專利名稱：具有非均勻石墨組織的整體結(jié)構(gòu)鑄件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鑄件的制造方法，該鑄件是作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)鑄造的，它具有可控的非均勻石墨組織。根據(jù)本發(fā)明，這種鑄件可以這樣鑄造，例如，在鑄件的特定部分具有蠕蟲狀石墨組織，而在其它的部分則具有球墨組織，從而使所述鑄件在不同的部分具有不同的性能。
具有蠕蟲狀石墨組織的蠕墨鑄鐵是介于具有片狀石墨組織的灰鑄鐵和具有球狀石墨組織的球墨鑄鐵之間的一種中間形式。
蠕墨鑄鐵具有期望的獨(dú)特的性能，這些性能包括好的機(jī)械和物理性能及好的機(jī)加工性能，這使得這種材料特別適合制作機(jī)械結(jié)構(gòu)中的許多機(jī)械部件，其中包括大批量制造的機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要是發(fā)動(dòng)機(jī)及特別用于機(jī)動(dòng)車的泵。鐵基的高度合格的材料及機(jī)加工方法通常不用于特殊的產(chǎn)品，如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，也不用于那些制作要求非常高的產(chǎn)品，因此，這類產(chǎn)品的制造不在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
蠕墨鑄鐵將包含以蠕蟲狀石墨形式析出的石墨，該石墨根據(jù)ISO/R945-1969(E)被定義為“Ⅲ型”石墨或根據(jù)ASTMA247被定義為“Ⅳ型”石墨。這種形式的石墨在英國(guó)(1948)被首次發(fā)現(xiàn)并從此而用于小規(guī)模地制造特殊的部件。制造規(guī)模小的原因是因?yàn)椴荒芤宰銐虻木葋?lái)控制鐵水的性質(zhì)和成分以保證具有足夠生產(chǎn)重復(fù)性的鑄件的成分及石墨結(jié)構(gòu)。
蠕墨鑄鐵的性能大約在灰鐵和球鐵的性能之間，例如，蠕墨鑄鐵的彈性模量高于灰鐵彈性模量30-40%，就是說蠕墨鑄鐵的彈性模量幾乎與球鐵的相同。蠕墨鑄鐵比灰鐵具有高的延展性(通常高10倍以上)，并且具有更高的抗拉強(qiáng)度(是灰鐵抗拉強(qiáng)度的兩倍)。蠕墨鑄鐵的疲勞強(qiáng)度比灰鐵高100%，并且基本上與球鐵的疲勞強(qiáng)度處于同一數(shù)量級(jí)。蠕墨鑄鐵的導(dǎo)熱性與灰鐵的導(dǎo)熱性處于同一數(shù)量級(jí)，但大大高于球鐵。
因此可以看出，有充分的理由將蠕墨鑄鐵用于那些要求將好的強(qiáng)度與高的導(dǎo)熱性相結(jié)合的機(jī)械結(jié)構(gòu)中。
鑒于在獲得蠕墨鑄鐵的重復(fù)性生產(chǎn)中所經(jīng)歷的困難，在更早的時(shí)候是不可能制造這種形式的鑄件的。
在WO-Al-89/04224(PCT/VS88/03693)中給出了一種方法，它用于控制鑄造渦輪葉片的徑向凝固，以在轂部得到細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，而在整個(gè)葉片部分獲得一種定向凝固的晶粒結(jié)構(gòu)。上述晶粒結(jié)構(gòu)是通過加熱環(huán)繞部分鑄模的部件并冷卻鑄模內(nèi)的部件而得到的。
但是，通過分析在試樣(取自相應(yīng)的金屬液)凝固過程中由溫度傳感器得到的相對(duì)于時(shí)間的溫度數(shù)據(jù)，可以確定金屬液中形核劑(nucleants)和變質(zhì)劑的濃度，這能夠精確地確定金屬液在鑄型中凝固所用的方式，而且也能夠調(diào)整孕育劑和變質(zhì)劑的含量，以給予鑄件所期望的性能。在該方面參見SE-B-8404579-8或US-A-4667725，按照這些專利說明書，前述的值是借助于兩個(gè)置于試樣熔池中的溫度傳感器來(lái)測(cè)定的，在凝固過程開始時(shí)，該熔池中的金屬液與試樣杯的溫度處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。
上述溫度傳感器中的一個(gè)放在試樣杯內(nèi)熔融金屬的中心，而另一個(gè)傳感器則置于大致在杯壁處的金屬液中在凝固過程中對(duì)杯壁上過冷的金屬液所記錄的溫度值為(T*w]]>)，在杯壁上的再熾熱值為(recW)，在杯壁和樣杯中心之間具有一個(gè)正的溫度差(△T+)，并且在杯壁和杯中心具有溫度的導(dǎo)(函)數(shù) (dT)/(dτ) W′，在不變的平衡生長(zhǎng)溫度下 (dT)/(dC) C = 0，根據(jù)這些與模擬取樣條件下的已知參考值的有關(guān)的數(shù)值，可以確定結(jié)晶形核劑的存在及含量，并且可以確定組織變質(zhì)劑的量，以及可以通過向熔液的補(bǔ)充或通過停(滯)留時(shí)間來(lái)修正形核劑和組織變質(zhì)劑的含量，這樣，就可以使結(jié)晶形核劑和組織變質(zhì)劑的含量符合要在鑄件中得到希望的石墨結(jié)構(gòu)所需要的含量。
組織變質(zhì)劑通常是由鎂和任意的稀土金屬、特別是鈰組成的。
當(dāng)溶解的活性鎂量，以及與其相當(dāng)?shù)钠渌Y(jié)構(gòu)變質(zhì)劑、即在液體中存在的這些元素的量(這些元素有其獨(dú)立的固態(tài)氧化物和硫化物)達(dá)到約0.035%或更高時(shí)，金屬液凝固時(shí)石墨將呈球狀析出，如果上述元素的含量降至約0.015%，則石墨將呈蠕蟲狀石墨析出，如果上述含量再降至約0.008%以下，則石墨將呈片狀析出，鑄鐵將凝固成灰鑄鐵，顯然，在約0.010-0.025%的含量范圍內(nèi)，將主要形成蠕墨或致密石墨鑄鐵。在上述的專利說明書之前，不可能在連續(xù)生產(chǎn)中制造具有重復(fù)性的蠕墨鑄鐵。
現(xiàn)在參照實(shí)施例和附圖對(duì)發(fā)明作更詳細(xì)的描述。


圖1表示了石墨晶體結(jié)構(gòu)隨所溶解的活性鎂的不同含量及形核物質(zhì)的局部濃集而變化的曲線;各條曲線分別表示不同的冷卻速率和形核物質(zhì)不同的區(qū)域變化;
圖2表示了一個(gè)傳統(tǒng)的飛輪;
圖3表示了一個(gè)按照本發(fā)明設(shè)計(jì)和制造的飛輪。
除了組織變質(zhì)劑的量(以溶解鎂的百分?jǐn)?shù)表示)外，形核質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量和占優(yōu)勢(shì)的凝固速率對(duì)組織的形成也起著重要作用。這種作用表示在圖1中，其中底部曲線表示石墨晶體的球性(nodularity)是如何變化的(0%對(duì)應(yīng)于完全的蠕墨鑄鐵，100%對(duì)應(yīng)于完全的球鐵，即(球墨鑄鐵。當(dāng)形核粒子的數(shù)量增加和/或凝固速率增加時(shí)，曲線向上和向圖的左邊位移。
所以，如果形核粒子的數(shù)量和/或凝固速率在鑄型中呈區(qū)域變化，鑄造出的材料將具有不同的組織并從而具有不同的性能。根據(jù)本發(fā)明，通過適當(dāng)?shù)剡x擇形核添加物和/或適當(dāng)?shù)剡x擇凝固條件，可以人為地控制在鑄件的不同部分所希望得到的組織及性能。
也可以對(duì)應(yīng)于金屬液中溶解的活性鎂量繪制一條以球狀形式析出的石墨量的曲線，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)也可以繪出一些類似的曲線，其中將凝固速率考慮在內(nèi)，如單位為KS-1。當(dāng)凝固速率增高、S形曲線向左移動(dòng)時(shí)，就得到了不同凝固速率的不同曲線。如前所述，圖1中所包括的曲線，曲線Ⅰ的凝固速率為1KS-1，曲線Ⅱ的凝固速率為5KS-1。因此，在鑄造時(shí)，如果在鑄型中鐵水含有0.018%的溶解的活性鎂，并且保證型腔及鑄件具有這樣一個(gè)尺寸，即，提供有用于冷卻鑄型的冷卻體或熱吸收介質(zhì)，以使冷卻速率為(例如)5KS-1，那么，在鑄件的這一部分，鑄件的凝固將具有50%的球狀石墨，如果該鑄件的其它部分以1KS-1的速率凝固，最終的石墨組織將基本上是帶約5%球墨的蠕蟲狀石墨組織。這樣，就能使要生產(chǎn)的鑄件在其不同的部位具有一種非均勻的石墨組織。例如，如果使要得到球墨組織的鑄件的區(qū)域快速冷卻，如冷卻速率為5KS-1，則在圖1所示的具有0.018%的活性溶解鎂的情況下將得到包含有約50%的球狀石墨的組織，它和以速率1KS-1凝固的鑄件(在該鑄件中僅有5%的球狀石墨成分，而石墨的主要部分則以蠕狀石墨存在)相比具有更高的機(jī)械強(qiáng)度但導(dǎo)熱性較低。如果將熱從鑄型中的金屬液中以每單位時(shí)間內(nèi)不同的量排走，則通過使鑄件的將以球墨進(jìn)行凝固的部分變薄、或通過緊貼這些部分設(shè)置吸熱或傳熱裝置(例如冷卻元件或冷卻蛇管)，即能夠得到上述這種結(jié)果。
對(duì)于鑄造領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說，顯然可以在鑄型內(nèi)設(shè)置冷卻回路和冷卻元件。但是，就申請(qǐng)人所知，這些冷卻回路和冷卻元件的設(shè)置大多是用于在給定的鑄造工藝下改善填充性、降低薄截面的冷卻速率及提高厚截面的冷卻速率，從原理上來(lái)說，這與本發(fā)明的思想是相對(duì)立的，并且將會(huì)引導(dǎo)技術(shù)人員遠(yuǎn)離本發(fā)明的思想而不是朝向本發(fā)明的思想。
可以將與機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)相連的飛輪作為按照本發(fā)明的方法所制造的產(chǎn)品的一個(gè)例子。飛輪由具有輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)盤所構(gòu)成，輪轂與曲軸相連并與之一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)離合器嚙合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩通過摩擦盤和離合器傳動(dòng)板傳遞到驅(qū)動(dòng)軸上，該驅(qū)動(dòng)軸經(jīng)過變速箱驅(qū)動(dòng)車輛。在車輛起動(dòng)及正常的驅(qū)動(dòng)中，通過從飛輪上提起離合器傳動(dòng)板而解除驅(qū)動(dòng)力，然后在離合器滑移期間再重新嚙合，上述這兩個(gè)機(jī)械部件之間所產(chǎn)生的摩擦力使得這種機(jī)械功被轉(zhuǎn)變成熱能，而熱能必須從飛輪的四周傳走。同時(shí)，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的力經(jīng)過飛輪輪轂傳到離合器傳動(dòng)板上，因此，飛輪必須有高的機(jī)械強(qiáng)度和高的彈性模量，特別是在飛輪的輪轂處。
由于飛輪所需要的熱傳導(dǎo)性，飛輪通常是由灰鐵或不同的材料制成，而且為了安全起見，要求飛輪特別在其輪殻部分具有超大的尺寸?；诣F還具有低的尺寸穩(wěn)定性。在由不同的材料制造飛輪時(shí)，當(dāng)然可以優(yōu)化其性能，但這種方案使得制造費(fèi)用過高。因此，希望鑄造一種飛輪，其圓周的摩擦面由至少80%的蠕墨鑄鐵和≤20%的球墨鑄鐵所構(gòu)成，這些值對(duì)應(yīng)于一個(gè)推薦的標(biāo)準(zhǔn)，其中于摩擦面上存在的材料將具有所希望的高導(dǎo)熱性，同時(shí)也具有高的耐磨性。飛輪在輪轂部分的石墨組織具有超過50%的球狀石墨，這樣一種材料類似于球鐵，它和其它類型的鑄鐵相比具有高的機(jī)械強(qiáng)度和高的剛性。當(dāng)由灰鐵向球鐵過渡時(shí)，飛輪輪轂部分的厚度可以減小一半，當(dāng)由摩擦盤中的至少含有80%蠕蟲狀石墨的材料過渡時(shí)，盡管機(jī)械強(qiáng)度和剛性將大大提高，但卻得到了與灰鐵相同的導(dǎo)熱性。已知可以全部由蠕墨鑄鐵來(lái)制造飛輪，雖然這種飛輪優(yōu)于由灰鑄鐵制造的飛輪，但在實(shí)施本發(fā)明時(shí)卻不能大大地節(jié)省材料。
通過使質(zhì)量沿徑向向外移，可以在較低的總重量下保持飛輪相同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這是主要的目的之一。
圖2示出了一個(gè)由灰鐵制造的飛輪，圖3示出了一個(gè)具有非均勻石墨組織的飛輪，即在飛輪的外部是蠕墨鑄鐵，而在其輪轂部分是“球鐵”。其尺寸如下表所示。
表Ⅰ圖2圖3D350350d139220B2530b126
鑄造飛輪時(shí)，輪轂處的薄截面(約6mm)的冷卻通常將足以滿足凝固速率，以形成超過50%的球狀石墨，飛輪是在普通的砂型中鑄造的。實(shí)質(zhì)上，冷卻將取決于鑄型的結(jié)構(gòu)。但是，如果溫度的下降不理想，則在造型時(shí)可以在砂型靠近輪轂的部位放置冷卻體，以使離開鑄件的熱更快地被吸收。
本發(fā)明也可用于鑄造汽缸體，以在其中提供一種非均勻石墨組織。
汽缸體是承受大量不同應(yīng)力和變形的機(jī)械部件的一個(gè)實(shí)例。例如，一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸通常置于缸體的上部并承受特別的熱應(yīng)力。在缸體上部的汽缸內(nèi)產(chǎn)生燃燒，在此出現(xiàn)非常大的溫度差。在發(fā)動(dòng)機(jī)的這一部分工作溫度一般非常高。在鑄造之后，在將缸體裝到一個(gè)成品發(fā)動(dòng)機(jī)上之前，缸體的這一部分要大量地加工。因此，缸體這一部分的可加工性就是缸體的一個(gè)主要性能。缸體所需要的其它性能是好的導(dǎo)熱性、高的尺寸穩(wěn)定性和高的剛性。所有這些要求，蠕墨鑄鐵均能很好地滿足。
汽缸體的下部通常容納著曲軸和發(fā)動(dòng)機(jī)連接裝置，它主要應(yīng)具有好的機(jī)加工性、高的減振性和滿意的剛度。顯然，蠕墨鑄鐵是這樣發(fā)動(dòng)部件最理想的材料。缸體的上部和下部之間的部分具有相當(dāng)薄的壁并且具有最重要的性能，即高的機(jī)械強(qiáng)度，這部分可以適當(dāng)?shù)赜汕蜩F或至少一種包含高比例球狀石墨的鑄鐵構(gòu)成。球墨鑄鐵，例如由于其導(dǎo)熱性不好，將變得非常熱，從而容易失去其尺寸穩(wěn)定性并且不容易處理。缸體的上述中間部分不受與缸體其它部分相同程度的熱影響，但較其它部分具有更高的強(qiáng)度要求。這些部分通常不加工。因此，在這些區(qū)域中“球鐵組織”是一種最理想的組織。
由上述內(nèi)容可顯然看出，本發(fā)明的方法能夠生產(chǎn)(例如)最佳組織的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，在這種情況下，需要對(duì)最終鑄件或缸體的這些部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s，以便通過局部引入形核物質(zhì)而得到一種具有高比例球狀石墨析出或有利于球狀石墨形成的最佳組織。
可以通過向鑄型內(nèi)部希望獲得高比例球狀石墨凝固的區(qū)域提供形核物質(zhì)的方法來(lái)局部引入形核物質(zhì)，例如，這可以通過在澆鑄之前向鑄型內(nèi)表面的所述部位上噴射細(xì)粒硅鐵漿的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
實(shí)際上，本發(fā)明并不局限于參照飛輪和汽缸體的制造所描述的實(shí)施例。
例如，本發(fā)明的方法可以同樣用于制造能夠由鑄鐵生產(chǎn)并具有非均勻石墨組織的剎車片和其它發(fā)動(dòng)機(jī)部件。
車輛的制造構(gòu)成了本發(fā)明所能應(yīng)用的一個(gè)主要領(lǐng)域，因?yàn)樵谠擃I(lǐng)域中減小重量具有特別重要的意義。計(jì)算表明，在汽缸體中使用蠕墨鑄鐵同使用灰鑄鐵相比，重量可減小30%，但并不降低發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。
當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的方法來(lái)設(shè)計(jì)制造發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，還可進(jìn)一步減小重量。
權(quán)利要求
1.一種整體生鐵鑄件的制造方法，該鑄件在其最終產(chǎn)品的不同部分具有蠕蟲狀和球狀的非均勻的石墨晶體分布，其特征在于，調(diào)整鐵水的成分和物理性能或形核能力，使鐵水依賴于凝固時(shí)間和/或局部形核能力在鑄件要獲得蠕蟲狀石墨組織的區(qū)域以較大比例的蠕蟲狀石墨晶體和相應(yīng)地小比例的球狀石墨晶體進(jìn)行凝固；保證鑄件上通過調(diào)節(jié)局部形核能力而獲得所希望的高比例球狀石墨晶體的部分在凝固過程中熱量被迅速?gòu)蔫T件上傳走，所采取的方式是或者使鑄件的這部分具有薄截面或者給鑄型設(shè)置吸熱元件，使所述部分的鑄型溫度能夠在足夠短的時(shí)間內(nèi)下降，以獲得所期望的球化比例。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，調(diào)整鐵水中變質(zhì)劑的含量，使該含量相當(dāng)于0.010-0.025活性的溶解鎂的含量或是某些其它變質(zhì)劑的相應(yīng)的含量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2的方法，其特征在于，設(shè)計(jì)鑄件，使希望主要得到球狀石墨組織的部分在溫度1150-1000℃范圍內(nèi)的冷卻速率至少為5KS-1或更高，而在希望得到蠕蟲狀石墨組織的區(qū)域其冷卻速率≤1KS-1。
4.一種用于在機(jī)動(dòng)車，如小汽車、卡車、公共汽車或鐵路車輛的輪盤制動(dòng)器中嚙合制動(dòng)盤的飛輪的制造方法，其特征在于，摩擦部件與飛輪輪轂的厚度之間的比例大于3，最好是5。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1-4的方法所制造的飛輪，其特征在于，飛輪是在砂型中鑄造的，所用鐵水含有0.010-0.025的活性溶解鎂或等量的其它變質(zhì)劑，飛輪輪轂部分的厚度為4-8mm，具有用于與離合器片相接觸的表面的飛輪外部的厚度為25-35mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種整體鑄件的制造方法，該鑄件在其最終產(chǎn)品的不同部分具有蠕蟲狀和球狀的非均勻的石墨晶體分布，這是通過調(diào)整鐵水的成分和物理性能或局部形核能力，使鐵水依據(jù)凝固時(shí)間和/或局部形核能力而在鑄件希望獲得蠕蟲狀石墨組織的部分以較大比例的蠕蟲狀石墨晶體進(jìn)行凝固而獲得的。在鑄件希望獲得高比例球狀石墨晶體及相應(yīng)的小比例蠕蟲狀石墨晶體的部分，通過調(diào)節(jié)其局部形核能力而得到球狀石墨組織，保證在凝固過程中使鑄件這部分的熱量更快地從鑄件上傳走，所采取的方式是，或者使鑄件的這部分具有薄截面或者在鑄型中設(shè)置吸熱元件。本發(fā)明的方法特別適于制造機(jī)動(dòng)車的發(fā)動(dòng)機(jī)部件和動(dòng)力傳遞部件。
文檔編號(hào)B22D27/20GK1083422SQ9310522
公開日1994年3月9日 申請(qǐng)日期1993年4月8日 優(yōu)先權(quán)日1992年4月9日
發(fā)明者S·L·巴科魯?shù)?申請(qǐng)人:辛特卡斯特有限公司