用于发动机气缸体和气缸盖的灰口铸铁制造技术

本发明专利技术提供了一种用于制造气缸体和／或气缸盖铸件的灰口铸铁合金，含有铁、碳、硅、锰、磷、硫、锡、铜、铬、钼和氮。合金中的氮含量处于０．００９５－０．０１６０％的范围内。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于生产气缸体和/或气缸盖铸件的灰口铸铁合金，含有铁、碳、硅、锰、磷、硫、锡和氮。本专利技术还涉及用根据本专利技术的灰口铸铁铸造的内燃机部件。
技术介绍
环境法规对于重型柴油机的污染排放要求变得越来越高。更高峰值的气缸压力是减少排放的解决方案之一。为此，对于气缸体和气缸盖必须使用更强的材料来承受发动机的高压力。使用致密石墨铸铁可以是一种解决方案，然而必须准备更高的生产成本和材料更低的导热性和更低的吸震能力。仍旧使用灰口铁在很多方面都是积极的，如果其强度能更高的话。本专利技术就是致力于这个目标。氮对于灰口铁机械性能的影响自从二十世纪五十年代以来已经进行了研究，例如参见J.V.Dawson、L.W.L.Smith和B.B.Bach的英国铸铁研究协会杂志(BCIRAJournal)，1953，4，(12)，540页，和/或F.A.Moutford的“氮对于灰口铸铁强度、坚固性和结构的影响”，英国铸工(The British Foundryman)(1966)，4月，141-151页。0.01％或100ppm水平的氮含量增加提高抗拉强度达到25％。氮含量可以高达150ppm而毫无问题，尽管此时精确的氮测定和测量是可商榷的。C.Atkin的“铁中的氮”，铸造世界(Foundry World)，fall，1(1979)，43-50页还显示，氮含量从40ppm增加到80ppm根据碳当量能增加抗拉强度10-20％。在这个工作的后期，据报道，氮含量从40-50ppm增加到140-150ppm能增加抗拉强度29％而没有缺陷问题，然而铸造工件的检验测试不是那么成功，见P-E.Persson，L-E.Bj_rkegren的 Gr_j_rn med f_rh_jda mekaniska egenskaper，Gjuterif_reningen，20010409。所有的上述数据来自于独立的铸条(cast bars)。尽管认识到了积极效果，但是没有在实际生产中广泛应用的报导。大多工作集中于阻止其消极效果，也就是，灰口铁的商用铸件中的氮已经被视作在铸件中形成空隙缺陷的有害元素，当氮含量超过90-100ppm时，参见J.M.Greehill和N.M.Reynolds的“铁铸件中的氮缺陷”，铸造行业杂志(Foundry Trade Journal)，1981年7月16日，111-122页)，和铸造技术联盟国际委员会铸造缺陷国际图册(International atlas of casting defects)，AFS，1993。由于氮所引起的缺陷称作裂纹、砂眼、针孔或散布的缩孔，这些在机械加工之后能看到。精确的允许水平取决于基体化学组分、其它气体含量、铸造几何形状和凝固速率。为何其积极效果没有广泛使用的另一原因可能是迄今对于灰口铁的强度要求很容易通过调整碳当量和增加易于控制的合金元素来实现。然而，利用这种常规方法将灰口铁强度进一步增加到将来所需的水平会引起铸件严重的可铸性问题。因此需要新的途径来克服可铸性的问题。灰口铁熔化物中的氮含量通常在0.004-0.009％或40-90ppm的范围内。精确含量取决于填充材料和熔化工艺。来自具有高百分比废钢的冲天炉的熔化物具有比来自电炉和低百分比废钢的熔化物更高的氮含量。由于含量处于如此低的水平，在铸造实践中通常忽略了对其含量的控制，除非一些铸造工厂向熔化物中增加钛以避免铸件中的气孔。
技术实现思路
因此需要一种用于生产气缸体和/或气缸盖铸件的灰口铸铁合金，其具有比现有灰口铸铁合金更高的强度并且具有良好的可加工性和高度可控的氮水平以避免废料。为了这个目标，根据本专利技术用于生产气缸体和/或气缸盖铸件的灰口铸铁合金含有铁、碳、硅、锰、磷、硫、锡和氮，并且其特征在于合金的氮含量处于0.0095-0.0160％的范围内，以及合金的锡含量处于0.05-0.15％的范围内。本专利技术的优选实施例在以下从属权利要求中提出。附图说明以下将结合附图以非限制的方式进一步描述本专利技术，在附图中图1是示出灰口铸铁合金中抗拉强度和氮含量之间关系的图表，和图2是示出通过氮增加气缸盖铸件的抗拉强度的图表。具体实施例方式根据本专利技术，气缸盖和气缸体用具有以下组分的灰口铸铁铸成碳2.7-3.8％，硅1.0-2.2％，锰0.3-1.2％，磷0.02-0.1％，硫0.04-0.15％，锡0.05-0.15％，有或没有高达1.5％铜、高达0.6％铬和高达0.6％钼的合金添加物，氮0.0095-0.0160％，一些杂质和余量的铁。钛和铝被视为杂质。因为它们对氮的高度亲和力，它们中和了氮的有益效果并且由于超硬氮化钛还带来了机械加工的问题。优选地，它们被限制为每个都少于0.02％。钒在铸铁中是和Ti类似的元素。超过钒的一定限度，会有等轴碳氮化钒出现。为了避免其中和有利的氮和导致机械加工问题的有害效果，其含量应当低于大约0.025％。具有这些组分的材料可以在湿砂型或化学粘结剂界定的砂型中铸造。因为高的氮含量，材料的强度将高于不添加氮的材料。氮控制方法为了使熔化物中的氮达到一定水平，对于基体铁进行测量。根据测试结果，通过已知的合金过渡系数(recovery)确定正确的添加量。使用分光计用于氮测量可以使这个工作非常容易。氮化剂氮化锰、锰铁、硅铁和氮化硅能用作氮化剂。用这些材料对熔化物进行处理不会对基体组分和炉渣带来问题。也能使用其它富含氮的材料，然而必须考虑到灰口铁的最终化学组分和微观结构。氮化钒铁和铬铁是会引入太多V和Cr并且在一些情况下会带来碳化物问题的材料。也可以使用氮气，但是这会要求更高的熔化温度并且还导致了对于铸造工厂投资的需要。添加方法可以使用粉末或颗粒或团块的氮化剂以下述之一的方法加入灰口铁熔化物中1)加入浇包(pouring ladle)材料能被加入到铁水包的底部上。为了在铁水包中达到氮的均匀分布，氮化剂的尺寸应当根据铁水包类型和铁水包中铁的含量进行选择。对于某种类型的铁水包，搅拌熔化物是必要的。根据材料的颗粒大小，在500kg的铁水包中均匀化氮需要高达几分钟。2)加入浇注炉的铁水罐车(transfer ladle)如果浇注炉和造型线(moulding line)一起使用，氮化剂能通过铁水罐车加入，如同加入浇包中那样。在这种情况下，浇注炉保持氮化处理的铁水。如同炉中的高压气体那样，利用氮在正常操作中保持正确的氮水平是没有问题的。例如，处理过的铁能在7吨的浇注炉中保持三个小时而没有从开始处于130ppm水平的氮的明显损失。3)将粉末加入浇注流如果浇注炉和造型线一起使用但是模具不是连续地浇注，就孕育剂而言，可以使用流添加的方法来避免保持处理过的铁太长时间。颗粒大小高达例如1.5mm的材料粉末适于这种工艺。4)通过模内(In-Mould)方法加入通过所谓的模内方法能实现氮的高合金过渡系数。如同用于球墨铸铁和CGI生产中那样，反应腔设计有浇注系统，其中用与球墨铸铁和CGI相同的原理进行氮化处理。5)粉末注射和导线供给(wire feeding)这些是铸造工厂的生产中最昂贵的添加方法，然而这些方法能进行氮的非常高的合金过度系数和极好的重复性。将氮载体直接加入熔炉是不可行的。在那种情况下，在熔化过程中氮会有损失的危险并且工艺控制将会复杂化。氮对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造气缸体和／或气缸盖铸件的灰口铸铁合金，含有碳、硅、锰、磷、硫、锡、铜、铬、钼和氮，其特征在于合金中的氮含量处于０．００９５－０．０１６０％的范围内，并且合金中的锡含量处于０．０５－０．１５％的范围内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：肯特埃里克森，托尼刘，贝恩特于伦斯滕，约翰奥贝格，
申请(专利权)人：沃尔沃拉斯特瓦格纳公司，
类型：发明
国别省市：SE[瑞典]