爐前碳硅合金元素補料對冷激鑄鐵凸輪軸金相組織的影響

劉振 羅穎洹 李海河

摘要：爐前補料時間對冷激鑄鐵凸輪軸的影響做了一些試驗。試驗發(fā)現(xiàn)，補料會在一定的時間內(nèi)產(chǎn)生孕育作用，對產(chǎn)品的白口深度有抑制作用。

關(guān)鍵詞：冷激鑄鐵；激冷層；白口深度；金相組織

1.概述

凸輪軸是汽車發(fā)動機的關(guān)鍵部件之一，因凸輪軸凸輪表面和挺桿之間有很高的接觸應(yīng)力和較快的相對滑動速度，并且在高速機械運動過程中產(chǎn)生高溫，所以對凸輪軸的鑄造質(zhì)量要求相當(dāng)高，特別是要求具備良好的耐接觸疲勞和耐磨性能。

冷激鑄鐵凸輪軸以其低成本、高性能的顯著特點，得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。影響冷激鑄鐵凸輪軸鑄造質(zhì)量的因素很多，如鐵水澆注溫度、原材料化學(xué)成分、爐料配比、澆注時間點等。其中化學(xué)成分的控制是一個非常重要的影響因素，主要是不同的合金元素對鑄鐵的組織形貌和產(chǎn)品性能有著不同的影響。碳是形成滲碳體的元素，碳量增加則滲碳體數(shù)量增加，因而硬度增加，但卻使白口層減小，引起心部灰口區(qū)石墨粗大。而硅量增加時白口層深度、硬度均下降，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)增加硅，有利于減少凸輪心部游離碳化物，可改善整軸綜合性能，過低硅量將導(dǎo)致白口層過深 [3-4]。由此可見添加碳和硅都會有抑制白口形成的孕育效果。在確保獲得足夠的冷激層后，要將碳當(dāng)量控制在一個較低的水平，以獲得較高的產(chǎn)品機械性能。但是，當(dāng)碳當(dāng)量過低時，除了不利于獲得好的冷激層以外，還會增加縮孔傾向，造成產(chǎn)品報廢[5]。

某凸輪軸鑄造工廠考慮到鐵水碳硅含量偏高導(dǎo)致成分調(diào)整困難，一般將爐前鐵水碳硅含量控制在下限值，經(jīng)爐前成分檢驗后再按技術(shù)要求進(jìn)行補料，即添加增碳劑和硅鐵來調(diào)整碳硅含量。但碳硅合金元素有孕育效果，存在孕育時效，抑制白口的形成，如孕育時間點選取不當(dāng)則會影響到產(chǎn)品的機械性能。本文研究了補料時效對白口深度及凸輪軸桃尖金相的影響，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析確定補料后的出水時間點，從而保證產(chǎn)品機械性能質(zhì)量。

2.產(chǎn)品技術(shù)要求

某冷激鑄鐵凸輪軸產(chǎn)品要求凸輪軸部位使用冷鐵進(jìn)行半激冷，其化學(xué)成分為：3.0%～3.4% C； 1.9%～2.4% Si；0.6%～0.9% Mn；<0.2% S；<0.12% P；<0.3%～<1% Cr；0.01%～0.05% Mo；0%～0.7%Cu；0%～0.05% Ni。外層冷激區(qū)為白口組織，其金相組織為：萊氏體+細(xì)針狀碳化物+細(xì)片狀（或顆粒狀）珠光體；允許有少量游離點狀石墨存在。過渡區(qū)為麻口組織，其金相組織為：萊氏體+珠光體+碳化物+少量片狀石墨。凸輪軸的心部（其心部直徑應(yīng)≥φ10mm）和基圓部分為珠光體灰口鑄鐵，其金相組織為：細(xì)片狀（或中等片狀）珠光體+石墨（石墨形狀：A型或+E型）。冷激層深度≥4mm，桃尖硬度≥48-56HRC，產(chǎn)品材料為HT300。

3.試驗條件以及試驗方法

3.1試驗條件

熔煉設(shè)備為360kg的中頻感應(yīng)爐，用熱電偶對鐵水進(jìn)行爐前和澆注時溫度的測量，采用爐前鐵水成分分析儀進(jìn)行成分分析，從而確定合金成分并進(jìn)行相應(yīng)補料，使用金相顯微鏡觀測試樣的金相組織。

3.2試驗方法

試驗使用的原材料：回爐料、廢鋼、增碳劑、硅鐵、錳鐵、鉻鐵、銅、孕育劑（硅鋇）。

熔煉過程：先加回爐料，后加廢鋼，待全部熔完后加入合金材料，并將鐵水在1550-1580℃溫度條件下保溫約5min。使用鐵水分析儀進(jìn)行爐前成分分析，依據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)補料（增碳劑及硅鐵），然后澆注爐前三角試樣并檢測確認(rèn)白口深度，后出鐵水（溫度條件1520-1550℃、1熔爐鐵水可分出7包同等重量鐵水）至已加入定量孕育劑的孕育包進(jìn)行孕育處理。，并重新澆注爐后三角試樣檢測白口深度，稍作靜置使鐵水溫度降到1320-1420℃開始澆注。每包鐵水要求5min內(nèi)澆注完，要求鐵水從熔爐轉(zhuǎn)至孕育包的出水過程為連續(xù)循環(huán)進(jìn)行，生產(chǎn)條件一致，過程穩(wěn)定。

數(shù)據(jù)收集方法：（1）鐵水補料3min后每分鐘取樣收集三角試樣白口深度數(shù)據(jù)；（2）取第1包與第7包鐵水相同澆注序號的產(chǎn)品進(jìn)行金相組織對比分析。

4.試驗結(jié)果和分析

4.1白口深度變化分析

鐵水補料完成保溫3min后，每分鐘取樣澆注三角試樣進(jìn)行檢測白口深度。使用的三角試樣如圖1示。白口深度數(shù)據(jù)如表1示：

從表1數(shù)據(jù)可知隨著補料后時間推移三角試樣的白口深度呈明顯遞增趨勢。這是因為補料添加增碳劑和硅鐵起孕育作用，抑制白口組織的形成，隨著時間推移，孕育作用慢慢減弱，所以鐵水白口深度越來越深。其孕育作用時效約10min，即白口深度在10min后達(dá)到最深狀態(tài)并保持基本穩(wěn)定。

4.2金相組織分析

第1包與第7包鐵水澆注的凸輪軸桃尖部位腐蝕前石墨形態(tài)如圖2示。其中圖a石墨形狀主要為A型，長片狀+少量點狀石墨，孕育充分；圖b石墨形狀主要為A型，長片狀+短片狀+較多點狀石墨，孕育較充分。

圖3是凸輪軸桃尖部位腐蝕后金相形態(tài)，第7包鐵水產(chǎn)品的珠光體明顯較第1包含量高，即前者孕育效果較后者弱，存在孕育衰退現(xiàn)象。

從金相對比分析可知，鐵水補料后先澆注產(chǎn)品孕育效果明顯好于后澆注產(chǎn)品，但珠光體含量少于后澆注產(chǎn)品。碳、硅合金元素含量是影響孕育效果的主要因素，故從金相圖的對比差異說明第1包鐵水碳、硅合金元素含量較第7包鐵水高。因每包鐵水量及孕育劑加入量一致，同時其它生產(chǎn)條件一致，故認(rèn)為碳、硅含量差異主要是由補料加入的增碳劑與硅鐵時效作用影響。增碳劑與硅鐵加入至熔爐的鐵水中時，鐵水中的碳、硅含量迅速增高起到孕育作用，同時對珠光體起抑制作用，隨著時間推移此作用逐漸減弱。此現(xiàn)象與4.1中分析的白口深度變化趨勢一致。

因鐵水補料添加的增碳劑與硅鐵對鐵水存在一定的孕育時效，如在其孕育作用時效期出水進(jìn)行孕育處理，則會存在孕育作用疊加?？赡茉斐蛇^度孕育，加大抑制珠光體產(chǎn)生，而鐵素體增加，導(dǎo)致凸輪軸產(chǎn)品桃尖部位冷激層變淺，同時產(chǎn)品的機械性能下降。因此，鐵水補料后出水時間點是一個關(guān)鍵的工藝參數(shù)。從試驗數(shù)據(jù)上看，該HT300鐵水補料孕育時效約為10min，即補料10min后再出水為宜。

5.結(jié)論

（1）鐵水熔煉補料添加的增碳劑和硅鐵對鐵水具有一定的孕育作用，并存在一定的孕育時效，孕育作用隨時間推移呈逐漸減弱趨勢；

（2）鐵水孕育處理應(yīng)在補料孕育時效過后進(jìn)行，避免發(fā)生孕育疊加，造成過度孕育；

參考文獻(xiàn)：

[1]米發(fā)國，何斌鋒.澆注溫度對激冷鑄鐵凸輪軸組織性能的影響[J].熱加工工藝，2008，（11）：40-42.

[2]李平，魏伯康，蔡啟舟，段漢橋.原材料對激冷鑄鐵凸輪軸組織和性能的影響[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2004，（5）：7-11.

[3]李平，魏伯康，蔡啟舟，段漢橋.工藝因素穩(wěn)定性對激冷硬鑄鐵凸輪軸質(zhì)量的影響[J].現(xiàn)代鑄鐵，2004，（1）：42-44.

[4]趙書城.冷激鑄鐵凸輪軸鑄造技術(shù)[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2001，（3）：3-6.

[5]戴紅星，徐中旺. 鑄造穩(wěn)定合格的冷激鑄鐵凸輪軸毛坯[OL].汽車制造業(yè).

作者簡介：

劉振（1992.07-），男，本科，材料成型及控制工程專業(yè)鑄造方向；

羅穎?。?987.08-），男，助理工程師，本科，主要研究方向為汽車動力總成零部件鑄造及機加工。