用于机器的具有由屈氏体组成的基本组织结构的灰铸铁部
件或构件及其制造方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种用于机器的部件或构件，特别是用于大型机器的部件或构件，所述部件或构件由包含嵌入基本组织结构的
石墨的
铸铁材料构成。本发明的另一个构思涉及一种用于制造这种部件或构件的方法。
[0002] 构件在本
申请范围内是指这样的成品件，其已经可以安装和实现功能。部件在本申请范围内是指半成品或较简单的初级产品，如
铸造坯料、压制坯料等，由所述初级产品可以制成一个或多个构件。当然，前面的定义在本申请的范围内在一定的范围是灵活使用的。
背景技术
[0003] 机器的功率在发展的过程中变得越来越高。因此对机器构件的承载能
力的要求也随之提高。例如限定
发动机的
燃烧室的构件必须设计成，使得这些构件在当前的发动机中能够承受提高的压力和
温度负荷。这种构件通常由所谓的灰口铸铁形式的铸铁组成。这是一种这样的铸铁材料，所述铸铁材料具有由FeC
合金组成的基体和嵌入其中的石墨。在灰口铸铁中，基体通常具有层状的结构，这种层状的结构具有较大的层间距。所谓的石墨相可以具有不同的形式。具有层状石墨相的灰口铸铁类型得到广泛的使用。这实现了良好的可加工性并主要确保了良好的
摩擦学特性，这特别是在制造发动机时是特别重要的。
[0004] 在不变地保持已知类型的层状结构化的材料的情况下，只能通过较大地设计尺寸，即加大壁厚才能改进承载能力。但这不仅要求相应地重新设计相关构件，而且同时导致，这些构件不再与其余的构件相兼容，从而也必须相应地重新设计其余的构件。此外还使得材料用量提高。尺寸设计较大导致的耗费因此非常高。
[0005] 另一个改进承载能力的可能性是，使用比铸铁更好的材料，如
钢。但其结果是，目前为止用于制造这种构件的铸铁设备不再合适，这还会进一步提高必要的
费用。此外，选择不同于铸铁的材料对相互之间的滑动面的区域的摩擦学特性会产生不利影响并由此可能提高快速磨损或所谓咬伤的
风险。
[0006] 对于具有球墨的铸铁材料，也可以达到较高的
抗拉强度值。但球墨不能简单地获得。为了获得球墨，必须添加成球介质和
合金元素，例如镁。此外，具有球墨的铸铁具有较差的滑动特性并且因此在摩擦学方面是不利的。经验显示，由具有球墨的铸铁制成的滑动部件易于出现所谓的咬伤(刮伤Schuffing)。
[0007] DE 35 09 709 A1记载了一种由具有球墨的铸铁制造机器部件的方法，其中在铸造之后，从奥氏体稳定温度到屈氏体转化温度的冷却应这样进行，使得避免珠光体的脱落。对于球墨，球状的石墨相嵌入金属的基本材料中。珠光体是一种具有层状结构的共析的组织结构。此外，希望的对珠光体相的抑制还意味着，这里不应形成对于珠光体来说特征性的共析的组织结构。此外，由所述的DE 35 09 709 A1已知的材料在任何情况下都具有球墨，从而不存在总体上层状结构化的材料，这可能使得加工变得困难，并且此外还导致较差的可滑动性并由此导致不利的摩擦学特性。此外，生成球状的石墨相需要特别的耗费。这种生成也仅在新制造铸铁
工件时能够实现。在已使用的不含有球墨的部件中，不能事后生成球墨。因此这里不能考虑对没有球墨的已使用的部件事后升级。
发明内容
[0008] 由此出发，本发明的目的在于，这样改进开头所述类型的部件或构件，使得其在保持其目前为止的尺寸和与相邻部件或构件的兼容性的同时具有与目前为止的由层状结构的灰口铸铁组成的部件和构件相比较高的承载能力，并且仍可以利用对于这种铸铁合适的设备制造并能够简单地加工以及确保良好的滑动特性。本发明的另一个目的在于，提供一种简单的用于制造这种部件或构件的方法。
[0009] 第一个目的的解决方案根据本发明在于用于机器的部件或构件，所述部件或构件由包含嵌入基本组织结构中的石墨的铸铁材料构成，所述铸铁材料在所述部件或构件的完成的、准备好使用的状态下至少局部地形成层状结构，并且通过形成基本组织结构的、层状构成的屈氏体形成，所述屈氏体具有嵌入的层状的石墨，屈氏体的层结构具有100-150nm的层间距，所述屈氏体构成基体，主要是层状的石墨微粒嵌入所述基体中，石墨层位于屈氏体的层之间，通过屈氏体形成的基体按体积占总基体的至少95％。
[0010] 作为所述部件或构件
基础的铸铁材料在部件或构件的完成的、可以使用的状态下至少局部地基本上层状地结构化并通过形成基本组织结构的层状构成的、带有嵌入的、层状石墨的屈氏体形成。
[0011] 层状构成的屈氏体是一种FeC合金，它具有相对于常见的灰口铸铁或珠光体精细得多的层间距，所述层间距只有100-150nm，这使得尽管具有石墨的层状结构仍能形成相对于灰口铸铁明显提高的承载能力。但同时石墨的层状结构以及由此导致的总体上设置为层状的结构的结果是，确保了良好的可加工性以及实现了良好的滑动特性以及由此有利的摩擦学性质。原始材料实际上可以对应于目前为止用于常见的铁或前面所述类型的灰口铸铁的原始材料。因此借助于根据本发明的措施，可以有利地在保持目前为止的部件或构件尺寸并在继续使用目前为止的铸造设备的同时明显提高承载能力，而不会使可加工性和滑动特性明显变差。此外由常见的具有层状石墨的灰口铸铁组成的部件还有利地可以在不转换石墨，即在保持其层状结构的情况下通
过热处理事后升级。
[0012] 利用本发明能实现的优点因此总体上在于突出的经济性。这里，所述部件或构件可以完全或仅局部地主要由具有嵌入的层状石墨的屈氏体组成，这使得可以实现高度的结构上的
自由度。
[0013] 如目前为止那样，铁材料以FeC基体为基础，在所述FeC基体中钳入石墨层结构，但所述基体现在，即在根据本发明的部件或构件中主要包含屈氏体。适宜的是，屈氏体占基体的比例按体积至少为95％。总体上所述基体可以包含按体积至少85％，优选按体积多于85％的铁材料。
[0014] 这里一个特别有利的措施在于，由石墨构成的层位于屈氏体的层之间。由此还能增强上面所述的优点。
[0015] 这里这样来选择所采用的原始材料，主要构成基体的基础的屈氏体的C含量最高为2％，优选为0.8％。由此可以特别可靠地实现具有希望的小层间距的层状设置的、共析的组织结构。屈氏体中这样的C含量可以在使用具有最高多于4％的总C含量的铸铁类型时实现。
[0016] 希望的屈氏体的形成通常通过在冷却时受控制的温度
进程来实现。因此适宜地，部件或构件的最大壁厚为至少50mm、优选150mm、最适宜地约为300mm，以便确保在整个横截面上希望的温度分布。
[0017] 根据本发明的部件或构件的一个优选的实施形式，所述部件或构件可以有利地具有在形成屈氏体之后施加的、表现为实体的标记，所述标记至少显示部件或构件中的屈氏体
质量。以这种方式，可以避免错误地安装错误的构件，即不是按本发明的构件，并由此便于执行维护和维修工作以及执行检查工作。
[0018] 所述标志有利对于
气缸套可以在远离燃烧室的端部的区域中设置在外周上。这个区域通常在视觉上是易于接近的，从而可以读取或读出所述标志。
[0019] 适宜地，所述标志可以设置在小的牌子或卡片上，所述牌子或卡片防取下地与所述部件或构件相连。这有利地使得可以分开制造标志，这对制造
精度起有利的作用。
[0020] 如果设有前面所述类型的标志，则所述标志还可以以恰当的方式用于在其上存储其他与所述部件或构件相关的信息，例如关于部件或构件的真实性、材料组成、制造历史或步骤、较早的使用、最依次的检查和相关的检查日期、其他必要的检查等的信息。
[0021] 上面所述的另一个目的根据本发明的这样来实现，即，在850-900℃的范围内的
退火温度下将所述部件或构件保持一些时间，然后以受控制的温度-时间曲线在8-12小时的冷却时间之内将其冷却到120-20℃，此时，首先以较快的冷却温度冷却到约400℃，接着进行较慢的剩余冷却，冷却到最终温度。
[0022] 根据本发明的有控制的冷却形式的
热处理可以有利地在新制造部件或构件时，紧接着铸造过程进行或者在处理完成的或使用过的部件或构件时在相应地加热到希望的退火温度之后执行。
[0023] 目前为止，在铸造过程之后的冷却实际上不受控制地且较缓慢地进行，这会导致前面所述的、具有大的所制造的铸造材料的基体的层间距的粗大的层状结构。根据本发明，冷却过程保持在850-900℃的退火温度下，从而实现了用于使组织结构均匀化和精细化的正火过程，其中由于接下来到约400℃的快速冷却，得到精细的层状结构并相应地形成屈氏体。较为缓慢的剩余冷却防止事后的脆化。所使用的原始材料实际上对应于目前为止使用的原始材料。所实现的、承载能力的提高仅基于根据本发明的、受控制的冷却形式的热处理。根据本发明的方法因此可以有利地利用目前为止的铸造设备实施并因此提供了简单和经济的可能性，以便相对于目前
位置的方案实现提高的承载能力，而不必采用增大尺寸的措施或使用高级的原始材料。
[0024] 适宜地，根据本发明冷却在可控制的冷却炉中进行。这确保了高精度。
[0025] 另一个适宜的措施在于，对于相关构件的每25mm的最大壁厚保持850-900℃的退火温度至少1/2小时。这确保了可靠的、在整个横截面上的正火。
[0026] 退火温度优选可以为880℃。这对应于基础铸造材料的正火温度。
[0027] 另一个适宜的措施可以在于，总冷却时间对于相关构件的每1mm壁厚为1.5-2.5分钟，优选为2分钟，此时，对于每25mm壁厚在较短的、1/2小时的时间内进行快速冷却，并且在快速冷却之内，有利地对于构件的每25mm的壁厚在只有10-15分钟的时间内跨过温度723-400℃的温度间隔。这有利地在最终产品中实现了特别精细的层状的屈氏体以及由此实现了特别好的承载能力。
[0028] 对于具有强烈变化的壁厚，例如变化3-4倍的壁厚的部件或构件，对于时间上受控的冷却需要附加的补偿，因为上面所述方法窗口给出了用于温度-时间关系的界限，所述界限涉及具有相等壁厚的部件。但在具有较小壁厚的区域内会出现过快的冷却，并由此会出现不希望的硬的
马氏体结构，而不是希望的屈氏体结构，同时在相同部件的具有较大的壁厚，特别是超过300mm的壁厚的区域中，特别是在中央区域的内部，可能形成珠光体结构，因为希望的屈氏体结构从冷却的表面出发向内逐渐地形成。例如当相关构件是用于具有直流扫气的大型十字头发动机的气
缸套或类似部件时，可能出现这样的情况。这里或在类似情况下，附加地对受控的冷却进行的补偿由此实现，即，冷却炉的内腔分成多个部段，其中，每个部段具有其自己的冷却能力，这例如可以通过单独配设给每个部段的冷却气体循环强度来实现。特别是在上述类型的大型的、总体
上管状的构件中，受控的冷却适宜地在以基本上竖直的轴线立方的构件中实施，其中通常可以得到数米的竖起高度。
[0029] 具有基本上恒定的壁厚的管状的部件可以较容易地进行总体上基本上均匀的受控的冷却，以便完全地实现希望的、大量的屈氏体结构。这种基本上由屈氏体构成的管可以例如用作半成品，从所述半成品上能分离出环状件，这些环状件以后可以进行处理，并且例如可以加工成用于具有较大直径的
活塞的
活塞环。
[0030] 在新制造构件时，所述构件可以适宜地在铸造后首先在包入模具中的状态下冷却，并且只有在约700℃时才从模具中取出。在正火过程期间，在优选880℃的温度下，所述构件此时仍处于模具中，这防止了
能量损失。在取出状态下，从约700℃起实现特别快速的冷却。
[0031] 这里相关类型的铸件在正火温度下并且从该温度向下已经是自承载且形状稳定的。因此，新铸造的、用于制造气缸套等的部件在竖立的位置中脱模，这便于这种较重的并仍红热的部件的操作及其相对于冷却炉的
定位，所述冷却炉此时能简单地绕基本上竖直定向的部件布设。由于这种处理方式，即使在冷却过程期间也可以将冷却炉的各区段根据要遵守的方法条件绕相关部件或构件的不同部段布置就位或除去，这首先是对于具有强烈变化的壁厚的部件是有利的。
[0032] 但也可以对由所述类型的灰口铸铁组成的已使用的或完成的构件进行根据本发明的热处理，并在此时在基体的区域内在最大程度上获得屈氏体。为此首先将相关构件加热到正火温度，然后对其进行根据本发明的冷却。正火温度这里适宜地保持多个小时，优选多于10个小时。
[0033] 由于根据本发明的方法实现了材料质量的改进并由此实现了提高的强度，使用过的部件有利地可以在其受到根据本发明的处理之前或优选之后进行切削加工，以便形成新的干净的表面，而不会由于这样降低壁厚而导致强度的损失。对于气缸套以这种方式实现了比之前大的内直径。同样，在根据本发明的热处理中有时形成的接近表面的
氧化层完全也可以除去，以便形成光滑的滑动面，而不会由此导致相对于此前的承载能力的弱化。
附图说明
[0034] 下面根据附图详细说明本发明的一个
实施例。其中：
[0035] 图1示出带有包入模具中的气缸套的冷却炉的示意图，以及
[0036] 图2示出屈氏体的放大的组织结构图的示意图。
具体实施方式
[0037] 本发明的主要应用领域是机器、特别是发动机，优选是大型发动机的较大的部件或构件，这里特别是限定这种发动机的燃烧室的构件，如气缸套、活塞、活塞环等，这些构件在运行中受到高的压力
载荷和温度载荷。这里所涉及类型的大型的部件或构件例如在具有直流扫气的二冲程大型发动机中获得。作为大型发动机这里例如包括具有至少为200mm的气缸孔直径的发动机。
[0038] 图1基于大型发动机，如二冲程大型发动机的气缸套1。这种气缸套1具有圆柱形的
外壳，所述外壳设有一体成形的、在二冲程发动机中常见的进气口，并具有设置在上端部的用于容纳气缸头的
法兰。在法兰的区域中的壁厚a大于外壳区域中的壁厚。出于上面已经提到的原因，最大的壁厚应限制在约300mm，以便完全实现屈氏体结构。气缸孔的直径d与发动机的功率相关并且在
大型柴油发动机中可以为800mm或更大。在这种气缸套中，沿轴向方向可以具有接近3m的长度或者说高度。
[0039] 如气缸套1的构件作为由铸铁组成的铸造构件制造。为此，建立在图1中示出的模具2，所述模具的模腔用所使用的铸铁的液态熔体填充。气缸套可以平放或立放地铸造。优选是立放的，这使得在除去模具后的操作变得容易。模具2具有型芯的砂型。所述熔体例如是与目前为止已经用于制造由正常灰口铸铁组成的构件、如气缸套等所使用的材料相同的原始材料。所述原始材料是一种铁材料，所述铁材料主要由FeC合金组成，在所述FeC合金中置入由未溶解的C组成的、石墨层形式的石墨。当然也可以存在单独的、其他的嵌入微粒，如
碳化物微粒等。适宜地实际上构成基体的基本材料的体积比例例如为总体积的约
85％。
[0040] 前面所述类型的铸铁的熔点约为1340℃。在液态下浇铸到模具2中的材料通过向模具2和由模具向周围环境散发热量冷却，并在此时转化到固体状态。冷却首先在模具中自发地进行到在850-900℃范围内、优选为880℃的温度。该温度在下面称为退火温度。所述温度是所使用的铁材料的所谓正火温度，该正火温度约为880℃。还位于模具中的铸造件、这里是在模具中铸造的气缸套1为了实施正火过程将所述的退火温度保持预先规定的时间段。用于正火过程的所述时间段优选对于相关构件、这里是气缸套1的最大壁厚的每25mm为半个小时(0.5h)。对于300mm的最大壁厚，这里正火过程相应地持续6小时。由此确保了，在整个构件中完全地，即整体上可靠地发生希望的正火。
[0041] 在所述正火之后开始根据预先规定的时间-温度关系的受控的冷却形式的热处理，直至达到120-20℃的最终温度。这种冷却适宜地在图1中所示的冷却炉3中进行，所述冷却炉优选是可控的，如通过控制输入端4示出的那样。冷却过程包括8-12小时的时间。优选冷却时间对于相关构件的最大壁厚的每1mm持续2分钟。当最大壁厚为300mm时，相应地得到优选10小时的总冷却时间。
[0042] 在图1中，为了简化视图，冷却炉仅示意性地示出为静止的
箱体。但冷却炉可以如上面所述的那样可选地这样构成，使得其可以摆动、下降、升高等，以便能包围以大致竖直的轴线立放的、适于直至气缸套等的构件。同样，冷却炉可以仅在内部或总体上分成在冷却温度上优选可单独控制的部段，以便可以根据由温度
时间窗口结合实际的局部壁厚得出的规定值完全或部分地容纳所述类型的构件。这里可能出现这样的情况，仅需要在整个冷却时间的一部分中容纳确定的轴向区域。特别是为了形成冷却炉设定的在图1中示出的布置形式具有多个环绕的、构成堆叠的、优选能单独控制的单个炉腔，这些炉腔用于以另外的方式实现局部能单独选择的冷却能力，像通过改变冷却介质的循环和在相关构件上的作用所实现的那样。
[0043] 基本上在总体上相同的时间上局部地改变温度这里优选用于，在较为薄壁的部件或部件区域中延长保持退火温度的时间，以便提前避免提早冷却以及由此形成不同于屈氏体的结构。总体上上面所述的在时间相同时用于相同构件所选出的区域的局部温度改变通常可以是不同的，使得在该构建中与壁厚的局部差别无关地总体上，即基本上完全地实现希望的屈氏体结构。同样由此还可以如果出于任何原因希望在构件的选择的区域内防止形成屈氏体并这样进行冷却，使得形成正常的珠光体结构。在两种情况下都涉及一种层状结构化的材料，但其中屈氏体的层间距明显小于正常的珠光体的层间距。在此方面，屈氏体可以称为一种具有非常小的层间距的特殊类型的珠光体。所述层间距可以仅为100-150nm。
[0044] 冷却过程以多个阶段进行。首先设定较为快速地进行的从退火温度到约400℃的冷却(下面称为快速冷却)。从退火温度到约400℃的所述快速冷却包括优选至少1/2h每25mm最大壁厚的时间段，就是说，对于300mm的最大壁厚为6h的时间段。在所述的从退火温度到约400℃的快速冷却中，进行进一步的细分，其中，从共析点到约400℃的温度范围在仅10-15分钟每25mm最大壁厚的时间内进行。这里基础的铸铁的共析点在723℃的范围内。由此形成共析的、具有特别精细的层结构的组织结构，所述组织结构由于快速冷却而得到保留。
[0045] 新铸造的构件，这里是气缸套1在根据本发明的正火过程中以及也还在快速冷却的第一范围中仍
包装在模具2中。脱模在约700℃下进行。为此，模具2被破坏和/或除去。这样进行此前不久铸造的构件、这里是气缸套1的释放有利于希望的快速冷却。紧接着快速冷却，从约400℃起作为另一个冷却阶段实现到希望的120-20℃的最终温度的剩余冷却。这种剩余冷却相对于快速冷却较为缓慢地进行并可以在这里存在的类型的构件中持续约8小时。
[0046] 上面所述的受控的较快速冷却形式的热处理使得形成或保留这样的屈氏体，所述屈氏体具有在图2中示出的带有层7的非常精细的间距的层状结晶结构。图2示出的示意性打磨图还示出另外的层状石墨微粒5以及分开的其他微粒，如碳化物微粒6，所述碳化物微粒嵌入通过层7示出的由屈氏体组成的基体中。在根据图2的示意图中，石墨层5不均匀地横向于屈氏体层7延伸。但也可能出现这样的情况，即，石墨层5位于屈氏体层7之间并与其平行地延伸。石墨层5的厚度由于为了清楚地显示的原因以放大的厚度显示。在实际情况中，石墨层要薄很多。特别是当石墨层5位于屈氏体层7之间时，就是这样。层7的间距b非常小，仅为100-150nm(纳米)。这种间距明显小于珠光体层的间距，通常约比其小10倍。相应地，根据本发明形成的屈氏体还实现了较高的承载能力。屈氏体的断裂强度约为330-350MPA，相对而言，珠光体仅为约250-270MPA。根据本发明形成的屈氏体的C含量在上述类型的作为原始材料的灰口铸铁形式的铸铁中最小为约0.8％，并由该值向上可以为最高4.3％，优选为3.8％±0.5％，特别是±0.2％。
[0047] 在新制造这里所述类型的构件时，如图1所示和如上所述，所述构件首先包装到模具2中，并在约700℃时取出。正火过程因此在包装状态下进行。在快速冷却期间才除去模具2。但也可以在没有相应的模具的情况下，对这里所述类型的已经完成或已使用的构件按根据本发明的方式进行处理，以实现屈氏体基体。这里所述部件首先加热到在850和900℃之间的范围内的正火温度并在该温度上保持确定的时间。这可以是约10小时的时间。接着进行多阶段的冷却，其中包括到约400℃的快速冷却和接着进行的到最终温度的剩余冷却。冷却过程这里按上面结合图1所述的方式进行。
[0048] 利用这些措施这里可以将由传统的、具有较差(珠光体)材料质量的铸铁制成的旧的磨损的构件，例如气缸套用作半成品，即作为用于用旧的部件、例如用旧的气缸套的原始材料，所述气缸套已扩孔或能够用于相同的发动机规格，其中由于根据本发明形成屈氏体而实现的强度，尽管壁厚降低，仍实现了较高的允许最大气缸压力。
[0049] 遵守上面所述的时间-温度关系总是重要的。如果冷却过快地进行，则会出现硬的但非常脆的马氏体材料。如果冷却过慢地进行，则形成珠光体材料。如果确定出现了这种偏差，则可以事后进行校正，其方式是，如上面针对完成或已使用的部件所述的那样，从新加热到正火温度，并保持该温度优选约10小时，接着进行根据本发明的冷却过程。
[0050] 由于根据本发明的各措施实现允许更高的承载能力的质量提升，这在实践中也能得以利用，并且由于根据本发明的部件或构件实际上可以具有和之前相同的外观，为了避免混淆适宜的是，每个根据本发明的部件或构件都具有在图1中仅示意性示出的、表现为实体的标志8，所述标志在形成屈氏体之后设置并至少显示部件或构件中的屈氏体质量。这既适于新制造的部件或构件，也适用于通过根据本发明的处理升级的、此前已使用或磨损的部件或构件。对于气缸套，所述标志可以适宜地在外周上设置在远离燃烧室的端部的区域内。该区域在气缸套已安装的情况下也可以在视觉上很好地观察。所述标志这里可以有利地包含在小的牌子或卡片上，所述牌子或卡片可以防取下地安装在相关部件或构件上。
[0051] 如果设有前面所述类型的标志，则所述标志还可以有利地用于在其上存储其他关于所述部件或构件的信息，例如关于部件或构件的真实性、材料组成、生成历史和步骤、此前的使用(对于旧部件)、最后一次检查和相关检查日期、其他应进行的检查等的信息。
