碳含量對(duì)TU5JP4灰鑄鐵冷激凸輪軸鑄造彎曲變形和氣孔的影響

沈保羅，李 莉，張 昊

（1.四川大學(xué)，四川成都 610064；2.成都金頂凸輪軸鑄造有限公司，四川郫縣 611732）

1 前言

冷激凸輪軸是一種細(xì)長(zhǎng)的桿狀零件，鑄造后常常出現(xiàn)彎曲變形。若彎曲變形超過1mm,則凸輪軸就要報(bào)廢。盧勤杰等人[1]曾經(jīng)就Cr-Ni-Cu合金灰鑄鐵凸輪軸的彎曲變形做過深入研究；他的研究表明，如果保證做到以下八點(diǎn)：

①?gòu)脑牧祥_始控制，各種原材料均應(yīng)符合要求。進(jìn)入爐內(nèi)的回爐料中Fe3C組織盡可能少，新生鐵不允許含有白口組織；

②強(qiáng)化配料計(jì)算，強(qiáng)調(diào)計(jì)算準(zhǔn)確，強(qiáng)化熔煉工操作技能，盡可能縮短熔煉時(shí)間，確保得到低應(yīng)力鑄鐵；

③堅(jiān)持高w(C)低w(Si)，采用高CE的近共晶亞共晶化學(xué)成分。CE在4.0%～4.2%為好，w(C)以3.5%左右為佳；

④密切注意w(S)的變化，堅(jiān)持適當(dāng)?shù)膚(S)量，確保孕育有效；

⑤堅(jiān)持低硅孕育量，采用高效復(fù)合孕育劑。既要降低應(yīng)力，又要保證孕育效果；

⑥合理設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，盡量減小澆注系統(tǒng)凝固引起的應(yīng)力；

⑦從覆膜砂進(jìn)場(chǎng)開始控制，強(qiáng)化制殼操作，保證型殼自身變形量比較低；

⑧強(qiáng)化合箱組型工藝，采用鑄鐵夾板，將砂型的變形量降到最低。采取上述措施后，跳動(dòng)超差超過1mm的凸輪軸數(shù)量可以降低到3%以下。

但是3%的跳動(dòng)超差廢品率對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)日益加劇的凸輪軸鑄造毛坯生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，也是不可接受的。

此外，凸輪磨削后常?？梢砸姷狡は麓髿饪?，對(duì)于這種冷激面下出現(xiàn)的皮下氣孔，有人已經(jīng)進(jìn)行了分析和討論并取得較好的效果[2-3]，下面就介紹我們降低凸輪軸彎曲變形率和皮下氣孔的做法。

2 試驗(yàn)方法

2.1 制殼

采用覆膜砂和翻斗制殼機(jī)通過二次覆砂的方法制備覆膜砂殼型，殼型厚度10mm～20mm。采用水平分型和臥澆的方法澆注凸輪軸。

2.2 鑄鐵熔煉和澆注

鐵液在GW型500kg無(wú)芯中頻感應(yīng)電爐中熔煉，爐襯材料為石英砂。用山西球鐵生鐵、廢鋼、75Si-Fe、錳鐵、回爐料、電解銅、增硫劑和石墨增碳劑等原料調(diào)整鐵液的化學(xué)成分，用德國(guó)OBLF光譜儀分析化學(xué)成分。該灰鑄鐵凸輪軸技術(shù)要求的化學(xué)成分見表1。熔煉溫度為1560℃～1580℃，鐵液出爐溫度為1540℃～1560℃,用75SiFe作孕育劑，分別在600kg的中轉(zhuǎn)包和150kg的澆包中進(jìn)行孕育處理，75SiFe加入量為0.1%～0.3%（根據(jù)凸輪軸需要的白口深度進(jìn)行調(diào)整）。用覆膜砂殼型澆注凸輪軸，澆注溫度為1380℃～1400℃，澆注后約1h打箱取件，凸輪軸的溫度約200℃左右。

表1 TU5JP4灰鑄鐵凸輪軸的化學(xué)成分（%）

2.3 改進(jìn)思路

TU5JP4灰鑄鐵凸輪軸中除Si、Mn外幾乎不含其它合金元素。為了使該凸輪軸有較高珠光體含量以便保證凸輪軸有較高的強(qiáng)度,在開發(fā)該凸輪軸的初期我們?cè)谄渲屑尤?.3%～0.4%Cr，用戶反映凸輪的磨削性能較差，為了改善磨削性能被迫取消了鉻的加入。為了保證凸輪軸軸頸的硬度達(dá)到用戶要求的170HB以上，在凸輪軸中加入了適量的銅和錫，經(jīng)用戶大批量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不但加工凸輪軸中間的識(shí)別軸頸時(shí)，偶爾有打刀的現(xiàn)象，而且料廢達(dá)不到用戶要求的0.8%以下，料廢中激冷凸輪的皮下氣孔占70%（圖 1）。

圖1 凸輪磨削后顯現(xiàn)的氣孔

分析認(rèn)為，凸輪軸變形是由于凸輪軸中存在殘余應(yīng)力引起的。鑄造殘余應(yīng)力是鑄件在冷卻過程中，當(dāng)溫度降至塑—彈性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間后，由于各部溫度的差異導(dǎo)致收縮的不一致而產(chǎn)生的。在應(yīng)力的形成過程中，同時(shí)進(jìn)行著應(yīng)力的增長(zhǎng)與松弛，當(dāng)各部溫度達(dá)到一致，應(yīng)力增加停止，但松弛仍在繼續(xù)進(jìn)行。在碳當(dāng)量相同的情況下，彈性模量是影響殘余應(yīng)力的重要因素，而殘余應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度并無(wú)直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。彈性模量主要取決于石墨的數(shù)量和形態(tài)，而基體是不敏感因素，合金元素對(duì)彈性模量的影響也不大。因此，通過降低塑—彈性轉(zhuǎn)變溫度，提高鑄鐵的導(dǎo)熱性能，研究并改變線收縮狀態(tài)，以及改變基體組織，是可以生產(chǎn)出高強(qiáng)度低應(yīng)力鑄鐵的。一般認(rèn)為，材料的線膨脹系數(shù)越小，在溫度變化時(shí)，其收縮也越小。對(duì)于灰鑄鐵而言，碳含量是影響線膨脹系數(shù)的最主要因素。因?yàn)樘荚谀踢^程中主要轉(zhuǎn)變成石墨，由于石墨的熱膨脹系數(shù)僅2%左右，遠(yuǎn)低于基體的熱膨脹系數(shù)，故石墨增多會(huì)使鑄鐵的凝固收縮大大減少，從而降低鑄鐵的彎曲變形。

碳的另一個(gè)特點(diǎn)是，碳含量增加會(huì)使鑄鐵的整體凝固時(shí)間延后，鐵液中的氣體就更容易在鐵液凝固成固體前析出而不致于產(chǎn)生皮下氣孔。這也就是高碳含量鑄鐵不容易產(chǎn)生皮下氣孔的原因。

3 試驗(yàn)結(jié)果

我們將碳含量分成兩組，一組含碳量控制在3.4%～3.6%（稱為低碳含量組,見表2），另一組含碳量控制在3.6%～3.7%（稱為高碳含量組,見表2），統(tǒng)計(jì)18萬(wàn)余只凸輪軸的結(jié)果見表3。由表3可見，高碳含量組凸輪軸的氣孔率和過彎率都低于低碳含量組。這個(gè)事實(shí)說(shuō)明，提高TU5JP4灰鑄鐵凸輪軸的碳含量具有明顯作用。用戶的考核也表明，高碳含量組凸輪軸的料廢比例已經(jīng)下降到0.8%以下。A班氣孔降低35.1%，過彎率降低28.6%；B班氣孔降低42.2%，過彎率降低27.9%。

表2 TU5JP4灰鑄鐵凸輪軸的化學(xué)成分（%）

表3 碳含量對(duì)TU5JP4灰鑄鐵凸輪軸質(zhì)量的影響（%）

鑄造殘余應(yīng)力的影響因素很多，諸如碳當(dāng)量、石墨形狀、合金元素、孕育情況、基體組織、線收縮狀態(tài)、導(dǎo)熱性能、彈性模量和塑彈性轉(zhuǎn)變溫度等，在這眾多的因素中，有的在降低應(yīng)力和提高強(qiáng)度方面的影響是一致的，有的僅對(duì)其中一方面影響較為明顯，也有一些尚待進(jìn)一步研究。這就為我們生產(chǎn)高強(qiáng)度低應(yīng)力鑄鐵提供了可能。在碳當(dāng)量相同的情況下，彈性模量是影響殘余應(yīng)力的重要因素，而殘余應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度并無(wú)直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。彈性模量主要取決于石墨的數(shù)量和形態(tài)，而基體是不敏感因素，合金元素對(duì)彈性模量的影響也不大。因此，通過降低塑—彈性轉(zhuǎn)變溫度，提高鑄鐵的導(dǎo)熱性能，研究并改變線收縮狀態(tài)，以及改變基體組織，是可以生產(chǎn)出高強(qiáng)度低應(yīng)力鑄鐵的。

[1]盧勤杰，葛輝，寧葆長(zhǎng).冷激鑄鐵凸輪軸變形的原因和消除方法[J].現(xiàn)代鑄鐵，2008，(4)：65-69.

[2]盧勤杰，盧金鐸，葛輝.冷激鑄鐵凸輪軸激冷層氣孔缺陷及對(duì)策[J].現(xiàn)代鑄鐵，2008，(3):69-73.

[3]李平，蔡啟舟，魏伯康，等.凸輪軸激冷面氣孔成因及防止方法的探討[J].現(xiàn)代鑄鐵，2002，(4)：35-38.

[4]李龍城,高瑛,張鍵.提高鑄鐵性能的新途徑—介紹高強(qiáng)度低應(yīng)力鑄鐵[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床,1984,(10)：20-24，30.

[5]北京機(jī)床研究所，北京鋼鐵學(xué)院冶金系，寧江機(jī)床廠.機(jī)床用低應(yīng)力鑄鐵[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),1987,(S3):32.

[6]北京鋼鐵學(xué)院冶金系,北京第一機(jī)床廠.低應(yīng)力灰鑄鐵的研究和應(yīng)用[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),1987,(S3):33.

[7]北京市低應(yīng)力鑄鐵聯(lián)合研制組,北京重型機(jī)器廠鑄造車間.低應(yīng)力鑄鐵在重型鑄件上的應(yīng)用[J].機(jī)械工人.熱加工,1987,(10):19-34.

[8]鐘雪友,鐘偉珍.低應(yīng)力高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵[J].機(jī)械工人.熱加工,1987,(11)-1988,(2).

[9]趙維民,朱述曾,孫克成,等.低應(yīng)力鑄鐵機(jī)械性能與機(jī)加工性能改善機(jī)理的探討[J].現(xiàn)代鑄鐵,1991,(4)：17-20.

[10]趙西平.高強(qiáng)度低應(yīng)力鑄鐵及其形成機(jī)理的研究[J].鑄造技術(shù),1993,(5)：8-11.

[11]高恒森.高強(qiáng)度低應(yīng)力耐磨鑄鐵的研制與應(yīng)用 [J].鑄造,1994,(7)：34-36.

[12]孫宇寧.低應(yīng)力高強(qiáng)度鑄鐵生產(chǎn)機(jī)床床身件[J].現(xiàn)代鑄鐵,1995,(4)：51-52.

[13]李升，徐掌印，王軍,等.用低應(yīng)力鑄鐵生產(chǎn)鋁錠模[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù),1996,(4)：42-43.

[14]梁純之，趙西平.關(guān)于高強(qiáng)度低應(yīng)力鑄鐵[J].紡織機(jī)械,1996,(6):51-53.

[15]趙西平,梁純之.低應(yīng)力灰鑄鐵[J].現(xiàn)代鑄鐵,1996,(4);29-30.

[16]馬韶興，胡玲海，陳貴庭.高強(qiáng)度低應(yīng)力鑄鐵的研究及應(yīng)用[J].汽車工藝與材料,1997,(5):28-31.

[17]馮英宇.高強(qiáng)度低應(yīng)力鑄鐵在壓縮機(jī)鑄件上的應(yīng)用[J].職大學(xué)報(bào),2000,(2):34-41.

[18]卓榮明.“高強(qiáng)度、高剛度、低應(yīng)力”鑄鐵的應(yīng)用[J].鑄造技術(shù),2001,(6):38-40.

[19]楊同進(jìn),杜俊東,林克光.高碳當(dāng)量低應(yīng)力灰鑄鐵的生產(chǎn)[J].現(xiàn)代鑄鐵,2001,(3):59-60.

[20]郭秀樓,白紅梅.高錳、高強(qiáng)度、低應(yīng)力灰鑄鐵在大型烘缸上的應(yīng)用[J].鑄造技術(shù),2002,(5):310.