的Cr、0.002-0.02重量%的Al、0.0005-0.015重量%的S、0.0002-0.002重量%的B和通常的杂质作为非铁成分,其中该合金含3.0-3.7重量%的C、2.6-3.4重量%的Si、0.02-0.05重量%的P、0.025-0.045重量%的Mg、0.01-0.03重量%的Cr、0.003-0.017重量%的Al、0.0005-0.012重量%的S和0.0004-0.002重量%的B。
本发明的优选扩展方案由从属权利要求给出。
该合金具有尽可能优良的强度-伸长特性是有利的。其可通过使该球墨铸铁合金含0.1-1.5重量%、优选0.5-0.8重量%的Cu实现。其也可通过使该合金含0.1-1.0重量%、优选0.15-0.2重量%的Mn实现。
此外,该合金具有尽可能优良的耐磨性是有利的。其可通过使该合金含0.1-1.5重量%、优选0.5-0.8重量%的Cu和0.1-1.0重量%、优选0.15-0.2重量%的Mn实现。其也可通过使该合金含0.1-1.5重量%、优选0.5-1.0重量%的Mn和0.05-1.0重量%、优选0.05-0.2重量%的Cu实现。
本发明的中心意图是提供一种铸铁合金,其布氏硬度大于220,并在作为制动盘应用时呈尽可能均匀的磨损。在该铸铁合金中的石墨可呈球状(球形)或蠕虫状(蠕虫形),但非层状(片状)。含层状石墨的制动盘虽然价格低,但其耐温度交变性差。因此经短时间使用后即会产生所谓的受热裂纹,该裂纹快速扩展并导致表面不平度。不平的表面再导致不均匀的温度负荷、不均匀的磨损和导致所谓的制动尖叫响声。
本发明的球墨铸铁合金的其它应用是适于载重汽车和轿车的轴部件和底盘(Fahrwerk)部件如横拉杆(Querlenker)、轮架和转盘轴承,其经受高的机械和动态应力,并在汽车相撞时需塑性变形和不可断裂。
实施例1
由本发明的球墨铸铁合金制成制动盘。其化学组成为3.34重量%的C、2.92重量%的Si、0.62重量%的Cu、0.17重量%的Mn、0.038重量%的Mg、0.025重量%的P、0.021重量%的Cr、0.01重量%的Al、0.001重量%的S和0.0008重量%的B,其余为Fe和通常的杂质。对该制动盘进行球粒数、石墨含量、石墨形状和石墨大小、珠光体含量和布氏硬度进行检验。该制动盘的试样经拉伸测试以确定其强度-拉伸特性。球粒数为384±76球粒/mm2。石墨含量为9.7±0.7%。按DIN ENISO 945的石墨形状为97.9%是VI形。按DIN EN ISO 945的大小分布为45%为尺寸8,42%为尺寸7和13%为尺寸6。珠光体含量为84±1%。布氏硬度为248±3 HB。在拉伸测试中得出下列值:屈服点Rp0.2=474MPa,抗拉强度Rm=778MPa,断裂伸长率A5=11.4%,弹性模量E=165-170kN/mm2。
与已知的制动盘材料相比,可测得具有明显改进的氧化特性(见图1)和大大降低了的受热裂纹形成趋势(见图2和3)。通过向球墨铸铁合金中加入铜和/或锰的混合物,其氧化特性和由此还有耐磨特性有了明显改进。
图1示出在700℃下于空气中氧化时的重量增加(g/m2·天)。本发明的材料的重量增加为约9g/m2·天,相比之下通常的制动盘的铸铁材料的重量增加为约21g/m2·天。
为检测受热裂纹形成,进行如下试验:使大小为40×20×7mm的试样经受由7秒加热到700℃和6秒在水中骤冷构成的至少100次循环。接着制成横断面磨片,并在显微镜下检验和拍照。
图2示出市售制动盘的显微照片,其具有0.4mm深的受热裂纹。图3示出在相同放大倍数下的本发明的制动盘的显微照片,其具有0.14mm深的受热裂纹。
实施例2
由本发明的球墨铸铁合金制成小骄车的横拉杆。其化学组成为3.5重量%的C、2.85重量%的Si、0.63重量%的Cu、0.18重量%的Mn、0.038重量%的Mg、0.026重量%的P、0.029重量%的Cr、0.004重量%的Al、0.001重量%的S和0.0007重量%的B,其余为Fe和通常的杂质。经拉伸测试得出下列值:屈服点Rp0.2=465MPa,抗拉强度Rm=757MPa,断裂伸长率A5=11.1%,弹性模量E=165-170kN/mm2。布氏硬度为258±3HB。
实施例3
由本发明的球墨铸铁合金制成小骄车的轮架。其化学组成为3.43重量%的C、3.38重量%的Si、0.71重量%的Cu、0.2重量%的Mn、0.037重量%的Mg、0.047重量%的P、0.043重量%的Cr、0.012重量%的Al、0.004重量%的S和0.0008重量%的B,其余为Fe和通常的杂质。经拉伸测试得出下列值:屈服点Rp0.2=558MPa,抗拉强度Rm=862MPa,断裂伸长率A5=6.1%。布氏硬度为288HB。微观结构中球粒数达455球粒/mm2。
图4示出断裂伸长率A5与抗拉强度Rm的函数关系。实线示出含有以浇铸状态制备种类的球形石墨的铸铁的按标准EN1563的最小值。本发明材料的测量是按上述实施例1-3进行的。
图5示出断裂伸长率A5与屈服点Rp0.2的函数关系。实线示出含有以浇铸状态制备种类的球形石墨的铸铁的按标准EN1563的最小值。本发明材料的测量是按上述实施例1-3进行的。
本发明的球墨铸铁合金的材料特性因此远超过球墨铸铁的欧洲标准EN1563,并基至达到ADI(=Austempered Ductile Iron(奥氏体等温淬火延性铁))的值,即欧洲标准EN1564的铸材,其是一种仅可通过昂贵元素镍和/或钼制成合金并经非常复杂的热处理产生的有较大壁厚的铁铸材料,因此是相当昂贵的。
图6示出铝铸合金、球墨铸铁、ADI和实施例1-3的本发明材料的强度范围与屈服点的关系。
通过新的浇铸方法也可达结构的均匀性。该铸模呈水平而不呈垂直划分,这时制动盘呈水平放置,并从中心向制动盘边缘充填铸模。其结果是该铸模呈旋转对称充料,并在浇铸后将制动盘由内向外均匀冷却。由此在制动盘的整个周边形成均匀的一致性结构。不再需要既耗时又增加成本的附加的热处理。
Claims (20)
1.一种用于铸铁产品的球墨铸铁合金,其具有高的机械强度、高的耐磨性和同时具有高的韧性,该球墨铸合金含下列成分作为非铁组分:
2.5-3.8重量%的C,
2.4-3.4重量%的Si,
0.02-0.08重量%的P,
0.02-0.06重量%的Mg,
0.01-0.05重量%的Cr,
0.002-0.02重量%的Al,
0.0005-0.015重量%的S,
0.0002-0.002重量%的B和通常的杂质,其特征在于,该球墨铸合金含:
3.0-3.7重量%的C,
2.6-3.4重量%的Si,
0.02-0.05重量%的P,
0.025-0.045重量%的Mg,
0.01-0.03重量%的Cr,
0.003-0.017重量%的Al,
0.0005-0.009重量%,的S和
0.0004-0.002重量%的B。
2.权利要求1的球墨铸铁合金,其特征在于,该合金0.1-1.5重量%的Cu,优选0.5-0.8重量%的Cu。
3.权利要求1的球墨铸铁合金,其特征在于,该合金0.1-1.0重量%的Mn,优选0.15-0.2重量%的Mn。
4.权利要求1的球墨铸铁合金,其特征在于,该合金0.1-1.5重量%的Cu,优选0.5-0.8重量%的Cu和0.1-1.0重量%的Mn,优选0.15-0.2重量%的Mn。
5.权利要求1的球墨铸铁合金,其特征在于,该合金0.1-1.5重量%的Mn,优选0.5-1.0重量%的Mn和0.05-1.0重量%的Cu,优选0.05-0.2重量%的Cu。
6.权利要求1-5至少之一的球墨铸铁合金,其特征在于,紧接浇铸和冷却后石墨成分中大于90%的所含石墨呈球形和/或蠕虫形。
7.权利要求1-6至少之一的球墨铸合金,其特征在于,紧接浇铸和冷却后铸件的晶体结构的70-90%呈珠光体形。
8.权利要求1-7至少之一的球墨铸铁合金,其特征在于,紧接浇铸和冷却后铸件的晶体结构含200-700球粒/mm2。
9.权利要求1-8至少之一的球墨铸铁合金,其特征在于,铸件的布氏硬度大于220。
10.权利要求1-9至少之一的球墨铸铁合金,其特征在于,石墨细粒的大小分布按DIN EN ISO945其至少30%为尺寸8,10-70%为尺寸7和最高20%为尺寸6。
11.权利要求1-10至少之一的球墨铸铁合金,其特征在于,铸件在抗拉强度Rm为900-600MPa时的断裂伸长A5为5-14%。
12.权利要求1-11至少之一的球墨铸铁合金,其特征在于,铸件在屈服点Rp0.2为600-400MPa时的断裂伸长A5为5-14%。
13.权利要求1-12至少之一的球墨铸铁合金,其特征在于,其可用于汽车中的底盘部件。
14.权利要求1-12至少之一的球墨铸铁合金,其特征在于,其可用于汽车中的横拉杆。
15.权利要求1-12至少之一的球墨铸铁合金,其特征在于,其可用于汽车中的轮架。
16.权利要求1-12至少之一的球墨铸铁合金,其特征在于,其可用于汽车中的转盘轴承。
17.权利要求1-12至少之一的球墨铸铁合金,其特征在于,其可用于汽车中的制动盘。
18.一种制备由权利要求1-17之一的球墨铸铁合金构成的铸件的方法,其特征在于,在铸件经浇铸和冷却后不进行该铸件的热处理。
19.一种制备权利要求1-18之一的铸件的方法,其特征在于,铸模呈水平划分,在铸模中铸件成水平放置。
20.一种制备权利要求1-19之一的旋转对称铸件的方法,其特征在于,铸模从铸件中心点开始呈旋转对称充料。
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