專利名稱：等溫淬火鑄鐵件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及一種具有改良的可加工性、疲勞性能和抗環(huán)境開裂的可加工等溫淬火鑄鐵件以及生產(chǎn)這種可加工等溫淬火鑄鐵件的方法以及可加工等溫淬火鑄鐵組合物。尤其是，本發(fā)明涉及一種具有等軸鐵素體連續(xù)基體并伴隨奧氏體島的顯微組織的可加工等溫淬火鑄鐵件，其顯示出改良的強度、可延性、可加工性、疲勞性能以及抗環(huán)境開裂性能。
背景技術：
常規(guī)延性鐵(RDI)件和常規(guī)等溫淬火延性鐵(ADI)件以及制造這些工件的方法都是本領域所公知的。RDI工件被廣泛地用于機動車應用中，而ADI工件被應用于有限的車輛應用中，包括曲軸和底盤構件。RDI工件通常由沒有對延性鐵組合物進行鑄造后熱處理工藝的延性鐵組合物鑄造而成。延性鐵組合物可以改變其各個成分的百分比，但是必須包括鐵和足夠的合金元素，以在常規(guī)延性鐵件的鐵素體和珠光體的基體中形成結構良好的石墨節(jié)的顯微組織。
要求強度和韌度的良好組合性能的典型RDI工件具有鐵素體和珠光體的顯微組織，而不是基本上珠光體顯微組織。當沒有對延性鐵組合物進行鑄造后熱處理工藝而對延性鐵組合物鑄造時，相對于基本上珠光體顯微組織，鐵素體和珠光體顯微組織具有優(yōu)越的物理性能?？蛇x的是，RDI工件可以通過正火或調質進行熱處理。然而，典型的延性鐵組合物并不對本發(fā)明的熱處理工藝產(chǎn)生反應，在快速冷卻期間形成了不必要的珠光體。因此，典型延性鐵組合物不適于本發(fā)明的熱處理工藝。
通過將延性鐵組合物送入鑄造后熱處理工藝制造ADI工件。在熱處理前的延性鐵組合物的顯微組織并不重要且可忽略，其重點在于用于生產(chǎn)ADI工件的熱處理工藝本身。通常通過奧氏體化以及隨后的等溫淬火生產(chǎn)ADI工件。
生產(chǎn)ADI工件的另一種方法是分步奧氏體化，該方法在Gundlach的《改進奧氏體延性鐵的性能》中公開(DIS出版物)，但是仍然只是試驗方法，還沒有被應用并進行生產(chǎn)優(yōu)化。分步奧氏體化是這樣一種工藝，延性鐵組合物被加熱并保持在初始奧氏體化溫度。通過將延性鐵組合物順序地淬火到較低溫度，并在每一溫度保持較短時間來進行分步奧氏體化。通過將延性鐵組合物淬火以生產(chǎn)ADI工件結束該工藝。通過分步奧氏體化生產(chǎn)的ADI工件通常具有奧氏鐵素體(ausferritic)顯微組織。該奧氏鐵素體顯微組織通常比常規(guī)延性鐵件具有較高的強度，但是也比常規(guī)延性鐵件具有較低的可延性和較低的可加工性。
在奧氏體化后接著進行等溫淬火，即首先在一奧氏體化溫度，通常在從1550°F至1650°F的范圍內(nèi)奧氏體化鐵素體和珠光體顯微組織，盡管已有低至1450°F的奧氏體化溫度的記載，該溫度可能在臨界區(qū)溫度范圍內(nèi)。然后延性鐵組合物在顯著更低的溫度被等溫淬火，通常在350°F至725°F之間，以生產(chǎn)常規(guī)等溫淬火延性鐵件。改變奧氏體化和等溫淬火溫度以在常規(guī)等溫淬火延性鐵件中獲得要求的物理性能。所得的常規(guī)等溫淬火延性鐵件具有奧氏鐵素體顯微組織，即針狀鐵素體加奧氏體。在奧氏體化和等溫淬火加工溫度的時間也很重要。對于具有鐵素體和珠光體初始顯微組織的工件，碳必須從遍布延性鐵組合物的石墨節(jié)中彌散到奧氏體基體中，以在淬火到等溫淬火溫度前形成高碳奧氏體。結果，奧氏體化時間通常是90分鐘以獲得高碳奧氏體產(chǎn)品。
在較低溫度奧氏體化的ADI工件比在較高溫度奧氏體化的ADI工件表現(xiàn)出較好的可加工性。然而，在較低溫度下奧氏體化產(chǎn)生的針狀鐵素體加奧氏體顯微組織(奧氏鐵素體)在使用ADI工件的許多應用中不具有足夠的強度。
Muhlberger的西班牙專利No.ES8104423公開了一種生產(chǎn)另一種等溫淬火延性鐵件的方法，該等溫淬火延性鐵件具有奧氏體混合貝氏體和球狀石墨的顯微組織。通過熱處理表1中所示的延性鐵組合物可生產(chǎn)該Muhlberger等溫淬火延性鐵(ADI)件。
表1

這樣進行熱處理，即在從1472°F至1580°F的溫度范圍保持10至60分鐘對延性鐵組合物奧氏體化。然后將延性鐵組合物小于2分鐘的時間淬火到在662°F至752°F之間的溫度范圍。將延性鐵組合物在662°F至752°F的溫度范圍保持5到60分鐘，以生產(chǎn)具有奧氏體混合貝氏體和球狀石墨的顯微組織的Muhlberger ADI工件，即常規(guī)等溫淬火延性鐵結構。Muhlberger ADI件對于本發(fā)明的應用是不夠的。鉬成分過高，導致在鐵工件中具有過高的布氏硬度，并且組合物需要錳。此外，等溫淬火延性鐵組合物的所得顯微組織是奧氏體混合貝氏體與球狀石墨，并且由于該方法在奧氏體化前不是以基本上珠光體顯微組織開始的，故而不具有等軸鐵素體伴隨奧氏體島。另外，化學性質和奧氏體化溫度的結合不適于本發(fā)明。參考圖5，Muhlberger ADI表現(xiàn)出在屈服強度和硬度之間的不同關系。因此，Muhlberger ADI具有不足以應用于本發(fā)明的物理性能。
RDI工件和ADI工件具有適于許多應用的物理性能，然而，RDI工件和ADI工件通常不適于同樣的應用。參考圖1，RDI工件比ADI工件具有通過伸長率測量的較高的可延性。然而，在同樣的強度水平，ADI工件比RDI工件具有更高的可延性。也示出了正火延性鐵(正火DI)工件和調質延性鐵(調質DI)鑄件的特性。RDI鑄件、正火DI鑄件以及調質DI鑄件非常廣泛地使用在需要大量機械加工的應用中。即使通過調整生產(chǎn)工藝和延性鐵組合物的化學成分可以控制鑄件的物理性質，但是RDI鑄件、正火DI鑄件以及調質DI鑄件也不具有足夠的極限抗拉強度和屈服強度以滿足許多應用的需求。
另一方面，如圖5所示，ADI工件具有足夠的強度應用于由于RDI鑄件缺乏足夠的強度而不能使用的許多應用中。然而，ADI工件可加工性比RDI鑄件顯著較差。ADI工件也表現(xiàn)出不充分的開裂容限和不充分的抗環(huán)境開裂性能，即，當遭受應變和各種類型的流體例如水、油和燃料的組合的情況下抗開裂的能力。結果，ADI工件在疲勞壽命測試中顯示出不充分的性能，使ADI工件不適于應用于使鑄件遭受負載與不負載的循環(huán)的情況。此外，現(xiàn)有技術的ADI工件獲得了最低的268BHN布氏硬度(BHN)。因此，現(xiàn)有技術ADI工件也不適于需要大量加工的用途。
因而，存在這種可能，即一種具有現(xiàn)有技術所不能獲得的、獨特的改良的強度、可延性、可加工性、疲勞性能以及抗環(huán)境開裂的綜合性能的可加工等溫淬火鑄鐵(MADI)件和生產(chǎn)這種MADI工件的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種可加工等溫淬火鑄鐵件，一種可加工等溫淬火鑄鐵組合物以及一種制造這種可加工等溫淬火鑄鐵件的方法。該可加工等溫淬火鑄鐵件由具有基本上珠光體顯微組織的鐵組合物制成?；旧现楣怏w顯微組織包括碳、硅、鎳、銅和鉬。
制造可加工等溫淬火鑄鐵件的方法包括在1380°F至1500°F的臨界區(qū)(intercritical)溫度范圍將基本上珠光體顯微組織奧氏體化至少10分鐘。該步驟產(chǎn)生鐵素體加奧氏體顯微組織。在奧氏體化之前，具有基本上珠光體顯微組織允許改進的完成奧氏體化的時間，而其它顯微組織不可能實現(xiàn)。該方法這樣進行，即在足以防止珠光體的形成的速率下將鐵素體加奧氏體顯微組織淬火。接著，將鐵素體加奧氏體顯微組織在從575°F至750°F的等溫淬火溫度范圍內(nèi)等溫淬火至少8分鐘，以產(chǎn)生等軸鐵素體連續(xù)基體伴隨奧氏體島的顯微組織。等軸鐵素體連續(xù)基體伴隨奧氏體島的顯微組織隨即被冷卻到環(huán)境溫度以生產(chǎn)可加工等溫淬火鑄鐵件。
本發(fā)明的可加工等溫淬火鑄鐵件具有改良的強度、可延性、可加工性、疲勞性能以及抗環(huán)境開裂性能。改良的強度和可加工性使可加工等溫淬火鑄鐵件適于用在曲軸和底盤構件上，當前這些構件通常需要為了可加工性犧牲強度或為了強度犧牲可加工性。改良的強度還提供了對可加工等溫淬火鑄鐵件重量的改進，從而降低了成本。此外，本發(fā)明的方法可降低制造鐵工件所需要的時間從而也可降低成本。


參考附圖以及下面的詳細說明，將會更好的理解本發(fā)明的其它優(yōu)點，其中圖1是說明關于現(xiàn)有技術的延性鐵件(正火DI，調質DI以及RDI)，常規(guī)奧氏體延性鐵(ADI)件，以及根據(jù)本發(fā)明的方法制造的可加工等溫淬火鑄鐵(MADI)件的極限抗拉強度(單位psi)與伸長率(％)之間的關系圖表；圖2是說明了在不同溫度下等溫淬火的可加工等溫淬火鑄鐵件的布氏硬度(單位BHN)和臨界區(qū)溫度(單位華氏溫度)之間的關系圖表；圖3是可加工等溫淬火鑄鐵件的一個具體實施例的正視圖，其中可加工等溫淬火鑄鐵件是下控制臂；圖4是可加工等溫淬火鑄鐵件另一個具體實施例的正視圖，其中可加工等溫淬火鑄鐵件是扭力桿調節(jié)器；和圖5是說明了可加工等溫淬火鑄鐵件(MADI)，現(xiàn)有技術常規(guī)延性鐵(RDI)件，以及現(xiàn)有技術的常規(guī)奧氏體延性鐵(ADI)件的布氏硬度和屈服強度之間的關系圖表。
具體實施例方式
本發(fā)明提供了一種可加工等溫淬火鑄鐵件和從鐵組合物制造這種可加工等溫淬火鑄鐵件的方法。該可加工等溫淬火鑄鐵件具有改進的強度、延展性、可加工性、疲勞特性以及抗環(huán)境開裂性。改良的可加工性使可加工等溫淬火鑄鐵件能更理想的用于汽車工業(yè)的許多應用。此外，改良的強度改進了可加工等溫淬火鑄鐵件的重量與成本。
鐵組合物包括碳、硅、鎳、銅、鉬和鐵。本發(fā)明的鐵組合物的優(yōu)選范圍在表2中公開。
表二

每一元素的數(shù)量在上述范圍內(nèi)變化以確保在生產(chǎn)可加工等溫淬火鑄鐵件期間在鐵組合物內(nèi)能充分形成想要的顯微組織。例如，形成想要的顯微組織主要由兩個因素決定冷卻速度和鐵組合物的化學成份。冷卻速度由根據(jù)每一具體生產(chǎn)線的各個方面變化的若干因素控制，例如具體工件的幾何結構，用于生產(chǎn)鑄件的鑄型的材料的組成，例如砂或金屬，以及鑄型被去除前鑄件的冷卻時間。通過控制生產(chǎn)線的速度可以略微調整冷卻時間，但只是有限范圍的。因此，大部分都是通過改變鐵組合物中每一元素的數(shù)量來控制顯微組織。
鐵組合物中所包括的碳是在可加工等溫淬火鑄鐵件生產(chǎn)中在不同階段形成各種顯微組織的必需成分。鐵組合物中的硅、鎳、銅和鉬是合金添加劑。這些合金添加劑對于促進基本上珠光體顯微組織，并在可加工等溫淬火鑄鐵件的生產(chǎn)中抑制珠光體的形成是必須的?？梢岳斫獾氖?，所述顯微組織是指在“鑄態(tài)的”條件下的基本上珠光體?；旧现楣怏w顯微組織意即顯微組織包括多于50％的珠光體。更可取的是，基本上珠光體顯微組織包括至少80％珠光體。也可使用輔助合金添加劑，例如錳、鉻、錫、砷和銻，但是對于本發(fā)明不是必要的。鐵組合物的其余部分是鐵。最優(yōu)選的鐵組合物包括表3

該鐵組合物是延性鐵組合物，與其它類型的鐵組合物比具有改進的可鑄性和制造的經(jīng)濟性。在其它具體實施例中，鐵組合物是灰生鐵組合物、致密石墨鑄鐵組合物或碳(carbidic)延性鐵組合物，取決于具體應用中的物理性能和生產(chǎn)需要。
該方法包括在從1380°F到1500°F的臨界區(qū)溫度范圍內(nèi)奧氏體化基本上珠光體顯微組織。尤其是，在從1380°F到1472°F的臨界區(qū)溫度范圍內(nèi)奧氏體化基本上珠光體顯微組織，更可取的是，在從1380°F到1449°F的臨界區(qū)溫度范圍內(nèi)進行。將基本上珠光體顯微組織保持在臨界區(qū)溫度范圍至少10分鐘，尤其是10到360分鐘。奧氏體化步驟制造出鐵素體加奧氏體顯微組織。基本上珠光體顯微組織是本發(fā)明的奧氏體化步驟中非常重要的成分。對于形成鐵素體加奧氏體顯微組織中的奧氏體部分所必需的碳從基本上珠光體顯微組織中衍生出來?；旧现楣怏w顯微組織允許鐵素體加奧氏體顯微組織中的奧氏體部分在僅僅10分鐘內(nèi)形成。這允許了整個工藝改進生產(chǎn)速度。
在淬火步驟中，鐵素體加奧氏體顯微組織從奧氏體化溫度被淬火到575°F至750°F等溫淬火溫度范圍。尤其是，在淬火步驟在帶有噴水的鹽浴中進行。
在等溫淬火步驟中，鐵素體加奧氏體顯微組織保持在等溫淬火溫度范圍至少8分鐘。等溫淬火步驟防止馬氏體或珠光體顯微組織的形成，它們具有本發(fā)明預定應用所不需要的物理性能。等溫淬火步驟產(chǎn)生等軸鐵素體連續(xù)基體并伴隨奧氏體島的顯微組織。產(chǎn)生等軸鐵素體連續(xù)基體并伴隨奧氏體島的顯微組織是因為，在奧氏體化步驟中，一部分基本上珠光體顯微組織轉變?yōu)殍F素體加奧氏體顯微組織的奧氏體部分。在等溫淬火過程中，與針狀或貝氏體鐵素體相反，鐵素體加奧氏體顯微組織中的鐵素體部分保持鐵素體顯微組織。鐵素體加奧氏體顯微組織中的奧氏體部分保持穩(wěn)定。
等軸鐵素體連續(xù)基體并伴隨奧氏體島的顯微組織中的鐵素體的數(shù)量取決于基本上珠光體顯微組織奧氏體化時的臨界區(qū)溫度。在臨界區(qū)溫度范圍內(nèi)的較高溫度，形成了更多的奧氏體，同時珠光體顯微組織的余量部分形成鐵素體。等溫淬火步驟中奧氏體被保持并穩(wěn)定。因此，等溫淬火步驟之前所形成的奧氏體的數(shù)量限制了等軸鐵素體連續(xù)基體伴隨奧氏體島的顯微組織中奧氏體的數(shù)量。
在冷卻步驟中，等軸鐵素體連續(xù)基體并伴隨奧氏體島的顯微組織被冷卻到環(huán)境溫度以保持在等溫淬火步驟中所產(chǎn)生的等軸鐵素體連續(xù)基體并伴隨奧氏體島的顯微組織?？赏ㄟ^氣冷或水淬火將等軸鐵素體連續(xù)基體并伴隨奧氏體島的顯微組織冷卻到環(huán)境溫度。
尤其具體的是，該方法包括在高于2200°F的溫度澆鑄鐵組合物，在該溫度鐵組合物是熔融的。接著是冷卻步驟，其中鐵組合物被冷卻到1000°F到1340°F的溫度。將鐵組合物在1000°F到1340°F溫度下保持至少8秒鐘以形成基本上珠光體顯微組織。
在奧氏體化步驟中，將基本上珠光體顯微組織加熱到1380°F到1500°F的臨界區(qū)溫度范圍。尤其是在溫度范圍從1380°F到1472°F，更可取的是在從1380°F到1449°F的溫度范圍將基本上珠光體顯微組織奧氏體化。將基本上珠光體顯微組織保持在臨界區(qū)溫度范圍至少10分鐘，尤其是在10到360分鐘之間。奧氏體化步驟中產(chǎn)生鐵素體加奧氏體顯微組織。
在淬火步驟中，將鐵素體加奧氏體顯微組織淬火到從575°F到750°F的等溫淬火溫度范圍，以穩(wěn)定在奧氏體化步驟中產(chǎn)生的鐵素體加奧氏體顯微組織。尤其是，將鐵素體加奧氏體顯微組織在從5到180秒的時間內(nèi)淬火到等溫淬火溫度范圍。尤其是，在帶有噴水的鹽浴進行淬火步驟。鹽浴包括液體，所述液體中包括硝酸鹽、亞硝酸鹽以及硝酸鹽和亞硝酸鹽的組合中的至少一種，用于快速冷卻鐵素體加奧氏體顯微組織。更可取的是，鹽浴包含的液體包括由Heatbath公司制造的Park Metallurgical low temperature draw salt?？蛇x的是，可在流化床中進行第二淬火步驟。優(yōu)選可加工等溫淬火鑄鐵件是曲軸或底盤部件，但是該方法并不局限于生產(chǎn)這種部件。
在等溫淬火步驟中，將鐵素體加奧氏體顯微組織保持在從575°F到750°F的等溫淬火溫度范圍，以穩(wěn)定奧氏體并防止馬氏體或珠光體顯微組織的形成。將鐵素體加奧氏體顯微組織維持在等溫淬火溫度范圍至少8分鐘，尤其是8到1440分鐘，更可取的是60到180分鐘。等溫淬火步驟產(chǎn)生了等軸鐵素體連續(xù)基體并伴隨奧氏體島的顯微組織。最后，將可加工等溫淬火鑄鐵冷卻到環(huán)境溫度。
如表4中所示，具有表3中說明的鐵組合物的、在臨界區(qū)溫度范圍內(nèi)的不同臨界區(qū)溫度被奧氏體化的可加工等溫淬火鑄鐵件的平均極限抗拉強度(UTS)，屈服強度(YS)，伸長率(％EL)以及布氏硬度(BHN)與可加工等溫淬火鑄鐵件被奧氏體化的臨界區(qū)溫度相關，因而與可加工等溫淬火鑄鐵件中鐵素體對奧氏體的比率相關。
表4

因此，調整可加工等溫淬火鑄鐵件奧氏體化的臨界區(qū)溫度以獲得用于特定應用的可加工等溫淬火鑄鐵件的所需性能。
同樣，等溫淬火溫度對可加工等溫淬火鑄鐵件的BHN有影響。參考圖2，在臨界區(qū)溫度范圍上，在600°F等溫淬火的可加工等溫淬火鑄鐵件比在675°F等溫淬火的可加工等溫淬火鑄鐵件表現(xiàn)出更寬的BHNs范圍。同樣，在臨界溫度范圍上，在675°F等溫淬火的可加工等溫淬火鑄鐵件比在750°F等溫淬火的可加工等溫淬火鑄鐵件表現(xiàn)出更寬的BHNs范圍。因此，調整等溫淬火溫度，使之與臨界區(qū)溫度相協(xié)調，從而獲得用于特定應用的可加工等溫淬火鑄鐵件所要求的性能。
在臨界區(qū)溫度上的時間同樣也對可加工等溫淬火鑄鐵件的BHN有影響，雖然不像臨界區(qū)溫度或等溫淬火溫度那樣重要。由于在BHN上僅有少許區(qū)別，因此生產(chǎn)線和成本策略決定了可加工等溫淬火鑄鐵件在奧氏體化和等溫淬火步驟期間溫度的時間，只要在奧氏體化步驟溫度的時間至少為10分鐘，且在等溫淬火步驟溫度的時間至少為8分鐘即可。
如下面將會被列出的所測量的標準試驗程序的數(shù)據(jù)，可加工等溫淬火鑄鐵件具有改良的強度和可延性。通常，強度指UTS和YS，可延性指％E1。改良的強度和可延性歸因于可加工等溫淬火鑄鐵件的等軸鐵素體連續(xù)基體并伴隨奧氏體島的顯微組織。
尤其是，如本領域技術人員所知的標準試驗程序所測量的，可加工等溫淬火鑄鐵件具有在180到430BHN之間的BHN。如上表4所示，可加工等溫淬火鑄鐵件的BHN與鐵組合物奧氏體化的臨界區(qū)溫度直接相關。參考圖2，在1380°F至1500°F之間的臨界區(qū)溫度范圍內(nèi)的較低溫度奧氏體化的可加工等溫淬火鑄鐵件，比在該臨界區(qū)溫度范圍的較高溫度奧氏體化的可加工等溫淬火鑄鐵件具有較低的BHNs?？缮a(chǎn)出BHN低于269BHN的可加工等溫淬火鑄鐵件。
尤其是，如圖5所示，根據(jù)ASTM E8的協(xié)議測量，可加工等溫淬火鑄鐵件具有在50000至125000psi之間的YS。用于YS的ASTM E8協(xié)議采用偏置法。由多個可加工等溫淬火鑄鐵件產(chǎn)生應力應變圖。平行于應力應變圖的線性部分以一預定偏置，通常以0.2％處開始劃一條直線。該線與應力應變圖的交點表明可加工等溫淬火鑄鐵件的屈服強度?？杉庸W氏體鑄鐵件的YS直接與BHN相關。可加工等溫淬火鑄鐵件的該性能滿足需要改良的YS和可加工性的應用的需求。改良的YS允許以較少的材料有效的生產(chǎn)可加工等溫淬火鑄鐵件，同時獲得充分的性能，從而減少可加工等溫淬火鑄鐵件的重量。
尤其是，通常如圖1所示，可加工等溫淬火鑄鐵件具有在70000至170000psi之間的UTS，以及在14％至22％之間的％E1，兩者都是根據(jù)ASTM E8協(xié)議測量。用于UTS的ASTM E8協(xié)議包括用拉伸試驗中可加工等溫淬火鑄鐵件承受的最大載荷除以該可加工等溫淬火鑄鐵件的原始橫截面積。用于％E1的ASTM E8協(xié)議包括建立一對測量標記，該測量標記具有在等溫淬火鑄鐵件上的測量標記之間的初始長度。接下來是進行拉伸試驗直到可加工等溫淬火鑄鐵件斷開。將測量標記之間的長度的變化除以測量標記之間的初始長度然后該結果乘以100從而確定％E1。此外，可加工等溫淬火鑄鐵件提供改良的UTS和％E1綜合性能。改良的UTS和％E1綜合性能允許可加工等溫淬火鑄鐵件用于要求改良的強度和％E1的各種應用中。
在一個具體實施例中，如圖3中的10，可加工等溫淬火鑄鐵件是具有球窩接頭12的下控制臂。為了測試，所使用的下控制臂10由現(xiàn)有技術的級別為65-45-12的常規(guī)延性鐵(RDI)，現(xiàn)有技術中具有302BHN的布氏硬度的常規(guī)等溫淬火延性鐵(ADI)，以及本發(fā)明的可加工等溫淬火鑄鐵組合物(MADI)制成，并通過本發(fā)明的方法熱處理從而具有243BHN的布氏硬度。開發(fā)了下控制臂測試裝置以模擬下控制臂10在車輛應用中會經(jīng)歷的負荷。進行測試以測量下控制臂10的疲勞壽命。下控制臂10位于具有用實心鋼塊取代震動止塊的固定器上。伺服液壓控制類型的100kN的傳動器懸掛在垂直支承框架上。傳動器通過有角度的末端固定設備連接在球窩接頭12上。將傳動器定位使其施加的載荷穿過球窩接頭12的中心線相對于垂直軸線相對于尾部向前18度并相對于外側向內(nèi)18度?？刂葡驴刂票蹨y試裝置以1.5Hz的速率施加從17793N至47596N的正弦負荷，直到負載丟失或檢測到6.4mm的裂縫。表5中示出了下控制臂疲勞測試的結果。
表5

B10壽命、中值壽命以及疲勞壽命的最低值到最高值的結果的范圍表明，本發(fā)明的MADI制成并通過本發(fā)明中的方法熱處理的下控制臂10比現(xiàn)有技術的RDI和ADI具有改良的破裂容限。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法生產(chǎn)的可加工等溫淬火鑄鐵件對于下控制臂應用是理想的，其中下控制臂10受到反復的負荷循環(huán)，即疲勞負荷。
UTS測試也可在同樣的下控制臂測試裝置上完成。用直末端固定設備替換用在疲勞壽命測試中的有角度的末端固定設備?？刂葡驴刂票蹨y試裝置以0.01Hz的速率施加最大負荷可達94000N的遞增負荷。94000N的最大負荷表示適合于車用應用的下控制臂10必須超過的閾值。具有243BHN布氏硬度的下控制臂未失效于94000N的最大負荷。因此，該下控制臂10具有足夠的UTS用于車用應用中使用的下控制臂10。
在另一具體實施例中，可加工等溫淬火鑄鐵件是扭力桿調節(jié)器，在圖4中通常標識為14，在第一末端18具有螺栓凹槽16。扭力桿調節(jié)器14限定了垂直于螺栓凹槽16的六角形孔20。穿過螺栓凹槽16中心的軸線22距離通過六角形孔20的中心的軸線24為129.9mm。為了測試，使用的扭力桿調節(jié)器14由具有246BHN布氏硬度的現(xiàn)有技術的RDI，具有302BHN布氏硬度的現(xiàn)有技術的ADI，以及通過本發(fā)明的方法熱處理、具有200BHN和243BHN布氏硬度的本發(fā)明的MADI構成。設計了扭力桿調節(jié)器測試裝置，以模擬扭力桿調節(jié)器14將在車用應用中經(jīng)歷的負荷。進行測試以測量扭力桿調節(jié)器14的疲勞壽命。扭力桿調節(jié)器14垂直的位于具有螺栓凹槽16在上部位置的底部固定設備中。將六角棒插入六角孔20中以將扭力桿調節(jié)器14定位。將伺服液壓控制型的100kN的傳動器定位以通過螺栓凹槽16施加負荷?？刂婆ちU調節(jié)器測試裝置以10Hz的速率施加從2300N-m至7500N-m的正弦扭矩直到載荷丟失。在表6中示出了扭力桿調節(jié)器疲勞測試的結果。
表6

B10壽命、中值壽命以及疲勞壽命的最低值到最高值的結果的范圍表明，本發(fā)明的MADI制成并通過本發(fā)明中的方法熱處理的扭力桿調節(jié)器14比現(xiàn)有技術的RDI和ADI構成的扭力桿調節(jié)器14具有改良的疲勞性能和破裂容限。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法生產(chǎn)的可加工等溫淬火鑄鐵件對于扭力桿調節(jié)器應用是理想的，其中扭力桿調節(jié)器14受到反復的負荷循環(huán)，即疲勞負荷。
進行銑削和鉆孔測試以依據(jù)現(xiàn)有技術中測量的BHN、UTS、YS和％E1的綜合性能檢驗可加工等溫淬火鑄鐵件的可加工性。銑削和鉆孔是可加工等溫淬火鑄鐵件加工中采用的兩個主要方法。經(jīng)常對可加工等溫淬火鑄鐵件進行大量地銑削和鉆孔。因此，可加工等溫淬火鑄鐵件必須有助于經(jīng)濟并機械可行地銑削和鉆孔以用在通常要求可加工等溫淬火鑄鐵件的大規(guī)模生產(chǎn)的機動車應用中。通常，可加工等溫淬火鑄鐵件的可加工性僅以％E1和BHN不能準確預測，盡管可加工等溫淬火鑄鐵件的％E1和BHN通常表明可加工等溫淬火鑄鐵件的相對可加工性。只有實際測試能可靠地測量可加工性。
對現(xiàn)有技術中的具有277BHN的布氏硬度的常規(guī)延性鐵件(RDI)，現(xiàn)有技術中的具有311BHN布氏硬度的常規(guī)等溫淬火延性鐵件(ADI)，以及本發(fā)明的具有302BHN布氏硬度的可加工等溫淬火鑄鐵件(MADI)進行銑削測試。使用了直徑為100mm的KennametalKSSR3.94-SE4-45-5右旋銑刀。在該右旋銑刀中使用了具有25微米磨緣的Kennametal插入件。該右旋銑刀具有45°螺旋角，-5°徑向前角以及20°軸向前角。切削深度保持在恒定的2.3mm。使用單個Kennametal KC520M插入件進行切削以增加磨損率并將不均勻切削的效果排除。銑削測試的結果在表7中示出。
表7

銑削測試表明本發(fā)明的MADI具有獨特的和意想不到的可加工性。發(fā)現(xiàn)隨著進給速度的增加，加工力首先增加然后減少。通過多次測試校驗加工力。由于MADI的加工硬化行為使加工力減少。然而，可以利用MADI的可加工性增加生產(chǎn)率并降低用在MADI上的銑削工具的磨損。
對現(xiàn)有技術中的具有277BHN布氏硬度的RDI，現(xiàn)有技術中的具有311BHN布氏硬度的ADI，以及本發(fā)明的具有302BHN布氏硬度的MADI進行鉆孔測試。使用了具有TiAIN覆層，130°頂角，30°螺旋角，60°前角和1.97mm的腹板厚度的Kennametal級別為KC7210的鉆孔機。使用了Kistler9272A機械加工測力計來測量在不同進給速率和鉆孔速度下的扭矩和推力。機械加工測力計施加的壓電信號被放大，并使用Labview軟件收集數(shù)據(jù)。使用2000Hz采樣率。測試的結果在表8中示出。
表8

鉆孔測試表明，當鉆孔速度增加而進給速率保持恒定時，本發(fā)明的MADI推力值增加或增加然后平穩(wěn)。當鉆孔速度增加而進給速率保持恒定時，扭矩值增加然后減小。MADI在較高速度下進行測試，表明適合需要鉆孔的應用。MADI的銑削和鉆孔測試結果MADI的可加工性比現(xiàn)有技術的RDI和ADI有了改進。
實施環(huán)境開裂測試以測試可加工等溫淬火鑄鐵件曝露于環(huán)境條件時抗開裂的性能?？杉庸さ葴卮慊痂T鐵件經(jīng)常要承受苛刻的環(huán)境條件。例如，扭力桿調節(jié)器和下控制臂以及發(fā)動機部件常常遭受潮濕、油泄漏和燃料溢出的情況。當遭受各種應變率時，比可加工等溫淬火鑄鐵件干燥時具有更高的開裂速率。因此，可加工奧氏體鑄鐵件必須對環(huán)境開裂具有充分的抵抗性，從而在這種情況下能經(jīng)濟并機械可行地用于機動應用中。
在本發(fā)明的具有243BHN布氏硬度的可加工等溫淬火鑄鐵件(MADI)，現(xiàn)有技術的常規(guī)延性鐵(RDI)以及現(xiàn)有技術的常規(guī)等溫淬火延性鐵(ADI)的樣品上實施抗環(huán)境開裂的測試。所述樣品會遭受各種類型的流體，包括水、新鮮的潤滑油、使用過的潤滑油和柴油。然后所述樣品遭受各種應變速率。測量這些樣品在各種條件下的％E1、UTS和YS，以確定樣品的性能保持如何。測試的結果在表9中示出。
表9

抗環(huán)境開裂的測試的結果表明，可加工等溫淬火鑄鐵件比常規(guī)等溫淬火延性鐵在殘留％E1和UTS方面更好?？杉庸さ葴卮慊痂T鐵件在保持UTS和YS方面比常規(guī)延性鐵更好。此外，可加工等溫淬火鑄鐵件在任一的這些測試中沒有明顯的％E1、UTS或YS損失。因此，可加工等溫淬火鑄鐵比常規(guī)延性鐵和常規(guī)等溫淬火延性鐵表現(xiàn)出改良的抗環(huán)境開裂性能。
明顯的是，根據(jù)上述說明可對本發(fā)明作出許多修改和變化。也可不同于特別描述的內(nèi)容，在所附加的權利要求的范圍內(nèi)實施本發(fā)明。
權利要求
1.一種從包括碳、硅、鎳、銅和鉬的，并具有基本上珠光體顯微組織的鐵組合物制造可加工等溫淬火鑄鐵件的方法，所述方法包括步驟在從1380°F至1500°F的臨界區(qū)溫度范圍將基本上珠光體的顯微組織奧氏體化至少10分鐘，以產(chǎn)生鐵素體加奧氏體顯微組織；以足以防止珠光體形成的速率將鐵素體加奧氏體顯微組織淬火；在從575°F到750°F的等溫淬火溫度范圍，將鐵素體加奧氏體顯微組織等溫淬火至少8分鐘，以產(chǎn)生等軸鐵素體連續(xù)基體伴隨奧氏體島的顯微組織；和將等軸鐵素體連續(xù)基體并伴隨奧氏體島的顯微組織冷卻到環(huán)境溫度，以產(chǎn)生具有改良的強度、可延性、可加工性、疲勞特性以及抗環(huán)境開裂性的可加工等溫淬火鑄鐵件。
2.如權利要求1所述的方法，進一步包括步驟，在奧氏體化之前，鑄造鐵組合物以產(chǎn)生具有至少80％珠光體的基本上珠光體的顯微組織。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，將基本上珠光體的顯微組織奧氏體化的步驟進一步限定為，在從1380°F至1472°F的臨界區(qū)溫度范圍將基本上珠光體顯微組織奧氏體化。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，將基本上珠光體的顯微組織奧氏體化的步驟進一步限定為，在從1380°F至1449°F的臨界區(qū)溫度范圍將基本上珠光體顯微組織奧氏體化。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，將基本上珠光體的顯微組織奧氏體化的步驟進一步限定為，將基本上珠光體顯微組織奧氏體化10至360分鐘。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，將鐵素體加奧氏體顯微組織等溫淬火的步驟進一步限定為，將鐵素體加奧氏體顯微組織等溫淬火8至1440分鐘。
7.如權利要求6述的方法，其特征在于，將鐵素體加奧氏體顯微組織等溫淬火的步驟進一步限定為，將鐵素體加奧氏體顯微組織等溫淬火60至180分鐘。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，將鐵素體加奧氏體顯微組織淬火的步驟進一步限定為，在5至180秒內(nèi)將鐵素體加奧氏體顯微組織淬火到從575°F至750°F的等溫淬火溫度范圍，以防止珠光體的形成。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，將鐵素體加奧氏體顯微組織淬火的步驟進一步限定為，在鹽浴中將鐵素體加奧氏體顯微組織淬火到等溫淬火溫度范圍。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，鹽浴包括硝酸鹽、亞硝酸鹽以及其組合的至少其中一種。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于，將鐵素體加奧氏體顯微組織淬火的步驟進一步限定為，在流化床中將鐵素體加奧氏體顯微組織淬火到等溫淬火溫度范圍。
12.如權利要求1所述的方法，其特征在于，將等軸鐵素體連續(xù)基體并伴隨奧氏體島的顯微組織冷卻到環(huán)境溫度的步驟進一步限定為，在空氣、油和水至少其中之一中將等軸鐵素體連續(xù)基體并伴隨奧氏體島的顯微組織冷卻到環(huán)境溫度。
13.如權利要求1所述的方法，其特征在于，可加工等溫淬火鑄鐵件是曲軸構件。
14.如權利要求1所述的方法，其特征在于，可加工等溫淬火鑄鐵件是底盤構件。
15.一種將包括碳、硅、鎳、銅和鉬的鐵組合物制成可加工等溫淬火鑄鐵件的方法，所述方法包括步驟在高于2200°F的溫度鑄造鐵組合物；將鐵組合物冷卻到1000°F至1340°F的溫度；將鐵組合物保持在1000°F至1340°F溫度至少8秒，以產(chǎn)生基本上珠光體顯微組織；將鐵組合物冷卻到環(huán)境溫度；將基本上珠光體顯微組織在從1380°F至1500°F的臨界區(qū)溫度范圍奧氏體化至少10分鐘，以產(chǎn)生鐵素體加奧氏體顯微組織；以足以防止珠光體形成的速率將鐵素體加奧氏體顯微組織淬火；在從575°F到750°F的等溫淬火溫度范圍將鐵素體加奧氏體顯微組織等溫淬火至少8分鐘，以產(chǎn)生等軸鐵素體連續(xù)基體伴隨奧氏體島的顯微組織；和將等軸鐵素體連續(xù)基體并伴隨奧氏體島的顯微組織冷卻到環(huán)境溫度，以產(chǎn)生具有改良的強度、可加工性、疲勞特性以及抗環(huán)境開裂性的可加工等溫淬火鑄鐵件。
16.如權利要求15所述的方法，其特征在于，將基本上珠光體顯微組織奧氏體化的步驟進一步限定為，在從1380°F至1472°F的臨界區(qū)溫度范圍將具有至少80％珠光體的基本上珠光體顯微組織奧氏體化。
17.如權利要求15述所的方法，其特征在于，將基本上珠光體顯微組織奧氏體化的步驟進一步限定為，在從1380°F至1449°F的臨界區(qū)溫度范圍將具有至少80％珠光體的基本上珠光體顯微組織奧氏體化。
18.如權利要求15所述的方法，其特征在于，將基本上珠光體顯微組織奧氏體化的步驟進一步限定為，將基本上珠光體顯微組織奧氏體化10至360分鐘。
19.如權利要求15所述的方法，其特征在于，將鐵素體加奧氏體顯微組織等溫淬火的步驟進一步限定為，將鐵素體加奧氏體顯微組織等溫淬火8至1440分鐘。
20.如權利要求19所述的方法，其特征在于，將鐵素體加奧氏體顯微組織等溫淬火的步驟進一步限定為，將鐵素體加奧氏體顯微組織等溫淬火60至180分鐘。
21.如權利要求15所述的方法，其特征在于，將鐵素體加奧氏體顯微組織淬火的步驟進一步限定為，在5至180秒內(nèi)將鐵素體加奧氏體顯微組織淬火到從575°F至750°F的等溫淬火溫度范圍，以防止珠光體的形成。
22.如權利要求15所述的方法，其特征在于，將鐵素體加奧氏體顯微組織淬火的步驟進一步限定為，在鹽浴中將鐵素體加奧氏體顯微組織淬火到等溫淬火溫度范圍。
23.如權利要求22所述的方法，其特征在于，鹽浴包括硝酸鹽、亞硝酸鹽以及其組合的至少其中一種。
24.如權利要求15所述的方法，其特征在于，將鐵素體加奧氏體顯微組織淬火的步驟進一步限定為，在流化床中將鐵素體加奧氏體顯微組織淬火到等溫淬火溫度范圍。
25.如權利要求15所述的方法，其特征在于，將等軸鐵素體連續(xù)基體并伴隨奧氏體島的顯微組織冷卻到環(huán)境溫度的步驟進一步限定為，在空氣、油和水至少其中之一中將等軸鐵素體連續(xù)基體并伴隨奧氏體島的顯微組織冷卻到環(huán)境溫度。
26.如權利要求15所述的方法，其特征在于，可加工等溫淬火鑄鐵件是曲軸構件。
27.如權利要求15所述的方法，其特征在于，可加工等溫淬火鑄鐵件是底盤構件。
28.一種可加工等溫淬火鑄鐵件，所述鑄件由下列步驟制成將具有基本上珠光體顯微組織的鐵組合物在從1380°F至1500°F的臨界區(qū)溫度范圍奧氏體化至少10分鐘，以產(chǎn)生鐵素體加奧氏體顯微組織；以足以防止珠光體形成的速率將鐵素體加奧氏體顯微組織淬火；在從575°F到750°F的等溫淬火溫度范圍，將所述鐵素體加奧氏體顯微組織等溫淬火至少8分鐘，以產(chǎn)生等軸鐵素體連續(xù)基體伴隨奧氏體島的顯微組織；和將所述等軸鐵素體連續(xù)基體并伴隨奧氏體島的所述顯微組織冷卻到環(huán)境溫度，以產(chǎn)生所述具有改良的強度、可延性、可加工性、疲勞特性以及抗環(huán)境開裂性的可加工等溫淬火鑄鐵件。
29.如權利要求28所述可加工等溫淬火鑄鐵件，其特征在于，所述基本上珠光體顯微組織包括至少80％珠光體。
30.如權利要求28所述可加工等溫淬火鑄鐵件，按重量百分比包括3.3-3.9％的碳，1.90-2.70％的硅，0.45-2.05％的鎳，0.55-1.05％的銅，0-0.20％的鉬，余量為鐵。
31.如權利要求30所述可加工等溫淬火鑄鐵件，其特征在于，所述工件具有在180至340BHN之間的布氏硬度。
32.如權利要求31所述可加工等溫淬火鑄鐵件，其特征在于，所述工件具有在50000至125000psi之間的屈服強度。
33.如權利要求32所述可加工等溫淬火鑄鐵件，其特征在于，所述工件具有在70000至170000psi之間的極限抗拉強度。
34.如權利要求33所述可加工等溫淬火鑄鐵件，其特征在于，所述工件具有在14％至22％之間的伸長率。
35.一種可加工等溫淬火鑄鐵組合物，所述組合物按重量百分比包括3.3-3.9％的碳，1.90-2.70％的硅，0.45-2.05％的鎳，0.55-1.05％的銅，0-0.20％的鉬，余量為鐵，所述組合物的特征在于，具有等軸鐵素體連續(xù)基體并伴隨奧氏體島的顯微組織，給所述組合物提供了改良的強度、可加工性、可延性、疲勞特性以及抗環(huán)境開裂性能。
36.如權利要求35所述可加工等溫淬火鑄鐵組合物，包括重量百分比為3.7％的碳，2.5％的硅，1.85％的鎳，0.85％的銅，0.05％的鉬，余量為鐵。
全文摘要
一種可加工等溫淬火鑄鐵件具有改良的強度、可延性、可加工性、疲勞性能以及抗環(huán)境開裂性能。一種制造可加工等溫淬火鑄鐵件的方法，包括在1380°F至1500°F的臨界區(qū)溫度范圍將基本上珠光體顯微組織奧氏體化。該步驟產(chǎn)生鐵素體加奧氏體顯微組織。將鐵素體加奧氏體顯微組織在3分鐘內(nèi)淬火到從575°F至750°F的等溫淬火溫度范圍以防止珠光體的形成。接著，將鐵素體加奧氏體顯微組織在從575°F至750°F的等溫淬火溫度范圍內(nèi)等溫淬火，以產(chǎn)生等軸鐵素體連續(xù)基體伴隨奧氏體島的顯微組織。最后，等軸鐵素體連續(xù)基體伴隨奧氏體島的顯微組織隨即被冷卻到環(huán)境溫度以生產(chǎn)可加工等溫淬火鑄鐵件。
文檔編號C21D1/20GK1688723SQ03823851
公開日2005年10月26日 申請日期2003年8月29日 優(yōu)先權日2002年9月4日
發(fā)明者A·P·德魯施特茲, D·C·菲茨杰拉德 申請人:英特米特公司