[发明专利]气缸套和铸铁合金

说明书

本发明涉及一种用于内燃机部件的球状石墨铸铁合金，更具体而言，本发明涉及机械性能优于现有技术、同时能够提高发动机功率以及使其重量减轻的气缸套（cylinder liner）。

背景技术

用于内燃机的气缸套是这样的发动机部件：它们由于所进行的工作类型而要经受显著的磨损。

鉴于市场的新需求，对新型发动机的内部构件具有更高的要求，就这一点而言，需要提供能够确保具有更好的性能并且还能有助于提供更可靠和更高的发动机输出功率的方案。

基于这一原则，一些汽车零部件的制造商试图寻找一些技术方案，特别是用于内燃机的汽缸套的技术方案等。

能够提高发动机性能的可能的解决方案之一可通过加强用于生产汽缸套的材料来实现。就此而言，人们提出了一些改进，特别是在包含铸铁合金的汽缸套方面提出了一些改进。

现有技术中用于制备汽缸套的主要合金之一是灰铸铁。这种合金成本低，能提供良好的机械性能，这是因为其显微组织中存在有游离的石墨。然而，灰铸铁的形态显示出：（片状）析出石墨（graphitization）呈脉状（vein）分布在珠光体显微组织中，这最终会损害重要的机械性能，如抗拉强度、刚度和疲劳强度。

这一事实是因为存在有以网状形式分布（随机分布）于珠光体显微组织基质中的脉状石墨而导致的，由于该石墨形态所致的沟槽效应（grooving effect），导致材料中除了可能的裂纹扩展以外，还产生一定量的互相连接的间隙。换句话说，包含灰铸铁的气缸套不具有塑性变形的特征。

在尝试改善用于生产气缸套的材料的性质时，为了使灰铸铁合金的缺陷最小化，人们已经提出了多种合金。为了这一目的，已经提出了包含致密石墨的珠光体铸铁合金的技术方案，与常规的片状珠光体材料相比，该合金获得了更好的性能。

就这一点而言，专利文献PI9704066-5描述了一种用于制备内燃机的活塞环的铸铁合金，其中公开了高度耐热的铸铁合金。该合金包含占主要量的珠光体基础组织，其具有致密的且为球状的石墨形式的石墨析出物。虽然该文献简要地提到了其它可能的应用，以假设的方式指出了可用于气缸套，但是该文献并没有对该主题做进一步阐述，这给不同的铸铁合金在多种发动机部件中的可能的应用留下了机会。

请注意，该特定的文献确定了：在欲具有致密化石墨的材料中，球状石墨的典型限度为30%。因此，被视为致密化石墨铸铁合金的材料通常具有一定百分比的球状石墨（参见图1）。

但是，在专利文献PI9704066-5提出的方案中，除了气缸套的成本（例如）在工业规模生产的可行性方面存在缺陷这一事实之外，即使铸铁合金中的石墨具有既致密化又为球状的石墨形态，也不能充分确保气缸套具有优异的性能。

此外，美国专利6,318,330描述了具有两相石墨形态的气缸套，其中外径是由球状石墨和致密化石墨铁构成的，内径主要是由灰铁或片状铁构成的。该专利的优点在于延性铁材质的外径十分结实并且耐疲劳、耐裂纹和耐断裂。该内径表现出良好的耐磨耗性和耐摩擦性（scuff resistance）。

但是，该两相材料在生产时显示出有障碍，主要是在控制衬套的内径与外径之间的石墨形态分布时存在障碍，这会显著影响生产成本。作为用来控制这种从球状-致密化石墨至片状石墨的形态分布的方法，该专利提到了根据Mg（镁）和S（硫）对一种或另一种形态的形成所具有的不利影响来控制添加至合金中的Mg和S的含量，从而确保形态沿着衬套壁的横截面逐渐过渡。要控制的含量区间在非常严格的范围内，有时为残留量，这增加了生产难度，使得实际上无法根据规则说明以及分别按照品质控制来供给材料。

例如，Mg的存在量会对石墨的形态产生显著影响。浓度低于0.008%的Mg会导致形成片状石墨，其组织主要为薄片状的。浓度为0.008%至0.013%的Mg会导致形成致密化的CGI石墨，其组织是致密化的。此外，浓度为0.013%至0.020%的Mg会导致形成具有致密化和球状性质的致密化和球状石墨的混合物。此外，浓度为0.020%至0.035%的Mg会导致形成80%至100%的球状石墨组织，而浓度高于0.035%的Mg会导致形成完全球状的石墨组织。

类似的是，S含量必须介于0.015%至0.02%之间，因为高于该值的浓度会导致球状石墨组织向薄片状状态退化。

因此，鉴于这些文献和现有技术，需要提出这样的合金，该合金能够获得可避免现有技术问题的石墨形态，从而提供一种具有优异的机械性能的气缸套的技术方案。