專利名稱：具有可控致密石墨鑄鐵和灰口鑄鐵的非均勻結(jié)構(gòu)的整體鑄造產(chǎn)品的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有可控非均勻石墨結(jié)構(gòu)的整體鑄造產(chǎn)品的制造方法。按照本發(fā)明，這種整體鑄造產(chǎn)品可以在其某些部分鑄造為具有片狀石墨結(jié)構(gòu)的灰口鑄鐵，而其余部分為蠕蟲狀石墨結(jié)構(gòu)的灰口鑄鐵，因而賦于上述鑄造產(chǎn)品不同部分以不同性能。
其
背景技術(shù)：
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。
在兩維截面視圖上呈蠕蟲狀石墨結(jié)構(gòu)的致密石墨鑄鐵(CGI)或鑄鐵是介于片狀石墨結(jié)構(gòu)的灰口鑄鐵和球墨結(jié)構(gòu)的延性鐵之間的一種中間形態(tài)。
致密石墨鑄鐵具有理想而獨(dú)特的性能，如良好的力學(xué)和物理性能及良好的機(jī)加工性，因而非常適于機(jī)械裝置中的許多部件。其中包括大批量生產(chǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要是發(fā)動機(jī)，例如，剎車盤和各種液壓泵。
因此，致密石墨鑄鐵將含有在凝固時以蠕蟲狀石墨形式沉淀的石墨，并按國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/R945-1975(E)稱為“III型”(FormIII)石墨，或按照ASTMA247相應(yīng)稱為“IV類”(TypeIV)石墨。英國(1948)首先發(fā)現(xiàn)石墨形態(tài)，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確地控制鐵熔體的性能和成分以保證這種鑄造產(chǎn)品成分和石墨結(jié)構(gòu)具有充分的再現(xiàn)性。
致密石墨鑄鐵的性能介于灰口鑄鐵性能和延性鐵性能之間。例如，致密石墨鑄鐵的彈性模量比灰口鑄鐵彈性模量高30～40％，這意味著致密石墨鑄鐵彈性模量幾乎與延性鐵的相同。致密石墨鑄鐵的延性高于灰口鑄鐵的延性，常常是大于10倍以上。致密石墨鑄鐵有相當(dāng)高的抗拉強(qiáng)度，大約是灰口鑄鐵抗拉強(qiáng)度的兩倍。致密石墨鑄鐵的疲勞強(qiáng)度比灰口鑄鐵的高100％，基本上與延性鐵相同。致密石墨鑄鐵的熱導(dǎo)率與灰口鑄鐵在相同數(shù)量級，比延性鐵高30～50％。致密石墨鑄鐵的機(jī)加工性和鑄造性也類似于灰口鑄鐵。
可見，在兼有高強(qiáng)度要求及良好的鑄造性，機(jī)加工性和高導(dǎo)熱率要求的機(jī)械設(shè)計(jì)中，有充分的理由使用致密石墨鑄鐵。由于難于得到可再現(xiàn)性的致密石墨鑄鐵，在早期不可能用這類鑄鐵制造鑄造產(chǎn)品。
然而，由溫度傳感器分析取自有關(guān)熔體的樣品體積凝固時的溫度與時間的關(guān)系，可以確定熔體中的成核劑和變質(zhì)劑的濃度。這就可以使熔體在確定的鑄型中精確凝固，也可以校正球化劑和變質(zhì)劑的含量，使鑄造產(chǎn)品有理想的性能。在這方面可以參見SE-B-469712，SE-B-444 817或US-A-4667725。按照這些專利說明書，用置于樣品容器中的兩個溫度傳感器測量上述值，在凝固過程開始時，容器中的熔體基本上與樣品容器溫度處于熱動力平衡狀態(tài)。
其中一個溫度傳感器置于樣品容器中熔體的中心，而另一個放在靠近容器壁的熔體中。在凝固過程中，記錄的值涉及容器壁處的熔體過冷(T*w)，容器壁的再變熱(recw)，容器壁和容器中心的正溫差(ΔT+)，容器壁和容器中心的溫差導(dǎo)數(shù)(dT/dτ)w，在恒定的當(dāng)量增長溫度(dT/dτ)w＝0，據(jù)此并對照模擬取樣條件的已知參考值，可在熔體中加入添加劑或引入停留時間，確定并校正結(jié)晶成核劑的添加和量，以及結(jié)構(gòu)變質(zhì)劑的量，從而使結(jié)晶成核劑與結(jié)構(gòu)變質(zhì)劑的量與在鑄造產(chǎn)品得到理想石墨結(jié)構(gòu)所要求的量相適應(yīng)。
結(jié)構(gòu)變質(zhì)劑通常由鎂以及附加稀土金屬(特別是鈰或含鈰的混合稀土金屬)構(gòu)成。
當(dāng)溶解的鎂量，以及其他結(jié)構(gòu)變質(zhì)劑的有關(guān)當(dāng)量，即除作為固態(tài)氧化物和硫化物而被分離的元素外，存在于溶體中的這類元素量，達(dá)到0.035％或更高，熔體凝固時，將沉淀出球狀石墨。如果上述量降至約0.015％，將沉淀出致密石墨。如果上述量進(jìn)一步降低到低于0.008％，將沉淀出片狀石墨，鑄鐵將凝固為灰口鑄鐵。很顯然，上述量在0.010％～o.020％之間，將主要形成致密石墨鑄鐵。
在某些應(yīng)用中，使用非均勻石墨結(jié)構(gòu)的鑄鐵產(chǎn)品是有利的。WO-A-93/20969公開了一種制造鑄鐵產(chǎn)品的方法，這種鑄鐵產(chǎn)品的一些部分具有致密石墨結(jié)構(gòu)，而其他部分具有球狀石墨結(jié)構(gòu)。
在整體鑄造產(chǎn)品的某些部分，因工作性能原因要求最大可能的熱導(dǎo)率和比較低的彈性模量，因生產(chǎn)率的原因要求有優(yōu)良的鑄造性和機(jī)加工性，而使用片狀結(jié)構(gòu)的灰口鑄鐵，在其他部分因工作原因要求較高的強(qiáng)度和剛度而使用致密石墨鑄鐵，這也是很有利的。
以前已提出了在發(fā)動機(jī)汽缸體中實(shí)現(xiàn)非均勻石墨結(jié)構(gòu)的類似嘗試。JP-A-6/106331涉及生產(chǎn)具有改進(jìn)強(qiáng)度和剛性的延性鐵發(fā)動機(jī)汽缸體的一種方法，通過在形成汽缸內(nèi)徑壁的沙芯上加一反應(yīng)涂層，使鄰近鑄鐵壁的熔體中的活性鎂被還原，提供了細(xì)長的片狀石墨，因而使內(nèi)孔壁有良好的熱導(dǎo)率和機(jī)加工性。
然而，加在汽缸芯表面的反應(yīng)涂層只能還原一定量的鎂。因此，在澆注到鑄型中的鐵的鎂含量一定時，很難得到可再現(xiàn)性的結(jié)果。經(jīng)常發(fā)生的鎂含量變化直接表現(xiàn)為內(nèi)孔壁石墨結(jié)構(gòu)的變化。
由于JP-A-6/106331缺乏適當(dāng)?shù)墓に嚳刂?，開始采用延性鐵是必要的，延性鐵比較差的可鑄性限制了成功生產(chǎn)復(fù)雜薄壁鑄件，如現(xiàn)代發(fā)動機(jī)汽缸體和汽缸蓋的能力。
鎂的最初過度處理也限制了在鄰近反應(yīng)芯表面產(chǎn)生厚層片狀石墨的能力。鐵中的鎂含量從大的容積濃度值變化到接近壁處的較低水平，導(dǎo)致片狀結(jié)構(gòu)的形成。然而，因?yàn)楫a(chǎn)生球狀石墨結(jié)構(gòu)要求過量的鎂，以及日復(fù)一日處理的鐵中鎂含量變化的綜合影響，這種片狀石墨層的厚度可能相當(dāng)小。當(dāng)對產(chǎn)品進(jìn)行機(jī)加工可切削掉表面鐵高到3mm厚度，因而許多片狀石墨可能被失去時，這一點(diǎn)特點(diǎn)重要。
此外，灰口鑄鐵和延性鐵之間力學(xué)性能和物理性能的大的變化對鑄件長期性能的益處并不明顯。強(qiáng)度，剛度，延性和熱導(dǎo)率的大的差異可能導(dǎo)致異常的內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變梯度，最終導(dǎo)致負(fù)面效應(yīng)大于正面效應(yīng)。
US-A-5316068也開始使用一種延性鐵基材料，但其石墨轉(zhuǎn)變機(jī)制由反應(yīng)型芯變?yōu)槟虝r鑄型的高速轉(zhuǎn)動，促使在外部區(qū)域形成灰口鑄鐵，而在中心孔處形成致密石墨鑄鐵。這個技術(shù)不僅實(shí)際上不適合，而且也面臨由延性開始點(diǎn)導(dǎo)致的，在討論JP-A-6/106331中所述的相同問題。
DE-A-4308614涉及生產(chǎn)一部分為片狀灰口鑄鐵另一部分為致密石墨鑄鐵的一整體鑄鐵產(chǎn)品的一種方法。其鑄型部分由氧或硫發(fā)射材料覆蓋，以減少鄰近被覆蓋鑄型壁的熔體中的活性鎂含量。
然而，DE-A-4308614沒有公開如何控制熔體成分使其鑄造方法可以再現(xiàn)的任何信息。在這類應(yīng)用中早已敘述過，很難以可再現(xiàn)性方式鑄造致密石墨鑄鐵，必須認(rèn)識到，使用DE-A-4308614的這種方法不控制熔體成分而可再現(xiàn)性地鑄造非均勻石墨結(jié)構(gòu)是極為困難的。而且，使用上述方法時，通常使用過量的鎂或類似金屬。因此，直到現(xiàn)在，不可能鑄造出一些部分為片狀灰口鑄鐵而其他部分為致密石墨鑄鐵組成的一種非均勻石墨結(jié)構(gòu)。
在制造石墨晶體在不同部位以致密和片狀形式非均勻分布的整體鑄造產(chǎn)品時面臨的上述問題，本發(fā)明以一種方法解決，在該方法中(1)采用可控的活性鎂和/或有類似效應(yīng)的其他元素的高濃度，生產(chǎn)具有凝固為致密石墨鑄鐵固有能力的熔融鑄鐵；(2)上述熔融鑄鐵澆注到鑄型中，上述鑄型至少有一部分，即鑄型壁和/或型芯，被反應(yīng)材料覆蓋，這些反應(yīng)材料擴(kuò)散或滲透到熔融鑄鐵中而降低活性鎂和/或上述元素的濃度，因此，上述一部分熔融鑄鐵凝固為片狀石墨鑄鐵，而鑄型其他部分的熔融鑄鐵凝固為致密石墨鑄鐵，其特征在于，熔融鑄鐵凝固為致密石墨鑄鐵的固有能力由下列步驟構(gòu)成的方法控制和校正從熔融鑄鐵中抽取樣品量置于設(shè)有兩個溫度傳感器的樣品容器中，其中一個溫度傳感器位于容器中心，另一個靠近容器壁，容器內(nèi)壁由含有或覆蓋一層可降低壁附近和靠近壁的溫度傳感器附近樣品量中的活性鎂濃度或上述元素百分比的材料構(gòu)成，以一定方式及一定程度上以澆注入鑄型的熔融鑄鐵模擬低活性鎂濃度和/或上述元素，使容器基本上與樣品量達(dá)到熱平衡，
記錄兩個溫度傳感器顯示的溫度，由記錄的曲線評定已知的熔融鑄鐵本身特性，顯示的偏差表明在壁附近的溫度傳感器周圍沉淀了片狀石墨晶體，通過溫度時間曲線的偏差和設(shè)備上的參數(shù)校正熔融鑄鐵中的活性鎂和/或上述元素的含量，因此，在這種熔融鑄鐵凝固時，這種濃度足以在基本不受上述反應(yīng)材料影響的熔融鑄鐵中形成致密石墨晶體，而在受上述反應(yīng)材料影響的熔融鑄鐵中，這個濃度低到足以形成片狀石墨晶體。
下面參照作為示范的實(shí)施例及其附圖更詳細(xì)地?cái)⑹霰景l(fā)明，附圖中

圖1為石墨球化率百分?jǐn)?shù)與鎂含量百分比的函數(shù)關(guān)系。在這個圖中，0％球化率相當(dāng)于一種完全致密石墨鑄鐵，100％球化率相當(dāng)于完全球墨鑄鐵，即延性鑄鐵。球化率低于0％相當(dāng)于灰口鑄鐵。實(shí)際上，0％球化率相當(dāng)于100％致密石墨鑄鐵，這個軸的底部相當(dāng)于100％片狀灰口鑄鐵。
圖2示出表明石墨結(jié)構(gòu)和一般設(shè)計(jì)的非均勻致密/片狀灰口鑄鐵汽缸蓋的芯部截面圖。
圖3為放大100倍的片狀灰口鑄鐵向致密石墨鑄鐵轉(zhuǎn)變的顯微照片。
按照本發(fā)明，可以可靠地再生產(chǎn)有最佳凝固潛力的致密石墨鑄鐵，因此，可以始終一貫地生產(chǎn)致密石墨顆粒和片狀石墨最佳混合體的整體鑄件。經(jīng)過開始采用致密石墨鑄鐵，按給定的反應(yīng)涂層可生產(chǎn)的片狀灰口鐵的厚度增加，因?yàn)榛铱阼F和蠕蟲狀鐵的力學(xué)性能和物理性能更類似于灰口鐵和延性鐵的這些性能，其內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變梯度減小。最終零件的鑄造性和機(jī)加工性也更好。
此外，按照SE-B-469712的方法，可以精確確定致密石墨與片狀石墨之間快速轉(zhuǎn)變的處理鐵的附近位置。從策略上改變熱電偶測量點(diǎn)和樣品反應(yīng)壁涂層之間的距離，或者改變?nèi)萜鲀?nèi)壁涂層的反應(yīng)性，可以精確生產(chǎn)接近穩(wěn)定的蠕蟲狀平臺左手邊(圖1A點(diǎn))的一種致密石墨鑄鐵，因此，當(dāng)澆注到含有涂有反應(yīng)涂層的型芯和型砂的鑄型中時，易于生產(chǎn)相當(dāng)數(shù)量的灰口片狀鑄鐵。與此相反，圖1中B點(diǎn)區(qū)域的蠕蟲狀鐵開始點(diǎn)要求更多地還原鎂，因而將不產(chǎn)生出這類廣泛的石墨網(wǎng)絡(luò)。按這種方法，直接選擇和再產(chǎn)生處理液態(tài)鑄鐵的適當(dāng)開始點(diǎn)，對鑄態(tài)顯微組織的良好控制度將保證最佳始終如一的片狀石墨層和過去從未實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品。
下列實(shí)例涉及一種汽缸蓋，但本發(fā)明的方法也可用于鑄造發(fā)動機(jī)汽缸體，例如，汽缸內(nèi)徑和水套芯可含有灰口鐵，而隔板，頂板，槽軌，曲軸箱區(qū)域含有較高強(qiáng)度的致密石墨鑄鐵，或者也可用于剎車盤，例如，外安裝邊含有高熱導(dǎo)率的片狀鑄鐵，而內(nèi)轂盤含有致密石墨鑄鐵以提供較高的強(qiáng)度。實(shí)例在汽缸蓋熱面上產(chǎn)生的最大熱感應(yīng)應(yīng)力可由下式表示σmax=Δ&Tgr;&Egr;Οα2(1-μ)---(1)]]>式中σmax最大熱感應(yīng)應(yīng)力(Mpa)ΔT汽缸蓋熱面到冷水管道的溫度梯度(℃)Eo彈性模量(Mpa)α熱膨脹系數(shù)(℃-1)μ泊桑比(無量綱)現(xiàn)已知道，蠕蟲狀鑄鐵與灰口鑄鐵的熱膨脹系數(shù)和泊桑比基本相等。減少在熱面累積的并最終將導(dǎo)致閥口間形成裂紋的內(nèi)應(yīng)力的唯一方法是減小參數(shù)ΔT和Eo，其中ΔT與熱導(dǎo)率呈相反關(guān)系。因此，其目標(biāo)是在熱端使用僅有灰口鑄鐵能滿足的高熱導(dǎo)率和低彈性模量的材料。同時，汽缸蓋和外周邊的松散物料最好由高強(qiáng)度、高剛度和延性材料制造。將比相應(yīng)的灰口鐵/延性鑄鐵混合物導(dǎo)致較低內(nèi)應(yīng)力的優(yōu)質(zhì)(＜10％球化率)蠕蟲狀鑄鐵可以滿足這個目標(biāo)，由于可控蠕蟲狀鑄鐵/灰口鑄鐵轉(zhuǎn)變點(diǎn)(圖1的A點(diǎn))附近的鑄鐵凝固行為，可以生產(chǎn)更廣泛的片狀石墨網(wǎng)絡(luò)，多于凝固行為開始點(diǎn)在圖1的B點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)的片狀石墨網(wǎng)絡(luò)，如果這種鑄鐵凝固行為開始點(diǎn)來自延性鐵(圖1的C點(diǎn))，則片狀石墨網(wǎng)絡(luò)更少。
把各種標(biāo)準(zhǔn)鑄造涂層加到片狀石墨需要的任何鑄型或型芯表面上，可以實(shí)現(xiàn)片狀石墨比致密石墨顆粒所要求的激活鎂含量還原和最終的生長。在汽缸蓋的情況(圖2)下，反應(yīng)涂層可以加到熱面鑄型表面和水管型芯的下半部。涂層含有可控量的硫化物和/或氧化物，它們與活性鎂化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)固MgS和/或MgO。每個涂層所必須的量可根據(jù)所要求的片狀石墨厚度反復(fù)確定，很顯然與操作人員的技術(shù)有關(guān)。
本發(fā)明對現(xiàn)有汽缸蓋設(shè)計(jì)特別有用，因?yàn)檫@種汽缸蓋必須繼續(xù)與現(xiàn)有發(fā)動機(jī)配合而不可能再設(shè)計(jì)。最近，隨著汽油特別是柴油發(fā)動機(jī)功率和渦輪增壓要求的提高，許多設(shè)計(jì)都是轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼜?qiáng)材料的候選對象，致密石墨鑄鐵對比特別理想。然而，汽缸蓋如果易因熱負(fù)荷而失效，致密石墨鑄鐵比灰口鑄鐵的較低熱導(dǎo)率和較高彈性模量將實(shí)際上提高熱負(fù)荷，可能縮短使用壽命。對于致密石墨鑄鐵汽缸蓋，降低關(guān)系式(1)中的ΔT項(xiàng)的唯一可行辦法是降低火焰蓋板的厚度。然而，這將使汽缸蓋與現(xiàn)有發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)不匹配。本發(fā)明在這種情況是一理想的解決辦法，因?yàn)樵诨鹧嫔w板引入片狀石墨鑄鐵提供了必要的熱導(dǎo)率和較低的彈性模量以抗熱負(fù)荷，而致密石墨鑄鐵提供必要的強(qiáng)度，剛度和延性抗機(jī)械負(fù)荷，而又不犧牲機(jī)加工性或鑄造性。
權(quán)利要求
1.一種制造石墨晶體以致密和片狀形式在最終鑄件不同部位非均勻分布的整體鑄鐵產(chǎn)品的方法，在該方法中，(1)采用可控活性鎂和/或有類似效應(yīng)的其他元素的高濃度，生產(chǎn)具有凝固為致密石墨鑄鐵固有能力的熔融鑄鐵；(29上述熔融鑄鐵澆注到鑄型中，上述鑄型至少有一部分，即鑄型壁和/或型芯，被反應(yīng)材料覆蓋，這些反應(yīng)材料擴(kuò)散或滲透到熔融鑄鐵中而降低活性鎂和/或上述激活元素的濃度，因此，上述一部分熔融鑄鐵凝固為片狀石墨鑄鐵，而鑄型其他部分的熔融鑄鐵凝固為致密石墨鑄鐵，其特征在于，熔融鑄鐵凝固為致密石墨鑄鐵的固有能力由下列步驟構(gòu)成的方法控制和校正從熔融鑄鐵中抽取樣品量置于設(shè)有兩個溫度傳感器的樣品容器中，其中一個溫度傳感器位于容器中心，另一個靠近容器壁，容器內(nèi)壁由含有或覆蓋一層可降低壁附近或靠近壁的溫度傳感器附近樣品量中的活性鎂濃度和上述元素的相應(yīng)百分比的材料構(gòu)成，以一定方式及一定程度上以澆注入鑄型的熔融鑄鐵的上述反應(yīng)材料模擬降低活性鎂和/或上述元素的濃度，使容器基本上與樣品量達(dá)到熱平衡，記錄兩個溫度傳感器顯示的溫度，由記錄的曲線評定已知的熔融鑄鐵本身特性，顯示的偏差表明在容器壁附近的溫度傳感器周圍沉淀了片狀石墨晶體，通過溫度時間曲線的偏差和設(shè)備上的參數(shù)校正熔融鑄鐵中的活性鎂和/或上述元素的含量，因此，在這種熔融鑄鐵凝固時，這種濃度足以在基本上不受上述反應(yīng)材料影響的熔融鑄鐵中形成致密石墨晶體，而在受上述反應(yīng)材料影響的熔體鑄鐵中，這個濃度低到足以形成片狀石墨晶體。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種方法，其特征在于，樣品容器壁由含有或覆蓋一層將降低樣品量中活性鎂濃度0.002～0.010％(重量)或降低上述元素相應(yīng)百分比的材料組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有可控非均勻石墨結(jié)構(gòu)的整體鑄造產(chǎn)品的一種方法。例如,這種整體鑄造產(chǎn)品可以在其某些部分鑄造為片狀灰口鑄鐵結(jié)構(gòu),而在其余部分為致密石墨結(jié)構(gòu),因而賦予上述鑄造產(chǎn)品不同部位以不同性能。
文檔編號B22D27/00GK1173837SQ9619182
公開日1998年2月18日 申請日期1996年1月4日 優(yōu)先權(quán)日1995年2月7日
發(fā)明者史蒂夫·道森 申請人:新特卡斯特有限公司