專利名稱：具有非均勻石墨組織的整體結構鑄件的制造方法
技術領域：
本發明涉及一種鑄件的制造方法，該鑄件是作為一個整體結構鑄造的，它具有可控的非均勻石墨組織。根據本發明，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特的性能，這些性能包括好的機械和物理性能及好的機加工性能，這使得這種材料特別適合制作機械結構中的許多機械部件，其中包括大批量制造的機械結構，主要是發動機及特別用于機動車的泵。鐵基的高度合格的材料及機加工方法通常不用于特殊的產品，如飛機發動機，也不用于那些制作要求非常高的產品，因此，這類產品的制造不在本發明的范圍之內。
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ISO/R945-1969(E)被定義為“Ⅲ型”石墨或根據ASTMA247被定義為“Ⅳ型”石墨。這種形式的石墨在英國(1948)被首次發現并從此而用于小規模地制造特殊的部件。制造規模小的原因是因為不能以足夠的精度來控制鐵水的性質和成分以保證具有足夠生產重復性的鑄件的成分及石墨結構。
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度(是灰鐵抗拉強度的兩倍)。蠕墨鑄鐵的疲勞強度比灰鐵高100%，并且基本上與球鐵的疲勞強度處于同一數量級。蠕墨鑄鐵的導熱性與灰鐵的導熱性處于同一數量級，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度與高的導熱性相結合的機械結構中。
鑒于在獲得蠕墨鑄鐵的重復性生產中所經歷的困難，在更早的時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，以在轂部得到細晶粒結構，而在整個葉片部分獲得一種定向凝固的晶粒結構。上述晶粒結構是通過加熱環繞部分鑄模的部件并冷卻鑄模內的部件而得到的。
但是，通過分析在試樣(取自相應的金屬液)凝固過程中由溫度傳感器得到的相對于時間的溫度數據，可以確定金屬液中形核劑(nucleants)和變質劑的濃度，這能夠精確地確定金屬液在鑄型中凝固所用的方式，而且也能夠調整孕育劑和變質劑的含量，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置于試樣熔池中的溫度傳感器來測定的，在凝固過程開始時，該熔池中的金屬液與試樣杯的溫度處于熱力學平衡狀態。
上述溫度傳感器中的一個放在試樣杯內熔融金屬的中心，而另一個傳感器則置于大致在杯壁處的金屬液中在凝固過程中對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正的溫度差(△T+)，并且在杯壁和杯中心具有溫度的導(函)數 (dT)/(dτ) W′，在不變的平衡生長溫度下 (dT)/(dC) C = 0，根據這些與模擬取樣條件下的已知參考值的有關的數值，可以確定結晶形核劑的存在及含量，并且可以確定組織變質劑的量，以及可以通過向熔液的補充或通過停(滯)留時間來修正形核劑和組織變質劑的含量，這樣，就可以使結晶形核劑和組織變質劑的含量符合要在鑄件中得到希望的石墨結構所需要的含量。
組織變質劑通常是由鎂和任意的稀土金屬、特別是鈰組成的。
當溶解的活性鎂量，以及與其相當的其它結構變質劑、即在液體中存在的這些元素的量(這些元素有其獨立的固態氧化物和硫化物)達到約0.035%或更高時，金屬液凝固時石墨將呈球狀析出，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，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，不可能在連續生產中制造具有重復性的蠕墨鑄鐵。
現在參照實施例和附圖對發明作更詳細的描述。
圖1表示了石墨晶體結構隨所溶解的活性鎂的不同含量及形核物質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不同的區域變化;
圖2表示了一個傳統的飛輪;
圖3表示了一個按照本發明設計和制造的飛輪。
除了組織變質劑的量(以溶解鎂的百分數表示)外，形核質點的數量和占優勢的凝固速率對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%對應于完全的蠕墨鑄鐵，100%對應于完全的球鐵，即(球墨鑄鐵。當形核粒子的數量增加和/或凝固速率增加時，曲線向上和向圖的左邊位移。
所以，如果形核粒子的數量和/或凝固速率在鑄型中呈區域變化，鑄造出的材料將具有不同的組織并從而具有不同的性能。根據本發明，通過適當地選擇形核添加物和/或適當地選擇凝固條件，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。
也可以對應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，現在發現也可以繪出一些類似的曲線，其中將凝固速率考慮在內，如單位為KS-1。當凝固速率增高、S形曲線向左移動時，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，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尺寸，即，提供有用于冷卻鑄型的冷卻體或熱吸收介質，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)相比具有更高的機械強度但導熱性較低。如果將熱從鑄型中的金屬液中以每單位時間內不同的量排走，則通過使鑄件的將以球墨進行凝固的部分變薄、或通過緊貼這些部分設置吸熱或傳熱裝置(例如冷卻元件或冷卻蛇管)，即能夠得到上述這種結果。
對于鑄造領域的普通技術人員來說，顯然可以在鑄型內設置冷卻回路和冷卻元件。但是，就申請人所知，這些冷卻回路和冷卻元件的設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，從原理上來說，這與本發明的思想是相對立的，并且將會引導技術人員遠離本發明的思想而不是朝向本發明的思想。
可以將與機動車發動機相連的飛輪作為按照本發明的方法所制造的產品的一個例子。飛輪由具有輪轂的轉動盤所構成，輪轂與曲軸相連并與之一起轉動。當離合器嚙合時，發動機轉矩通過摩擦盤和離合器傳動板傳遞到驅動軸上，該驅動軸經過變速箱驅動車輛。在車輛起動及正常的驅動中，通過從飛輪上提起離合器傳動板而解除驅動力，然后在離合器滑移期間再重新嚙合，上述這兩個機械部件之間所產生的摩擦力使得這種機械功被轉變成熱能，而熱能必須從飛輪的四周傳走。同時，整個發動機的力經過飛輪輪轂傳到離合器傳動板上，因此，飛輪必須有高的機械強度和高的彈性模量，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。灰鐵還具有低的尺寸穩定性。在由不同的材料制造飛輪時，當然可以優化其性能，但這種方案使得制造費用過高。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%的球墨鑄鐵所構成，這些值對應于一個推薦的標準，其中于摩擦面上存在的材料將具有所希望的高導熱性，同時也具有高的耐磨性。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械強度和高的剛性。當由灰鐵向球鐵過渡時，飛輪輪轂部分的厚度可以減小一半，當由摩擦盤中的至少含有80%蠕蟲狀石墨的材料過渡時，盡管機械強度和剛性將大大提高，但卻得到了與灰鐵相同的導熱性。已知可以全部由蠕墨鑄鐵來制造飛輪，雖然這種飛輪優于由灰鑄鐵制造的飛輪，但在實施本發明時卻不能大大地節省材料。
通過使質量沿徑向向外移，可以在較低的總重量下保持飛輪相同的轉動慣量，這是主要的目的之一。
圖2示出了一個由灰鐵制造的飛輪，圖3示出了一個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，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。實質上，冷卻將取決于鑄型的結構。但是，如果溫度的下降不理想，則在造型時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力和變形的機械部件的一個實例。例如，一個發動機的汽缸通常置于缸體的上部并承受特別的熱應力。在缸體上部的汽缸內產生燃燒，在此出現非常大的溫度差。在發動機的這一部分工作溫度一般非常高。在鑄造之后，在將缸體裝到一個成品發動機上之前，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主要性能。缸體所需要的其它性能是好的導熱性、高的尺寸穩定性和高的剛性。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動機連接裝置，它主要應具有好的機加工性、高的減振性和滿意的剛度。顯然，蠕墨鑄鐵是這樣發動部件最理想的材料。缸體的上部和下部之間的部分具有相當薄的壁并且具有最重要的性能，即高的機械強度，這部分可以適當地由球鐵或至少一種包含高比例球狀石墨的鑄鐵構成。球墨鑄鐵，例如由于其導熱性不好，將變得非常熱，從而容易失去其尺寸穩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度要求。這些部分通常不加工。因此，在這些區域中“球鐵組織”是一種最理想的組織。
由上述內容可顯然看出，本發明的方法能夠生產(例如)最佳組織的發動機缸體，在這種情況下，需要對最終鑄件或缸體的這些部分進行適當的冷卻，以便通過局部引入形核物質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。
可以通過向鑄型內部希望獲得高比例球狀石墨凝固的區域提供形核物質的方法來局部引入形核物質，例如，這可以通過在澆鑄之前向鑄型內表面的所述部位上噴射細粒硅鐵漿的方法來實現。
實際上，本發明并不局限于參照飛輪和汽缸體的制造所描述的實施例。
例如，本發明的方法可以同樣用于制造能夠由鑄鐵生產并具有非均勻石墨組織的剎車片和其它發動機部件。
車輛的制造構成了本發明所能應用的一個主要領域，因為在該領域中減小重量具有特別重要的意義。計算表明，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%，但并不降低發動機的功率。
當根據本發明的方法來設計制造發動機時，還可進一步減小重量。
權利要求
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間和/或局部形核能力在鑄件要獲得蠕蟲狀石墨組織的區域以較大比例的蠕蟲狀石墨晶體和相應地小比例的球狀石墨晶體進行凝固；保證鑄件上通過調節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給鑄型設置吸熱元件，使所述部分的鑄型溫度能夠在足夠短的時間內下降，以獲得所期望的球化比例。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于，調整鐵水中變質劑的含量，使該含量相當于0.010-0.025活性的溶解鎂的含量或是某些其它變質劑的相應的含量。
3.根據權利要求1和2的方法，其特征在于，設計鑄件，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域其冷卻速率≤1KS-1。
4.一種用于在機動車，如小汽車、卡車、公共汽車或鐵路車輛的輪盤制動器中嚙合制動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。
5.一種根據權利要求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
本發明涉及一種整體鑄件的制造方法，該鑄件在其最終產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，這是通過調整鐵水的成分和物理性能或局部形核能力，使鐵水依據凝固時間和/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的小比例蠕蟲狀石墨晶體的部分，通過調節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置吸熱元件。本發明的方法特別適于制造機動車的發動機部件和動力傳遞部件。
文檔編號B22D27/20GK1083422SQ9310522
公開日1994年3月9日 申請日期1993年4月8日 優先權日1992年4月9日
發明者S·L·巴科魯德 申請人:辛特卡斯特有限公司