CN102666896B - 适用于高输出功率的柴油发动机的气缸体的cgi铸铁及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铸铁，更详细地说，涉及通过控制碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、铜(Cu)、锡(Sn)和镁(Mg)的量来制造，从而铸造性得到提高、而且具有稳定的抗拉强度和屈服强度、具有适当范围的硬度的CGI(Compacted Graphite Iron：蠕墨铸铁)铸铁及其制造方法。

Description

适用于高输出功率的柴油发动机的气缸体的CGI铸铁及其制造方法
技术领域
本发明涉及铸铁及其制造方法，更详细地说，涉及通过控制添加到铁中的成分的含量，从而铸造性得到提高、而且具有稳定的抗拉强度和屈服强度的铸铁及其制造方法。根据本发明的铸铁属于可特别适用于高输出功率的柴油发动机的气缸体的过共晶(hypereutectic)CGI(compacted graphite iron：蠕墨铸铁)铸铁。
背景技术
近年来，由于环保法规得到强化，因此减少从发动机排出的如Cox或NOx之类的环境污染物质的含量是必然的。
在柴油发动机的情况下，为了减少上述如Cox或NOx之类的环境污染物质的排出量，需要提高发动机的爆发压力。如此，为了提高发动机的爆发压力，需要提高发动机的气缸体的强度。
以往通常用于气缸体的材料为铸铁，但普通铸铁(common grade cast iron)通常为灰铸铁。灰铸铁由于在铸造时碳分离生成石墨而带灰色，因此其被称为灰铸铁。
通常，铸铁根据基体中所包含的石墨的形态、大小、分布状态产生很大差异，通常被称为铸铁的灰铸铁的抗拉强度为约15kg/mm2～20kg/mm2左右。如上述那样的灰铸铁虽然具有优异的铸造性、减振能力、以及热导率，但是强度低，因此用作发动机的气缸体的材料是有限制的。
作为改善了这样的灰铸铁的物性的铸铁，有球状石墨铸铁。球状石墨铸铁(spherical graphite cast iron)是使普通的铸铁(灰铸铁)组织中出现的石墨从原来的片状组织改变成球状组织而提高韧性的铸铁。这样的球状石墨铸铁也被称为球墨铸铁(nodular cast iron)或延性铸铁(ductile cast iron)。上述球状石墨铸铁在耐磨性、耐热性、耐蚀性等方面优异，与普通的灰铸铁相比，弹性系数大，布氏硬度达到200左右，切削性也优于具有相同硬度的普通铸铁。
但是，在球状石墨铸铁的情况下，虽然具有气缸体所需的高强度，但是在制造复杂的形态时铸造性不足，并具有低的热导率，因此适用于复杂的形态的气缸体是有限的。
因此，近年来，适用具有上述灰铸铁的优异的铸造性、减振能力和热导率、并且具有球状石墨铸铁的高强度和一定的拉伸率的CGI(compacted graphite iron：蠕墨铸铁)铸铁作为新一代气缸体材料。
这样的CGI铸铁可通过在将球状石墨铸铁熔液盛装到盛铁桶(ladle)时，精确地控制镁(Mg)的含量来制造，所述球状石墨铸铁熔液是在熔炉中对球状石墨铸铁材料进行熔融而得到，所述盛铁桶是将熔化的原液转移到其他地方的器具。
CGI铸铁中，为了确保稳定的机械物性(抗拉强度)，需要精确地控制熔融/盛装温度和镁量等，为此，必然需要精确的控制装置和作业人员的熟练度、使用杂质含量低的高级生铁等。尽管进行这种精确的控制，但还是存在如下等问题：由于镁含量、盛装位置、盛装温度、盛装速度等多种所需条件下所产生的误差，常常发生CGI铸铁的材质不良和铸造不良。
发明内容
技术课题
本发明通过将碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、铜(Cu)、锡(Sn)和镁(Mg)的含量控制在产生稳定的物性以及不会发生铸造不良的范围内，从而提供抗拉强度(Tensile Strength)和屈服强度(Yield Strength)分别调节在500MPa～600MPa、350MPa～450MPa范围内的铸铁。
本发明的目的在于，通过精确地控制镁(Mg)的量，从而提供具有稳定的物性和组织的铸铁。特别是，本发明的目的在于，提供还可适用于高输出功率高马力柴油发动机的气缸体的铸铁。
本发明的目的还在于，通过具有稳定的抗拉强度和屈服强度且具有适当的硬度(Hardness)，从而确立能够制造可适用于高输出功率高马力柴油发动机的气缸体的铸铁的化学组成和制造方法。
解决课题手段
本发明提供一种铸铁，其相对于全部重量包含3.65重量%～3.75重量%的碳(C)、2.0重量%～2.25重量%的硅(Si)、0.3重量%～0.6重量%的锰(Mn)、1.2重量%～1.4重量%的铜(Cu)、0.07重量%～0.10重量%的锡(Sn)、0.008重量%～0.018重量%的镁(Mg)、0.04重量%以下的磷(P)、0.02重量%以下的硫(S)和剩余量的铁(Fe)。
根据本发明的一例，上述铸铁的抗拉强度(Tensile Strength)为500MPa～600MPa的范围。此外，根据本发明的另一例，上述铸铁的屈服强度(Yield Strength)为350MPa～450MPa的范围。另一方面，上述铸铁的布氏硬度值(BHW)在255～280的范围内。
根据本发明的一例，使上述铸铁的碳当量(CE:Carbon Equivalent)在4.35～4.5的范围内。
根据本发明的一例，由上述碳形成的石墨的球化(Nodularity)率可以为5%～20%左右。
本发明提供一种铸铁的制造方法，其包括：
制造铸铁原液的步骤，在熔炉中，对如下铸铁材料进行熔融，制造熔融的铸铁原液，所述铸铁材料相对于全部重量包含3.65重量%～3.75重量%的碳(C)、2.0重量%～2.25重量%的硅(Si)、0.3重量%～0.6重量%的锰(Mn)、0.04重量%以下的磷(P)、0.02重量%以下的硫(S)和剩余量的铁(Fe)；
在用于盛装上述熔炉中熔融的铸铁原液的容器、即盛铁桶(ladle)内，放入1.2重量%～1.4重量%的铜(Cu)、0.07重量%～0.10重量%的锡(Sn)和0.008重量%～0.018重量%的镁(Mg)的步骤；
制造铸铁熔液的步骤，将上述制造的铸铁原液盛装到上述放入有1.2重量%～1.4重量%的铜(Cu)、0.07重量%～0.10重量%的锡(Sn)和0.008重量%～0.018重量%的镁(Mg)的盛铁桶内，制造铸铁熔液；
确定要增加的镁量的步骤，掌握上述盛装在盛铁桶内的铸铁熔液中所包含的镁含量，确定要增加的镁量；
添加镁的步骤，将上述所确定的要增加的量的镁添加到盛装在上述盛铁桶内的铸铁熔液中；以及
将上述添加有镁的铸铁熔液注入到模具中的步骤。
本发明中，在用于盛装熔炉中熔融的铸铁原液的容器、即盛铁桶内，放入规定量的镁(Mg)，适量的铜(Cu)和锡(Sn)，然后将铸铁原液盛装到盛铁桶内，使石墨晶化，以形成稳定的CGI，而得到具有稳定的机械特性的CGI铸铁。
根据本发明的一例，调节上述铸铁原液中的碳当量(CE:Carbon Equivalent)，以使其为4.35～4.5左右。
此外，根据本发明的一例，调节上述铸铁原液的盛装温度，以使其为1520±10℃。
根据本发明的一例，在上述添加镁的步骤中，可以利用丝(wire)状镁孕育剂，对镁进行孕育。
在根据本发明的铸铁的情况下，可通过铸铁熔液中所包含的镁的含量来预计铸铁中所包含的石墨的球化率，可以估计根据上述球化率的强度的范围。
本发明中，镁的含量可根据所需强度的不同而不同，为了适用于高输出功率柴油发动机的气缸体，使其含量为0.008重量%～0.018重量%。
发明效果
根据本发明，通过精确地控制镁(Mg)的量，并控制铜(Cu)和锡(Sn)的量，从而可以提供具有500MPa～600MPa范围的抗拉强度、350MPa～450MPa范围的屈服强度和255～280的范围的布氏硬度的铸铁。
根据本发明的铸铁由于具有稳定的抗拉强度和屈服强度、具有适当的硬度，因此能够用于制造可适用于高输出功率高马力柴油发动机的气缸体。
此外，根据本发明，通过精密地控制镁(Mg)的量，从而可以制造具有能够用于高马力的柴油发动机用气缸体程度的高强度、并具有均质组织的CGI铸铁。另外，通过控制作为合金元素的铜(Cu)和锡(Sn)的量，可以制造能够具有多种硬度和抗拉强度的CGI铸铁。
附图简单说明
图1是说明镁(Mg)含量和石墨的球化率的关系的曲线图。
图2是说明石墨的球化率与抗拉强度(Tensile Strength)和屈服强度(Yield Strength)的关系的曲线图。
图3是示出镁(Mg)含量与抗拉强度的关系和铸铁的代表组织的状态的图表。作为参考，1MPa相当于1N/mm2。
图4简略地示出根据本发明的铸铁的制造工序的一例。
具体实施方式
下面，通过具体的示例，更详细说明本发明。
根据本发明的铸铁相对于全部重量包含3.65重量%～3.75重量%的碳(C)、2.0重量%～2.25重量%的硅(Si)、0.3重量%～0.6重量%的锰(Mn)、1.2重量%～1.4重量%的铜(Cu)、0.07重量%～0.10重量%的锡(Sn)、0.008重量%～0.018重量%的镁(Mg)；包含0.04重量%以下的磷(P)和0.02重量%以下的硫(S)；并包含剩余量的铁(Fe)。本发明的铸铁以铁(Fe)为基本材质。
接下来，在本发明中，对上述铸铁的各组成成分何含量进行说明。
1)碳(C)3.65重量%～3.75重量%
碳是为了晶化出蠕墨(compacted graphite)而添加的，如果根据本发明的铸铁中碳的含量不足3.65重量%，则在薄壁部(thin-walled part)上观察到白口化(chill)现象，如果超过3.75重量%，则会产生石墨球化收缩及流动不良。因此，在具有多种厚度的高强度气缸体中，为了防止这样的不良，在本发明中，将碳的含量限定为3.65重量%～3.75重量%。
2)硅(Si)2.0重量%～2.25重量%
硅在与碳以最佳比例添加的情况下，使蠕墨(compacted graphite)的晶化量极大化，增加铸铁的强度。在根据本发明的铸铁中，如果硅的含量不足2.0重量%，则会产生蠕墨的晶化量降低的问题，如果超过2.25重量%，则会产生延性降低的问题，因此，将其含量设定为2.0重量%～2.25重量%。
3)锰(Mn)0.3重量%～0.6重量%
锰是为了石墨的微细化及珠光体的稳定化而添加的，在根据本发明的铸铁中，如果锰的含量不足0.3重量%，则硬度下降，如果超过0.6重量%，则脆性增加，因此，将其含量设定为0.3重量%～0.6重量%。
4)铜(Cu)1.2重量%～1.4重量%
铜是用于蠕墨化的元素，其发挥促进珠光体的生成并使其微细化的作用，因此铜是为了确保强度而所需的元素。在根据本发明的铸铁中，在铜的含量不足1.2重量%的情况下，导致强度不足，但是，即使其含量超过1.4重量%，也没有相当于其超过量的添加效果。因此，本发明中，将铜的含量设定为1.2～1.4重量%。
5)锡(Sn)0.07重量%～0.10重量%
锡是很强力的促进珠光体生成的元素，与铜一样，以提高强度为目的添加。在根据本发明的铸铁中，在锡的含量不足0.07重量%的情况下，导致强度降低，在超过0.10重量%的情况下，使脆性急剧增加，因此将其含量设定为0.07重量%～0.10重量%。
6)镁(Mg)0.008重量%～0.018重量%
镁具有使石墨球化(nodularity)的功能，并且发挥促进蠕墨(compacted graphite)的核的生成和生长的作用。在根据本发明的铸铁中，如果镁的含量不足0.008重量%，则石墨呈片状，如果超过0.018重量%，则石墨的球化率增加，引起收缩不良，因此将其含量设定为0.008重量%～0.018重量%范围。
7)磷(P)0.04重量%以下
磷是在空气中的铸铁制造工序中自然带入的杂质之一。这样的磷虽然可以起到使珠光体稳定化的作用，但是如果其含量超过0.04重量%，则使脆性急剧增加，这与因偏析(segregation)所致的收缩缺陷有关。因此，在根据本发明的铸铁中，最好将磷的含量控制在0.04重量%以下。
实际上，难以使磷在铸铁原料成分中的含量为0，即使使磷在铸铁原料成分中的含量为0，在铸铁的制造工序中也会带入磷。因此，本发明中，磷的含量不超过0.04重量%是很重要的。
8)硫(S)0.02重量%以下
硫虽然发挥蠕墨(compacted graphite)的生成部位的作用，但在其含量超过0.02重量%的情况下，为了生成蠕墨，需要追加更多的镁。即、在限定镁的含量的状态下，如果硫的含量增加到一定范围以上，则会产生蠕墨(compacted graphite)呈片状的问题。因此，在根据本发明的铸铁中，将硫的含量控制在0.02重量%以下。
实际上，也难以使硫在铸铁原料成分中的含量为0，即使使硫在铸铁原料成分中的含量为0，在铸铁的制造工序中也会带入硫。因此，在本发明中，硫的含量不超过0.02重量%是很重要的。
9)铁(Fe)
铁是根据本发明的铸铁的主要材料。除上述成分以外的剩余量的成分是铁。
根据本发明的一例，使碳当量(carbon equivalent)为4.35～4.5。在根据本发明的铸铁中，如果碳当量不足4.35，则会产生薄壁部(thin-walled part)的白口化(chill)倾向，如果超过4.5，则由于初生石墨(primary graphite)产生过多，会产生收缩及流动不良，因此将其范围限定在4.35～4.5。此时，碳当量(CE)被定义为碳+(硅+磷)×1/3，为了控制产品的物性和品质，可以调节该值。
根据本发明的一例，上述铸铁的抗拉强度(Tensile Strength)为500MPa～600MPa，屈服强度(Yield Strength)为350MPa～450MPa。
根据本发明的一例，在上述铸铁中，使由上述碳形成的石墨的球化(Nodularity)率为5～20%。
参照图4，说明这种根据本发明的铸铁的制造过程。
根据本发明的铸铁的制造方法，首先，在熔炉(100)中，对如下铸铁材料进行熔融，制造铸铁熔液(110)原液，所述铸铁材料相对于全部重量包含3.65重量%～3.75重量%的碳(C)、2.0重量%～2.25重量%的硅(Si)、0.3重量%～0.6重量%的锰(Mn)、大于0重量%且0.04重量%以下的磷(P)、大于0重量%且0.02重量%以下的硫(S)和剩余量的铁(Fe)。
在用于盛装上述熔炉中熔融的铸铁原液的容器、即盛铁桶(200；ladle)内，放入剩余成分(210)、即1.2重量%～1.4重量%的铜(Cu)、0.07重量%～0.10重量%的锡(Sn)和0.008重量%～0.018重量%的镁(Mg)，来准备盛铁桶(200)。
将上述制造的铸铁熔液原液盛装到上述放入有1.2重量%～1.4重量%的铜(Cu)、0.07重量%～0.10重量%的锡(Sn)和0.008重量%～0.018重量%的镁(Mg)的盛铁桶(200)内，制造铸铁熔液(110)；
根据本发明的一例，可以调节上述盛装温度，以使其为1520±10℃。
另一方面，根据本发明的一例，可以调节上述铸铁原液中碳当量(CE:CarbonEquivalent)，以使其为4.35～4.5。
掌握上述盛装在盛铁桶(200)内的铸铁熔液中所包含的镁含量，确定要增加的镁量。
此处，铸铁原液由于转移到起初含有镁的盛铁桶内，因此在盛装在盛铁桶内的熔融的铸铁中包含预定含量的镁。尽管如此，为了考虑转移到盛铁桶时的镁的损失而更精密地控制镁的含量，再次掌握在盛装在上述盛铁桶内的熔融铸铁中所包含的镁含量，如果判断为需要增加镁，则再次增加镁。
根据本发明的一例，为了掌握上述镁含量，可以使用热分析仪(300)。
将上述所确定的要增加的量的镁添加到盛装在上述盛铁桶内的铸铁熔液中。根据本发明的一例，可以利用丝状的镁(500)来添加镁。
此时，除了镁之外，可以进一步添加在铸铁制造过程中通常使用的其他孕育剂。例如，可以进一步添加硅系孕育剂。上述硅系孕育剂可以购入市售产品来使用。本领域所属技术人员可根据需要容易地选定和确定孕育剂的种类和含量。上述其他孕育剂也可以为丝状(500)。
接着，将添加有上述镁的熔液注入到模具(400)中来完成铸铁。
<实施例1-10和比较例1-10>
按照下表1的组成，制造实施例1-10和比较例1-10的铸铁。
表1
单位：重量%
区分 C Si Mn Cu Sn Mg P S Fe
实施例1 3.650 2.240 0.440 1.360 0.090 0.017 0.031 微量 剩余量
实施例2 3.680 2.190 0.400 1.340 0.090 0.010 0.031 微量 剩余量
实施例3 3.700 2.110 0.390 1.410 0.080 0.011 0.031 微量 剩余量
实施例4 3.710 2.080 0.400 1.330 0.100 0.009 0.034 微量 剩余量
实施例5 3.680 2.140 0.380 1.260 0.080 0.011 0.031 微量 剩余量
实施例6 3.680 2.180 0.430 1.340 0.090 0.018 0.026 微量 剩余量
实施例7 3.710 2.130 0.400 1.290 0.070 0.013 0.031 微量 剩余量
实施例8 3.690 2.050 0.400 1.350 0.100 0.014 0.033 微量 剩余量
实施例9 3.710 2.130 0.400 1.290 0.070 0.013 0.031 微量 剩余量
实施例10 3.700 2.140 0.430 1.320 0.090 0.017 0.030 微量 剩余量
比较例1 3.810 2.220 0.110 1.150 0.090 0.012 0.034 微量 剩余量
比较例2 3.710 2.090 0.290 0.820 0.070 0.008 0.024 微量 剩余量
比较例3 3.780 1.970 0.110 0.870 0.070 0.000 0.019 微量 剩余量
比较例4 3.690 2.220 0.080 1.100 0.120 0.011 0.036 微量 剩余量
比较例5 3.780 2.010 0.110 0.890 0.070 0.000 0.018 微量 剩余量
比较例6 3.620 2.230 0.480 1.650 0.090 0.020 0.028 微量 剩余量
比较例7 3.720 2.090 0.460 1.390 0.090 0.022 0.029 微量 剩余量
比较例8 3.710 2.090 0.430 1.430 0.100 0.024 0.025 微量 剩余量
比较例9 3.650 2.190 0.370 1.230 0.090 0.020 0.031 微量 剩余量
比较例10 3.690 2.370 0.290 0.810 0.070 0.017 0.023 微量 剩余量
首先，按照上表1的组成，准备含有碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)的原液。硫(S)是铸铁的制造原料并且其是在制造过程中不可避免地包含的元素，因此不需要另外添加，但使其含量为0.02重量%以下。
盛装之前，利用CE meter(碳当量仪)，测定碳当量(CE)，来调节碳的含量，以TL(液相线温度)为基准，调节到1,146±1℃，从而准备原液。
添加镁(Mg)、铜(Cu)和锡(Sn)，准备盛铁桶，一边使盛装温度均一恒定地保持在约1,520℃左右，一边将上述原液盛装到盛铁桶内。
对上述盛装的原液进行热分析，考虑最终将要包含的镁的含量，确定要增加的镁的量，对于丝(wire)状镁调节合金成分后，在1,410±10℃下注入模具内。
测定按照上述表1的组成制造的铸铁的碳当量(C.E.)、抗拉强度(TS)、屈服强度(YS)、硬度(Hardness)和球化率(nodularity)，示于表2。此处，硬度为布氏硬度，是HBW布氏硬度值。
表2
由上可知，根据本发明的实施例的铸铁的抗拉强度(Tensile Strength)为500MPa～600MPa(N/mm2)的范围，屈服强度(Yield Strength)为350MPa～450MPa(N/mm2)的范围，HBW布氏硬度值为255～280的范围。
如此，根据本发明的铸铁具有稳定的抗拉强度和屈服强度、并具有适当的硬度，因此能够容易用于制造可适用于高输出功率高马力柴油发动机的气缸体。
作为参考，将对铸铁的球化率和镁含量的关系进行观察的结果示于图1。如图1所示，可知在根据本发明的CGI铸铁的情况下，球化率显示为5%～20%范围。
根据上述制造的CGI铸铁的球化率的抗拉强度(Tensile Strength)和屈服强度(Yield Strength)的关系可以参照图2和图3。如图2和图3所示，可以使抗拉强度和屈服强度分别在500MPa～600MPa和350MPa～450Mpa范围内的铸铁具有良好的品质。

Claims (4)

1.一种适用于高输出功率的柴油发动机的气缸体的CGI铸铁的制造方法，其包括：
制造铸铁原液的步骤，在熔炉中，对如下铸铁材料进行熔融，制造熔融的铸铁原液，所述铸铁材料相对于全部重量包含3.65重量％～3.75重量％的碳(C)、2.0重量％～2.25重量％的硅(Si)、0.3重量％～0.6重量％的锰(Mn)、大于0重量％且0.04重量％以下的磷(P)、大于0重量％且0.02重量％以下的硫(S)和剩余量的铁(Fe)；
在用于盛装上述熔炉中熔融的铸铁原液的容器、即盛铁桶(ladle)内，放入1.2重量％～1.4重量％的铜(Cu)、0.07重量％～0.10重量％的锡(Sn)和0.008重量％～0.018重量％的镁(Mg)的步骤；
制造铸铁熔液的步骤，将上述制造的铸铁原液盛装到放入有1.2重量％～1.4重量％的铜(Cu)、0.07重量％～0.10重量％的锡(Sn)和0.008重量％～0.018重量％的镁(Mg)的上述盛铁桶内，制造铸铁熔液；
确定要增加的镁量的步骤，掌握盛装在盛铁桶内的上述铸铁熔液中所包含的镁含量，确定要增加的镁量；
添加镁的步骤，将上述所确定的要增加的量的镁添加到盛装在上述盛铁桶内的铸铁熔液中；以及
将添加有镁的上述铸铁熔液注入到模具中的步骤。
2.根据权利要求1所述的适用于高输出功率的柴油发动机的气缸体的CGI铸铁的制造方法，其特征在于，上述铸铁原液中的碳当量(CE:Carbon Equivalent)为4.35～4.5。
3.根据权利要求1所述的适用于高输出功率的柴油发动机的气缸体的CGI铸铁的制造方法，其特征在于，调节上述盛装温度，以使其为1520±10℃。
4.根据权利要求1所述的适用于高输出功率的柴油发动机的气缸体的CGI铸铁的制造方法，其特征在于，在上述添加镁的步骤中，利用丝(wire)状镁来添加镁。
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