用於氣缸蓋的鑄鐵合金的製作方法

2023-09-15 08:47:45

專利名稱：用於氣缸蓋的鑄鐵合金的製作方法
用於氣缸蓋的鑄鐵合金本發明涉及片狀石墨鑄鐵合金和由其鑄成的氣缸蓋。這種類型的鑄鐵合金或氣缸蓋是已知的。從例如DE-A-100 12 918已知用於內 燃機的氣缸蓋。後者描述了用於內燃機的氣缸蓋，該氣缸蓋由合金化的片狀石墨鑄鐵鑄 成並且含有如下添加劑3.30重量％-3.60重量％碳、1.73重量％-1.92重量％矽、0.60 重量％-0.90重量％錳、最大0.055重量％磷、最大0.10重量％硫、0.20重量％-0.32重 量％鉻、0.40重量％-0.90重量％銅、0.08重量％-0.10重量％錫、0.035重量％-0.55重 量％鉬和0.01重量％-0.014重量％鈦。此外，從例如MAN工作標準M 3422，2000年4月 已知由合金化的灰鑄鐵製成的氣缸蓋，其含有如下添加劑3.30重量％-3.55重量％碳、 1.80重量％-2.30重量％矽、0.55重量％-0.80重量％錳、最大0.20重量％磷、最大0.13 重量％硫、0.10重量％-0.15重量％鉻、0.10重量％-0.20重量％鉬、0.08重量％-0.12重 量％錫和最大0.15重量％銅。不斷進一步提高氣缸內的點火壓力以便不斷改善發動機內的燃燒。此處的最薄 弱區域是將燃燒室封閉的氣缸蓋的閥式連通件(Ventilsteg)。雖然已知多種方法通過加入 特定合金元素來調節所需性能，然而直到目前仍未成功地提供滿足與機械性能有關和關 於熱導率，特別是關於疲勞極限或使用壽命的提高要求的鑄鐵合金或氣缸蓋。此外，還 存在已知合金需要加入昂貴的合金元素的事實。因此本發明基於以使得所描述的缺陷基本上得到排除的方式開發開頭所描述的 合金或氣缸蓋的目的。在該情形中，特別應能夠提供尤其在低溫下即約100-約400的溫 度下具有改善的機械性能和改善的熱導率的合金或氣缸蓋。還期望降低已知合金或氣缸 蓋的成本。上述目的通過片狀石墨鑄鐵合金得以實現，其特徵在於所述鑄鐵具有如下添加 劑2.80 重量 ％-3.60 重量 ％碳(C)、1.00 重量 ％-1.70 重量 ％矽(Si)、0.10 重量 ％-1.20 重量％錳(Mn)、0.03 重量％ -0.15 重量％硫(S)、0.05 重量％ -0.30 重量％鉻(Cr)、0.05 重量％ -0.30重量％鉬(Mo)、0.05重量％ -0.20重量％錫(Sn)和一般雜質。這種鑄鐵合金的有利配置，特別是其作為氣缸蓋的用途由下面更加詳細描述的 從屬權利要求2-9顯現出。根據本發明的合金或根據本發明的氣缸蓋具有與現有技術相比改善的熱導率， 並且具有改善的拉伸強度，特別是閥式連通件的強度。由於兼具有高的熱導率和高的 強度，因此減少了熱疲勞裂紋的發生或者停止或甚至防止其過程。特別地，在低溫範圍 內，尤其是約100-約400°C的溫度下獲得成功。根據本發明的合金的使用導致了這樣的 事實在高溫範圍內產生的裂紋不能夠在低溫範圍內擴展，即它們保持固定。因此提高 了根據本發明的合金或根據本發明的氣缸蓋的使用壽命。附加於此的事實是，根據本發 明的合金或根據本發明的氣缸蓋比由現有技術中已知的合金或氣缸蓋更加經濟。根據本發明的鑄鐵合金或根據本發明的氣缸蓋的組織的基體由珠光體構成，該 珠光體具有最多約5%，特別最多約3%的鐵素體。鐵素體在此處作為組織而非作為如珠 光體中的相被提及。如在此處提及的所有組織細節中，％細節在此處涉及平磨的％分
3數。在顆粒中，片狀石墨以I型存在，其中大於80%，優選大於90%以排布A存在，並 且以尺寸3或更細(EN ISO 945 1994-09)存在。該特殊結構具有的優點是，所需性能 即機械性能的保持和熱導率的提高得到了進一步改善。處於I型、處於分布A和尺寸2 的片狀石墨由於缺乏孕育而僅在低負荷區域是可允許的。在芯中，片狀石墨還可按分布 B、C、D和/或E的小分數存在。在一直到3mm深度的邊緣區域中，因為模塑材料的影響，分布D+E可允許達到 100%。特別在根據本發明的鑄鐵合金或根據本發明的氣缸蓋的強熱機械負荷區域中， 所優選的結構性能是顯著的，所述區域具有20-480°C和不變的300-450°C的溫度變化應 力和熱連續應力。在其它位置處，這些較為次要。結合氣缸蓋，這意味著當上述規定的組織存在於入口和出口閥開孔之間的連通 件上或者連通件之間的多重閥中時性能是優化的。還任選能夠通過目標的冷卻或退火處理來進行熱處理用以減少內應力，但是絲 毫不影響金相學組織的組成。特別通過所給定的添加劑及其量的組合來調節所需性能，即後者以協同方式一 起來起作用。碳的用量為2.80重量％-3.60重量％，優選3.20重量％-3.50重量％和特別優選 3.30重量％-3.50重量％。過低的碳含量導致形成微孔洞，而過高的碳含量具有的缺陷是 合金具有過低的強度。矽的用量為1.00重量％-1.70重量％，優選的量為1.20重量％-1.60重量％和特 別優選的量為1.30重量％ -1.50重量％。過低的矽含量導致冷硬傾向，而過高的矽含量 具有的缺陷是熱導率大大降低。錳的用量為0.10重量％-1.20重量％，優選的量為0.30重量％-0.80重量％且特
別優選的量為0.50重量％ -0.60重量％。需要錳來結合硫，這是因為在根據本發明的合 金中不存在純硫，只存在硫化錳。過高的錳含量導致冷硬傾向。硫的用量為0.03重量％-0.15重量％，優選的量為0.05重量％-0.14重量％和特 別優選的量為0.08重量％ -0.12重量％。在MnS化合物中需要硫以便保證良好的可加工 性。過少的硫導致根據本發明的合金難以加工。過高的硫含量導致結構缺陷。鉻的用量為0.05重量％-0.30重量％，優選的量為0.08重量％-0.20重量％且特 別優選的量為0.08重量％ -0.15重量％。鉻具有在> 550°C的溫度下使珠光體穩定的目 的。過高的鉻含量導致冷硬傾向。鉬的用量為0.05重量％-0.30重量％，優選的量為0.10重量％-0.25重量％和特 別優選的量為0.10重量％ -0.20重量％。優選在氣缸蓋應用中的300°C -400°c範圍內， 鉬保證耐熱性。過高的鉬含量提高合金成本並且導致孔洞傾向。錫的用量為0.05重量％-0.20重量％，優選的量為0.05重量％-0.15重量％和特 別優選的量為0.08重量％-0.12重量％。錫用於防止鐵素體形成。過高的錫含量導致脆 性。錫很特別地優選以0.08-0.12重量％的量存在。根據本發明的鑄鐵合金或根據本發明的氣缸蓋可以含有一般雜質。可能雜質的 例子是鎳、銅、鈦、釩、鈮、氮、磷。如果孕育劑的一種或多種元素並非必須代表合金性能，則術語雜質還包括孕育劑。鎳的量優選為至多1重量％，特別優選至多0.30重量％，很特別地優選 < 0.1%。銅的存在量優選為至多1重量％，特別優選至多0.30重量％，很特別地優選 <0.30重量％。過高的銅量導致析出問題並且昂貴。在優選的實施方案中，銅的使用完 全並非必須或者根據本發明的合金僅含有來自廢料的銅。鈦的存在量優選為最大0.020重量％，特別優選至多最大0.010重量％。過高的 鈦含量削弱鑄鐵合金的可加工性。釩的存在量優選為至多0.2重量％，特別優選至多0.1重量％，很特別地優選 <0.10重量％。如果釩含量過高，則韌性和熱導率降低。鈮的存在量優選為至多0.2重量％，特別優選至多0.1重量％，很特別地優選 < 0.10重量％。如果有意地加入則過高的鈮分數使成本增加並且導致熱導率的削弱。氮的存在量優選為至多0.03重量％，特別優選至多0.0080重量％。過高的氮含 量具有的缺陷是鑄造零件中可存在多孔性。磷的存在量優選為至多0.15重量％，特別優選的量為至多0.06重量％。過高的 磷含量導致韌性降低。合金的孕育優選用鋇、鋯或稀土金屬進行。這些的用量為0.0005重量％-0.0500 重量％，優選的量為0.0010重量％-0.00125重量％。特別優選的是鋇，因為後者引起如 石墨成核劑那樣的灰凝固(gnmerstarrang)。特別優選地，鋇還是合適的是因為其作為穩 定凝固的助劑而補償低的矽量。鋇以上述量使用。已證明，下面具有準確限定的分數和合金元素的準確組成是特別有利的
權利要求
1.片狀石墨鑄鐵合金，其特徵在於該鑄鐵具有如下添加劑 2.80重量％ -3.60重量雜(C)，1.00 重量 ％ -1.70 重量 ％矽(Si)， 0.10 重量％ -1.20 重量％錳(Mn)， 0.03重量％ -0.15重量％硫(S)， 0.05 重量％ -0.30 重量％鉻(Cr)， 0.05 重量％ -0.30 重量％鉬(Mo)， 0.05 重量％ -0.20 重量％錫(Sn)， 和一般雜質。
2.根據權利要求1的鑄鐵合金，其特徵在於矽(Si)的存在量為1.00重量％-1.50重量％。
3.根據前述權利要求中任一項的鑄鐵合金，其特徵在於在該鑄鐵合金中具有如下添 加劑3.20重量％ -3.50重量耀(C)， 1.30 重量％ -1.50 重量％矽(Si)， 0.50 重量％ -0.60 重量％錳(Mn)， 0.08重量％ -0.12重量％硫(S)， 0.10 重量％ -0.15 重量％鉻(Cr)， 0.20 重量％ -0.25 重量％鉬(Mo)， 0.05 重量％ -0.10 重量％錫(Sn)， 和一般雜質。
4.根據前述權利要求中任一項的鑄鐵合金，其特徵在於所述一般雜質中以如下存 在至多1重量％鎳(Ni)、至多1重量％銅(Cu)、至多0.2重量％鈦(Ti)、至多0.2重 量％釩(乂)、至多0.2重量％鈮(Nb)、至多0.03重量％氮(N)和至多0.15重量％磷(P)。
5.根據前述權利要求中任一項的鑄鐵合金，其特徵在於該鑄鐵合金的組織基體由具 有最多約5%，特別最多約3%鐵素體的珠光體構成。
6.根據前述權利要求中任一項的鑄鐵合金，其特徵在於顆粒中的片狀石墨以I型存 在，其中大於80%，優選大於90%以排布A存在，並且以尺寸3或更細存在(EN ISO 945 1994-09)。
7.根據前述權利要求中任一項的鑄鐵合金，其通過用0.0005重量％-0.0500重量％， 優選0.0010重量％ -0.00125重量％的鋇進行孕育獲得。
8.氣缸蓋，其由根據前述權利要求中任一項的鑄鐵合金鑄成。
9.根據權利要求8的氣缸蓋，其特徵在於該氣缸蓋是內燃機的氣缸蓋。
10.根據權利要求8或9的氣缸蓋，其特徵在於該氣缸蓋配置為用於多氣缸，特別是 壓燃式內燃機的串聯氣缸蓋。
全文摘要
本發明涉及具有片狀石墨的鑄鐵合金，該鑄鐵合金包含如下添加劑2.80重量％-3.60重量％碳(C)，1.00重量％-1.70重量％矽(S i)，0.10重量％-1.20重量％錳(Mn)，0.03重量％-0.15重量％硫(S)，0.05重量％-0.30重量％鉻(Cr)，0.05重量％-0.30重量％鉬(Mo)，0.05重量％-0.20重量％錫(Sn)和一般雜質，還描述了可由其獲得的氣缸蓋。
文檔編號B22D19/00GK102015158SQ201080001293
公開日2011年4月13日 申請日期2010年1月11日 優先權日2009年1月9日
發明者F·施恩費爾德, H·米勒, U·施密特根 申請人:曼恩載重汽車股份公司