ADI在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸生產(chǎn)中的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

濱州海得曲軸有限責(zé)任公司 （山東 256600）王守河 張 東 屈厚余

奧鐵球鐵，國(guó)內(nèi)習(xí)慣稱(chēng)奧貝球鐵，國(guó)外稱(chēng)之為ADI(Austemperrd Ductile Iron)，是球墨鑄鐵經(jīng)奧氏體等溫淬火處理后獲得的，強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率不僅遠(yuǎn)超過(guò)普通球墨鑄鐵，也超過(guò)調(diào)質(zhì)鋼和滲碳鋼。作為一新材料、新工藝，其獨(dú)特的工藝特點(diǎn)、良好的力學(xué)性能和可加工性及低廉的制造成本，用于內(nèi)燃機(jī)曲軸的生產(chǎn)，具有非常廣闊的市場(chǎng)。

一、ADI曲軸毛坯鑄件化學(xué)成分

為保證ADI曲軸力學(xué)性能的穩(wěn)定性，對(duì)曲軸鑄造用原材料進(jìn)行適當(dāng)控制，在普通球墨鑄鐵曲軸所用原材料基礎(chǔ)上使鐵液S、P含量降低。有兩種方式：其一，全部?jī)?yōu)質(zhì)廢鋼+合金配比+增碳劑；其二，50%優(yōu)質(zhì)生鐵+50%優(yōu)質(zhì)廢鋼+合金配比+增碳劑。所得鐵液化學(xué)成分按表1控制。

表1 鐵液化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

嚴(yán)格控制S含量，以減少鑄件產(chǎn)生氣孔、縮松傾向；嚴(yán)格控制P含量，以減小鑄件低溫脆性之傾向。以是否在鐵液中加入Mo等合金元素，ADI可分為合金化型與非合金化型。為控制鑄件制造成本并經(jīng)多次對(duì)比試驗(yàn)，綜合確定采用非合金化型。

二、ADI曲軸毛坯鑄造工藝選擇及澆注過(guò)程質(zhì)量控制

目前，比較常用的曲軸毛坯鑄造工藝有殼型鑄造、鐵模覆砂造型、樹(shù)脂砂造型、潮模砂造型等，其中殼型鑄造與鐵模覆砂造型工藝由于其工藝穩(wěn)定性好、冷卻速度快、鑄件外觀光滑細(xì)膩且缺陷少、球化穩(wěn)定性及石墨大小得到顯著改善，尤其是鑄件內(nèi)部產(chǎn)生縮松、氣孔、夾渣等常見(jiàn)鑄造缺陷的傾向大幅減少，從而可得到優(yōu)質(zhì)的曲軸毛坯鑄件。

殼型鑄造與鐵模覆砂鑄造工藝均適于曲軸毛坯多品種大批量生產(chǎn)。單件曲軸毛坯重量在20kg以下時(shí)用殼型鑄造工藝優(yōu)勢(shì)較大，而在20kg以上時(shí)用鐵模覆砂造型工藝更容易控制毛坯質(zhì)量。

這兩種鑄造工藝澆注過(guò)程質(zhì)量控制基本相同：生鐵、廢鋼、合金材料、增碳劑、球化劑等原料來(lái)源及質(zhì)量穩(wěn)定；殼型/鐵型需及時(shí)、定期更換；爐前工藝參數(shù)的嚴(yán)格控制；現(xiàn)場(chǎng)操作人員的綜合素質(zhì)保證；技術(shù)人員的跟蹤、分析、改進(jìn)等。在ADI曲軸開(kāi)發(fā)研究過(guò)程中對(duì)該兩種鑄造工藝生產(chǎn)的毛坯都進(jìn)行了驗(yàn)證。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)這兩種鑄造工藝掌握較好的生產(chǎn)廠家，大批量生產(chǎn)的曲軸毛坯鑄造內(nèi)外綜合廢品率能夠控制在3%以?xún)?nèi)，曲軸毛坯鑄件的鑄態(tài)金相及力學(xué)性能可達(dá)到表2指標(biāo)。

表2 殼型鑄造/鐵模覆砂造型鑄態(tài)金相及力學(xué)性能指標(biāo)

三、ADI曲軸金相組織力學(xué)性能要求及等溫淬火工藝參數(shù)確定

1.ADI曲軸金相組織及力學(xué)性能要求

參照GB/T24733—2009《等溫淬火球墨鑄鐵件》標(biāo)準(zhǔn)，適于用來(lái)生產(chǎn)曲軸的ADI牌號(hào)及相關(guān)的力學(xué)性能最小值見(jiàn)表3。其中，重點(diǎn)選擇QTD800-10和QTD1050-6兩個(gè)牌號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

表3 單鑄或附鑄試塊的力學(xué)性能

2.曲軸毛坯等溫淬火工藝確定

根據(jù)擬選ADI牌號(hào)QTD800-10和QTD1050-6金相組織及力學(xué)性能要求并經(jīng)過(guò)多次對(duì)比試驗(yàn)后，確定采用的等溫淬火工藝分兩個(gè)階段。第一階段，鑄件高溫石墨化退火：890～930℃，保溫2.5h，隨爐冷卻，得到95%以上鐵素體組織，這一階段的主要目的是消除鑄件鑄態(tài)組織中存在的滲碳體；第二階段，等溫淬火工藝：奧氏體化溫度880～920℃，保溫2h，等溫溫度370～390℃，保溫2h。

隨著鐵模、殼型鑄造技術(shù)的推廣應(yīng)用以及鑄造工藝的日臻完善，鑄態(tài)游離滲碳體和磷共晶體完全可控制在3%以下，直接進(jìn)行高溫奧氏體化后等溫淬火，工藝曲線如圖1所示。

將均勻奧氏體化保溫后的鑄件毛坯迅速轉(zhuǎn)入等溫轉(zhuǎn)變的鹽浴爐，以避免產(chǎn)生珠光體。在等溫轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，使針狀鐵素體形成、長(zhǎng)大，更多的碳擴(kuò)散到臨近的奧氏體中，獲得高碳（1.6%～2.4%）奧氏體和針狀鐵素體的混合組織，其具有高的強(qiáng)韌性及優(yōu)良的耐磨性，這是所期望的ADI組織，而不是奧氏體+貝氏體。

圖1 球墨鑄鐵奧氏體等溫淬火工藝曲線

3.等溫淬火工藝驗(yàn)證

將經(jīng)等溫淬火處理的兩型號(hào)曲軸，從平衡鐵部位取樣作金相分析、力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表4。其基體組織是類(lèi)似貝氏體的針狀鐵素體和奧氏體。

表4 Ⅰ型曲軸QTD800-10和Ⅱ型曲軸QTD1050-6試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 Ⅰ-1型曲軸QTD800-10

圖3 Ⅰ-2型曲軸QTD800-10

圖4 Ⅱ-1型曲軸QTD1050-6

圖5 Ⅱ-2型曲軸QTD1050-6

四、ADI曲軸基體硬度及機(jī)加工工藝特點(diǎn)

1.ADI曲軸基體硬度特點(diǎn)

ADI曲軸基體硬度可達(dá)30～35HRC，因此曲軸軸頸不需再進(jìn)行任何表面強(qiáng)化處理，其軸頸表面耐磨性較珠光體基體球墨鑄鐵曲軸的耐磨性有顯著提高，尤其是曲軸經(jīng)圓角滾壓后，軸頸表面與滾壓支撐輪在高接觸應(yīng)力作用下使其表面粗糙度及表層硬度得到進(jìn)一步改善，這對(duì)于經(jīng)過(guò)精加工以后再進(jìn)行圓角滾壓的曲軸效果特別好。資料表明，基體硬度30～35HRC的ADI曲軸軸頸表面耐磨性與經(jīng)軸頸表面中頻感應(yīng)淬火的珠光體球墨鑄鐵曲軸45～50HRC的軸頸表面耐磨性相當(dāng)，該工藝已在美國(guó)聯(lián)合收割機(jī)增壓機(jī)型上得到應(yīng)用和推廣。

2.ADI曲軸機(jī)加工工藝特點(diǎn)

ADI曲軸基體硬度一般控制在30～35HRC，較普通珠光體球墨鑄鐵曲軸基體硬度高。開(kāi)發(fā)中經(jīng)等溫淬火后曲軸基體硬度多集中在305～332HBW，較普通珠光體球墨鑄鐵曲軸基體硬度250～300HBW高出50HBW，加工中曲軸磨削過(guò)程與普通珠光體球墨鑄鐵曲軸區(qū)別不大，但是其車(chē)削、鉆削及攻螺紋等加工難度增大，尤其是曲軸油孔及法蘭盤(pán)攻螺紋工序表現(xiàn)更突出，當(dāng)使用普通高速鋼鉆頭、絲錐加工ADI曲軸油孔及螺紋孔時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)較頻繁的斷鉆頭、斷絲錐現(xiàn)象，且加工效率較低。

經(jīng)對(duì)比分析，ADI曲軸屈服強(qiáng)度較普通珠光體球墨鑄鐵曲軸要高，熱導(dǎo)率要低，且加工硬化現(xiàn)象明顯，這樣對(duì)加工ADI曲軸所使用鉆頭和絲錐的強(qiáng)度及耐熱性提出更高要求。經(jīng)試用，采用硬質(zhì)合金鉆頭、絲錐加工ADI曲軸油孔、螺紋孔底孔和攻螺紋時(shí)，加工效率及加工質(zhì)量得到改善。據(jù)資料介紹，使用硬質(zhì)合金涂層刀具加工超過(guò)305HBW的ADI曲軸效果較好。據(jù)國(guó)外最新研究，由氧化鋁和碳化硅組成的合金材料刀具能夠滿足高硬度ADI曲軸的粗、精加工。總之，ADI曲軸還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，對(duì)其加工特性及刀具的研究、選用還需進(jìn)一步探索。

五、ADI曲軸的圓角滾壓及系列試驗(yàn)

對(duì)加工后的兩種型號(hào)ADI曲軸進(jìn)行圓角滾壓，滾壓前根據(jù)曲軸的結(jié)構(gòu)尺寸、名義工作彎矩及所要求的安全系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行具體分析與計(jì)算，分別采用相應(yīng)的滾壓力，圓角滾壓后對(duì)兩種曲軸進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，其中ADI-1曲軸名義工作彎矩為504N m，曲軸疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5、表6。

表5 本公司對(duì)ADI-1曲軸疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該試驗(yàn)結(jié)果表明，曲軸疲勞彎矩在1200N m左右，曲軸安全系數(shù)≥2.0。

表6 發(fā)動(dòng)機(jī)廠對(duì)同批次ADI-1曲軸疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該曲軸彎曲中值疲勞極限為1120N m，曲軸名義工作彎矩為504N m，安全系數(shù)≥2.0，高于一般標(biāo)準(zhǔn)1.6～1.8的安全系數(shù)要求。對(duì)經(jīng)過(guò)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證滿足要求的兩種ADI曲軸均進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，并將其中一種曲軸進(jìn)行了裝機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程正常。

六、ADI曲軸應(yīng)用前景分析

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸所用材質(zhì)分為鍛鋼曲軸和球墨鑄鐵曲軸，鍛鋼曲軸主要用于中高爆發(fā)壓力的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，球墨鑄鐵曲軸主要用于較低爆發(fā)壓力的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)。從現(xiàn)階段產(chǎn)品價(jià)格看，相同規(guī)格型號(hào)的鍛鋼曲軸是球墨鑄鐵曲軸的兩倍甚至更高。

ADI具有良好的強(qiáng)韌性，特別是具有很高的疲勞強(qiáng)度，與鍛鋼曲軸相比具有成本優(yōu)勢(shì)，是制造發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的理想材料，汽車(chē)曲軸是最能發(fā)揮ADI性能潛力并最能體現(xiàn)ADI應(yīng)用價(jià)值的典型結(jié)構(gòu)件。福特公司及克萊斯勒公司前期開(kāi)發(fā)認(rèn)為：ADI是一種新型工程材料，能夠替代鍛鋼用于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸。

隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的供求關(guān)系日漸平衡，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)逐步加劇，汽車(chē)價(jià)格日趨下降；另外，原材料價(jià)格持續(xù)上漲，生產(chǎn)成本增加，利潤(rùn)空間縮小，因此，零部件、發(fā)動(dòng)機(jī)、整車(chē)降成本已成為現(xiàn)階段一個(gè)不容回避的問(wèn)題，其中，科技降成本首當(dāng)其沖，這就為ADI在汽車(chē)特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸中的應(yīng)用帶來(lái)了一個(gè)難得的歷史機(jī)遇期；同時(shí)，殼型鑄造、鐵模覆砂造型等鑄造工藝在曲軸鑄造毛坯生產(chǎn)中的成熟應(yīng)用也為此創(chuàng)造了前提條件，等溫淬火工藝及成套設(shè)備也已在全國(guó)有多家分布，從零部件廠、發(fā)動(dòng)機(jī)廠到汽車(chē)廠技術(shù)開(kāi)發(fā)人員對(duì)ADI都開(kāi)始關(guān)注。ADI曲軸在一定范圍內(nèi)替代40Cr、42CrMo等合金鋼鍛造曲軸的可行性研究論證、開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)、推廣應(yīng)用等一系列工作將逐步展開(kāi)。