專利名稱：球墨鑄鐵合金及由該球墨鑄鐵合金制備鑄件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種球墨鑄鐵合金(Sphirogusslegierung)，其適于制備具有高機(jī)械強(qiáng)度、高耐磨性以及同時(shí)具有高韌性的鑄鐵產(chǎn)品，該球墨鑄鐵合金含2.5-3.8重量％的C、2.4-3.4重量％的Si、0.02-0.08重量％的P、0.02-0.06重量％的Mg、0.01-0.05重量％的Cr、0.002-0.02重量％的Al、0.0005-0.015重量％的S、0.0002-0.002重量％的B和通常的雜質(zhì)作為非鐵成分。
在汽車制造中應(yīng)用鑄鐵合金來制備必需具有高耐磨性的鑄件，例如制動(dòng)盤，其在制動(dòng)過程中需將汽車動(dòng)能轉(zhuǎn)變成熱能。這時(shí)該制動(dòng)盤可達(dá)約850℃。在制動(dòng)過程中不僅磨損制動(dòng)覆層，還磨損制動(dòng)盤。制動(dòng)盤具有無規(guī)律的磨損，并通常仍在保修期內(nèi)即需要廠商以高成本來進(jìn)行替換。為使在制動(dòng)盤表面上的磨損盡可能均勻地發(fā)生，對(duì)該結(jié)構(gòu)提出了高的晶體結(jié)構(gòu)和均勻性要求。通過適當(dāng)?shù)蔫T造方法可提高均勻性。
由GB 832666已知一種含1.0-2.5重量％的C、1.5-3.2重量％的Si、小于1.15重量％的Mn、小于0.5重量％的S和0.001-0.05重量％的B作為非鐵成分的鑄鐵合金。澆鑄后石墨組分呈致密狀。因?yàn)樵摵辖鸩缓琈g，所以不存在球形石墨或蛭石墨，而主要是存在看上去像退火鑄件的回火碳結(jié)點(diǎn)的石墨構(gòu)成。該合金含5-10％的主要呈珠光體基體的碳化物，其結(jié)果為較低的斷裂伸長(zhǎng)。為限制層狀石墨的形成和由此改進(jìn)彈性模量，混入碲和鉍作為合金元素。通過接著的熱處理達(dá)到更高的斷裂伸長(zhǎng)值。
由US 2004/0112479-A1中已知另一種鑄鐵合金，其優(yōu)選含3.7重量％的C、2.5重量％的Si、1.85重量％的Ni、0.85重量％的Cu和0.05重當(dāng)％的Mo。該材料的特征為在抗拉強(qiáng)度為500-900 MPa時(shí)的伸長(zhǎng)為20-16％，布氏硬度為180-290HB。這些特性在經(jīng)耗時(shí)的依次包括下列步驟的熱處理后實(shí)現(xiàn)在750-790℃間的10-360分鐘的奧氏體化，在鹽浴中快速冷卻到300-400℃，在300-400℃間的1-3小時(shí)的 氏體等溫淬火和冷卻到室溫。經(jīng)該處理后，該材料具有含奧氏體和鐵素體微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。該材料特征在于，與以通常方式經(jīng)奧氏體等溫淬火的鑄鐵相化具有更容易的機(jī)械可加工性。
由現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明的目的在于提供一種鑄鐵合金，其可由盡可能廉價(jià)的元素制備，該鑄件不經(jīng)附加熱處理可具有盡可能高的耐溫性和強(qiáng)度特別是耐磨性，并同時(shí)具有非常高的韌性。
該目的是通過適于具有高機(jī)械強(qiáng)度、高耐磨性和同時(shí)具有高韌性的鑄鐵產(chǎn)品的球墨鑄鐵合金實(shí)現(xiàn)的，該球墨鑄鐵合金含2.5-3.8重量％的C、2.4-3.4重量％的Si、0.02-0.08重量％的P、0.02-0.06重量％的Mg、0.01-0.05重量％的Cr、0.002-0.02重量％的Al、0.0005-0.015重量％的S、0.0002-0.002重量％的B和通常的雜質(zhì)作為非鐵成分，其中該合金含3.0-3.7重量％的C、2.6-3.4重量％的Si、0.02-0.05重量％的P、0.025-0.045重量％的Mg、0.01-0.03重量％的Cr、0.003-0.017重量％的Al、0.0005-0.012重量％的S和0.0004-0.002重量％的B。
本發(fā)明的優(yōu)選擴(kuò)展方案由從屬權(quán)利要求給出。
該合金具有盡可能優(yōu)良的強(qiáng)度-伸長(zhǎng)特性是有利的。其可通過使該球墨鑄鐵合金含0.1-1.5重量％、優(yōu)選0.5-0.8重量％的Cu實(shí)現(xiàn)。其也可通過使該合金含0.1-1.0重量％、優(yōu)選0.15-0.2重量％的Mn實(shí)現(xiàn)。
此外，該合金具有盡可能優(yōu)良的耐磨性是有利的。其可通過使該合金含0.1-1.5重量％、優(yōu)選0.5-0.8重量％的Cu和0.1-1.0重量％、優(yōu)選0.15-0.2重量％的Mn實(shí)現(xiàn)。其也可通過使該合金含0.1-1.5重量％、優(yōu)選0.5-1.0重量％的Mn和0.05-1.0重量％、優(yōu)選0.05-0.2重量％的Cu實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的中心意圖是提供一種鑄鐵合金，其布氏硬度大于220，并在作為制動(dòng)盤應(yīng)用時(shí)呈盡可能均勻的磨損。在該鑄鐵合金中的石墨可呈球狀(球形)或蠕蟲狀(蠕蟲形)，但非層狀(片狀)。含層狀石墨的制動(dòng)盤雖然價(jià)格低，但其耐溫度交變性差。因此經(jīng)短時(shí)間使用后即會(huì)產(chǎn)生所謂的受熱裂紋，該裂紋快速擴(kuò)展并導(dǎo)致表面不平度。不平的表面再導(dǎo)致不均勻的溫度負(fù)荷、不均勻的磨損和導(dǎo)致所謂的制動(dòng)尖叫響聲。
本發(fā)明的球墨鑄鐵合金的其它應(yīng)用是適于載重汽車和轎車的軸部件和底盤(Fahrwerk)部件如橫拉桿(Querlenker)、輪架和轉(zhuǎn)盤軸承，其經(jīng)受高的機(jī)械和動(dòng)態(tài)應(yīng)力，并在汽車相撞時(shí)需塑性變形和不可斷裂。
實(shí)施例1由本發(fā)明的球墨鑄鐵合金制成制動(dòng)盤。其化學(xué)組成為3.34重量％的C、2.92重量％的Si、0.62重量％的Cu、0.17重量％的Mn、0.038重量％的Mg、0.025重量％的P、0.021重量％的Cr、0.01重量％的Al、0.001重量％的S和0.0008重量％的B，其余為Fe和通常的雜質(zhì)。對(duì)該制動(dòng)盤進(jìn)行球粒數(shù)、石墨含量、石墨形狀和石墨大小、珠光體含量和布氏硬度進(jìn)行檢驗(yàn)。該制動(dòng)盤的試樣經(jīng)拉伸測(cè)試以確定其強(qiáng)度-拉伸特性。球粒數(shù)為384±76球粒/mm2。石墨含量為9.7±0.7％。按DIN ENISO 945的石墨形狀為97.9％是VI形。按DIN EN ISO 945的大小分布為45％為尺寸8，42％為尺寸7和13％為尺寸6。珠光體含量為84±1％。布氏硬度為248±3 HB。在拉伸測(cè)試中得出下列值屈服點(diǎn)Rp0.2＝474MPa，抗拉強(qiáng)度Rm＝778MPa，斷裂伸長(zhǎng)率A5＝11.4％，彈性模量E＝165-170kN/mm2。
與已知的制動(dòng)盤材料相比，可測(cè)得具有明顯改進(jìn)的氧化特性(見

圖1)和大大降低了的受熱裂紋形成趨勢(shì)(見圖2和3)。通過向球墨鑄鐵合金中加入銅和/或錳的混合物，其氧化特性和由此還有耐磨特性有了明顯改進(jìn)。
圖1示出在700℃下于空氣中氧化時(shí)的重量增加(g/m2·天)。本發(fā)明的材料的重量增加為約9g/m2·天，相比之下通常的制動(dòng)盤的鑄鐵材料的重量增加為約21g/m2·天。
為檢測(cè)受熱裂紋形成，進(jìn)行如下試驗(yàn)使大小為40×20×7mm的試樣經(jīng)受由7秒加熱到700℃和6秒在水中驟冷構(gòu)成的至少100次循環(huán)。接著制成橫斷面磨片，并在顯微鏡下檢驗(yàn)和拍照。
圖2示出市售制動(dòng)盤的顯微照片，其具有0.4mm深的受熱裂紋。圖3示出在相同放大倍數(shù)下的本發(fā)明的制動(dòng)盤的顯微照片，其具有0.14mm深的受熱裂紋。
實(shí)施例2由本發(fā)明的球墨鑄鐵合金制成小驕車的橫拉桿。其化學(xué)組成為3.5重量％的C、2.85重量％的Si、0.63重量％的Cu、0.18重量％的Mn、0.038重量％的Mg、0.026重量％的P、0.029重量％的Cr、0.004重量％的Al、0.001重量％的S和0.0007重量％的B，其余為Fe和通常的雜質(zhì)。經(jīng)拉伸測(cè)試得出下列值屈服點(diǎn)Rp0.2＝465MPa，抗拉強(qiáng)度Rm＝757MPa，斷裂伸長(zhǎng)率A5＝11.1％，彈性模量E＝165-170kN/mm2。布氏硬度為258±3HB。
實(shí)施例3由本發(fā)明的球墨鑄鐵合金制成小驕車的輪架。其化學(xué)組成為3.43重量％的C、3.38重量％的Si、0.71重量％的Cu、0.2重量％的Mn、0.037重量％的Mg、0.047重量％的P、0.043重量％的Cr、0.012重量％的Al、0.004重量％的S和0.0008重量％的B，其余為Fe和通常的雜質(zhì)。經(jīng)拉伸測(cè)試得出下列值屈服點(diǎn)Rp0.2＝558MPa，抗拉強(qiáng)度Rm＝862MPa，斷裂伸長(zhǎng)率A5＝6.1％。布氏硬度為288HB。微觀結(jié)構(gòu)中球粒數(shù)達(dá)455球粒/mm2。
圖4示出斷裂伸長(zhǎng)率A5與抗拉強(qiáng)度Rm的函數(shù)關(guān)系。實(shí)線示出含有以澆鑄狀態(tài)制備種類的球形石墨的鑄鐵的按標(biāo)準(zhǔn)EN1563的最小值。本發(fā)明材料的測(cè)量是按上述實(shí)施例1-3進(jìn)行的。
圖5示出斷裂伸長(zhǎng)率A5與屈服點(diǎn)Rp0.2的函數(shù)關(guān)系。實(shí)線示出含有以澆鑄狀態(tài)制備種類的球形石墨的鑄鐵的按標(biāo)準(zhǔn)EN1563的最小值。本發(fā)明材料的測(cè)量是按上述實(shí)施例1-3進(jìn)行的。
本發(fā)明的球墨鑄鐵合金的材料特性因此遠(yuǎn)超過球墨鑄鐵的歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1563，并基至達(dá)到ADI(＝Austempered Ductile Iron(奧氏體等溫淬火延性鐵))的值，即歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1564的鑄材，其是一種僅可通過昂貴元素鎳和/或鉬制成合金并經(jīng)非常復(fù)雜的熱處理產(chǎn)生的有較大壁厚的鐵鑄材料，因此是相當(dāng)昂貴的。
圖6示出鋁鑄合金、球墨鑄鐵、ADI和實(shí)施例1-3的本發(fā)明材料的強(qiáng)度范圍與屈服點(diǎn)的關(guān)系。
通過新的澆鑄方法也可達(dá)結(jié)構(gòu)的均勻性。該鑄模呈水平而不呈垂直劃分，這時(shí)制動(dòng)盤呈水平放置，并從中心向制動(dòng)盤邊緣充填鑄模。其結(jié)果是該鑄模呈旋轉(zhuǎn)對(duì)稱充料，并在澆鑄后將制動(dòng)盤由內(nèi)向外均勻冷卻。由此在制動(dòng)盤的整個(gè)周邊形成均勻的一致性結(jié)構(gòu)。不再需要既耗時(shí)又增加成本的附加的熱處理。
權(quán)利要求
1.一種用于鑄鐵產(chǎn)品的球墨鑄鐵合金，其具有高的機(jī)械強(qiáng)度、高的耐磨性和同時(shí)具有高的韌性，該球墨鑄合金含下列成分作為非鐵組分2.5-3.8重量％的C，2.4-3.4重量％的Si，0.02-0.08重量％的P，0.02-0.06重量％的Mg，0.01-0.05重量％的Cr，0.002-0.02重量％的Al，0.0005-0.015重量％的S，0.0002-0.002重量％的B和通常的雜質(zhì)，其特征在于，該球墨鑄合金含3.0-3.7重量％的C，2.6-3.4重量％的Si，0.02-0.05重量％的P，0.025-0.045重量％的Mg，0.01-0.03重量％的Cr，0.003-0.017重量％的Al，0.0005-0.009重量％，的S和0.0004-0.002重量％的B。
2.權(quán)利要求1的球墨鑄鐵合金，其特征在于，該合金0.1-1.5重量％的Cu，優(yōu)選0.5-0.8重量％的Cu。
3.權(quán)利要求1的球墨鑄鐵合金，其特征在于，該合金0.1-1.0重量％的Mn，優(yōu)選0.15-0.2重量％的Mn。
4.權(quán)利要求1的球墨鑄鐵合金，其特征在于，該合金0.1-1.5重量％的Cu，優(yōu)選0.5-0.8重量％的Cu和0.1-1.0重量％的Mn，優(yōu)選0.15-0.2重量％的Mn。
5.權(quán)利要求1的球墨鑄鐵合金，其特征在于，該合金0.1-1.5重量％的Mn，優(yōu)選0.5-1.0重量％的Mn和0.05-1.0重量％的Cu，優(yōu)選0.05-0.2重量％的Cu。
6.權(quán)利要求1-5至少之一的球墨鑄鐵合金，其特征在于，緊接澆鑄和冷卻后石墨成分中大于90％的所含石墨呈球形和/或蠕蟲形。
7.權(quán)利要求1-6至少之一的球墨鑄合金，其特征在于，緊接澆鑄和冷卻后鑄件的晶體結(jié)構(gòu)的70-90％呈珠光體形。
8.權(quán)利要求1-7至少之一的球墨鑄鐵合金，其特征在于，緊接澆鑄和冷卻后鑄件的晶體結(jié)構(gòu)含200-700球粒/mm2。
9.權(quán)利要求1-8至少之一的球墨鑄鐵合金，其特征在于，鑄件的布氏硬度大于220。
10.權(quán)利要求1-9至少之一的球墨鑄鐵合金，其特征在于，石墨細(xì)粒的大小分布按DIN EN ISO945其至少30％為尺寸8，10-70％為尺寸7和最高20％為尺寸6。
11.權(quán)利要求1-10至少之一的球墨鑄鐵合金，其特征在于，鑄件在抗拉強(qiáng)度Rm為900-600MPa時(shí)的斷裂伸長(zhǎng)A5為5-14％。
12.權(quán)利要求1-11至少之一的球墨鑄鐵合金，其特征在于，鑄件在屈服點(diǎn)Rp0.2為600-400MPa時(shí)的斷裂伸長(zhǎng)A5為5-14％。
13.權(quán)利要求1-12至少之一的球墨鑄鐵合金，其特征在于，其可用于汽車中的底盤部件。
14.權(quán)利要求1-12至少之一的球墨鑄鐵合金，其特征在于，其可用于汽車中的橫拉桿。
15.權(quán)利要求1-12至少之一的球墨鑄鐵合金，其特征在于，其可用于汽車中的輪架。
16.權(quán)利要求1-12至少之一的球墨鑄鐵合金，其特征在于，其可用于汽車中的轉(zhuǎn)盤軸承。
17.權(quán)利要求1-12至少之一的球墨鑄鐵合金，其特征在于，其可用于汽車中的制動(dòng)盤。
18.一種制備由權(quán)利要求1-17之一的球墨鑄鐵合金構(gòu)成的鑄件的方法，其特征在于，在鑄件經(jīng)澆鑄和冷卻后不進(jìn)行該鑄件的熱處理。
19.一種制備權(quán)利要求1-18之一的鑄件的方法，其特征在于，鑄模呈水平劃分，在鑄模中鑄件成水平放置。
20.一種制備權(quán)利要求1-19之一的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱鑄件的方法，其特征在于，鑄模從鑄件中心點(diǎn)開始呈旋轉(zhuǎn)對(duì)稱充料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適于鑄鐵產(chǎn)品的球墨鑄鐵合金，其具有高的機(jī)械強(qiáng)度、高的耐磨性和同時(shí)具有高的韌性，該球墨鑄鐵合金含2.5－3.8重量％的C、2.4－3.4重量％的Si、0.02－0.08重量％的P、0.02－0.06重量％的Mg、0.01－0.05重量％的Cr、0.002－0.02重量％的Al、0.0005－0.015重量％的S、0.0002－0.002重量％的B和通常的雜質(zhì)作為非鐵成分，其中該合金含3.0－3.7重量％的C，2.6－3.4重量％的Si，0.02－0.05重量％的P，0.025－0.045重量％的Mg,0.01－0.03重量％的Cr，0.003－0.017重量％的Al，0.0005－0.012重量％的S和0.0004－0.002重量％的B。該合金例如可在汽車制造中用于制備底盤部件或制動(dòng)盤。
文檔編號(hào)C22C37/04GK101072890SQ200580039728
公開日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2005年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月22日
發(fā)明者W·門克, R·里特茲舍爾, A·赫克, T·里克 申請(qǐng)人:喬治·費(fèi)希爾汽車股份公司