CN101484592A - 制造球形铸铁机械部件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造由球形铸铁制成的机械部件的方法，该方法包括以下步骤：－提供由铸铁制成的机械部件的铸件，所述铸铁的结构是至少部分铁素体，并且该铸铁的碳含量为2.5％至4.0％，硅含量为2.0％至3.5％；－将具有至少部分铁素体结构的所述铸铁铸件置于部分奥氏体化温度下一定时间，所述温度高于下限奥氏体化温度(Ac1)并低于上限奥氏体化温度(Ac3)，所述时间为获得至少部分奥氏体结构所需的时间；－在250℃至400℃的温度下实施等温硬化热处理，以便得到具有至少部分珠光体－铁素体或全铁素体结构的基体。

Description

制造球形铸铁机械部件的方法
技术领域
本发明涉及一种制造球形铸铁机械部件的方法。
背景技术
各种结构和各种类型的球形铸铁现已广为人知，特别地，它们被用于生产各类机械部件。
作为其主要特征，球形铸铁具有真正球形的石墨形状，与使用薄层状石墨的常规灰铸铁中产生的形状不同；球形结构的石墨给予材料很好的延展性。
经过热处理解除内应力的球形铸铁具有完全珠光体基体。在这种情况下，尽管由于热处理，材料的延展性降低很多并且疲劳强度没有增加，但是其以更高的耐磨性为特征。的确，参考ISO1083标准，被归类为编码JS/800-2/S的非热处理珠光体球形铸铁的最小HBW硬度为245，最小抗张强度为800MPa，典型疲劳强度为304MPa。
经过热处理解除内应力的珠光体球形铸铁的最小HBW硬度是270，最小抗张强度为900MPa，典型疲劳强度未发生改变，即等于304MPa。
经在水或油中硬化热处理的球形铸铁具有贝氏体或马氏体结构。在冷却过程结束时，它们任选地接受热回火处理。通常，这种铸铁的特征是延展性非常低并伴随表面硬度高，因此不能被用于需要特定疲劳强度的应用中。
从以上简述可看出，如果按传统方式对珠光体球形铸铁进行热处理，则其疲劳强度不增加。
为了要设计一种机械强度性质、特别是疲劳强度性质改善的材料，人们已经设计了商业上被称为ADI(奥贝球铁)的等温淬火球形铸铁。
获得这类铸铁所需的热处理由以下步骤组成：完全奥氏体化处理，将部件保持在高于奥氏体化温度上限(通常称为Ac3)的温度下，然后在熔盐浴中硬化。
由此获得的最终结构(技术上被称为奥铁体结构(ausferritic structure))由针状铁素体和奥氏体组成。该特定结构给予材料优良的机械性质，尤其是上好的疲劳强度，其加工性低于传统球形铸铁。
既然在冷却过程中须要避免形成珠光体，就必须使材料和合金元素(诸如镍和/或钼)形成合金。
在1980年代中叶，申请本专利的公司在得到Horst Muehlberger博士许可后开发了特定的热处理技术，其能够获得被称为GGG 70 B/A的等温淬火铸铁，该热处理技术由以下操作组成：在低于Ac3(上限奥氏体化温度)并高于Ac1(下限奥氏体化温度)的温度下进行奥氏体化，然后在熔盐浴中硬化。
所得最终结构(技术上被称为具有先共析(proeutectoid)铁素体的奥铁体结构)由先共析铁素体、针状铁素体和奥氏体组成。由于必须防止在冷却过程中形成珠光体，并且，由于该热处理的第一步中使用的奥氏体化温度也较低，所以，在该情况中，必须使材料与合金元素(诸如镍和/或钼)以一定百分比形成合金，所述百分比高于上述无先共析铁素体的等温淬火球形铸铁中的百分比。
该特定类型的铸铁已经被引入ISO 17804标准，命名为JS/800-10，最近，又被引入SAE标准J2477的2004年5月修订本中，命名为AD 750。该特定类铸铁的疲劳强度通常等于375MPa。
最近，有人提出商业上被称为缩写词MADI(可加工奥贝球铁)的球形铸铁；该类铸铁也是在低于Ac3并高于Ac1的温度下进行部分奥氏体化热处理，然后在熔盐浴中硬化的结果。所得最终结构因存在最终分散的马氏体针状物而与归类为GGG70 B/A和/或ISO 17804/JS/800-10和/或SAE J2477AD750的结构不同。然而，即使MADI铸铁也是以高含量合金材料，诸如镍和钼为特征。
ADI或MADI铸铁最终具有更优质的静态机械性质和疲劳极限，但是由于它们如上所述是在盐中硬化而得，所以它们需要合金材料，诸如镍和钼，以便确保它们的可硬化度，而且没有形成珠光体的风险。因此，由于这些合金元素价格高昂，所以目前除了其机械性质方面的有效性以外，这些材料很少在经济方面具有竞争力。
发明内容
本发明的目的是提供一种生产球形铸铁的新方法，其能获得比传统球形铸铁(铁素体、珠光体、铁素体-珠光体等)具有更高的机械性能但生产成本比等温淬火铸铁(ADI和MADI)低很多的材料。
通过一种制造由球形铸铁制成的机械部件的方法，所述目的和其它目标(它们在下文中将变得更加明了)都能达到，该方法的特征在于，其包含以下步骤：
-提供由铸铁制成的机械部件的铸件，所述铸铁的结构是至少部分铁素体(ferritic)，并且碳含量为2.5％至4.0％，硅含量为2.0％至3.5％；
-将具有至少部分铁素体结构的所述铸铁铸件置于部分奥氏体化温度下一定时间，所述温度高于下限奥氏体化温度(Ac1)并低于上限奥氏体化温度(Ac3)，所述时间为获得至少部分奥氏体(austenitic)结构所需的时间；
-在250℃至400℃的温度下进行等温硬化热处理，以便得到具有至少部分珠光体-铁素体(pearlitic-ferritic)或全铁素体(perferritic)结构的基体。
附图简要说明
在一些优选的但并非唯一的本发明的制造球形铸铁的方法的实施方式中，本发明的其它特征和优点将变得更加明了，附图通过非限制性实施例的方式举例说明了这些实施方式，其中：
图1和图2是通过光学显微镜拍摄的重约70千克的支承架(supportingbracket)的两个区域的放大照片：图1的照片针对热模数(thermalmodulus)(体积/冷却表面比率)为2.7的区域；图2的照片涉及热模数为1.3的区域；
图3和图4是通过光学显微镜拍摄的重约68千克的十字叉(spider)的两个区域的放大照片，图3的照片针对热模数为2.4的区域，图4的照片涉及热模数为1.35的区域；
图5是通过光学显微镜拍摄的重约76千克的第二十字叉的区域的放大照片，该区域的热模数为1.2；
图6是圆柱形长条的透视图；
图7是图6中所示长条的区域的放大照片(放大倍数为500)。
在随后的示例性的实施方式中，以相对于特定实施例的方式表达的个体性质实际上可以与其它示例性实施方式中存在的其它不同性质互换。
而且，要注意，在申请专利过程中发现已经为人所知的任何技术要点都理解为不要求获得保护并且声明放弃。
本发明实施方式
参考附图，本发明涉及用于制造由球形铸铁制成的机械部件，诸如支承架、十字叉、轮轴和一般的机械部件的方法。
具体地，该方法提供以下步骤：
-提供由铸铁制成的机械部件的铸件，所述铸铁具有至少部分铁素体的结构，并且碳含量为2.5％至4.0％，硅含量为2.0％至3.5％；
-将具有至少部分铁素体结构的所述铸铁铸件置于某一温度下一定时间，所述温度高于下限奥氏体化温度(Ac1)并低于上限奥氏体化温度(Ac3)，所述时间为获得至少部分奥氏体结构所需的时间；
-在250℃至400℃的温度下实施等温硬化热处理，以便得到结构基本上为珠光体-铁素体或全铁素体的基体。
具体地，已经发现，特别有利的是待接受热处理的铸件中铁素体的百分含量大于20％，优选大于50％，。
而且，在实验上，已经发现，由铁素体百分含量大于80％的球形铸铁铸件开始，对于接受本发明方法处理的部件的一般机械性质特别有利。
更具体地，已经发现，操作这种在熔盐浴中等温硬化的热处理方法特别方便。
有利地，优选用于实施等温硬化的温度为350℃至390℃。
如所述的，在部分奥氏体化步骤中机械部件所保持的温度为从技术上被称为Ac1的温度至技术上被称为Ac3的温度或完全奥氏体化温度，在Ac1温度以上，铸铁的结构开始转化为奥氏体；实际上，通过将部件置于技术上被称为Ac3的温度以上的温度中，可以使部件的结构完全转换为奥氏体。如所述的使部件保持在Ac3至Ac1之间的中间温度时，并非所有的结构都变为奥氏体，而是有部分铁素体保持原样(先共析铁素体)。
而且，我们观察到，如图7中所示的用500×光学显微镜拍摄的照片中所示，所得结构具有奥铁体结构的岛状物(islands)。
部分奥氏体化实施时的温度的选择基本取决于在处于该温度的保持过程结束时希望获得的奥氏体的量。已经发现，使部件保持在允许30％至70％的结构转化为奥氏体的部分奥氏体化温度下是有利的；可以通过选择在Ac3至Ac1区间的约一半处的温度，来获得上述情况。
这一点可以通过选择大于780℃并小于840℃的温度，较优地根据碳和硅的含量，800至820℃的温度来实现。
这类温度是碳含量约为3.50％、硅含量约为2.60％的铸铁的一个指标，但是，它们当然会根据待接受热处理的铸件中的这些元素的百分数而变化。
为了获得主要为奥氏体的结构，实验发现，根据机械部件的尺寸，机械部件在奥氏体化温度(处于Ac3至Ac1之间的温度)的保持时间为90分钟至210分钟，较优地120分钟至180分钟。
用于制成初始铸件的主要为铁素体结构的铸铁当然可以含有小于0.15％的锰和/或小于0.15％的铜和/或小于0.15％的镍和/或小于0.15％的钼。
实施例1
铸造一个支架，其重约70kg，由具有主要为铁素体的基体(铁素体百分含量大于50％)和3.55％碳和2.60％硅的铸铁制成。
该部件被置于815℃的部分奥氏体化温度(处于Ac3至Ac1之间)并在该温度下保持150分钟。
然后在370℃下于盐浴中实施等温硬化处理。
我们发现完成的部件的平均硬度约为255-265HB，热模数分别为2.7和1.3的区域中的平均机械性质总结在表1中。
表1
 
Rm(MPa) Rp02(MPa) A5
模数2.7的区域 720 500 7.5
模数1.3的区域 820 550 8.5
图1和2是光学显微镜拍摄的照片(放大率为200×)，其显示热模数分别为2.7和1.3的区域中部件的金相结构。
实施例2
铸造一个十字叉，其重68kg，由具有主要为铁素体的基体(铁素体百分含量大于70％)和3.55％碳和2.60％硅的铸铁制成。
该部件被置于820℃的部分奥氏体化温度(处于Ac3至Ac1之间)并在该温度下保持140分钟。
然后在375℃下于盐浴中实施等温硬化处理。
我们发现完成的部件的平均硬度约为250-260HB，热模数分别为2.4和1.35的区域中的平均机械性质总结在表2中。
表2
 
Rm(MPa) Rp02(MPa) A5
模数2.4的区域 700 450 5.5
模数1.35的区域 800 480 8.0
图3和4进一步显示光学显微镜拍摄的两张照片(放大率为200×)，它们显示热模数分别为2.4和1.35的区域中部件的金相结构。
实施例3
铸造一个十字叉，其重约76kg，由具有主要为铁素体的基体(铁素体百分含量大于80％)和3.55％碳和2.60％硅的铸铁制成。
该部件被置于830℃的奥氏体化温度(处于Ac3至Ac1之间)160分钟。
然后在380℃下于盐浴中实施等温硬化处理。
我们发现完成的部件的平均硬度约为240-250HB，热模数为1.2的区域中的平均机械性质总结在表3中。
表3
 
Rm(MPa) Rp02(MPa) A5
模数1.2的区域 730 440 8.5
图5显示光学显微镜拍摄的照片(放大率为200)，其显示热模数为1.2的区域中部件的金相结构。
实施例4
铸造直径为25mm、长度为200mm的测试件；这些测试件中的一件显示在图6中并以附图标记40指代；测试件由具有主要为铁素体的基体和3.65％碳和2.65％硅的铸铁制成。
部件40被置于810℃的(奥氏体化)温度中160分钟。
然后在375℃下于盐浴中实施等温硬化处理。
我们发现完成的部件的平均硬度约为260-270HB，区域40a的平均机械性质总结在表4中。
表4
 
Rm(MPa) Rp02(MPa) A5
区域40a 890 580 8.5
图7显示光学显微镜拍摄的照片(放大率为200)，其显示附图标记40a指代的区域中测试件的金相结构。
接着进行旋转弯曲疲劳测试，由直径为25mm的测试件获得直径为6.5mm的无刻痕测试件，我们发现它们的疲劳极限为368MPa。
本发明当然还涉及由球形铸铁制成的机械部件，所述球形铸铁主要为具有奥铁体结构的岛状物的铁素体-珠光体结构。
以上被叙述为有利的、方便的或类似术语的本发明的所有特征也可以被删除或用等同物代替。
如此构思的本发明容许许多修改和变化，所有这些都属于所附权利要求的范围。
因此，比如，我们已经注意到，通过提供硬化和回火处理，回火在接近或高于Ac1的温度下进行，可以得到这类铸铁。
实际上，我们已经发现，在所有实施方式中本发明都达到了预期的目标和目的。
实际上，根据需要，尺寸可以任意。
而且，所有的细节都可以被技术上相当的其它要素所代替。
本申请要求意大利专利申请第VR2006A000111号的优先权，其公开内容通过引用结合于此。
任何权利要求中所述的技术特征后都跟随着附图标记，包括这些附图标记的唯一目的是增加权利要求的可理解性，因此，这些附图标记不会对通过实施例的方式由这些附图标记标识的每一个要素的说明具有任何的限制作用。

Claims (12)

1.一种制造由球形铸铁制成的机械部件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
-提供由铸铁制成的机械部件的铸件，所述铸铁的结构是至少部分铁素体，并且该铸铁的碳含量为2.5％至4.0％，硅含量为2.0％至3.5％；
-将具有至少部分铁素体结构的所述铸铁铸件置于高于下限奥氏体化温度(Ac1)但低于上限奥氏体化温度(Ac3)的温度下一定时间，所述时间为获得至少部分奥氏体结构所需的时间；
-在250℃至400℃的温度下实施等温硬化热处理，以便得到具有至少部分珠光体-铁素体或全铁素体结构的基体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等温硬化热处理在熔盐浴中进行。
3.如权利要求1或2中所述的方法，其特征在于，由具有至少部分铁素体结构的铸铁制成的机械部件的所述铸件含有大于20％的铁素体。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，由具有至少部分铁素体结构的铸铁机械部件的所述铸件含有大于50％的铁素体。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，由具有至少部分铁素体结构的铸铁制成的机械部件的所述铸件含有大于80％的铁素体。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在Ac1至Ac3的奥氏体化温度保持的步骤结束时，所述铸件的奥氏体百分含量为30％至70％，较优地基本上等于50％。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述等温硬化在350至390℃的温度下进行。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述奥氏体化温度为780℃至840℃，较优地800℃至820℃。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述铸铁机械部件的铸件被保持在Ac1至Ac3的奥氏体化温度下的时间为90至210分钟，较优地为120至180分钟。
10.如权利要求1至9中任一项所述的制造机械部件的方法，其特征在于，所述结构基本上为珠光体-铁素体或全铁素体的基体具有奥铁体结构的岛状物。
11.一种由球形铸铁制成的机械部件，其特征在于，所述铸铁具有结构基本上为铁素体-珠光体或全铁素体的基体。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的方法获得的由球形铸铁制成的机械部件。
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