CN109937264A - 蠕墨铸铁合金和内燃机缸头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于汽车和类似应用的铸铁合金技术领域。待解决的问题：目前，内燃机的结构零件由灰口铸铁合金或蠕墨铸铁合金制成，所述灰口铸铁合金几乎不具有大于350MPa的拉伸强度极限范围且所述蠕墨铸铁合金在高温下没有保持稳定。问题的解决方案：公开了蠕墨铸铁合金，由于添加钼、铜和锡的量，具有耐热因数从0.5至1.7％(HRF＝3×(％Mo)+1×(％Sn)+0.25×(％Cu))，实现了在室温且直至300℃下500至550MPa的拉伸强度极限，和在400℃下430至450MPa的拉伸强度极限。

Description

蠕墨铸铁合金和内燃机缸头

发明领域

本发明涉及被设计用于制造内燃机缸头的新的蠕墨铸铁合金，并且更特别地，对高温机械性质具有特殊要求的蠕墨铸铁合金特别适用于制造高效内燃机缸头。

所讨论的发明还涉及内燃机缸头，其由本文公开的蠕墨铸铁合金制成。

发明背景

本领域技术人员公知的是内燃机包含熟练地将来自化学反应的能量转变成可用的机械能的机器。大体上，能量转化的过程随着燃料物理化学特征的受控操纵而出现，其经历在体积、压力和温度方面的改变。当然，燃料的物理化学特征的受控操纵发生在受控环境内部，即内燃机本身内部。在这个意义上，已知内燃机(特别是应用在汽车车辆中的那些)的受控环境被限定在由常已知为发动机体和发动机缸头的结构零件连接所产生的体积中。

这意味着这些结构零件的构造材料直接影响内燃机作为整体的效率，毕竟这样的制造材料必须将特殊特征集合在一起，使这些结构零件能够经受住体积、压力和燃料温度方面的改变。

因此，注意到汽车工业对于高机械强度铸造材料的需求强烈，意在提高发动机功率。

在任何情况下，本领域技术人员公知的是内燃机的结构零件通常由高强度灰口铸铁或高强度蠕墨铸铁制成。

特别用于制造内燃机缸头的灰口铸铁合金的实例描述于专利文献US 9,132,478。此文献描述了片状灰口铸铁合金，其基本上由在铸铁中添加碳(2.80％至3.60％)、硅(1.00％至1.70％)、锰(0.10％至1.20％)、硫(0.03％至0.15％)、铬(0.05％至0.30％)、钼(0.05％至0.30％)和锡(0.05％至0.20％)组成，构造合金的组织基体具有最大5％的铁素体。虽然描述于专利文献US 9,132,478中的灰口铸铁合金含有高钼含量，其有利于提供良好机械性质，但是其仍然涉及灰口铸铁并因此具有最多350MPa的极限强度值。

还已知添加铬和钼的其它灰口铸铁合金，具有合理的热强度值。然而，在新发动机中燃烧气体温度的提高显示这样的技术不再适用于新的情况。提高钼含量直至0.35％部分解决该问题，从而提高至某一耐热程度，然而没有提出彻底的解决方案，因为其限制在最大350MPa的阻力极限(对于灰口铸铁而言的极限值)。

这意味着已知的灰口铸铁合金几乎不具有大于350MPa的拉伸强度极限范围，其限制使用这种概念上的合金类型用于制造具有更高机械应力水平的内燃机结构零件。

至于考虑到蠕墨铸铁合金，Guesser等人(evaluation of the machinability ofvermicular cast iron through drilling tests，发布于2011年4月11日至15日在巴西Caxias do Sul，RS举办的第6届巴西制造工程会议)教导蠕墨铸铁(其为在制造球墨铸铁过程中由于化学组成误差偶然获得的)自从1965年中期已经是现有技术的一部分，如专利文献US 3,421,886中所述。从概念的角度看，蠕墨铸铁特征在于其包含在珠光体或甚至铁素体/珠光体基体中排列的蠕虫形状的石墨(细长并随机取向的形式，具有圆形端部)。

如专利文献US 3,421,886中所述，第一种蠕墨铸铁合金基本上包含在铸铁中添加碳(2％至4％)、硅(1.5％至3.5％)、镍(约36％)、镁(0.005％至0.06％)、元素周期表3B族金属中的一种(0.001％至0.015％)和钛(0.15％至0.5％)，铸铁中镁、元素周期表3B族金属和钛有效控制石墨以蠕虫状形式出现(至少50％)。今天，机体和发动机缸头的国际标准不再接受蠕虫状石墨的这一量，所述国际标准确立蠕虫状石墨最小为80％。

当然，根据多个且不同的期望应用，蠕墨铸铁合金已经发展了多年。

用于汽车应用的蠕墨铸铁合金的实例描述于专利文献PI0105987-4中。此文献描述蠕墨铸铁合金基本上由在铸铁中添加碳(3.5％至3.8％)、硅(2.0％至2.6％)、铬(小于0.05％)、锰(小于0.40％)和钛(小于0.015％)组成，其中铬、锰和钛有效控制在铸铁的显微组织中出现10至13％的主要为蠕虫状的石墨和至多20％的主要为球状的石墨，该显微组织中不含片状石墨。另外，还证实了专利文献PI 0105987-4中公开的蠕墨铸铁合金包含金属基体由铁素体和珠光体组成的显微组织，珠光体比率等于或大于50％。

虽然发现了描述于专利文献PI 0105987-4中的蠕墨铸铁合金在室温下具有高机械性质，但是注意到这样的性质在升高的温度下没有保持稳定，从而限制这样的合金使用于制造在高温下工作的内燃机的结构零件。

用于汽车应用的含铁合金的另一实例描述于专利文献JP1986026754中。此文献描述铸铁合金(其可为可锻铸铁、灰口铸铁或蠕墨铸铁)基本上由在铸铁中添加碳(2.5％至4.0％)、硅(0.8％至1.5％)、锰(0.3％至1.5％)、磷(0.05％至1.5％)、硫(小于0.3％)、镍(等于或小于0.5％)、铬(等于或小于1.5％)、钼(等于或小于0.8％)、锡(等于或小于0.5％)、铜(等于或小于4.0％)和锆(等于或小于1％)组成。特别地，这样的铸铁合金特别用于制造内燃机的双壁气缸套。

公开于专利文献JP 1986026754中的合金提供高耐热磨损性，这是由于形成硬质颗粒例如铬和钼的磷化物(在高温下硬且稳定的颗粒)。这样的合金具有高磷含量(>0.05％)，适合于在简单几何形状的工件例如气缸套中形成耐磨损性硬质颗粒，但是与制备复杂的铸造零件例如发动机缸头不相容，其中高磷含量的影响给内部清洁(sanity)(有利于微收缩的存在)带来巨大的困难。此外，这样的合金(以与传统灰口铸铁合金出现的相同方式)不存在例如大于500MPa的高拉伸强度值，因为毕竟显微组织中磷化物的存在引起拉伸强度的降低，因为这些颗粒在机械应力下诱导在基体内裂纹的形成，由源自高磷含量的微孔隙的存在进一步加剧裂纹的形成。在磨损应用的特定情况下，这一事实不代表主要问题，并且因此这样的合金适合于气缸套，但是对于具有复杂几何形状的零件并在高机械应力水平下使用而言，这种替代不代表解决方案。因此，基于这种情况出现了本发明。

发明目的

因此，本发明的主要目标是公开新的蠕墨铸铁合金，其具有在室温且直至300℃下500至550MPa的拉伸强度极限，和在400℃下430至450MPa的拉伸强度极限。

本发明的目标还是公开内燃机缸头，其由新的蠕墨铸铁合金制成，所述蠕墨铸铁合金具有在室温且直至300℃下500至550MPa的拉伸强度极限，和在400℃下430至450MPa的拉伸强度极限，能够经受住高工作温度和高机械应力水平。

本发明的另一个目标是公开内燃机缸头，其由新的蠕墨铸铁合金制成，所述蠕墨铸铁合金具有在室温且直至300℃下500至550MPa的拉伸强度极限，和在400℃下430至450MPa的拉伸强度极限，能够优化在内燃机中非常重要的散热条件。

附图简要描述

基于以下附图将更详细地描述本发明，其中：

图1说明与具有25mm厚度的常规#450级块材Y对比，与Sn、Cu和Mo联系的蠕墨铁的机械性质结果和显微组织的图表；和

图2说明蠕墨铁典型显微组织，含有Sn、Mo和Cu，HRF＝1.15％(蠕虫状石墨颗粒和细化的珠光体)。

发明详细描述

因此，为了实现以上提到的技术目的和效果，根据本发明描述了蠕墨铸铁合金。

在这个意义上，本发明的一般优点为以平衡并合适的比例添加钼、铜和锡至蠕墨铸铁中已经常规使用的合金元素列表，而没有添加能够形成硬质磷化物的其它元素例如与高磷水平(>0.05％)有关的铬和其它元素。

在已经使用在蠕墨铸铁中可能的合金元素中(以它们典型的组成和通常含量)例如碳(3.0至3.9％)、锰(0.1至0.6％)、硅(1.5至3.0％)、镁(0.005至0.030％)、铈(0.005至0.030％)和残余元素例如硫(小于0.030％)和磷(小于0.050％)，将钼、锡和铜添加至本发明的目的的蠕墨铸铁合金。

更具体地，特别以以下比例添加这样的合金元素：

钼，在该合金总量的0.05％至0.40％范围内。

锡，在该合金总量的0.01％至0.13％范围内。

铜，在该合金总量的0.2％至1.30％范围内。

应平衡这些钼、铜和锡的量，使得耐热因数(HRF)在0.5和1.7％之间。此因数本文由以下限定：

HRF＝3×(％Mo)+1×(％Sn)+0.25×(％Cu)(重量百分比)

显然，本发明目的的蠕墨铸铁合金可仍然含有铸铁的其他典型杂质，所述杂质没有改变或损害期望的特征。

如之前提到的，由于在以上提到的范围内和在以上提到的耐热因数内添加钼、锡和铜，特别地实现所述期望的结果--在环境温度且直至300℃下500至550MPa的拉伸强度极限，和在400℃下430至450MPa的拉伸强度极限。可在熔化炉中、在运输盘或浇注盘中、在浇注炉中、或在浇口中进行添加这些钼、铜和锡。

由于采用以上给出的比例添加以上列出合金元素，通过以上解释的工艺，获得了蠕墨铁，其显微组织包含细的珠光体基体，具有主要为蠕虫状形式的石墨颗粒和存在至多20％的石墨球，珠光体平均片间间距减小，例如在具有25mm厚度的块体Y中从0.32μm减小至0.25μm，如图1中所示。

还值得强调的是珠光体平均片间间距的降低(图2)构成本发明目的蠕墨铸铁合金的机械强度提高的主要原因之一。

因此，用所述铸铁合金制造内燃机缸头(和附带地内燃机的其它结构零件)变得可能，所述合金含有通常含量的碳(3.0至3.9％)、锰(0.1至0.6％)、硅(1.5至3.0％)、镁(0.005至0.030％)、铈(0.005至0.030％)和残余元素例如硫(小于0.030％)和磷(小于0.050％)，特别地添加在该合金总量的0.01至0.13％范围内的锡、在该合金总量的0.2％至1.3％范围内的铜、和在该合金总量的0.05％至0.40％范围内的钼，以重量计表示所述百分比。必须平衡钼、铜和锡的这些数量，使得耐热因数(HRF)在0.5至1.7％之间。此因数由以下限定：

HRF＝3×(％Mo)+1×(％Sn)+0.25×(％Cu)(重量百分比)

在任何情况下，在内燃机缸头中完全存在蠕墨铸铁合金的显微组织基体中的相同特征(细的珠光体基体与主要为蠕虫状形式的石墨颗粒并且存在至多20％的石墨球)，以及期望的结果(在室温且直至300℃下500至550MPa的拉伸强度极限，和在400℃下430至450MPa的拉伸强度极限)。

因此，这些高热强度值允许部件长寿命，并且供选择地允许修改缸头的尺寸设计，减小截面厚度，其还导致改进的散热条件，这是内燃机缸头中的重要方面。

这意味着所讨论的发明能够开发优异性能的发动机缸头，所述缸头适合于高的发动机工作温度和高机械应力水平。

Claims (4)

1.蠕墨铸铁合金，含有以下元素的通常含量：碳(3.0至3.9％)、锰(0.1至0.6％)、硅(1.5至3.0％)、镁(0.005至0.030％)、铈(0.005至0.030％)并且还存在残余元素例如硫(小于0.030％)和磷(小于0.050％)，特征在于其包含具有以它们各自比例的以下合金元素的蠕墨铸铁合金：

锡，在该合金总量的0.01％至0.13％范围内存在，

铜，在该合金总量的0.2％至1.3％范围内存在，和

钼，在该合金总量的0.05％至0.40％范围内存在；

平衡这些水平使得耐热因数(HRF)在0.5和1.7％之间，此因数由以下限定：

HRF＝3×(％Mo)+1×(％Sn)+0.25×(％Cu)(重量百分比)

其中所述蠕墨铸铁合金的显微组织的基体包含细的珠光体基体，具有主要为蠕虫状形式的石墨颗粒并且存在至多20％的石墨球。

2.内燃机缸头，含有以下元素的通常含量：碳(3.0至3.9％)、锰(0.1至0.6％)、硅(1.5至3.0％)、镁(0.005至0.030％)、铈(0.005至0.030％)并且还存在残余元素例如硫(小于0.030％)和磷(小于0.050％)，特征在于其包含以下合金元素：

锡，在该合金总量的0.01％至0.13％范围内存在，

铜，在该合金总量的0.2％至1.3％范围内存在，和

钼，在该合金总量的0.05％至0.40％范围内存在；

平衡这些水平使得耐热因数(HRF)在0.5和1.7％之间，此因数由以下限定：

HRF＝3×(％Mo)+1×(％Sn)+0.25×(％Cu)(重量百分比)

其中所述蠕墨铸铁合金的显微组织的基体包含细的珠光体基体，具有主要为蠕虫状形式的石墨颗粒并且存在至多20％的石墨球。

3.蠕墨铸铁合金，包含以各自比例的至少以下合金元素：

碳，在该合金总量的3.0％至3.9％范围内存在，

锰，在该合金总量的0.1％至0.6％范围内存在，

硅，在该合金总量的1.5％至3.0％范围内存在，

镁，在该合金总量的0.00％至0.030％范围内存在，

铈，在该合金总量的0.005％至0.030％范围内存在，

硫，在该合金总量的小于0.030％的范围内存在，

磷，在该合金总量的小于0.050％的范围内存在，

所述蠕墨铸铁合金特别地特征在于其还包含以各自比例的以下合金元素：

锡，在该合金总量的0.01％至0.13％范围内存在，

铜，在该合金总量的0.2％至1.3％范围内存在，和

钼，在该合金总量的0.05％至0.40％范围内存在；

平衡这些水平使得耐热因数(HRF)在0.5和1.7％之间，此因数由以下限定：

HRF＝3×(％Mo)+1×(％Sn)+0.25×(％Cu)(重量百分比)

其中所述蠕墨铸铁合金的显微组织的基体包含细的珠光体基体，具有主要为蠕虫状形式的石墨颗粒并且存在至多20％的石墨球。

4.内燃机缸头，特征在于其由蠕墨铸铁合金制成，所述蠕墨铸铁合金包含以各自比例的以下合金元素：

碳，在该合金总量的3.0％至3.9％范围内存在，

锰，在该合金总量的0.1％至0.6％范围内存在，

硅，在该合金总量的1.5％至3.0％范围内存在，

镁，在该合金总量的0.00％至0.030％范围内存在，

铈，在该合金总量的0.005％至0.030％范围内存在，

硫，在该合金总量的小于0.030％的范围内存在，

磷，在该合金总量的小于0.050％的范围内存在，

锡，在该合金总量的0.01％至0.13％范围内存在，

铜，在该合金总量的0.2％至1.3％范围内存在，和

钼，在该合金总量的0.05％至0.40％范围内存在；

平衡这些水平使得耐热因数(HRF)在0.5和1.7％之间，此因数由以下限定：

HRF＝3×(％Mo)+1×(％Sn)+0.25×(％Cu)(重量百分比)

其中所述蠕墨铸铁合金的显微组织的基体包含细的珠光体基体，具有主要为蠕虫状形式的石墨颗粒并且存在至多20％的石墨球。