CN112680648A - 高模量高强度的球墨铸铁和曲轴 - Google Patents

高模量高强度的球墨铸铁和曲轴 Download PDF

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Abstract

提供一种球墨铸铁合金和汽车部件，例如曲轴。所述球墨铸铁合金可以包含：铁；约2.2‑3.2重量%碳；约1.7‑2.3重量%硅；约0.2‑0.6重量%锰；至多0.03重量%磷；至多0.02重量%硫；约0.2‑0.6重量%铜；约0.1‑0.4重量%铬；约0.4‑0.8重量%镍；约0.15‑0.45重量%钼；约0.2‑1.0重量%钴；约0.02‑0.06重量%镁，和至多0.002重量%稀土元素。所述球墨铸铁合金可以具有175至195 GPa的杨氏模量并且具有750至950 MPa的铸态极限拉伸强度。所述合金具有良好的强度、刚度和噪声/振动/声振粗糙度特性，使其适用于曲轴应用。一种形成所述球墨铸铁合金的方法包括通过连续系统以恒定量将镁基材料送入熔融铁合金中。

Description

高模量高强度的球墨铸铁和曲轴
技术领域
本公开总体而言涉及铁合金，更具体而言涉及球化并具有适用于汽车部件（如曲轴）的希望强度和模量的铁合金。
背景技术
传统曲轴可由极限拉伸强度约为550MPa并且杨氏模量为150-165 GPa的铁合金制备。球墨铸铁合金可用于曲轴以达到强度要求，但它们难以加工，并且所进行的任何加工都会产生不利的残余应力。此外，由于刚度低，球墨铸铁曲轴可能成为噪音，振动和声振粗糙度问题的根源。
发明内容
本公开提供了一种新型球墨铸铁合金，其具有高杨氏模量和高强度，适用于曲轴应用。例如，该新型球墨铸铁合金可以具有的铸态（as cast）极限拉伸强度在750-950MPa的范围内并且杨氏模量在175-195 GPa的范围内。该新型球墨铸铁合金允许铸态形成具有空心结构的先进曲轴设计，从而减少了材料的使用。该新型球墨铸铁合金还可以提供足够的刚度和低噪音、振动和声振粗糙度。
在一个实例中（该实例可与本文提供的其他实例和特征结合或与之独立），提供一种球墨铸铁合金，其包含：铁；约2.2-3.2重量%碳；约1.7-2.3重量%硅；约0.2-0.6重量%锰；约0.2-0.6重量%铜；约0.1-0.4重量%铬；约0.4-0.8重量%镍；约0.15-0.45重量%钼；约0.2-1.0重量%钴；和约0.02-0.06重量%镁。
在另一个实例中（该实例可与本文提供的其他实例结合或与之独立），提供了一种球墨铸铁合金，其基本上由以下物质组成：约2.2-3.2重量%碳；约1.7-2.3重量%硅；约0.2-0.6重量%锰；0-约0.03重量%磷；0-约0.02重量%硫；约0.2-0.6重量%铜；约0.1-0.4重量%铬；约0.4-0.8重量%镍；约0.15-0.45重量%钼；约0.2-1.0重量%钴；约0.02-0.06重量%镁；0-约0.002重量%一种或多种稀土元素；和余量的铁。
可提供附加特征，包括但不限于以下特征：其中铁以至少90重量%的量提供；所述球墨铸铁合金还包含不超过0.03重量%的磷；所述球墨铸铁合金还包含不超过0.02重量%的硫；所述球墨铸铁合金还包含不超过0.002重量%的一种或多种稀土元素；其中所述球墨铸铁合金具有175至195 GPa的杨氏模量；其中所述球墨铸铁合金具有750至950 MPa的铸态极限拉伸强度；其中铁以数量为大于90%的珠光体微观结构存在；其中铁围绕多个石墨结核；其中大多数石墨结核的直径为1-5微米；其中所述球墨铸铁合金具有大于85%的球化率；并且其中所述多个石墨结核具有大于每平方毫米200个石墨结核的数量密度。
在一个变体中，球墨铸铁合金基本上由以下物质组成：约2.2重量%的碳；约2.2重量%的硅；约0.3重量%的锰；约0.02重量%的磷；约0.001重量%的硫；约0.3重量%的铜；约0.2重量%的铬；约0.5重量%的镍；约0.3重量%的钼；约0.5重量%的钴；约0.04重量%的镁；约0.001重量%的一种或多种稀土元素；和余量的铁。
本文提供的球墨铸铁合金的任何变体可通过一种方法形成，该方法包括通过连续体系以恒定量将镁基材料送入熔融铁合金中。
还可以包括其他附加特征，包括但不限于以下特征：由球墨铸铁合金的任何变体制备的汽车部件；并且所述汽车部件为曲轴。
具体地说，本发明涉及以下项：
1. 一种球墨铸铁合金，其包含：
铁；
约2.2-3.2重量%碳；
约1.7-2.3重量%硅；
约0.2-0.6重量%锰；
约0.2-0.6重量%铜；
约0.1-0.4重量%铬；
约0.4-0.8重量%镍；
约0.15-0.45重量%钼；
约0.2-1.0重量%钴；和
约0.02-0.06重量%镁。
2. 第1项的球墨铸铁合金，其中铁以至少90重量%的量提供。
3. 第2项的球墨铸铁合金，其进一步包含不超过0.03重量%的磷和不超过0.02重量%的硫。
4. 第3项的球墨铸铁合金，其进一步包含不超过0.002重量%的至少一种稀土元素。
5. 第2项的球墨铸铁合金，其中所述球墨铸铁合金具有175至195 GPa的杨氏模量。
6. 第5项的球墨铸铁合金，其中所述球墨铸铁合金具有750至950 MPa的铸态极限拉伸强度。
7. 第6项的球墨铸铁合金，其中铁以数量为大于90%的珠光体微观结构存在。
8. 第7项的球墨铸铁合金，其中铁围绕多个石墨结核，并且其中所述多个石墨结核中的大多数石墨结核的直径为1-5微米。
9. 第8项的球墨铸铁合金，其中所述球墨铸铁合金具有大于85%的球化率。
10. 第9项的球墨铸铁合金，其中所述多个石墨结核具有大于每平方毫米200个石墨结核的数量密度。
11. 一种由第2项的球墨铸铁合金形成的汽车部件。
12. 第11项的汽车部件，其中所述汽车部件是用于内燃机的曲轴。
13. 一种球墨铸铁合金，其基本上由以下物质组成：
约2.2-3.2重量%碳；
约1.7-2.3重量%硅；
约0.2-0.6重量%锰；
0-约0.03重量%磷；
0-约0.02重量%硫；
约0.2-0.6重量%铜；
约0.1-0.4重量%铬；
约0.4-0.8重量%镍；
约0.15-0.45重量%钼；
约0.2-1.0重量%钴；
约0.02-0.06重量%镁；
0-约0.002重量%至少一种稀土元素；和
余量的铁。
14. 第13项的球墨铸铁合金，其中所述球墨铸铁合金具有175至195 GPa的杨氏模量。
15. 第14项的球墨铸铁合金，其中所述球墨铸铁合金具有750至950 MPa的铸态极限拉伸强度。
16. 第15项的球墨铸铁合金，其中铁以数量为大于90%的珠光体微观结构存在；其中铁围绕多个石墨结核；其中所述多个石墨结核中的大多数石墨结核的直径为1-5微米；其中所述球墨铸铁合金具有大于85%的球化率；并且其中所述多个石墨结核具有大于每平方毫米200个石墨结核的数量密度。
17.第16项的球墨铸铁合金，其中所述球墨铸铁合金基本上由以下物质组成：
约2.2重量%的碳；
约2.2重量%的硅；
约0.3重量%的锰；
约0.02重量%的磷；
约0.001重量%的硫；
约0.3重量%的铜；
约0.2重量%的铬；
约0.5重量%的镍；
约0.3重量%的钼；
约0.5重量%的钴；
约0.04重量%的镁；
约0.001重量%的至少一种稀土元素；和
余量的铁。
18. 一种由第16项的球墨铸铁合金形成的汽车部件。
19. 第18项的汽车部件，其中所述汽车部件是用于内燃机的曲轴。
20. 形成第13项的球墨铸铁合金的方法，所述方法包括通过连续体系以恒定量将镁基材料送入熔融铁合金中。
结合附图和权利要求书，通过下面对本公开的许多方面的详细描述，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将显而易见。
附图说明
提供附图仅用于说明目的，并不旨在限制本公开或所附的权利要求。
图1是符合本公开原理的球墨铸铁合金的放大图，显示了其微观结构；和
图2是由符合本公开原理的球墨铸铁合金形成的曲轴的横截面图。
具体实施方式
提供具有理想铸态刚度和强度的球墨铸铁合金。这些球墨铸铁合金特别适用于承受大负荷和疲劳并且具有先进设计的铸造汽车部件。可以铸态完成所述汽车部件，这节省了额外的步骤、材料和成本。在某些变体中，可以形成曲轴，使其在轴颈和配重上具有集成铸态轻量化孔。
本文公开的球墨铸铁合金含有铁、碳、硅、锰、铜、铬、镍、钼、钴和镁，并且所述球墨铸铁合金可以进一步含有磷、硫和一种或多种稀土元素。
例如，本文公开的球墨铸铁合金可包含铁、约2.2-3.2重量%（或精确地为2.2-3.2重量%）碳、约1.7-2.3重量%（或精确地为1.7-2.3重量%）硅、约0.2-0.6重量%（或精确地为0.2-0.6重量%）锰，约0.2-0.6重量%（或精确地为0.2-0.6重量%）铜，约0.1-0.4重量%（或精确地为0.1-0.4重量%）铬，约0.4-0.8重量%（或精确地为0.4-0.8重量%）镍，约0.15-0.45重量%（或精确地为0.15-0.45重量%）钼，约0.2-1.0重量%（精确地为0.2-1.0重量%）钴和约0.02-0.06重量%（或精确地为0.02-0.06重量%）镁。保持碳当量为约2.8-4.0重量%。铁可以以至少90重量%的量提供。球墨铸铁合金可以进一步包含以下的一种或多种：不超过0.03重量%的磷；不超过0.02重量%的硫；以及总量不超过0.002重量%的一种或多种稀土元素。例如，表1显示了球墨铸铁合金的一个示例，其含有铁、碳、硅、锰、铜、铬、镍、钼、钴和镁，并且其还可含有磷、硫和稀土元素。例如，包含的稀土元素可以是铈，其单独使用或与其他稀土元素组合。
表1 新型球墨铸铁合金的一个示例
C(wt%) Si(wt%) Mn(wt%) P(wt%) S(wt%) Cu(wt%) Cr(wt%) Ni(wt%) Mo(wt%) Co(wt%) Mg(wt%) RE(wt%) Fe
2.2-3.2 1.7-2.3 0.2-0.6 0-0.03 0-0.02 0.2-0.6 0.1-0.4 0.4-0.8 0.15-0.45 0.2-1.0 0.02-0.06 0-0.002 余量
在另一个实例中，本文公开的球墨铸铁合金可包含约2.2重量%（或精确地为2.2重量%）碳、约2.2重量%（或精确地为2.2重量%）硅、约0.3重量%（或精确地为0.3重量%）锰、约0.02重量%（或精确地为0.02重量%）磷，约0.001重量%（或精确地为0.001重量%）硫，约0.3重量%（或精确地为0.3重量%）铜，约0.2重量%（或精确地为0.2重量%）铬，约0.5重量%（或精确地为0.5重量%）镍，约0.3重量%（或精确地为0.3重量%）钼，约0.5重量%（或精确地为0.5重量%）钴，约0.04重量%（或精确地为0.04重量%）镁，和约0.001重量%（或精确地为0.001重量%）稀土元素。余量可由铁构成。保持碳当量为约2.93重量%，或精确地为2.93重量%。例如，表2显示了球墨铸铁合金的一个示例，其含有铁、碳、硅、锰、磷、硫、铜、铬、镍、钼、钴、镁和一种或多种稀土元素。
表2 新型球墨铸铁合金的一个具体示例
C(wt%) Si(wt%) Mn(wt%) P(wt%) S(wt%) Cu(wt%) Cr(wt%) Ni(wt%) Mo(wt%) Co(wt%) Mg(wt%) RE(wt%) Fe
2.2 2.2 0.3 0.02 0.001 0.3 0.2 0.5 0.3 0.5 0.04 0.001 余量
]现在参考图1，其显示了符合本公开原理的球墨铸铁10。球墨铸铁10具有一定的组成，例如，其元素范围如表1所示。存在多个石墨结核12，铁14围绕着所述石墨结核12。石墨结核12具有非常小的结核尺寸，其中每个结核12或绝大多数或至少大多数结核12的直径为1至5微米。在本例中，铁14以数量超过90%的珠光体微观结构存在。
例如，球墨铸铁10的铸态极限拉伸强度为750-960 MPa并且杨氏模量为175-195GPa。因此，球墨铸铁10具有足够的强度，可铸态用于高负荷汽车部件，例如曲轴。球墨铸铁10的球化率为至少85%。石墨结核12可具有至少每平方毫米200个结核的数量密度。
本文所述的球墨铸铁合金可用于制备汽车部件，在某些情况下，所述汽车部件可以是铸造的汽车推进系统部件。可使用如本文所述的铁合金形成的汽车部件可包括但不限于曲轴、传动轴、差速器托架、半轴（half shafts）、后桥半轴（axle shafts）等。例如，参考图2，示出了曲轴100，其由本文所述的球墨铸铁合金的任何变体制备，并且其可以铸造形成。曲轴100具有先进的设计，该设计包括在杆轴颈104中形成的集成轻量化孔102和在主轴颈108中形成的集成轻量化孔106。可以另外包括任何其他希望的轻量化孔或复杂的设计特征。可以使用本文所述的球墨铸铁合金铸造形成带有轻量化孔102、106的曲轴100。
本文所述的球墨铸铁合金可通过一种方法形成，该方法包括通过连续体系以恒定量将镁基材料送入熔融铁合金中。例如，镁基材料可以以一致的方式（例如，通过机器和控制器）以粉末形式送入熔融的铁合金中，或者镁基材料可以是被连续且一致地送入熔融的铁合金中的线料。可以额外地或替代地使用控制闸门来以一致的方式将镁基材料送入熔融的铁合金中。将镁或镁合金应用于熔融的铁合金中的一致性导致球墨铸铁合金具有希望的球化度。
本文所提供的描述在性质上仅仅是示范性的，并且不偏离其主旨的变体均在本公开的构思和范围内。这些变体不视为背离本公开的构思和范围。

Claims (10)

1.一种球墨铸铁合金，其包含：
铁；
2.2-3.2重量%碳；
1.7-2.3重量%硅；
0.2-0.6重量%锰；
0.2-0.6重量%铜；
0.1-0.4重量%铬；
0.4-0.8重量%镍；
0.15-0.45重量%钼；
0.2-1.0重量%钴；和
0.02-0.06重量%镁。
2.根据权利要求1所述的球墨铸铁合金，其中铁以至少90重量%的量提供。
3.根据在前权利要求任一项所述的球墨铸铁合金，其进一步包含不超过0.03重量%的磷和不超过0.02重量%的硫。
4.根据在前权利要求任一项所述的球墨铸铁合金，其进一步包含不超过0.002重量%的至少一种稀土元素。
5.根据在前权利要求任一项所述的球墨铸铁合金，其中所述球墨铸铁合金具有175至195 GPa的杨氏模量并且具有750至950 MPa的铸态极限拉伸强度。
6.根据在前权利要求任一项所述的球墨铸铁合金，其中铁以数量为大于90%的珠光体微观结构存在；其中铁围绕多个石墨结核；其中所述多个石墨结核中的大多数石墨结核的直径为1-5微米；其中所述球墨铸铁合金具有大于85%的球化率；并且其中所述多个石墨结核具有大于每平方毫米200个石墨结核的数量密度。
7.根据在前权利要求任一项所述的球墨铸铁合金，其中所述球墨铸铁合金基本上由以下物质组成：
约2.2重量%的碳；
约2.2重量%的硅；
约0.3重量%的锰；
约0.02重量%的磷；
约0.001重量%的硫；
约0.3重量%的铜；
约0.2重量%的铬；
约0.5重量%的%镍；
约0.3重量%的钼；
约0.5重量%的钴；
约0.04重量%的镁；
约0.001重量%的至少一种稀土元素；和
余量的铁。
8.一种由在前权利要求任一项所述的球墨铸铁合金形成的汽车部件。
9.根据权利要求8所述的汽车部件，其中所述汽车部件是用于内燃机的曲轴。
10.形成根据权利要求1-7任一项所述的球墨铸铁合金的方法，所述方法包括通过连续体系以恒定量将镁基材料送入熔融铁合金中。
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