CN1173837A - 具有可控致密石墨铸铁和灰口铸铁的非均匀结构的整体铸造产品的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有可控非均匀石墨结构的整体铸造产品的一种方法。例如,这种整体铸造产品可以在其某些部分铸造为片状灰口铸铁结构,而在其余部分为致密石墨结构,因而赋予上述铸造产品不同部位以不同性能。

Description

具有可控致密石墨铸铁和灰口铸铁的非均 匀结构的整体铸造产品的制造方法

本发明涉及一种具有可控非均匀石墨结构的整体铸造产品的制造方法。按照本发明，这种整体铸造产品可以在其某些部分铸造为具有片状石墨结构的灰口铸铁，而其余部分为蠕虫状石墨结构的灰口铸铁，因而赋于上述铸造产品不同部分以不同性能。

其背景技术包括：WO-A1-93-20969，WO-A1-89/04224，US-A-4667725，US-A-5316068，DE-A-4308614，SE-B-469712，SE-B-444817和JP-A-6/106331。

在两维截面视图上呈蠕虫状石墨结构的致密石墨铸铁(CGI)或铸铁是介于片状石墨结构的灰口铸铁和球墨结构的延性铁之间的一种中间形态。

致密石墨铸铁具有理想而独特的性能，如良好的力学和物理性能及良好的机加工性，因而非常适于机械装置中的许多部件。其中包括大批量生产的机械结构，主要是发动机，例如，刹车盘和各种液压泵。

因此，致密石墨铸铁将含有在凝固时以蠕虫状石墨形式沉淀的石墨，并按国际标准化组织ISO/R945-1975(E)称为“III型”(FormIII)石墨，或按照ASTMA247相应称为“IV类”(TypeIV)石墨。英国(1948)首先发现石墨形态，此后已用于小批量制造特殊部件。小批量制造的原因在于它不可能精确地控制铁熔体的性能和成分以保证这种铸造产品成分和石墨结构具有充分的再现性。

致密石墨铸铁的性能介于灰口铸铁性能和延性铁性能之间。例如，致密石墨铸铁的弹性模量比灰口铸铁弹性模量高30～40％，这意味着致密石墨铸铁弹性模量几乎与延性铁的相同。致密石墨铸铁的延性高于灰口铸铁的延性，常常是大于10倍以上。致密石墨铸铁有相当高的抗拉强度，大约是灰口铸铁抗拉强度的两倍。致密石墨铸铁的疲劳强度比灰口铸铁的高100％，基本上与延性铁相同。致密石墨铸铁的热导率与灰口铸铁在相同数量级，比延性铁高30～50％。致密石墨铸铁的机加工性和铸造性也类似于灰口铸铁。

可见，在兼有高强度要求及良好的铸造性，机加工性和高导热率要求的机械设计中，有充分的理由使用致密石墨铸铁。由于难于得到可再现性的致密石墨铸铁，在早期不可能用这类铸铁制造铸造产品。

然而，由温度传感器分析取自有关熔体的样品体积凝固时的温度与时间的关系，可以确定熔体中的成核剂和变质剂的浓度。这就可以使熔体在确定的铸型中精确凝固，也可以校正球化剂和变质剂的含量，使铸造产品有理想的性能。在这方面可以参见SE-B-469712，SE-B-444 817或US-A-4667725。按照这些专利说明书，用置于样品容器中的两个温度传感器测量上述值，在凝固过程开始时，容器中的熔体基本上与样品容器温度处于热动力平衡状态。

其中一个温度传感器置于样品容器中熔体的中心，而另一个放在靠近容器壁的熔体中。在凝固过程中，记录的值涉及：容器壁处的熔体过冷(T^* _w)，容器壁的再变热(rec_w)，容器壁和容器中心的正温差(ΔT⁺)，容器壁和容器中心的温差导数(dT/dτ)_w，在恒定的当量增长温度(dT/dτ)_w＝0，据此并对照模拟取样条件的已知参考值，可在熔体中加入添加剂或引入停留时间，确定并校正结晶成核剂的添加和量，以及结构变质剂的量，从而使结晶成核剂与结构变质剂的量与在铸造产品得到理想石墨结构所要求的量相适应。

结构变质剂通常由镁以及附加稀土金属(特别是铈或含铈的混合稀土金属)构成。

当溶解的镁量，以及其他结构变质剂的有关当量，即：除作为固态氧化物和硫化物而被分离的元素外，存在于溶体中的这类元素量，达到0.035％或更高，熔体凝固时，将沉淀出球状石墨。如果上述量降至约0.015％，将沉淀出致密石墨。如果上述量进一步降低到低于0.008％，将沉淀出片状石墨，铸铁将凝固为灰口铸铁。很显然，上述量在0.010％～o.020％之间，将主要形成致密石墨铸铁。

在某些应用中，使用非均匀石墨结构的铸铁产品是有利的。WO-A-93/20969公开了一种制造铸铁产品的方法，这种铸铁产品的一些部分具有致密石墨结构，而其他部分具有球状石墨结构。

在整体铸造产品的某些部分，因工作性能原因要求最大可能的热导率和比较低的弹性模量，因生产率的原因要求有优良的铸造性和机加工性，而使用片状结构的灰口铸铁，在其他部分因工作原因要求较高的强度和刚度而使用致密石墨铸铁，这也是很有利的。

以前已提出了在发动机汽缸体中实现非均匀石墨结构的类似尝试。JP-A-6/106331涉及生产具有改进强度和刚性的延性铁发动机汽缸体的一种方法，通过在形成汽缸内径壁的沙芯上加一反应涂层，使邻近铸铁壁的熔体中的活性镁被还原，提供了细长的片状石墨，因而使内孔壁有良好的热导率和机加工性。

然而，加在汽缸芯表面的反应涂层只能还原一定量的镁。因此，在浇注到铸型中的铁的镁含量一定时，很难得到可再现性的结果。经常发生的镁含量变化直接表现为内孔壁石墨结构的变化。

由于JP-A-6/106331缺乏适当的工艺控制，开始采用延性铁是必要的，延性铁比较差的可铸性限制了成功生产复杂薄壁铸件，如现代发动机汽缸体和汽缸盖的能力。

镁的最初过度处理也限制了在邻近反应芯表面产生厚层片状石墨的能力。铁中的镁含量从大的容积浓度值变化到接近壁处的较低水平，导致片状结构的形成。然而，因为产生球状石墨结构要求过量的镁，以及日复一日处理的铁中镁含量变化的综合影响，这种片状石墨层的厚度可能相当小。当对产品进行机加工可切削掉表面铁高到3mm厚度，因而许多片状石墨可能被失去时，这一点特点重要。

此外，灰口铸铁和延性铁之间力学性能和物理性能的大的变化对铸件长期性能的益处并不明显。强度，刚度，延性和热导率的大的差异可能导致异常的内应力和应变梯度，最终导致负面效应大于正面效应。

US-A-5316068也开始使用一种延性铁基材料，但其石墨转变机制由反应型芯变为凝固时铸型的高速转动，促使在外部区域形成灰口铸铁，而在中心孔处形成致密石墨铸铁。这个技术不仅实际上不适合，而且也面临由延性开始点导致的，在讨论JP-A-6/106331中所述的相同问题。

DE-A-4308614涉及生产一部分为片状灰口铸铁另一部分为致密石墨铸铁的一整体铸铁产品的一种方法。其铸型部分由氧或硫发射材料覆盖，以减少邻近被覆盖铸型壁的熔体中的活性镁含量。

然而，DE-A-4308614没有公开如何控制熔体成分使其铸造方法可以再现的任何信息。在这类应用中早已叙述过，很难以可再现性方式铸造致密石墨铸铁，必须认识到，使用DE-A-4308614的这种方法不控制熔体成分而可再现性地铸造非均匀石墨结构是极为困难的。而且，使用上述方法时，通常使用过量的镁或类似金属。因此，直到现在，不可能铸造出一些部分为片状灰口铸铁而其他部分为致密石墨铸铁组成的一种非均匀石墨结构。

在制造石墨晶体在不同部位以致密和片状形式非均匀分布的整体铸造产品时面临的上述问题，本发明以一种方法解决，在该方法中：

(1)采用可控的活性镁和/或有类似效应的其他元素的高浓度，生产具有凝固为致密石墨铸铁固有能力的熔融铸铁；

(2)上述熔融铸铁浇注到铸型中，上述铸型至少有一部分，即铸型壁和/或型芯，被反应材料覆盖，这些反应材料扩散或渗透到熔融铸铁中而降低活性镁和/或上述元素的浓度，因此，上述一部分熔融铸铁凝固为片状石墨铸铁，而铸型其他部分的熔融铸铁凝固为致密石墨铸铁，

其特征在于，熔融铸铁凝固为致密石墨铸铁的固有能力由下列步骤构成的方法控制和校正：

从熔融铸铁中抽取样品量置于设有两个温度传感器的样品容器中，其中一个温度传感器位于容器中心，另一个靠近容器壁，容器内壁由含有或覆盖一层可降低壁附近和靠近壁的温度传感器附近样品量中的活性镁浓度或上述元素百分比的材料构成，以一定方式及一定程度上以浇注入铸型的熔融铸铁模拟低活性镁浓度和/或上述元素，

使容器基本上与样品量达到热平衡，

记录两个温度传感器显示的温度，

由记录的曲线评定已知的熔融铸铁本身特性，显示的偏差表明在壁附近的温度传感器周围沉淀了片状石墨晶体，

通过温度时间曲线的偏差和设备上的参数校正熔融铸铁中的活性镁和/或上述元素的含量，因此，在这种熔融铸铁凝固时，这种浓度足以在基本不受上述反应材料影响的熔融铸铁中形成致密石墨晶体，而在受上述反应材料影响的熔融铸铁中，这个浓度低到足以形成片状石墨晶体。

下面参照作为示范的实施例及其附图更详细地叙述本发明，附图中：

图1为石墨球化率百分数与镁含量百分比的函数关系。在这个图中，0％球化率相当于一种完全致密石墨铸铁，100％球化率相当于完全球墨铸铁，即延性铸铁。球化率低于0％相当于灰口铸铁。实际上，0％球化率相当于100％致密石墨铸铁，这个轴的底部相当于100％片状灰口铸铁。

图2示出表明石墨结构和一般设计的非均匀致密/片状灰口铸铁汽缸盖的芯部截面图。

图3为放大100倍的片状灰口铸铁向致密石墨铸铁转变的显微照片。

按照本发明，可以可靠地再生产有最佳凝固潜力的致密石墨铸铁，因此，可以始终一贯地生产致密石墨颗粒和片状石墨最佳混合体的整体铸件。经过开始采用致密石墨铸铁，按给定的反应涂层可生产的片状灰口铁的厚度增加，因为灰口铁和蠕虫状铁的力学性能和物理性能更类似于灰口铁和延性铁的这些性能，其内应力和应变梯度减小。最终零件的铸造性和机加工性也更好。

此外，按照SE-B-469712的方法，可以精确确定致密石墨与片状石墨之间快速转变的处理铁的附近位置。从策略上改变热电偶测量点和样品反应壁涂层之间的距离，或者改变容器内壁涂层的反应性，可以精确生产接近稳定的蠕虫状平台左手边(图1A点)的一种致密石墨铸铁，因此，当浇注到含有涂有反应涂层的型芯和型砂的铸型中时，易于生产相当数量的灰口片状铸铁。与此相反，图1中B点区域的蠕虫状铁开始点要求更多地还原镁，因而将不产生出这类广泛的石墨网络。按这种方法，直接选择和再产生处理液态铸铁的适当开始点，对铸态显微组织的良好控制度将保证最佳始终如一的片状石墨层和过去从未实现的产品。

下列实例涉及一种汽缸盖，但本发明的方法也可用于铸造发动机汽缸体，例如，汽缸内径和水套芯可含有灰口铁，而隔板，顶板，槽轨，曲轴箱区域含有较高强度的致密石墨铸铁，或者也可用于刹车盘，例如，外安装边含有高热导率的片状铸铁，而内毂盘含有致密石墨铸铁以提供较高的强度。实例

在汽缸盖热面上产生的最大热感应应力可由下式表示： ${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{\mathrm{\Δ\&Tgr;\&Egr;\Ο\α}}{2(1-\mathrm{\μ})}---\left(1\right)$ 式中：

σ_max：最大热感应应力(Mpa)

ΔT：汽缸盖热面到冷水管道的温度梯度(℃)

Eo：弹性模量(Mpa)

α：热膨胀系数(℃^-1)

μ：泊桑比(无量纲)

现已知道，蠕虫状铸铁与灰口铸铁的热膨胀系数和泊桑比基本相等。减少在热面累积的并最终将导致阀口间形成裂纹的内应力的唯一方法是减小参数ΔT和Eo，其中ΔT与热导率呈相反关系。因此，其目标是在热端使用仅有灰口铸铁能满足的高热导率和低弹性模量的材料。同时，汽缸盖和外周边的松散物料最好由高强度、高刚度和延性材料制造。将比相应的灰口铁/延性铸铁混合物导致较低内应力的优质(＜10％球化率)蠕虫状铸铁可以满足这个目标，由于可控蠕虫状铸铁/灰口铸铁转变点(图1的A点)附近的铸铁凝固行为，可以生产更广泛的片状石墨网络，多于凝固行为开始点在图1的B点可实现的片状石墨网络，如果这种铸铁凝固行为开始点来自延性铁(图1的C点)，则片状石墨网络更少。

把各种标准铸造涂层加到片状石墨需要的任何铸型或型芯表面上，可以实现片状石墨比致密石墨颗粒所要求的激活镁含量还原和最终的生长。在汽缸盖的情况(图2)下，反应涂层可以加到热面铸型表面和水管型芯的下半部。涂层含有可控量的硫化物和/或氧化物，它们与活性镁化学反应稳固MgS和/或MgO。每个涂层所必须的量可根据所要求的片状石墨厚度反复确定，很显然与操作人员的技术有关。

本发明对现有汽缸盖设计特别有用，因为这种汽缸盖必须继续与现有发动机配合而不可能再设计。最近，随着汽油特别是柴油发动机功率和涡轮增压要求的提高，许多设计都是转变为更强材料的候选对象，致密石墨铸铁对比特别理想。然而，汽缸盖如果易因热负荷而失效，致密石墨铸铁比灰口铸铁的较低热导率和较高弹性模量将实际上提高热负荷，可能缩短使用寿命。对于致密石墨铸铁汽缸盖，降低关系式(1)中的ΔT项的唯一可行办法是降低火焰盖板的厚度。然而，这将使汽缸盖与现有发动机设计不匹配。本发明在这种情况是一理想的解决办法，因为在火焰盖板引入片状石墨铸铁提供了必要的热导率和较低的弹性模量以抗热负荷，而致密石墨铸铁提供必要的强度，刚度和延性抗机械负荷，而又不牺牲机加工性或铸造性。

Claims (2)

1.一种制造石墨晶体以致密和片状形式在最终铸件不同部位非均匀分布的整体铸铁产品的方法，在该方法中，

(1)采用可控活性镁和/或有类似效应的其他元素的高浓度，生产具有凝固为致密石墨铸铁固有能力的熔融铸铁；

(29上述熔融铸铁浇注到铸型中，上述铸型至少有一部分，即铸型壁和/或型芯，被反应材料覆盖，这些反应材料扩散或渗透到熔融铸铁中而降低活性镁和/或上述激活元素的浓度，因此，上述一部分熔融铸铁凝固为片状石墨铸铁，而铸型其他部分的熔融铸铁凝固为致密石墨铸铁，

其特征在于，熔融铸铁凝固为致密石墨铸铁的固有能力由下列步骤构成的方法控制和校正：

从熔融铸铁中抽取样品量置于设有两个温度传感器的样品容器中，其中一个温度传感器位于容器中心，另一个靠近容器壁，容器内壁由含有或覆盖一层可降低壁附近或靠近壁的温度传感器附近样品量中的活性镁浓度和上述元素的相应百分比的材料构成，以一定方式及一定程度上以浇注入铸型的熔融铸铁的上述反应材料模拟降低活性镁和/或上述元素的浓度，

使容器基本上与样品量达到热平衡，

记录两个温度传感器显示的温度，

由记录的曲线评定已知的熔融铸铁本身特性，显示的偏差表明在容器壁附近的温度传感器周围沉淀了片状石墨晶体，

通过温度时间曲线的偏差和设备上的参数校正熔融铸铁中的活性镁和/或上述元素的含量，因此，在这种熔融铸铁凝固时，这种浓度足以在基本上不受上述反应材料影响的熔融铸铁中形成致密石墨晶体，而在受上述反应材料影响的熔体铸铁中，这个浓度低到足以形成片状石墨晶体。

2.按照权利要求1所述的一种方法，其特征在于，样品容器壁由含有或覆盖一层将降低样品量中活性镁浓度0.002～0.010％(重量)或降低上述元素相应百分比的材料组成。

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