Чугунный сплав для головок цилиндров
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к составам чугунов с пластинчатым графитом. Может использоваться для изготовления головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Чугунный сплав с пластинчатым графитом содержит, вес.%: 2,80-3,60 углерода, 1,00-1,70 кремния, 0,10-1,20 марганца, 0,03-0,15 серы, 0,05-0,30 хрома, 0,05-0,30 молибдена, 0,05-0,20 олова, железо и обычные загрязняющие примеси - остальное. Обеспечивается повышение теплопроводности, прочности на разрыв, снижение вероятности появления усталостных трещин, обеспечивающее увеличение долговечности. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл., 4 пр.
Изобретение относится к чугунному сплаву с пластинчатым графитом, а также к отлитой из него головке цилиндров.
Подобные чугунные сплавы и, соответственно, головки цилиндров известны. Головка цилиндров для двигателя внутреннего сгорания известна, например, из патентного документа DE-A-100 12 918. В нем описана головка цилиндра для двигателя внутреннего сгорания, которая отлита из легированного чугуна с пластинчатым графитом и в качестве добавок содержит от 3,30% по весу до 3,60% по весу углерода, от 1,73% по весу до 1,92% по весу кремния, от 0,60% по весу до 0,90% по весу марганца, не более 0,055% по весу фосфора, не более 0,10% по весу серы, от 0,20% по весу до 0,32% по весу хрома, от 0,40% по весу до 0,90% по весу меди, от 0,08% по весу до 0,10% по весу олова, от 0,035% по весу 0,55% по весу молибдена и от 0,01% по весу до 0,014% по весу титана. Далее, известны головки цилиндров из легированного серого чугуна, например, из Стандарта предприятия MAN Werknorm М 3422, апрель 2000 года, причем в качестве добавок предусмотрено: от 3,30% по весу до 3,55% по весу углерода, от 1,80% по весу до 2,30% по весу кремния, от 0,55% по весу до 0,80% по весу марганца, не более 0,20% по весу фосфора, не более 0,13% по весу серы, от 0,10% по весу до 0,15% по весу хрома, от 0,10% по весу до 0,20% по весу молибдена, от 0,08% по весу до 0,12% по весу олова и не более 0,15% по весу меди.
Для постоянного улучшения условий сгорания в двигателях продолжают еще более повышать максимальное давление цикла внутри цилиндра. Самым слабым местом при этом является перемычка между клапанами на головке цилиндра, накрывающей камеру сгорания. Правда, известны различные способы придания желательных свойств путем введения легирующих добавок из определенных легирующих элементов. Однако до сих пор не удалось изготовить чугунные сплавы и, соответственно, головки цилиндров, которые удовлетворяли бы повышенным требованиям как относительно механических характеристик, так и в отношении теплопроводности, в особенности в плане предела усталости и долговечности. К этому следует добавить, что известные сплавы необходимо легировать дорогостоящими легирующими элементами.
Поэтому в основу изобретения положена задача так усовершенствовать описанные вначале сплавы и, соответственно, головки цилиндров, чтобы в значительной степени исключить указанные недостатки. При этом в особенности должно быть возможным получение сплава и, соответственно, головки цилиндров, которые имеют улучшенные механические характеристики и улучшенную теплопроводность, в особенности при пониженных температурах, то есть, при температурах от около 100 до около 400. Желательно также снизить стоимость известных сплавов и, соответственно, головок цилиндров.
Вышеупомянутая задача решена предоставлением чугунного сплава с пластинчатым графитом, который отличается тем, что чугун в качестве добавок содержит от 2,80% по весу до 3,60% по весу углерода (C), от 1,00% по весу до 1,70% по весу кремния (Si), от 0,10% по весу до 1,20% по весу марганца (Mn), от 0,03% по весу до 0,15% по весу серы (S), от 0,05% по весу до 0,30% по весу хрома (Cr), от 0,05% по весу до 0,30% по весу молибдена (Mo), от 0,05% по весу до 0,20% по весу олова (Sn), и обычные загрязняющие примеси.
Предпочтительные варианты исполнения этого чугунного сплава, в частности, его использование в качестве головки цилиндра, следуют из приведенных далее более подробно зависимых пунктов 2-9 формулы изобретения.
Соответствующий изобретению сплав и соответствующая изобретению головка цилиндра, по сравнению с предшествующим уровнем техники, обладают улучшенной теплопроводностью и улучшенной прочностью на разрыв, в особенности прочностью в перемычке между клапанами. Благодаря сочетанию высокой теплопроводности и высокой прочности снижается вероятность появления термических усталостных трещин, и, соответственно, прекращается или даже предотвращается их распространение. В особенности достигнуты успехи в области пониженных температур, в частности, температур от около 100 до около 400°С. Использование соответствующего изобретению сплава приводит к тому, что трещины, которые возникают в диапазоне высоких температур, при пониженных температурах не могут распространяться далее, то есть, остаются неизменными. Долговечность соответствующего изобретению сплава и в той же мере соответствующей изобретению головки цилиндров тем самым увеличивается. К этому следует добавить, что соответствующий изобретению сплав и в той же мере соответствующая изобретению головка цилиндров являются более экономичными, чем известные из уровня техники сплавы и, соответственно, головки цилиндров.
Предпочтительно структура матрицы соответствующего изобретению чугунного сплава и в той же мере соответствующей изобретению головки цилиндров составлена перлитом с содержанием феррита не более, чем около 5%, в особенности не более, чем около 3%. Феррит здесь обозначен как структурная составляющая, а не как фаза, включенная в перлит. Процентные данные здесь, как и для всех упомянутых здесь структурных параметров, относятся к процентной доле в плоском шлифе. В сердцевине находится пластинчатый графит в форме I (пластинчатая прямолинейная), с содержанием более 80%, предпочтительно более 90% структуры А (равномерной), и с размером зерна 3 (250-500 мкм) или меньше (стандарт EN ISO 945:1994-09). Эта особенная структура имеет то преимущество, что еще более улучшаются желательные свойства, то есть, сохранение механических характеристик, а также повышение теплопроводности. Пластинчатый графит в форме I, в состоянии распределения А и с размером зерна 2 (500-1000 мкм), ввиду отсутствия затравок является допустимым только в областях незначительной нагрузки. В сердцевине могут находиться также незначительные количества пластинчатого графита в состоянии распределения В (розеточном), С (неравномерном), D и/или Е (междендритном). В краевых областях до глубины 3 мм допустимо наличие до 100% графита в состоянии распределения D+E ввиду влияния формовочного материала.
Предпочтительные структурные параметры имеют существенное значение в особенности в термомеханически высоконагруженных областях соответствующего изобретению чугунного сплава и соответствующей изобретению головки цилиндра с перепадом температур и термической длительной нагрузкой 20-480° и долговременным воздействием температур 300-450°С. В других местах таковые скорее являются второстепенными.
В отношении головок цилиндров оптимальные характеристики обеспечиваются, когда вышеуказанная структура сформирована в перемычках между отверстиями впускных и выпускных клапанов, а также между перемычками в многоклапанных головках.
Возможная необязательная термическая обработка путем целенаправленного охлаждения или отжига для снятия внутренних напряжений, однако, не оказывает влияния на металлографические параметры структуры.
Желательные свойства достигаются в особенности с помощью комбинации вводимых добавок, а также их количеств, то есть, в их совместном действии проявляется синергетический эффект.
Углерод вводят в количестве от 2,80% по весу до 3,60% по весу, предпочтительно от 3,20% по весу до 3,50% по весу, и в особенности предпочтительно от 3,30% по весу до 3,50% по весу. Слишком низкое содержание углерода ведет к образованию усадочных микрораковин, в то время как слишком высокое содержание углерода обусловливает тот недостаток, что сплав имеет пониженную прочность.
Кремний вводят в количестве от 1,00% по весу до 1,70% по весу, предпочтительно в количестве от 1,20% по весу до 1,60% по весу, и в особенности предпочтительно в количестве от 1,30% по весу до 1,50% по весу. Слишком низкое содержание кремния ведет к отбеливанию чугуна, тогда как слишком высокое содержание кремния обусловливает тот недостаток, что резко снижается теплопроводность.
Марганец вводят в количестве от 0,10% по весу до 1,20% по весу, предпочтительно в количестве от 0,30% по весу до 0,80% по весу, и в особенности предпочтительно в количестве от 0,50% по весу до 0,60% по весу. Марганец требуется для связывания серы, в каковом случае в соответствующем изобретению сплаве сера должна присутствовать не в свободном состоянии, а только в составе сульфида марганца. Слишком высокое содержание марганца ведет к отбеливанию.
Серу вводят в количестве от 0,03% по весу до 0,15% по весу, предпочтительно в количестве от 0,05% по весу до 0,14% по весу, и в особенности предпочтительно в количестве от 0,08% по весу до 0,12% по весу. Сера должна находиться в связанном состоянии в виде MnS, чтобы обеспечивалась хорошая обрабатываемость. Слишком низкое содержание серы ведет к тому, что соответствующий изобретению сплав имеет плохую обрабатываемость. Слишком высокое содержание серы ведет к нарушениям структуры.
Хром вводят в количестве от 0,05% по весу до 0,30% по весу, предпочтительно в количестве от 0,08% по весу до 0,20% по весу, и в особенности предпочтительно в количестве от 0,08% по весу до 0,15% по весу. Хром предназначен для стабилизации перлита при температурах более 550°С. Слишком высокое содержание хрома ведет к отбеливанию.
Молибден вводят в количестве от 0,05% по весу до 0,30% по весу, предпочтительно в количестве от 0,10% по весу до 0,25% по весу, и в особенности предпочтительно в количестве от 0,10% по весу до 0,20% по весу. Молибден обеспечивает теплостойкость при использовании в головках цилиндров преимущественно в диапазоне от 300°С до 400°С. Слишком высокое содержание молибдена увеличивает стоимость сплава и обусловливает склонность к образованию усадочных раковин.
Олово вводят в количестве от 0,05% по весу до 0,20% по весу, предпочтительно в количестве от 0,05% по весу до 0,15% по весу, и в особенности предпочтительно в количестве от 0,08% по весу до 0,12% по весу. Олово служит для подавления образования феррита. Слишком высокое содержание олова ведет к охрупчиванию. В особенности предпочтительно количество олова варьирует в диапазоне 0,08-0,12% по весу.
Соответствующий изобретению сплав и в той же мере соответствующая изобретению головка цилиндров могут содержать обычные загрязняющие примеси. В качестве загрязняющих примесей могут быть упомянуты, например, никель, медь, титан, ванадий, ниобий, азот, фосфор. Понятие «загрязняющая примесь» включает в себя материал в той мере, насколько один или более элементов материала не требуются для формирования свойств сплава.
Количество никеля предпочтительно составляет до 1% по весу, в особенности предпочтительно до 0,30% по весу, наиболее предпочтительно менее 0,1%.
Медь предпочтительно присутствует в количестве до 1% по весу, в особенности предпочтительно до 0,30% по весу. Наиболее предпочтительно содержание менее 0,30% по весу. Слишком высокое содержание меди ведет к проблемам ее выделения и ведет к увеличению стоимости сплава. В предпочтительном варианте исполнения введение меди совершенно не требуется, и соответствующий изобретению сплав содержит только ту медь, которая попала из металлолома.
Титан предпочтительно присутствует в количестве не более 0,020% по весу, в особенности предпочтительно до максимального значения 0,010% по весу. Слишком высокое содержание титана ухудшает обрабатываемость чугунного сплава.
Ванадий предпочтительно присутствует в количестве до 0,2% по весу, в особенности предпочтительно до 0,1% по весу. Наиболее предпочтительно содержание менее 0,10% по весу. Если содержание ванадия слишком высокое, снижается вязкость и теплопроводность.
Ниобий предпочтительно присутствует в количестве до 0,2% по весу, в особенности предпочтительно до 0,1% по весу. Наиболее предпочтительно содержание менее 0,10% по весу. Слишком высокое содержание ниобия повышает стоимость при преднамеренном легировании и ведет к ухудшению теплопроводности.
Азот предпочтительно присутствует в количестве до 0,03% по весу, в особенности предпочтительно до 0,0080% по весу. Слишком высокое содержание свободного азота имеет тот недостаток, что может обусловливать пористость отливки.
Фосфор предпочтительно присутствует в количестве до 0,15% по весу, в особенности предпочтительно до 0,06% по весу. Слишком высокое содержание фосфора ведет к снижению вязкости.
Затравливание сплава преимущественно производят барием, цирконием или редкоземельными металлами. Таковые вводят в количествах от 0,0005% по весу до 0,0500% по весу, предпочтительно в количествах от 0,0010% по весу до 0,00125% по весу. В особенности предпочтительным является барий, поскольку он действует как зародышеобразователь для графита при кристаллизации серого чугуна. Поэтому барий также в особенности предпочтителен тем, что он компенсирует незначительное содержание кремния в качестве активатора стабильной кристаллизации. Барий применяют в вышеуказанных количествах.
Как в особенности благоприятные, отмечены следующие точные составы с конкретно указанными долями легирующих элементов:
| Состав 1 (в весовых процентах) | Состав 2 (в весовых процентах) | |
| Углерод | 3,43 | 3,44 |
| Кремний | 1,42 | 1,40 |
| Марганец | 0,56 | 0,49 |
| Сера | 0,10 | 0,11 |
| Хром | 0,12 | 0,15 |
| Молибден | 0,22 | 0,14 |
| Олово | 0,071 | 0,076 |
| Никель | 0,079 | 0,065 |
| Медь | 0,16 | 0,12 |
| Титан | 0,005 | 0,006 |
| Ванадий | 0,0011 | 0,015 |
| Ниобий | 0,005 | 0,004 |
| Азот | 0,0055 | 0,005 |
| Фосфор | 0,029 | 0,012 |
| Алюминий | 0,003 | 0,001 |
| Магний | 0,002 | 0,001 |
| Мышьяк | 0,005 | 0,005 |
| Бор | <0,0001 | <0,0001 |
| Свинец | <0,003 | <0,003 |
| Кобальт | 0,016 | 0,025 |
| Сурьма | 0,003 | 0,001 |
| Вольфрам | 0,002 | <0,001 |
| Цинк | <0,001 | <0,001 |
| Висмут | 0,0014 | 0,0010 |
| Кальций | 0,0008 | 0,0008 |
| Теллур | 0,0003 | 0,0003 |
| Церий | 0,0010 | 0,008 |
| Барий | 0,0008 | 0,0009 |
При вышеуказанных конкретных составах графит присутствует в сердцевине в форме I (пластинчатой прямолинейной), в состоянии распределения А (равномерном) и с размером зерна 3 (250-500 мкм) или мельче.
Соответствующий изобретению чугунный сплав и в той же мере соответствующая изобретению головка цилиндра отвечают требуемым механическим характеристикам, например, таким как вязкость и твердость. Более того, измерения теплопроводности показали, что соответствующий изобретению чугунный сплав и в той же мере соответствующая изобретению головка цилиндра именно в температурном диапазоне от около 100 до около 400°С имеют неожиданно высокое значение теплопроводности. Соответствующий изобретению чугунный сплав и в той же мере соответствующая изобретению головка цилиндров преимущественно имеют теплопроводность на уровне 47 Вт/м.К в области 200°С, и в диапазонах температур выше 400°С вполне соответствуют известным чугунным сплавам и головкам цилиндров. Предел прочности при растяжении по сравнению с известными сплавами также увеличен или по меньшей мере равнозначен.
Как уже было многократно упомянуто, изобретение также относится к головке цилиндра. При этом речь преимущественно идет о головке цилиндра двигателя внутреннего сгорания. В особенности головка цилиндра скомпонована как головка рядного блока цилиндров для одно- или многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, в особенности с самовоспламенением топлива, однорядной или V-образной конструкции.
Оптимизация теплопроводности при сохранении всех прочих требуемых механических характеристик становится основополагающей для деталей с водяным охлаждением, поскольку здесь в зоне контакта с потоком воды имеют место температуры от около 100°С до около 350°С, в особенности до около 250°С, и повышенная теплопроводность в этой области сильнее снижает температуру детали.
Далее изобретение дополнительно разъясняется с помощью примеров. Однако примеры никоим образом не являются лимитирующими или ограничивающими для предмета настоящего изобретения.
Примеры 1-4
Были обычным путем приготовлены следующие чугунные сплавы из легированного чугуна с пластинчатым графитом при использовании бария в качестве затравочного материала (Примеры 1 и 2) и, соответственно, без затравочного материала (Сравнительные примеры 3 и с эталоном 4 с неизвестным затравливанием):
| Пример 1 (в весовых процентах) | Пример 2 (в весовых процентах) | Сравнительный пример 3 (в весовых процентах) | Сравнительный пример 4 (в весовых процентах) | |
| Углерод | 3,43 | 3,44 | 3,56 | 3,36 |
| Кремний | 1,42 | 1,40 | 2,22 | 1,96 |
| Марганец | 0,56 | 0,49 | 0,73 | 0,58 |
| Сера | 0,10 | 0,11 | 0,08 | 0,095 |
| Хром | 0,12 | 0,15 | 0,10 | 0,32 |
| Молибден | 0,22 | 0,14 | 0,098 | 0,023 |
| Олово | 0,071 | 0,076 | 0,076 | 0,020 |
| Никель | 0,079 | 0,065 | 0,066 | 0,078 |
| Медь | 0,16 | 0,12 | 0,16 | 0,43 |
| Титан | 0,005 | 0,006 | 0,006 | 0,01 |
| Ванадий | 0,011 | 0,015 | 0,009 | 0,015 |
| Ниобий | 0,005 | 0,004 | 0,006 | 0,005 |
| Азот | 0,0055 | 0,005 | - | 0,0064 |
| Фосфор | 0,029 | 0,012 | 0,26 | 0,063 |
| Алюминий | 0,003 | 0,001 | 0,002 | 0,002 |
| Магний | 0,002 | 0,001 | 0,003 | <0,001 |
| Мышьяк | 0,005 | 0,005 | 0,011 | 0,015 |
| Бор | <0,0001 | <0,0001 | <0,0001 | <0,001 |
| Свинец | <0,003 | <0,003 | <0,003 | <0,003 |
| Кобальт | 0,016 | 0,025 | 0,021 | 0,012 |
| Сурьма | 0,003 | 0,001 | 0,004 | 0,004 |
| Вольфрам | 0,002 | <0,001 | 0,002 | 0,002 |
| Цинк | <0,001 | <0,001 | <0,001 | <0,001 |
| Висмут | 0,0014 | 0,0010 | - | <0,001 |
| Кальций | 0,0008 | 0,0008 | - | - |
| Теллур | 0,0003 | 0,0003 | - | - |
| Церий | 0,0010 | 0,008 | - | - |
| Барий | 0,0008 | 0,0009 | - | - |
| - = не определено |
Структура матрицы в Примерах 1 и 2 состоит из перлита с примерно 5% феррита. Пластинчатый графит в Примерах 1 и 2 находится в форме I, в состоянии распределения А и с размером зерна 3 и меньше. В Сравнительных примерах 3 и 4 пластинчатый графит находится в форме I, в состоянии распределения А и с зернением 3-5.
Механические свойства, а также теплопроводность чугунных сплавов Примера 1, а также Сравнительных примеров 3 и 4 были определены обычным путем.
Результаты приведены в нижеследующей таблице, а также на фигуре 1.
| Измерения теплопроводности (по коэффициенту температуропроводности способом лазерной вспышки) и значения предела прочности при растяжении (Rm согласно стандарту DIN EN 10002-1) | |||
| Пример 1 | Сравнительный пример 3 | Сравнительный пример 4 | |
| 20°С | 55,17 | 55,14 | 47,95 |
| 100°С | 51,22 | 45,86 | 45,4 |
| 200°С | 47,89 | 39,96 | 43,58 |
| 400°С | 42,28 | 39,01 | 40,23 |
| 500°С | 40,06 | 38,24 | 39,02 |
| 550°С | 38,83 | 37,66 | 38,03 |
| 600°С | 37,86 | 37,27 | 36,82 |
| Rm [МПа] | 292-328 | 217-257 | 270-310 |
Значения предела прочности при растяжении (согласно стандарту DIN EN 10 002) с образцом для испытания на разрыв по стандарту DIN EN 1561, твердости по Бринеллю (согласно стандарту DIN EN ISO 6506) Примера 1 соответствуют значениям Сравнительных примеров 3 и 4.
Показано, что соответствующий изобретению чугунный сплав Примера 1 в отношении предела прочности при растяжении и твердости соответствует чугунным сплавам согласно Сравнительным примерам 3 и 4, но что соответствующий изобретению чугунный сплав явно превосходит Сравнительные примеры 3 и 4 по теплопроводности.
1. Чугунный сплав с пластинчатым графитом, отличающийся тем, что содержит в качестве добавок:
от 2,80% по весу до 3,60% по весу углерода (С),
от 1,00% по весу до 1,70% по весу кремния (Si),
от 0,10% по весу до 1,20% по весу марганца (Мn),
от 0,03% по весу до 0,15% по весу серы (S),
от 0,05% по весу до 0,30% по весу хрома (Сr),
от 0,05% по весу до 0,30% по весу молибдена (Мо),
от 0,05% по весу до 0,20% по весу олова (Sn)
и обычные загрязняющие примеси,
причем структура матрицы чугуна состоит из перлита с содержанием феррита не более чем около 5%.
2. Чугунный сплав по п.1, отличающийся тем, что кремний (Si) содержится в количестве от 1,00% по весу до 1,50% по весу.
3. Чугунный сплав по п.1, отличающийся тем, что содержит в качестве добавок
от 3,20% по весу до 3,50% по весу углерода (С),
от 1,30% по весу до 1,50% по весу кремния (Si),
от 0,50% по весу до 0,60% по весу марганца (Мn),
от 0,08% по весу до 0,12% по весу серы (S),
от 0,10% по весу до 0,15% по весу хрома (Сr),
от 0,20% по весу до 0,25% по весу молибдена (Мо),
от 0,05% по весу до 0,10% по весу олова (Sn)
и обычные загрязняющие примеси.
4. Чугунный сплав по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что из обычных загрязняющих примесей присутствуют никель (Ni) до 1% по весу, медь (Cu) до 1% по весу, титан (Ti) до 0,2% по весу, ванадий (V) до 0,2% по весу, ниобий (Nb) до 0,2% по весу, азот (N) до 0,03% по весу, и фосфор (Р) до 0,15% по весу.
5. Чугунный сплав по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что структура матрицы чугуна состоит из перлита с содержанием феррита не более, чем около 3%.
6. Чугунный сплав по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что пластинчатый графит присутствует в сердцевине в форме I, с содержанием более 80%, предпочтительно более 90% структуры А и с размером зерна 3 или тоньше по стандарту EN ISO 945:1994-09.
7. Чугунный сплав по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он получен путем затравливания барием в количестве от 0,0005% по весу до 0,0500% по весу, предпочтительно от 0,0010% по весу до 0,00125% по весу.
8. Головка цилиндра, отлитая из чугунного сплава по любому из пп.1-7.
9. Головка цилиндра по п.8, отличающаяся тем, что она является головкой цилиндра двигателя внутреннего сгорания.
10. Головка цилиндра по п.8 или 9, отличающаяся тем, что головка цилиндра скомпонована как головка рядного блока цилиндров для многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, в особенности двигателя с самовоспламенением топлива.
