Способ изготовления литых изделий в виде единой детали

 

Изобретение относится к способу изготовления литых изделий в виде единой детали, имеющей регулируемую неоднородную структуру графита. Способ включает приготовление расплава чугуна с компактным графитом, заливку расплава чугуна в литейную форму, причем на стенки литейной формы и/или литейные стержни нанесен реактивный материал, пробы отбирают из расплава чугуна, затем помещают в пробоотборник. Способ обеспечивает тепловое равновесие между пробоотборником и пробой. Способ позволяет использовать чугун с компактным графитом в конструкциях машин, в которых требования высокой прочности сочетаются с требованиями хорошей способности к литью, механической обработке и высокой теплопроводности. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Настоящее изобретение относится к способу изготовления литых изделий в виде единой детали, имеющей регулируемую неоднородную структуру графита.

Чугун с компактным графитом обладает желательными и уникальными свойствами, включающими хорошие механические и физические свойства и хорошую обрабатываемость, что делает материал высокопригодным для множества компонентов в механических устройствах. Они включают конструкции машин, производимых в большом количестве, главным образом двигателей и, например, тормозные диски и насосы всех типов.

Чугун с компактным графитом, следовательно, включает графит, который в процессе затвердевания выделяется в форме вермикулярного графита и определяется согласно стандарту ISO/R 945-1975 (Е) как графит "Form III" или графит "Type IV" в соответствии со стандартом ASTM A 247. Форма графита впервые была описана в Англии в 1948 году и с тех пор используется для производства специальных компонентов или деталей малыми сериями. Причиной такого мелкосерийного производства является то, что невозможно регулировать свойства и состав расплавов железа с достаточной точностью для гарантирования состава и структуры графита в литом изделии с достаточной воспроизводимостью.

Свойства чугуна с компактным графитом находятся между свойствами серого чугуна и ковкого чугуна. Например, модуль упругости чугуна с компактным графитом на 30-40% выше, чем модуль упругости серого чугуна, что означает, что модуль упругости чугуна с компактным графитом почти такой же, как модуль упругости ковкого чугуна. Чугун с компактным графитом имеет пластичность, более высокую, чем пластичность серого чугуна, часто более чем в 10 раз выше, чем пластичность серого чугуна, и имеет более высокий предел прочности на растяжение, примерно вдвое выше, чем предел прочности на растяжение серого чугуна.

Сопротивление усталости чугуна с компактным графитом на 100% выше, чем сопротивление усталости серого чугуна и, по существу, такое же самое, как сопротивление усталости ковкого чугуна. Теплопроводность чугуна с компактным графитом имеет величину того же порядка, что и теплопроводность серого чугуна и на 30-50% выше, чем теплопроводность ковкого чугуна. Способность к механической обработке и литью чугуна с компактным графитом также сходна со способностью к механической обработке и литью серого чугуна.

Следовательно, имеются важные причины для использования чугуна с компактным графитом в конструкциях машин, в которых требования высокой прочности сочетаются с требованиями хорошей способности к литью, механической обработке и высокой теплопроводности.

Вследствие трудностей при получении чугуна с компактным графитом воспроизводимым способом раньше не было возможности изготавливать литые изделия этого типа из чугуна.

Однако можно определить концентрацию агентов образования центров кристаллизации и модификаторов в расплаве путем анализа данных температуры со временем, полученных с помощью датчиков температуры в процессе затвердевания объема проб, взятых из интересующего нас расплава. Это обеспечивает возможность точного определения способа, которым будет затвердевать расплав, а также возможность определения содержания агентов образования центров кристаллизации и модификаторов и корректирования их содержания таким образом, чтобы придавать литому изделию необходимые свойства (См. патенты Швеции SE-B-469712, SE-B-444817 или патент US-A-4 667725). Согласно этим патентам вышеупомянутые величины измеряют с помощью двух температурных датчиков, размещенных в ванне пробы, в которой расплав находится, по существу, в термодинамическом равновесии с температурой пробоотборника в начале процесса затвердевания. Один из этих температурных датчиков расположен в центре расплава в пробоотборнике, тогда как другой датчик расположен в расплаве вблизи стенки пробоотборника. В процессе затвердевания они регистрируют значения, относящиеся к переохлаждению расплава у стенки пробоотборника (Т_w^*), рекалесценции у стенки сосуда (rec_w), положительный перепад между температурой у стенки и в центре пробоотборника, (ΔT+), и производной температуры у стенки и в центре пробоотборника (dT/dt)_w при постоянном эквиваленте роста температур (dT/dt)_c=0, с помощью которых, зная справочное значение для аналогичных условий пробоотбора, можно определить присутствие и количество агентов, способствующих образованию центров кристаллизации, и количество модификаторов структуры и скорректировать их путем добавки в расплав или путем введения времени пребывания таким образом, чтобы присутствующие количества агентов для образования центров кристаллизации и структуры соответствовали количествам, необходимым для получения желательной структуры графита в литом изделии.

Структура модифицирующих присадок обычно включает магний, не обязательно с редкоземельными металлами, в частности церием или мишметаллом.

Когда количество растворенного магния и вместе с ним эквивалентные количества других модификаторов структуры, например количества этих элементов, присутствующих в растворе, за исключением элементов, которые разделены на оксиды и сульфиды в твердой форме, достигает величины около 0,035%, графит будет выделяться в шаровидной форме при затвердевании расплава. Если вышеупомянутые содержания опускаются до около 0,015%, графит будет выделяться в форме уплотненного графита, тогда как, если вышеупомянутые содержания опустятся еще ниже до менее чем около 0,008%, графит будет выделяться в виде чешуйчатого графита и чугун будет затвердевать, как серый чугун. Из этого очевидно, что между значениями от около 0,010 до около 0,020% будет образовываться чугун со структурой уплотненного графита.

В некоторых применениях является преимущественным использовать литые изделия из чугуна, имеющие неоднородную графитовую структуру. В публикации WO-A-93/20969 описан способ изготовления литых чугунных изделий, в котором изделия имеют структуру уплотненного графита в одних участках и структуру шаровидного графита в других участках упомянутых изделий.

Также является преимущественным использовать серый чешуйчатый графит в некоторых зонах, которые требуют наиболее высокой теплопроводности при относительно низком модуле упругости по причинам режима работы и, возможно, также прекрасной способности к литью и механической обработке по причине производительности, и чугун с уплотненным графитом в других участках, которые требуют более высокой прочности и жесткости по причинам режима работы.

Аналогичные попытки получения неоднородного графита в блоках двигателя предпринимались и ранее. Патент Японии JP-A-6/106 331 относится к способу изготовления блоков двигателей из ковкого чугуна для повышения прочности и жесткости посредством помещения реактивного покрытия на песчаные стержни, которые формируют цилиндрические отверстия в стенках, при этом содержание активного магния в расплаве, прилегающем к стенке чугуна, снижается, вследствие чего получают удлиненные графитовые хлопья при хорошей теплопроводности и обрабатываемости в стенках отверстия.

Однако реактивные покрытия, нанесенные на поверхность цилиндрических стержней, могут уменьшить содержание магния до определенной величины. Поэтому воспроизводимый результат трудно получить при постоянном содержании магния в чугуне, подлежащем заливке в форму. Изменения в содержании магния, являющиеся обычными, прямо указывают на изменение графитовой структуры в стенках отверстия.

Начиная с ковкого чугуна, как этого требует патент Японии JP-A-6/106331, вследствие отсутствия адекватного способа регулирования относительно низкая способность к литью ковкого чугуна ограничивает возможность успешного изготовления сложных составных тонкостенных отливок, таких как известные блоки двигателей и цилиндровые головки.

Первоначальная чрезмерная обработка магнием также приводит к ограниченной способности получать толстые слои чешуйчатого графита, примыкающие к реактивной поверхности стержней. Содержание магния в чугуне изменяется от его значения объемной концентрации до достаточно низкого уровня вблизи стенки, который обеспечивает образование хлопьев. Однако вследствие избытка магния, необходимого для получения шарообразного графита, и объединенного эффекта изменений магния, обнаруженных в день ото дня обрабатываемом чугуне, толщина хлопьевидного слоя может быть достаточно небольшой. Это особенно важно, когда он достигает 3 мм поверхности чугуна и может быть удален как допуск механической обработки и, следовательно, может быть утеряно много чешуйчатого графита.

Кроме того, неясно, являются ли значительные изменения механических и физических свойств от серого чугуна к ковкому чугуну полезными и благоприятными для долговременных характеристик отливок. Огромные различия в прочности, жесткости, пластичности и теплопроводности могут привести к экстраординарному внутреннему напряжению и градиентам деформации, которые могут в конечном счете привести более к отрицательным, чем к положительным эффектам.

Патент US-A-5316068 также начинает с ковкого чугуна в качестве базового материала, но механизм превращения графита изменен с реактивных стержней на высокоскоростное вращение формы в процессе затвердевания для способствования образованию серого чугуна в наружных областях и чугуна с уплотненным графитом в областях центрального отверстия. Но эта технология не только кажется неудобной, но также обусловлена теми же самыми проблемами, которые были рассмотрены при обсуждении патента Японии JP-A-6/106331 и которые происходят с момента начала пластичности.

Из немецкого патента DE 4308614, кл. B 22 D 27/20, опубл. 22.09.94 известен способ изготовления литых чугунных изделий в виде единой детали, имеющей неоднородное распределение графитовых кристаллов в форме компактного графита и чешуйчатого графита в различных частях готового литого изделия, включающий приготовление расплава чугуна с компактным графитом благодаря регулируемой высокой концентрации активного Mg и/или какого-либо другого компонента, имеющего подобное воздействие на упомянутую способность, заливку расплава чугуна в литейную форму, имеющую локальные зоны, покрытые реактивным материалом, который диффундирует или проникает в расплав чугуна и снижает концентрацию активного Mg и/или упомянутого компонента, с тем, чтобы расплав в этой зоне затвердевал в виде чугуна с чешуйчатым графитом, в то время как в других частях формы расплав затвердевал в виде чугуна с компактным графитом.

Однако известный способ является исключительно трудным для обеспечения воспроизводимого литья с неоднородной графитовой структурой, т.е. для изготовления единой детали из серого чугуна, имеющего структуру чешуйчатого графита в его определенных частях и структуру вермикулярного графита в других его частях, посредством чего литому изделию придаются различные свойства в различных частях изделий.

Технической задачей настоящего изобретения является создание способа изготовления литых изделий в виде единой детали, позволяющего регулировать расплав для обеспечения воспроизводимости способа литья и тем самым разливать неоднородную графитовую структуру, часть которой содержит чешуйчатый серый чугун и часть которой содержит чугун с компактным графитом.

Данная техническая задача решается за счет того, что в способе изготовления литых чугунных изделий в виде единой детали, имеющей неоднородное распределение графитовых кристаллов в форме компактного графита и чешуйчатого графита в различных частях готового литого изделия, включающий приготовление расплава чугуна с компактным графитом благодаря регулируемой высокой концентрации активного Mg и/или какого-либо другого компонента, имеющего подобное воздействие на упомянутую способность, заливку расплава чугуна в литейную форму, имеющую локальные зоны, покрытые реактивным материалом, который диффундирует или проникает в расплав чугуна и снижает концентрацию активного Mg и/или упомянутого компонента, с тем, чтобы расплав в этой зоне затвердевал в виде чугуна с чешуйчатым графитом, в то время как в других частях формы расплав затвердевал в виде чугуна с компактным графитом, согласно изобретению реактивный материал, взаимодействующий с активным Mg и/или упомянутым компонентом, нанесен на стенки литейной формы и/или литейные стержни, а пробы отбирают из расплава чугуна, затем помещают в пробоотборник, который оборудован двумя воспринимающими температуру средствами, одно из которых расположено в центре пробоотборника, а другое - вблизи стенки пробоотборника, при этом внутренняя стенка пробоотборника содержит материал или на нее нанесен материал, снижающий концентрацию активного Mg или соответствующее процентное соотношение упомянутого компонента в пробе вблизи стенки и воспринимающего температуру средства, прилегающего к стенке, причем способ дополнительно включает обеспечение теплового равновесия между пробоотборником и пробой, запись температур, регистрируемых двумя воспринимающими температуру средствами, оценку известным способом из записанной кривой характеристик расплава чугуна и регистрацию тех отклонений, которые указывают на выделение чешуйчатых графитовых кристаллов вокруг воспринимающего температуру средства вблизи стенки пробоотборника, корректирование содержания активного Mg и/или содержания упомянутого другого компонента в расплаве чугуна с помощью отклонений кривой температура-время и параметров оборудования.

Кроме того, стенка пробоотборника может включать материал, который содержит или покрыт слоем вещества, которое будет понижать концентрацию активного Mg на 0,002-0,010% вес. или на соответствующее процентное содержание упомянутого компонента(ов) в пробе. Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на примерные варианты и на приложенные чертежи, на которых фиг. 1 изображает график процентного отношения шаровидности как функции процентного содержания магния. На этом графике 0% шаровидности соответствует чугуну с полностью компактным графитом, тогда как 100% соответствуют полностью шаровидному чугуну, например ковкому чугуну. Наконец, значения ниже 0% шаровидности соответствуют серому чугуну. Фактически 0% шаровидности соответствуют чугуну со 100% компактного графита и донная часть этой оси соответствует 100% чешуйчатому серому чугуну; на фиг. 2 изображено центральное сечение цилиндровой головки из неоднородного компактного/чешуйчатого серого чугуна, показывающее графитовые структуры и основную конструкцию; и фиг. 3 A-B являются микрофотографиями, показывающими переход от чешуйчатого серого чугуна к чугуну с компактным графитом. Фотографии даны с увеличением 100 х.

Согласно настоящему изобретению можно надежно воспроизводить чугун с компактным графитом с оптимальным потенциалом затвердевания таким образом, что могут быть получены только отливки с предпочтительной смесью частиц компактного графита и частиц чешуйчатого или хлопьевидного графита. Начинаясь от основного чугуна с компактным графитом, толщина серого чешуйчатого графита, которая может быть получена посредством заданного реактивного покрытия, увеличивается и одновременно градиент внутренних напряжений и деформации уменьшается вследствие того, что механические и физические свойства серого чугуна и вермикулярного чугуна являются более сходными, чем механические и физические свойства серого чугуна и ковкого чугуна. Способность к литью и механической обработке готовых деталей или компонентов также значительно улучшается.

Кроме того, способ согласно патенту SE-B-469712 обеспечивает возможность точного определения окрестности обработанного чугуна для быстрого перехода между компактным и чешуйчатым графитом. Путем изменения чередования расстояния между измерительным спаем термопары и реактивным покрытием стенки в пробе или путем изменения реактивности покрытия, помещенного на внутренней стенке пробоотборника, можно точно производить базовый чугун с компактным графитом, который скорее ближе к левой кромке стабильного вермикулярного плато (точка A на фиг. 1) и поэтому склонен к созданию больших количеств серого чешуйчатого чугуна при заливке в форму, содержащую стержни, или песочную форму, покрытые реактивным покрытием. В отличие от этого начальная точка вермикулярного базового чугуна в зоне точки B на фиг. 1 потребует большего снижения содержания магния и поэтому не будет образовываться такая обширная графитовая сетка. Таким образом, путем прямого выбора и воспроизведения необходимой и правильной исходной точки обрабатываемого жидкого чугуна превосходная степень контроля за микроструктурой литья будет гарантировать оптимальный и соответствующий слой чешуйчатого графита и до настоящего времени недостижимое изделие.

Следующий пример относится к головке цилиндра, но способ согласно изобретению можно использовать также при литье узлов двигателей (тормозных колодок), где, например, цилиндрический канал и шишки водяной рубашки могут содержать серый чугун, тогда как зоны перемычки, верхнего перекрытия или съемного верха, перекрытия поддона и картера содержат более прочный чугун с компактным графитом, или при литье тормозных дисков, где, например, наружный фланец содержит чешуйчатый чугун с высокой теплопроводностью, и внутренняя втулка содержит чугун с компактным графитом для обеспечения более высокой прочности.

ПРИМЕР Максимальное термически наведенное напряжение, которое развивается на горячей поверхности головки цилиндра, может быть охарактеризовано следующей формулой где C_max = максимальное термически наведенное напряжение (МПа), ΔT = градиент температуры от горячей поверхности головки цилиндра к водоохлаждаемому каналу (^oC^-1), Eo = модуль упругости (МПа), α = термическое расширение (^oC^-1),
μ = коэффициент Пуассона (безразмерный).

Хорошо известно, что термическое расширение и коэффициент Пуассона для вермикулярного чугуна и серого чугуна, по существу, равны. Поэтому единственным средством минимизации термических напряжений, которые накапливаются у горячей поверхности и в конечном счете приводят к образованию трещин между клапанными каналами, является минимизация параметров ΔT и Eo, когда ΔT обратно пропорционально теплопроводности. Задачей, следовательно, является иметь материал с высокой теплопроводностью и низким модулем упругости на горячей поверхности, которой могут удовлетворять только серые чугуны. Одновременно является предпочтительным, чтобы большая часть сыпучего материала головки цилиндра и наружных периферийных участков была из материала с более высокой прочностью, жесткостью и пластичностью. Этой задаче может удовлетворить высококачественный (10% шаровидности) вермикулярный чугун, что приведет к более низким внутренним напряжениям, чем в сравнительной смеси серый чугун/ковкий чугун, и благодаря регулируемой близости поведения затвердевания чугуна к точке перехода вермикулярный чугун/серый чугун (точка A на фиг. 1) можно будет производить более обширную хлопьевидную графитовую сетку, чем можно было бы получить, если исходная точка поведения затвердевания находится у "B" на фиг. 1, или даже хуже, если исходная точка поведения затвердевания базового чугуна была от ковкого чугуна (точка C на фиг. 1).

Уменьшение содержания активного магния и полученный в результате этого рост предпочтительнее частиц чешуйчатого графита, чем частиц компактного графита, достигается путем использования стандартных литейных покрытий на любой поверхности формы или стержня, где желательны графитовые чешуйки или хлопья. В случае головки цилиндра (фиг. 2) реактивные покрытия могут быть нанесены на горячую лицевую поверхность формы и на нижнюю половину стержня водяного канала. Покрытия содержат регулируемое количество сульфидов и/или оксидов, которые химически реагируют с активным магнием с образованием MgS и/или MgO. Необходимые количества покрытий могут быть повторно определены для каждого применения литья в зависимости от необходимой толщины чешуек и являются очевидными для специалистов.

Настоящее изобретение особенно подходит для существующих конструкций головок цилиндров, где невозможно переконструировать головку, поскольку она должна продолжать подходить или соответствовать конструкции существующего двигателя. В последнее время при увеличении мощности и турбозагрузки бензиновых и особенно дизельных двигателей множество конструкций являются кандидатами для перехода к более прочному материалу, и для этого идеально подходит чугун с компактным графитом. Однако, если головка имеет тенденцию к разрушению или повреждению вследствие тепловой нагрузки, более низкая теплопроводность и более высокий модуль упругости чугуна с компактным графитом по сравнению с серым чугуном будут фактически увеличивать тепловую нагрузку и могут привести к сокращению срока службы. Для головок цилиндра из чугуна с компактным графитом единственно возможным путем уменьшить выражение ΔT в уравнении (1) должно быть уменьшение толщины пламенного перекрытия. Однако это должно привести к несовместимости головки цилиндра с существующими конструкциями двигателей. Настоящее изобретение является идеальным решением в этих случаях, поскольку введение чешуек серого чугуна в пламенное перекрытие обеспечивает необходимую теплопроводность и более низкий модуль упругости, в то время как чугун с компактным графитом обеспечивает необходимую прочность, жесткость и пластичность для того, чтобы выдержать механическую нагрузку, не жертвуя способностью к механической обработке и литью.

Формула изобретения

1. Способ изготовления литых чугунных изделий в виде единой детали, имеющий неоднородное распределение графитовых кристаллов в форме компактного графита и чешуйчатого графита в различных частях готового литого изделия, включающий приготовление расплава чугуна с компактным графитом благодаря регулируемой высокой концентрации активного Mg и/или какого-либо другого компонента, имеющего подобное воздействие на упомянутую способность, заливку расплава чугуна в литейную форму, имеющую локальные зоны, покрытые реактивным материалом, который диффундирует или проникает в расплав чугуна и снижает концентрацию активного Mg и/или упомянутого компонента с тем, чтобы расплав в этой зоне затвердевал в виде чугуна с чешуйчатым графитом, в то время, как в других частях формы расплав затвердевал в виде чугуна с компактным графитом, отличающийся тем, что реактивный материал, взаимодействующий с активным Mg и/или упомянутым компонентом, нанесен на стенки литейной формы и/или литейные стержни, а пробы отбирают из расплава чугуна, затем помещают в пробоотборник, который оборудован двумя воспринимающими температуру средствами, одно из которых расположено в центре пробоотборника, а другое - вблизи стенки пробоотборника, при этом внутренняя стенка пробоотборника содержит материал или на нее нанесен материал, снижающий концентрацию активного Mg и/или соответствующее процентное соотношение упомянутого компонента в пробе вблизи стенки и воспринимающего температуру средства, прилегающего к стенке, причем способ дополнительно включает обеспечение теплового равновесия между пробоотборником и пробой, запись температур, регистрируемых двумя воспринимающими температуру средствами, оценка известным способом из записанной кривой характеристик расплава чугуна и регистрации тех отклонений, которые указывают на выделение чешуйчатых графитовых кристаллов вокруг воспринимающего температуру средства вблизи стенки пробоотборника, корректирование содержания активного Mg и/или содержания упомянутого другого компонента в расплаве чугуна с помощью отклонений кривой температуры - время и параметров оборудования.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что стенка пробоотборника включает материал, который содержит или покрыт слоем вещества, которое будет понижать концентрацию активного Mg на 0,002 - 0,10 вес.% или на соответствующее процентное содержание упомянутого компонента(ов) в пробе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3