專利名稱：鑄鐵鑄件和用于生產鑄鐵鑄件的方法
鑄鐵鑄件和用于生產鑄鐵鑄件的方法本發明涉及鑄鐵鑄件，具體地涉及曲軸和用于生產曲軸的方法。根據標準EN 1563的曲軸由根據標準EN-GJS 700或EN-GJS 800的球狀石墨鑄鐵制成，其中，材料EN-GJS 700具有至少700MPa的抗拉強度，材料EN-GJS 800具有至少 800MPa的抗拉強度。為了減少燃料消耗，通過渦輪增壓增大發動機中的點火壓力，并且為了附加地減少燃料消耗，盡可能地減小曲軸直軸承的直徑。這進一步增大了曲軸的負荷。由于增大的負荷，曲軸常常由鍛鋼制成，這是因為鋼曲軸具有比球狀石墨鑄鐵制成的曲軸高的承載能力。鋼材料具有比鑄造材料高的密度，這增大了發動機的總重量。使用鋼曲軸的附加缺點是運動質量增大。這兩個效應致使機動車所燃燒的燃料增多。此外， 鋼曲軸通常比鑄造曲軸成本高。還有在關于消耗潛能、聲學和安裝空間優化質量平衡時，鍛鋼曲軸相對于鑄造曲軸有以下缺點無法提供用于減輕重量的內腔，因此必須例如通過鉆孔來提供重量減輕，而鉆孔成本高。還已知的是用ADI (奧氏體淬火延性鐵)來生產曲軸，ADI具有奧鐵結構，這是指奧氏體結構和鐵素體結構。因此，將包括球狀石墨的鑄鐵鑄件加熱至奧氏體化溫度若干小時，然后淬火至約 350°C，這提供了奧鐵結構。由ADI制成的曲軸具有高的抗拉強度、韌度和耐磨性。然而，像曲軸那樣的、由ADI 制成的厚壁鑄件需要高百分比的鎳和像鉬那樣的其它貴金屬成分，因此使鑄造合金復雜化。因此，本發明的一目的是提供一種鑄鐵鑄件，尤其是一種具有高強度、韌度和耐磨性的鑄鐵曲軸，而無需增加生產成本。根據本發明，這通過如權利要求1所述的鑄件來提供。權利要求2至5涉及根據本發明的鑄件的較佳實施例。權利要求6涉及根據本發明的用于生產鑄件的較佳方法。根據本發明，鑄件具有以下結構該結構包括第一層，第一層位于鑄件表面處且由奧鐵體形成，因此混合的結構包括針狀鐵素體和嵌入的穩定殘余奧氏體。鑄件表面處的奧鐵體層具有至少800MPa、尤其至少900MPa的抗拉強度(Rm)。奧鐵體層的彈性極限(Rp 0.2)較佳地是至少600MPa，尤其至少650MPa。抗拉強度也可大于lOOOMPa，但機加工就會變得困難。鑄件表面處的奧鐵體層的層厚較佳地是至少2mm，尤其至少4mm。在形成第一層的、鑄件表面處的奧鐵體層之后，有朝向鑄件內部的第二層，第二層由包括奧鐵體(因此鐵素體和奧氏體)和屈氏體的混合結構形成。屈氏體是細條狀珠光體，形成為羅賽塔形。在非常高放大倍數的光學顯微鏡下只能看到珠光體的細片。因此，在200倍放大倍數下，屈氏體的細片僅僅形成黑點，這意味著具體的細片非常細小以至于在這個放大倍數下無法看到。由于細小結構，屈氏體具有低的內部缺口效應。因此，屈氏體有利于實現高的疲勞強度。這對于像曲軸那樣的高度受壓部件來說是非常有利的。
根據鑄件的壁厚，結構的其余部分，因此也是鑄件的與由奧鐵體和屈氏體形成的第二層相鄰的內部，可由屈氏體和/或含屈氏體和比屈氏體粗的珠光體的混合結構形成。 因此，例如在壁厚例如大于30mm的較厚鑄件中，典型的是，鑄件內部有屈氏體和/或含屈氏體和較粗珠光體的混合結構。這意味著，根據本發明的鑄件由梯度材料形成，該梯度材料包括第一層，第一層位于鑄件表面處且由奧鐵體形成；第二層由含奧鐵體和屈氏體的混合結構形成；以及可選的在內部的屈氏體和/或屈氏體和比屈氏體粗的珠光體的混合結構。當根據本發明的鑄件用球狀石墨GJS作為基材來生產時，該鑄件進一步在兩層中，以及在鑄件內部的屈氏體或較粗珠光體中(假如設置的話)，包括球狀石墨。因此，石墨球均勻地分布，其中，參照橫截面，最小值較佳地是每平方毫米100個石墨球，且至多超過 0. 5%。由于球狀石墨，材料的密度相對于鋼材料減小，所以根據本發明的鑄件，因此尤其根據本發明的曲軸，比由具有相同體積的鍛鋼制成的曲軸輕。此外，在根據本發明的鑄件、 尤其根據本發明的曲軸中的具有不同構造的內腔提供了顯著的減重。根據本發明的鑄件生產所需的鑄鐵具有以下化學成分以重量計3. 2-3. 9%的碳，以重量計2. 0-2. 4%的硅，以重量計0.6-1. 3%的錳，以重量計0.6-1.0%的銅，以重量計0.030-0. 050%的鎂，以重量計0. 0-0. 1 %的錫，以重量計0.0-0. 5%的鎳，其余包括鐵和通常的雜質。這意味著根據本發明的鑄件生產所需的鑄鐵不包括鉬，且不包括鎳或僅包括非常少量的鎳。因此，根據本發明的用于生產鑄件的鑄鐵成本不是非常高。根據本發明的鑄件由具有上述化學成分的鑄鐵鑄成。在鑄造和機加工至正確尺寸之后，實施兩步式熱處理。因此，在保護氣氛下將鑄件加熱至910°C -950°C的奧氏體化溫度，尤其加熱至約920°C，并在該溫度處保持至少一小時，較佳地保持至少兩小時。接著，在溫度約為 300°C-40(TC的介質中冷卻鑄件。鹽浴可用作冷卻介質。冷卻介質中的停留時間是至少一小時，較佳地至少兩小時。因此，鑄件表面處的奧氏體轉化成奧鐵體層，因此就是含鐵素體和殘余奧氏體的混合結構。當鑄件表面層在被引入冷卻介質中時迅速從奧氏體化溫度冷卻并因此淬火以在表面處形成奧鐵體時，向鑄件內部提供其它冷卻條件，這導致形成第二層，因此將奧氏體轉化成奧鐵體和屈氏體，并且在具有大壁厚的鑄件中，這導致在朝向鑄件內部的第二層之后將奧氏體轉化成屈氏體結構和/或含屈氏體和比屈氏體粗的珠光體的混合結構。根據本發明的鑄件較佳地是用于內燃機的曲軸，然而它也可以例如是齒輪、沖壓工具、支重輪或其它高度受壓的鑄件。
接下來參照附圖、基于曲軸的一實施例來更詳細地描述本發明，其中
圖1示出了曲軸一部分的剖視圖；以及圖2示出了圖1的部分A的放大圖。根據圖1和2，帶有轉動軸線2的曲軸1包括位于表面處的第一層3和位于第一層 3和曲軸1內部5之間的第二層4。附圖標記6和7標示曲軸1中的內腔。第一層3由奧鐵體形成，層厚d例如為5mm。第二層4由包括奧鐵體和屈氏體的混合結構形成，其中，內部5由屈氏體和/或包括屈氏體和珠光體的混合結構形成，珠光體比屈氏體粗。通過奧鐵體層3，曲軸1、尤其還在主軸承和曲柄銷軸承的高負荷過渡部分中具有高強度，在該過渡部分，曲軸1通過彎曲和扭轉而受壓。下面的實施例用來更詳細地描述本發明。實例曲軸由具有以下成分的鑄鐵鑄成碳3.5%，以重量計，硅2.2%，以重量計，錳0.9%，以重量計，銅0.8%，以重量計，鎂0.04%，以重量計，錫0.05%，以重量計，鎳0.2%，以重量計。鑄成的曲軸經受兩步熱處理法。因此，在爐子中在例如氬氣的保護氣氛下將曲軸加熱至920°C的溫度，并在該溫度處保持150分鐘。接著，在鹽浴中將因此奧氏體化的鑄件淬火至360°C，并在其中保持150 分鐘，接著冷卻至環境溫度。例如根據DIN EN 10002來確定抗拉強度(Rm)和彈性極限(Rm 0. 2)。奧鐵體層， 因此根據圖2在曲軸1的表面處的層3，具有920MPa的抗拉強度和660MPa的彈性極限。此外，產生了曲軸的以下層的研磨圖像(顯微鏡圖像)奧鐵體層，因此根據圖2 的第一層3 ；由奧鐵體和屈氏體形成的混合結構的第二層4 ；由屈氏體和/或由屈氏體和相對較大珠光體制成的混合結構形成的內部5。圖3示出了由奧鐵體形成的第一層3的拋光面圖像。圖4示出了包括含奧鐵體和屈氏體的混合結構的第二層4的拋光面圖像，圖5示出了包括屈氏體和/或含屈氏體和比屈氏體粗的珠光體的混合結構的內部5的混合面圖像。
權利要求
1.一種鑄鐵鑄件，包括結構，所述結構包括第一層(3)和第二層G)，所述第一層位于鑄件表面處且由奧鐵體制成，所述第二層與所述第一層C3)相鄰、朝向所述鑄件的內部(5) 且由奧鐵體和屈氏體制成。
2.如權利要求1所述的鑄鐵鑄件，其特征在于，所述鑄件的與所述第二層(4)相鄰的所述內部(5)的結構由屈氏體和/或含屈氏體和比屈氏體粗的珠光體的混合結構制成。
3.如權利要求1或2所述的鑄鐵鑄件，其特征在于，由奧鐵體制成的所述第一層(3)具有至少900MPa的抗拉強度(Rm)和至少600MPa的彈性極限(Rp 0. 2)。
4.如前述權利要求中一項所述的鑄鐵鑄件，其特征在于，所述鑄鐵鑄件包括球狀石墨。
5.如前述權利要求中一項所述的鑄鐵鑄件，其特征在于，所述鑄鐵具有以下成分 以重量計3. 2-3. 9%的碳，以重量計2. 0-2. 4%的硅， 以重量計0. 6-1. 3%的錳， 以重量計0. 6-1.0%的銅， 以重量計0. 030-0. 050%的鎂， 以重量計0. 0-0. 的錫， 以重量計0. 0-0. 5%的鎳， 其余包括鐵和通常的雜質。
6.一種用于生產如權利要求1至4中一項所述的鑄鐵鑄件的方法，其中，在爐子中將具有權利要求5所述成分的球狀石墨鑄鐵(GJS)加熱至910°C -950°C的奧氏體化溫度；在至少60分鐘的停留時間之后，在介質中將所述球狀石墨鑄鐵冷卻至300°C -400°C的溫度；以及在冷卻介質中的至少60分鐘的停留時間之后，將所述球狀石墨鑄鐵冷卻至環境溫度。
7.如權利要求1至5中一項所述的鑄鐵鑄件，其特征在于，所述鑄鐵鑄件形成為曲軸⑴。
全文摘要
本發明涉及一種鑄鐵鑄件，尤其涉及鑄造曲軸(1)，該鑄鐵鑄件具有第一層(3)和第二層(4)，第一層由奧鐵體形成，第二層與內部(5)相鄰且由奧鐵體和屈氏體形成。
文檔編號F16C3/06GK102575326SQ201080045116
公開日2012年7月11日 申請日期2010年9月22日 優先權日2009年10月5日
發明者D·雷德巴馳, J·米特瑞馳, M·赫伯, P·蘇斯 申請人:寶馬股份公司, 新哈爾博格鑄造有限公司