制造具有细化石墨的铸铁铸件的方法及悬架部件
技术领域
本公开涉及一种用于制造铸铁铸件的方法，并且更具体地，涉及一种用于车辆的悬架系统的悬架部件，该悬架部件由仅在需要机加工的区域具有局部改善的可加工性的铸铁铸件制成。
背景技术
通常，作为构成车辆中的悬架系统的主要部件的转向节由于臂(例如，控制臂或上臂/下臂)和稳定杆在转向节安装到车轮的状态下连接到转向节的特性而应具有必要的物理性能，包括优异的机械性能和优异的可加工性。满足转向节所需性能的示例包括铸铁铸件。
在背景技术中描述的内容是为了帮助理解本公开的背景，并且可能包括本公开所属领域的技术人员先前未知的内容。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种用于制造具有细化石墨的铸铁铸件的方法，该方法将铸铁铸件转变为奥氏体等温淬火球墨铸铁(ADI)，其强度和韧性由于在制造铸铁铸件时至少对熔汤两次涂覆接种剂(inoculant)获得的效果而降低了强度和韧性，从而提供优异的可加工性，并且由于局部可加工性增强结构仅限于需要机加工的部位，因此可以抑制由使用接种剂而导致的制造成本的增加，以提高产品竞争力。另外，本公开的另一方面提供了一种由通过上述方法制造的铸铁铸件制成的悬架部件。
本发明的又一方面提供了一种用于制造具有细化石墨的铸铁铸件的方法，该方法可以包括接种过程，其中将用于向原材料的原料熔汤添加接种剂的接种分为一次接种和二次接种，并且在原料熔汤固化之前进行这两次接种。
在一个实施例中，原材料可以为废铁、生铁、铁合金等，由此调整合金成分。
在一个实施例中，可以在包括原料熔汤的炉中进行接种剂的一次接种，并且可以在原料熔汤被注入到的模具中进行二次接种。一次接种中使用的接种剂的成分与二次接种中使用的接种剂的成分不同。
在一个实施例中，接种过程可以包括熔融过程和注入过程，熔融过程可以进行球化与一次接种，在球化中将球化剂注入原料熔汤中，在一次接种中，在原料熔汤固化之前将接种剂注入原料熔汤中，以在炉中将原料熔汤转变为接种熔汤，注入过程可以在进行用于将接种剂注入模具中的二次接种之后，注入接种熔汤，然后在模具中使接种熔汤固化，以将接种熔汤转变为铸铁铸件。
在一个实施例中，一次接种剂可以使用铁-硅(Fe-Si)作为接种剂，Fe-Si可以包括相对于原料熔汤的全部成分的0.3wt％至0.7wt％的Si，余量为Fe。
在一个实施例中，球化剂可以包括Fe或Fe-Mg铁合金。
在一个实施例中，二次接种剂可以使用铁-硅-铋(Fe-Si-Bi)作为接种剂，且Fe-Si-Bi可以包括相对于接种熔汤的全部成分的0.3wt％至0.7wt％的Si、0.2wt％至0.5wt％的Bi，余量为Fe。
在一个实施例中，二次接种可以在铸铁铸件上的机加工部分上进行，机加工部分可以在铸铁铸件的整个区域的一部分上形成。
在一个实施例中，可以在注入接种剂或注入球化剂之前确定调节原料熔汤的成分的必要性。
在一个实施例中，当铸铁铸件在模具中完全固化时，可以将铸铁铸件从模具取出，然后可以对铸铁铸件进行热处理，以将铸铁铸件转变为奥氏体等温淬火球墨铸铁(ADI)。
在一个实施例中，热处理可以是奥氏体等温淬火热处理。
在一个实施例中，奥氏体等温淬火球墨铸铁可以被机加工成悬架系统的转向节。
本发明的再一方面提供一种悬架部件，该悬架部件可以包括转向节，该转向节通过以下方式形成：使用Fe-Si作为接种剂对熔汤进行一次接种并使用Fe或Fe-Mg铁合金作为球化剂对熔汤进行球化，使用Fe-Si-Bi作为接种剂对熔汤进行二次接种并在固化状态下对熔汤进行奥氏体等温淬火热处理以将熔汤转变为奥氏体等温淬火球墨铸铁(ADI)，并对奥氏体等温淬火球墨铸铁的整个区域的通过二次接种具有细化石墨的机加工部分进行机加工。
在一个实施例中，在奥氏体等温淬火球墨铸铁中，机加工部分的球状石墨的平均尺寸可以为30μm以下，每单位面积(1mm2)的石墨颗粒的数量可以为310至450，并且与机加工部分不同的非机加工部分的球状石墨的平均尺寸可以为40至50μm，每单位面积(1mm2)的石墨颗粒的数量可以为320至350。
在一个实施例中，机加工部分的球化率可以为65％至75％，非机加工部分的球化率可以为61％至64％。
附图说明
图1是简要地示出适用于悬架部件的根据本公开的用于制造具有细化石墨的铸铁铸件的方法的示意图。
图2是示出本公开的具有细化石墨的铸铁铸件通过降低强度和韧性而转变成具有改善的可加工性的奥氏体等温淬火球墨铸铁(ADI)的状态的视图。
图3是示出本公开的ADI被加工以制造为悬架部件的转向节的状态的视图。
图4是通过光学显微镜拍摄的根据本公开的示例3的非机加工部分中的球状石墨铸铁(ferrum casting ductile,FCD)的基体组织(matrix)的照片。
图5是通过光学显微镜拍摄的根据本公开的示例3的通过奥氏体等温淬火热处理形成的奥氏体等温淬火球墨铸铁(ADI)的非机加工部分中的基体组织的照片。
图6是通过光学显微镜拍摄的根据本公开的示例3的球状石墨铸铁(FCD)的机加工部分中的基体组织的照片。
图7是通过光学显微镜拍摄的根据本公开的示例3的通过奥氏体等温淬火热处理形成的奥氏体等温淬火球墨铸铁(ADI)的机加工部分中的基体组织的照片。
图8是通过光学显微镜拍摄的本公开的当在用于制造奥氏体等温淬火球墨铸铁的方法中仅对模具进行二次接种时奥氏体等温淬火球墨铸铁的机加工部分中的基体组织的照片。
图9是示出包括根据本公开的示例3制造的奥氏体等温淬火球墨铸铁的产品的机加工部分中的机械可加工性的测量结果的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将描述用于制造具有改善的可加工性的奥氏体等温淬火球墨铸铁(ADI)的方法以及由此制造的奥氏体等温淬火球墨铸铁的产品。
同时，本文所使用的术语“包括”或“添加”不应被解释为必须包括说明书中所描述的各种元素或步骤，而应被解释为可能不包括这些元件或步骤中的某些元素或步骤，并被解释为可以进一步包括其它元素或步骤。
另外，在本公开的用于制造奥氏体等温淬火球墨铸铁(ADI)的方法中，术语“接种”是指为了形成石墨形状和微观组织而向原料熔汤中添加接种剂以均质化基体组织的过程。
在实施例中，满足转向节所需性能的材料包括各种铸铁铸件中的奥氏体等温淬火球墨铸铁(ADI)。
ADI是通过使用球状石墨铸铁(FCD)制造铸铁铸件，然后通过热处理(例如，奥氏体等温淬火)改善铸铁铸件内部的基体组织以利用奥氏体等温淬火增强FCD的性能而获得的结构。
因此，ADI具有铁素体和珠光体的混合结构作为基体组织，因此ADI可以通过奥氏体等温淬火获得的贝氏体基体组织来克服具有比诸如碳钢、合金钢和锻钢的钢材低的强度和耐磨性的FCD的缺点。因此，与FCD相比，ADI在延展性、韧性、疲劳强度和耐磨性以及高强度方面均具有优异的机械性能。
因此，ADI可以用作适用于转向节的应满足优异的可加工性以及优异的机械性能的材料。
然而，由于ADI的贝氏体基体组织的高强度和韧性导致较差的可加工性，因此利用ADI无法满足转向节所需的可加工性。
由于这个原因，可以尝试开发各种技术来改善ADI的较差的可加工性。在一些实施例中，可以使用昂贵的元素。但是，使用昂贵的元素可能增加成本。
参照图1，在一个实施例中，用于制造具有细化石墨的铸铁铸件的方法通过熔解过程S10、熔融过程S20、注入过程S30、后处理过程S40和产品制造过程S50来实现。具体地，参照图2描述上述S10至S40的熔解/熔融/注入/后处理过程。
特别地，将熔融过程S20和注入过程S30专门用作接种过程，将添加到原材料的熔汤中的接种剂分为一次接种剂和二次接种剂，并且在熔汤固化之前，进行两次接种。
作为一个示例，在熔解过程S10中，根据目标合金成分计量原材料，然后在炉1(例如，电炉或高炉)中熔解原材料。为此，在熔解过程S10中，如在目标合金成分设置和计量步骤S11中，通过废金属、生铁、铁合金等调整原材料的合金成分，并且如在炉中引入和熔解步骤S12中，计量的原材料被引入到炉1中并在炉1中熔解。因此，在熔解过程S10中，得到了S13中的原料熔汤10-1(S13)。
作为一个示例，在熔融过程S20中，通过成分分析仪进行微成分调整，并进行接种和球化处理等，以调整石墨的形状。在这种情况下，将上述接种称为一次接种，以将该接种与注入过程S30中的接种区分开。
为此，在熔融过程S20中，如在精细成分调整步骤S21中，通过成分分析仪3对原料熔汤10-1的成分进行精细调整，并且如在一次接种步骤S22中，通过接种剂对包括在炉1中的原料熔汤10-1进行接种。如在球化步骤S23中，将球化剂添加到包括在炉1中的原料熔汤10-1中，以将石墨的形状调整为球形。在这种情况下，一次接种步骤S22和球化步骤S23可以通过在注入接种剂之后注入球化剂或在注入球化剂之后注入接种剂来实现。
因此，在所述熔融过程S20中，得到了通过对原料熔汤10-1进行石墨球化而完全均质化的、具有球状石墨的接种熔汤10-2。
在这种情况下，成分分析仪3测量熔汤中的成分，是能够特定地调节原料成分的含量比的设备。
特别地，优选使用铁(Fe)或铁-镁(Fe-Mg)铁合金作为球化剂，并且在Fe-Mg铁合金的球化剂的情况下，优选添加相对于原料熔汤10-1的总重量的0.015wt％以上的Mg，余量为Fe。在此，Mg的含量不特别限于上述含量。一次接种剂优选由铁-硅(Fe-Si)组成，并且一次接种剂的量没有特别限制。但是，优选包括相对于原料熔汤10-1的全部成分的0.3wt％至0.7wt％的Si，余量为Fe。在这种情况下，相对于整个铸造产品，Si的含量被调节为2.0wt％至3.0wt％。
作为一个示例，在注入过程S30中，根据炉1的移动准备模具5，并在注入接种熔汤10-2之前在模具5中进行接种。在这种情况下，将该接种称为二次接种，以将该接种与在熔融过程S20中进行的接种区分开。特别地，二次接种部分地进行以适配模具5的产品形状(例如，图3所示的转向节10)。在此，适配产品形状的部分是执行诸如铣削、钻孔和铰孔的机械加工过程的机加工部分，并且除机加工部分之外不进行机加工过程的部分是非机加工部分并与机加工部分区分。
为此，在注入过程S30中，如在将熔汤移动到接种熔汤模具的步骤S31中，设置注入炉1的接种熔汤10-2的模具5，并且如在接种部位选择步骤S32中，选择需要二次接种的机加工部分，并且如在二次接种步骤S33中，利用接种剂对模具5的二次接种选择部分进行接种。最后，如在固化步骤S34中，将接种熔汤10-2注入模具5中后进行冷却。
因此，在注入过程步骤S30中，得到了冷却至室温的铸铁铸件10-3。在这种情况下，铸铁铸件10-3是球状石墨铸铁(FCD)，并且特别地，二次接种剂在机加工部分熔解在原料熔汤中，该机加工部分是涂覆二次接种剂的部位，从而通过将局部组织的球状石墨微粉化，将铸铁铸件制成具有细化石墨的铸铁铸件。作为一个示例，铸铁铸件10-3的机加工部分中的石墨的尺寸为30μm以下，而非机加工部分中的石墨的尺寸为60μm以下，并且假定非机加工部分的可加工性为100％(标准)，机加工部分的可加工性提高到120％。在这种情况下，100％的可加工性表示使用机床机加工金属材料的难易程度的基准值，通常表示每单位时间的切削深度(cm/分钟)。
特别地，二次接种剂是能够在基体组织中进行球状石墨的微粉化以提高机械可加工性的接种剂。
优选地，二次接种剂包括Fe-Si-Bi。在由Fe-Si-Bi构成的二次接种剂中，优选包括相对于接种熔汤10-2的全部成分的0.3wt％至0.7wt％的Si、0.2wt％至0.5wt％的铋(Bi)，余量为Fe。在一个实施例中，在由Fe-Si-Bi构成的二次接种剂中，优选包括相对于接种熔汤10-2的全部成分的0.4wt％的Si，包括相对于接种熔汤10-2的全部成分的0.4wt％的Bi，余量为Fe。在这种情况下，相对于整个铸造产品，Si的含量被调节为2.0wt％至3.0wt％。
作为一个示例，在后处理过程S40中，通过奥氏体等温淬火热处理将从模具5取出的铸铁铸件10-3转变为奥氏体等温淬火球墨铸铁10-4。
为此，在后处理过程S40中，如在模具取出步骤S41中，从模具5取出冷却的铸铁铸件10-3，并且如在热处理步骤S42中，对铸铁铸件10-3进行奥氏体等温淬火热处理。因此，在后处理过程S40中，得到了奥氏体等温淬火球墨铸铁10-4。在这种情况下，由于热处理效果，奥氏体等温淬火球墨铸铁10-4的非机加工部分的可加工性提高了20％，而通过热处理的效果，机加工部分的可加工性提高了70％。
特别地，作为一个实施例，在用于制造奥氏体等温淬火球墨铸铁10-4的奥氏体等温淬火热处理方法中，将作为球状石墨铸铁的铸铁铸件10-3热处理至进行奥氏体化的规定温度，然后冷却以进行贝氏体化，并保持等温状态以在材料表面上稳定地形成贝氏体组织，从而可以制造奥氏体等温淬火球墨铸铁。此时，可以在890℃至930℃的温度范围内进行热处理1至10分钟。
上述奥氏体等温淬火热处理方法不仅限于上述方法，并且可以通过改变温度和时间范围条件而用作用于制造奥氏体等温淬火球墨铸铁10-4的各种方法。
具体地，参照图3描述S50的产品制造过程如下。
作为一个示例，在产品制造过程S50中，使用奥氏体等温淬火球墨铸铁10-4制备产品。为此，在产品制造过程S50中，如在对奥氏体等温淬火球墨铸铁进行机加工的步骤S51中，采用铣削、钻孔或铰孔工艺来根据设计形状对必要的表面/孔/螺纹进行机加工，从而在步骤S52中得到悬架部件。
在这种情况下，制造了作为所述悬架部件的转向节10。
在下文中，参照示例和比较例详细描述本公开。这些示例和比较例仅是示例性的，并且可以由本公开所属领域的技术人员以各种不同的形式来实现，因此本公开不局限于本文所描述的这些示例。另外，在以下的说明中，炉1包括电炉和高炉，但被描述为高炉，将原料熔汤10-1和接种熔汤10-2统一称为原料熔汤，并且将铸铁铸件10-3和奥氏体等温淬火球墨铸铁10-4统一称为球状石墨铸铁。另外，Fe-Si和Fe-Si-Bi各自的wt％含量的指示表示Si和Bi相对于被认为是100％的熔汤的全部成分的wt％，余量为铁。
在示例1中，将由0.015wt％以上的Mg和余量的Fe的Fe-Mg铁合金组成的球化剂和由Fe-Si组成的一次接种剂添加到高炉中熔融的原料熔汤中以制造石墨球化的原料熔汤，并将如上制备的原料熔汤注入到模具中，在该模具中由0.4wt％的Fe-Si和0.1wt％的Bi组成的Fe-Si-Bi作为二次接种剂仅被局部涂覆在机加工部分。然后，对由所制备的球状石墨铸铁制成的产品进行奥氏体等温淬火热处理。
示例2以与示例1相同的方式进行，不同之处在于，将由0.4wt％的Fe-Si和0.2wt％的Bi组成的Fe-Si-Bi用作二次接种剂。
示例3以与示例1相同的方式进行，不同之处在于，将由0.4wt％的Fe-Si和0.4wt％的Bi组成的Fe-Si-Bi用作二次接种剂。
示例4以与示例1相同的方式进行，不同之处在于，将由0.4wt％的Fe-Si和0.5wt％的Bi组成的Fe-Si-Bi用作二次接种剂。
在比较例1中，将由0.015wt％以上的Mg和余量的Fe的Fe-Mg铁合金组成的球化剂添加到在高炉中熔融的原料熔汤中，原料熔汤利用由Fe-Si组成的接种剂一次接种以进行球化，然后再次利用由Fe-Si组成的接种剂二次接种，以制备原料熔汤并将其注入模具中。然后，对由所制备的球状石墨铸铁制成的产品进行奥氏体等温淬火热处理。
比较例2以与比较例1相同的方式进行，不同之处在于，将由0.4wt％的Fe-Si和0.4wt％的Bi组成的Fe-Si-Bi用作二次接种剂。
比较例3以与比较例1相同的方式进行，不同之处在于，将由0.4wt％的Fe-Si作为二次接种剂涂覆在模具上。
对从距在示例1至4和比较例1至3中分别制备的奥氏体等温淬火球墨铸铁(ADI)的机加工部分和非机加工部分的表面的距离为10mm的点获取的每个测试样品的球化率、石墨的平均尺寸、石墨的表面积、石墨颗粒的数量的物理性能进行了评价，并且测量结果示于下面的表1和表2中。在这种情况下，可以通过各种方法测量球化率(％)、石墨的平均尺寸(μm)和石墨颗粒的数量(数量/mm2)，但是采用了通过KS D 4302：2011获得的球化率的值、通过ISO 945-1：2008获得的石墨的平均尺寸的值和通过ISO 945-1：2008获得的石墨颗粒的数量的值。特别地，如在表1的示例1和表2的示例1中所见，铋(Bi)的含量超出本公开的应用范围，石墨尺寸的差异受到铋(Bi)含量的差异的影响。
表1
表2
表3
施加的接种剂：0.4wt％的Fe-Si+0.4％的Bi，模具铸件的重量：每个5kg
特别地，表3示例性地表示如下效果：形成微观组织的深度根据局部进行二次接种时所涂覆的接种剂的量(然而，可以根据部件的厚度的不同而可变地施加)来确定，并且当涂覆20g以上的接种剂时，由于形成20mm以上的微观组织，因此根据形状，整个深度都形成微石墨。
此外，利用光学显微镜确认了分别通过示例3和比较例3中的制造方法制造的球状石墨铸铁(FCD)或球墨铸铁的基体组织以及通过对球状石墨铸铁进行奥氏体等温淬火热处理而制造的奥氏体等温淬火球墨铸铁(ADI)的基体组织，其结果示于图4至图6中。
图4是通过光学显微镜拍摄的本公开的示例3中制造的球状石墨铸铁(FCD)的非机加工部分的基体组织的照片。在基体组织中，基体组织由铁素体和珠光体的混合结构组成，石墨尺寸为40至60μm，抗拉强度为约500MPa。在这种情况下，500MPa的抗拉强度示例性地表示了通过KS B 0802：2003测量的测量值。
图5是通过光学显微镜拍摄的本公开的示例3中通过奥氏体等温淬火热处理形成的奥氏体等温淬火球墨铸铁的非机加工部分的基体组织的照片。从该基体组织中，可以确认石墨尺寸为40至60μm，与进行热处理之前的石墨尺寸相同，但是基体组织转变为贝氏体，从而形成具有约1000MPa的高抗拉强度的奥氏体等温淬火球墨铸铁。
图6是通过光学显微镜拍摄的本公开的示例3中制造的球状石墨铸铁的机加工部分的基体组织的照片。从该基体组织中，可以确认形成了球化率为70％、石墨尺寸为30μm以下的微石墨。
图7是通过光学显微镜拍摄的本公开的示例3中通过奥氏体等温淬火热处理形成的奥氏体等温淬火球墨铸铁的机加工部分的基体组织的照片。从该照片中，可以确认石墨尺寸为30μm以下，与热处理前相同。
图8是通过光学显微镜拍摄的本公开的用于制造奥氏体等温淬火球墨铸铁的方法中，在高炉中熔融的原料熔汤中不添加由Fe-Si组成的一次接种剂的情况下，将制造的原料熔汤注入涂覆有由0.4wt％的Fe-Si和0.4wt％的Bi组成的二次接种剂的模具中并进行奥氏体等温淬火热处理而形成的奥氏体等温淬火球墨铸铁的基体组织的照片。
如图8所示，可以确认，在不接种一次接种剂而仅利用二次接种剂对模具进行接种时，原料熔汤中的石墨的生成较差，在深部中无法适当地形成球状石墨。
从以上结果可以确认，只有同时进行熔汤中的一次接种和模具中的二次接种，才能制造出具有稳定地形成的基体组织并具有提高的可加工性的奥氏体等温淬火球墨铸铁。
图9是示出根据本公开的示例3制造的奥氏体等温淬火球墨铸铁铸件的机加工部分中的机械可加工性的测量结果的曲线图。此时，基于在奥氏体等温淬火热处理之前对球状石墨铸铁的铣削、钻孔和铰孔的可加工性被认为是100％，评估了可加工性。
如图9所示，在进行了奥氏体等温淬火热处理后的传统的奥氏体等温淬火球墨铸铁的情况下，将进行奥氏体等温淬火热处理前的球状石墨铸铁的可加工性视为基准100％，在全部机加工工序中的可加工性为约20％，因此可加工性没有显著提高。然而，在进行奥氏体等温淬火热处理之后，本公开的奥氏体等温淬火球墨铸铁在铣削、钻孔和铰孔的所有工艺中均表现出60％以上的可加工性，从而可以确认可加工性得到改善。
根据如上所述的根据本公开的用于制造细化石墨铸铁铸件的方法，因为由于由注入不同接种剂引起的细化石墨而具有降低的强度和韧性的奥氏体等温淬火球墨铸铁由铸铁铸件制成，所以优点在于，奥氏体等温淬火球墨铸铁具有悬架系统的转向节所需的优异的可加工性，并且由于低成本而提高了产品竞争力。
此外，根据本公开的用于制造奥氏体等温淬火球墨铸铁的方法，通过在模具的机加工部分上施加二次接种剂，在机加工部分上局部形成30μm以下的微石墨，相对于未形成微石墨的球状石墨铸铁的100％的可加工性，机加工部分的可加工性提高至120％。另外，当通过称为“奥氏体等温淬火”的热处理形成奥氏体等温淬火球墨铸铁时，机加工部分的可加工性保持在约70％。因此，具有的效果是，与传统的奥氏体等温淬火球墨铸铁的约20％的可加工性相比，可加工性得到了极大的改善。
另外，由于本公开的用于制造奥氏体等温淬火球墨铸铁的方法不使用诸如镍(Ni)的昂贵金属作为二次接种剂，而是使用铋(Bi)，因此在大量生产产品时，存在可以降低制造成本的可能性。
尽管以应用于各个实施例的本公开的新颖特征为重点描述了本公开，但是对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行上述装置和方法的形式和细节上的各种删除、替换和改变。因此，本公开的范围由所附权利要求书而不是由前述描述限定。在所附权利要求书的等同范围内的所有修改都包括在本公开的范围内。
