CN104024449A - 气缸套和铸铁合金 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种铸铁合金（1），其呈现球状石墨形态（3）。所述合金用于制备内燃机的气缸套，其优点是具有更好的机械性能，这会使所得的气缸套具有降低的厚度，使得发动机更轻、功率更大、更耐久，并且会获得总体上好得多的发动机性能。

Description

气缸套和铸铁合金

本发明涉及一种用于内燃机部件的球状石墨铸铁合金，更具体而言，本发明涉及机械性能优于现有技术、同时能够提高发动机功率以及使其重量减轻的气缸套（cylinder liner）。

背景技术

用于内燃机的气缸套是这样的发动机部件：它们由于所进行的工作类型而要经受显著的磨损。

鉴于市场的新需求，对新型发动机的内部构件具有更高的要求，就这一点而言，需要提供能够确保具有更好的性能并且还能有助于提供更可靠和更高的发动机输出功率的方案。

基于这一原则，一些汽车零部件的制造商试图寻找一些技术方案，特别是用于内燃机的汽缸套的技术方案等。

能够提高发动机性能的可能的解决方案之一可通过加强用于生产汽缸套的材料来实现。就此而言，人们提出了一些改进，特别是在包含铸铁合金的汽缸套方面提出了一些改进。

现有技术中用于制备汽缸套的主要合金之一是灰铸铁。这种合金成本低，能提供良好的机械性能，这是因为其显微组织中存在有游离的石墨。然而，灰铸铁的形态显示出：（片状）析出石墨（graphitization）呈脉状（vein）分布在珠光体显微组织中，这最终会损害重要的机械性能，如抗拉强度、刚度和疲劳强度。

这一事实是因为存在有以网状形式分布（随机分布）于珠光体显微组织基质中的脉状石墨而导致的，由于该石墨形态所致的沟槽效应（grooving effect），导致材料中除了可能的裂纹扩展以外，还产生一定量的互相连接的间隙。换句话说，包含灰铸铁的气缸套不具有塑性变形的特征。

在尝试改善用于生产气缸套的材料的性质时，为了使灰铸铁合金的缺陷最小化，人们已经提出了多种合金。为了这一目的，已经提出了包含致密石墨的珠光体铸铁合金的技术方案，与常规的片状珠光体材料相比，该合金获得了更好的性能。

就这一点而言，专利文献PI9704066-5描述了一种用于制备内燃机的活塞环的铸铁合金，其中公开了高度耐热的铸铁合金。该合金包含占主要量的珠光体基础组织，其具有致密的且为球状的石墨形式的石墨析出物。虽然该文献简要地提到了其它可能的应用，以假设的方式指出了可用于气缸套，但是该文献并没有对该主题做进一步阐述，这给不同的铸铁合金在多种发动机部件中的可能的应用留下了机会。

请注意，该特定的文献确定了：在欲具有致密化石墨的材料中，球状石墨的典型限度为30%。因此，被视为致密化石墨铸铁合金的材料通常具有一定百分比的球状石墨（参见图1）。

但是，在专利文献PI9704066-5提出的方案中，除了气缸套的成本（例如）在工业规模生产的可行性方面存在缺陷这一事实之外，即使铸铁合金中的石墨具有既致密化又为球状的石墨形态，也不能充分确保气缸套具有优异的性能。

此外，美国专利6,318,330描述了具有两相石墨形态的气缸套，其中外径是由球状石墨和致密化石墨铁构成的，内径主要是由灰铁或片状铁构成的。该专利的优点在于延性铁材质的外径十分结实并且耐疲劳、耐裂纹和耐断裂。该内径表现出良好的耐磨耗性和耐摩擦性（scuff resistance）。

但是，该两相材料在生产时显示出有障碍，主要是在控制衬套的内径与外径之间的石墨形态分布时存在障碍，这会显著影响生产成本。作为用来控制这种从球状-致密化石墨至片状石墨的形态分布的方法，该专利提到了根据Mg（镁）和S（硫）对一种或另一种形态的形成所具有的不利影响来控制添加至合金中的Mg和S的含量，从而确保形态沿着衬套壁的横截面逐渐过渡。要控制的含量区间在非常严格的范围内，有时为残留量，这增加了生产难度，使得实际上无法根据规则说明以及分别按照品质控制来供给材料。

例如，Mg的存在量会对石墨的形态产生显著影响。浓度低于0.008%的Mg会导致形成片状石墨，其组织主要为薄片状的。浓度为0.008%至0.013%的Mg会导致形成致密化的CGI石墨，其组织是致密化的。此外，浓度为0.013%至0.020%的Mg会导致形成具有致密化和球状性质的致密化和球状石墨的混合物。此外，浓度为0.020%至0.035%的Mg会导致形成80%至100%的球状石墨组织，而浓度高于0.035%的Mg会导致形成完全球状的石墨组织。

类似的是，S含量必须介于0.015%至0.02%之间，因为高于该值的浓度会导致球状石墨组织向薄片状状态退化。

因此，鉴于这些文献和现有技术，需要提出这样的合金，该合金能够获得可避免现有技术问题的石墨形态，从而提供一种具有优异的机械性能的气缸套的技术方案。

重要的是，需要指出，目前还没有能够获得具有更优的机械性能的气缸套从而可能降低其壁厚以及提高抗气蚀性和抗腐蚀性的技术方案。

发明目的

因此，本发明的目的是提供一种包含合金的气缸套，所述合金能够提高气缸套的机械性能，从而获得耐久性更长、效率更高的发动机。

本发明的另一目的是提出一种气缸套，该气缸套能够提供更高性能的内燃机并使其最终重量有所减轻。

最后，本发明的目的还在于提出一种铸铁合金，其具有呈球状的析出石墨，能够提供具有上述特征的发动机元件。

发明概述

本文所述的本发明的目的是通过提供一种用于内燃机的气缸套来实现的，所述气缸套包含具有珠光体结构的铸铁合金，并且至少70%的析出石墨具有球状石墨形态，所述气缸套具有高于230兆帕（MPa）的疲劳强度。

此外，本发明的目的是通过提供一种用于制备内燃机部件的铸铁合金来实现的，所述合金具有珠光体结构，至少70%为球状的析出石墨，所述铸铁合金具有：至少2.8重量%至4.0重量%的碳，1.8重量%至3.5重量%的硅，0.2重量%至1.0重量%的锰，至多0.5重量%的磷，至多0.05重量%的硫，至多0.5重量%的钒，至多0.5重量%的钼，0.2重量%至1.5重量%的镍，至多0.3重量%的锡，0.005重量%至0.06重量%的镁，以及余量的铁。

附图的简要说明

下文将基于附图示出的实施例来对本发明做更详细的说明。所述附图示出：

图1—是现有技术铸铁合金的显微照片；以及

图2—是本发明铸铁合金的显微照片。

图3—是示出本发明铸铁衬套的形变（外侧线）与现有技术铁衬套的形变（内侧线）相对照的图。

附图的详细说明

本发明提出了一种球状石墨铸铁合金以及由所述合金制备的气缸套。所述合金主要呈现出球状石墨占主导地位的石墨形态。换言之，在铁基质1中，所谓的具有球状石墨形态的析出石墨应当占大多数，图中以参考标号3示出，余量（不超过30%）的石墨具有脉状的形态，图中以参考标号2示出（参见图1）。因此，如图1示例性示出的那样，球状石墨形态将在70%至100%的范围内变化。

为了避免形成脉状形式的石墨（已知的是，镁的量升高有助于脉状形式的减少），构想出了在气缸套中具有优异的适用性的珠光体铸铁合金。根据图2，铸铁合金1具有主要为球状的石墨形态2，而不存在余量的具有脉状形态3的石墨。

这样的铸铁合金呈现出至少70%为球状的析出石墨3，并含有：至少2.8重量%至4.0重量%的碳，1.8重量%至3.5重量%的硅，0.2重量%至1.0重量%的锰，至多0.5重量%的磷，至多0.05重量%的硫，至多0.5重量%的钒，至多0.5重量%的钼，0.2重量%至1.5重量%的镍，至多0.3重量%的锡，0.005重量%至0.06重量%的镁，以及余量的铁。

此外，本发明的合金包含以下元素中的至少一者：铜、钴、钛、铌、硼、铝、钼、锆、氮、锑、砷和铋，其合计占所述合金总重量的至多7.0%。

请注意，本发明的球状石墨铸铁合金中的化学元素可以在所述的值之间变化，只要其表现出的形态中大于70%（可以达到100%的最大量）为球状石墨3即可。

本发明的球状石墨铸铁合金尤其是针对内燃机的气缸套而开发的，由此确保了这类合金的主要特征成为气缸套的固有特征。

这类合金的多种优点源自于以下事实：石墨在金属基质中保持游离态，但是为球状石墨的形式。这种形状的石墨使材料具有更高的弹性模量，从而赋予与常规钢材在这方面的性质相接近的性质。

虽然该合金的成本略高于灰铸铁（其具有脉状形式的石墨），但是，气缸套的机械性能的提高完全弥补了这种差异。

因此，与现有技术的合金相比，本发明的合金能够提供具有总体上更优的耐机械性和良好的耐腐蚀性的气缸套，这是因为存在有球状形式的不连续的石墨。

因此，与现有技术的合金相比，本发明的合金表现出非常优异的典型值，如下表所示。

表1：由不同类型的铸铁合金获得的结果的对比

如上表所示，本发明的合金能够获得机械性能明显优于现有技术铸铁合金的气缸套。

请注意，唯一没有显示出明显改进的性质是导热性。但是，虽然其在使发动机燃烧时产生的热量散逸方面的能力略差，但是该数据必须结合其他性质进行分析。就这一点而言，重要的是需要注意，本发明的气缸套具有容易降低其壁厚的附加性质。这种降低壁厚的效果（可在3%和35%之间变化）必然能抵消本发明的材料相对于现有技术在导热性方面可能具有的不利之处。

此外，该气缸套可以在进行至少两个步骤的机械加工之后经受热处理（如退火或其等同操作），接着在进行至少三个步骤的机械加工之后进行新的热处理（如正火或其等同操作）。这样的热处理和机械加工工艺是为了改善机械加工性能、除去表面上的残余应力以及使材料的显微组织合乎标准，以获得卓越的机械性能。

本发明的气缸套还可任选地被感应加热淬火（inductionhardened），从而使内径具有介于300HV到835HV之间的维氏（Vickers）硬度。在不经受这样的感应加热淬火时，本发明的气缸套具有约286HV的维氏硬度。在一个可能的实施方案中，感应加热淬火使得气缸套的马氏体相变为至多1.5mm，这可导致硬度从300HV变化到835HV。

如从图3可以看出的那样，试验结果表明，在暴露于12.8L柴油发动机中的200-240巴的峰值气缸压力的条件下时，在气缸上部区域，本发明的气缸套显示出发生的形变比现有技术气缸套（珠光体铸铁）的形变多出大约8微米。

图3中的外侧线条示出了本发明的直径为135mm的延性气缸套在暴露于气缸过压条件下时所测量的形变。图3中的内侧线条示出了本发明的直径为131mm的气缸套在暴露于气缸标称压力条件下时所测量的形变。由灰铸铁制成的、同样具有131mm直径的现有技术的气缸套在同样暴露于过压条件下时，显示出超出安全系数条件的值。这些试验的结果表明，本发明的气缸套可以应对显著更高的气缸压力条件，与灰铸铁制成的现有技术的气缸套所提供的形变相比，本发明的气缸套可以提供可接受的明显的形变。更具体而言，该数据指出了：本发明的气缸套在暴露于高出40巴的压力下时产生的形变比现有技术气缸套的形变额外多出8微米，即使壁厚较小（内径(bore diameter)更高）时也是如此。

图3中给出的数据表明了：本发明的材料可以仅通过使内壁的厚度变薄来减轻发动机的重量，这是因为本发明的合金具有优异的抗疲劳性、强度和弹性。以6缸柴油发动机计算，如这些附图所证明的发动机的重量减轻可换算成：其总重量可能减少6至12公斤（每个气缸减少的重量为1至2公斤）。

发动机的重量减轻会得到改进的、提供的功率可能会更高的发动机，这归因于发动机重量降低。由于衬套的传热系数降低，发动机将会在更高的温度下工作，同时冷却通道中的冷却液被保持在更高的温度下，这能够在腔室内的热效率方面提供益处，使得燃烧所需的燃料注入量减少，由此降低实际消耗。因此，重量降低这一点会使得发动机的输出效果更优，由此减少污染物的排放。同样重要的是，需要注意，可降低气缸套的厚度这一点对于干式气缸套的组装和功率增益而言是非常有利的，而不用改变机组的原始设计。

因此，可以根据希望获得的结果来制定气缸套设计。一方面，可以保持气缸套的厚度，这将显著延长发动机的寿命周期，或者在另一方面，可以减小厚度，从而提高发动机的功率和性能。

此外重要的是，需要注意：本发明气缸套的刚度更高这一点能够提高部件外径上的抗气蚀性。

请注意，这样的合金也可以用于制造活塞环，或者用于制造凸轮轴的部件。

还应当提到的是，由于本发明的合金和衬套提供了很大的改进，因此，显而易见的是，虽然其成本较高，但是成本与性能的正相关关系证明了：对于需要高抗性部件的发动机而言，其在商业上是非常引人注目的。

在描述了优选实施方案的例子之后，应当理解的是，本发明的范围包括其他可能的变体，本发明的范围仅通过随附的权利要求书的内容来限定，其中包括可能的等价形式。

Claims (16)

1.一种用于内燃机的气缸套，其特征在于，所述气缸套包含铸铁合金，所述铸铁合金具有珠光体结构，并且至少70%的析出石墨具有球状石墨形态（3）。

2.根据权利要求1所述的气缸套，其特征在于，所述铸铁合金包含：至少2.8重量%至4.0重量%的碳，1.8重量%至3.5重量%的硅，0.2重量%至1.0重量%的锰，至多0.5重量%的磷，至多0.05重量%的硫，至多0.5重量%的钒，至多0.5重量%的钼，0.2重量%至1.5重量%的镍，至多0.3重量%的锡，0.005重量%至0.06重量%的镁，以及余量的铁。

3.根据权利要求1和2所述的气缸套，其特征在于，所述铸铁合金的显微组织包含至多15重量%的铁素体。

4.根据权利要求1-3所述的气缸套，其特征在于，所述铸铁合金包含以下元素中的至少一者：铜、钴、钛、铌、硼、铝、钼、锆、氮、锑、砷和铋，其合计占所述合金总重量的至多7.0%。

5.根据权利要求1-4所述的气缸套，其特征在于，所述铸铁合金具有这样的珠光体结构：至少70%为球状的析出石墨（3）。

6.根据权利要求1-5所述的气缸套，其特征在于，所述气缸套能够在距离制得成品部件尚有至少一个步骤之前经受淬火热处理，所述淬火热处理是通过在内径中的表面感应进行的。

7.根据权利要求1-6所述的气缸套，其特征在于，该气缸套在至少两个机械加工步骤之后经受热处理，接着在至少三个机械加工步骤之后经受新的热处理。

8.根据权利要求1-7所述的气缸套，其特征在于，该气缸套具有高于500兆帕（MPa）的抗拉强度。

9.根据权利要求1-8所述的气缸套，其特征在于，该气缸套具有高于130吉帕（GPa）的弹性模量。

10.根据权利要求1-5所述的气缸套，其特征在于，该气缸套具有高于240HV的硬度。

11.根据权利要求6所述的的气缸套，其特征在于，该气缸套具有在300Hv至835Hv范围内的硬度。

12.一种用于制造内燃机的发动机部件的铸铁合金，其特征在于，该铸铁合金具有珠光体结构，至少70%为球状的析出石墨（3），所述铸铁合金包含：至少2.8重量%至4.0重量%的碳，1.8重量%至3.5重量%的硅，0.2重量%至1.0重量%的锰，至多0.5重量%的磷，至多0.05重量%的硫，至多0.5重量%的钒，至多0.5重量%的钼，0.2重量%至1.5重量%的镍，至多0.3重量%的锡，0.005重量%至0.06重量%的镁，以及余量的铁。

13.根据权利要求12所述的铸铁合金，其特征在于，所述铸铁合金的显微组织包含至多15重量%的铁素体。

14.根据权利要求12和13所述的铸铁合金，其特征在于，所述铸铁合金包含以下元素中的至少一者：铜、钴、钛、铌、硼、铝、钼、锆、氮、锑、砷和铋，其合计占所述合金总重量的至多7.0%。

15.根据权利要求12-14所述的铸铁合金，其特征在于，所述铸铁合金具有珠光体结构，至少100%为球状的析出石墨（3）。

16.根据权利要求12-15所述的铸铁合金，其特征在于，该铸铁合金用于制备活塞环，或者用于制备凸轮轴的部件。