潮模砂鑄造高性能球鐵曲軸

叢建臣 ，邵詩(shī)波 ，于海明 ，馮梅珍

（1.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255049；2.天潤(rùn)曲軸股份有限公司，山東 威海 264400）

鑄鐵被譽(yù)為制造業(yè)之基石，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、工程機(jī)械、船舶、高鐵等。球墨鑄鐵（以下簡(jiǎn)稱(chēng)球鐵）是鑄鐵家族中性能最高的一類(lèi)，其中用于制造曲軸的高強(qiáng)度球鐵代表了其最高性能水平。目前各發(fā)達(dá)國(guó)家的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中珠光體球鐵的最高牌號(hào)為QT900-2，其是指單鑄試塊的性能指標(biāo)，本體性能指標(biāo)將有一定比例的降低。隨著裝備制造業(yè)對(duì)高性能球鐵的需求，許多鑄造企業(yè)開(kāi)發(fā)了一系列高性能球鐵，如菲亞特公司研制的GH90-52-05球鐵，玉柴研制的QT800-6球鐵，均代表了當(dāng)今高強(qiáng)韌性球鐵制造的先進(jìn)水平[1-2]。

當(dāng)前，高強(qiáng)度高韌性球鐵曲軸大部分采用鐵模覆砂工藝制造，由于鑄型剛度大、冷卻性能好，鑄件石墨球細(xì)小、組織致密性好，因而其力學(xué)性能很好[3]，但鐵模覆砂工藝只有在大批量生產(chǎn)時(shí)才具有良好的經(jīng)濟(jì)性。多品種小批量鑄造生產(chǎn)一般選用潮模砂造型線(xiàn)。采用潮模砂鑄造時(shí)，由于鐵水在砂型中冷卻速度小，使得曲軸本體獲得高性能更為困難。本文基于現(xiàn)有的潮模砂鑄造生產(chǎn)線(xiàn)，研制了本體性能900 MPa以上，伸長(zhǎng)率5%以上的球鐵（代號(hào)TR905）曲軸，成功代替原鍛鋼曲軸，降低了柴油機(jī)制造成本。

1 試驗(yàn)條件

造型線(xiàn)采用潮模砂高壓造型線(xiàn)，型板尺寸為1 240 mm×890 mm.采用感應(yīng)電爐熔化鐵水，爐外進(jìn)行一次孕育及球化處理，球化后經(jīng)過(guò)扒渣處理后導(dǎo)入澆注機(jī)，然后由澆注機(jī)自動(dòng)澆注，澆注過(guò)程中采用螺旋式無(wú)級(jí)隨流孕育裝置進(jìn)行二次孕育。澆注后的曲軸毛坯采用懸掛式正火線(xiàn)進(jìn)行正火及回火處理。

2 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

2.1 原料選擇與化學(xué)成分配比

生鐵是鑄鐵的主要原料。由于生鐵存在遺傳性，對(duì)球鐵性能影響很大。生鐵的遺傳性主要表現(xiàn)在組織結(jié)構(gòu)特征保留及微量元素遺傳效應(yīng)。由于廢鋼也是鐵碳合金，因而理論上也可作為球鐵的原料。鋼是鐵礦石經(jīng)高爐冶煉、氧化還原及一系列精煉過(guò)程得到，其雜質(zhì)非常少，因而與生鐵相比，遺傳性很低。然而廢鋼中的某些合金元素，如Cr、Mn等對(duì)球鐵的性能大都有負(fù)面影響，甚至是污染元素[4-6]，因而一般情況下僅加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%左右的廢鋼調(diào)整碳硅量。

為獲得純凈的鐵水，提高原料中的廢鋼比例，即采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的廢鋼、30%的高純生鐵及20%的回爐料為鑄造原料。由于廢鋼在原料中的占比較大，鐵水中必須增碳增硅。常用75硅鐵中鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)1.2%～1.5%，單一增硅將把硅鐵中大量的鋁帶入鐵水，造成鐵水鋁污染，易形成皮下氣孔和夾雜物缺陷；同時(shí)由于硅鐵熔化速度快，硅濃度差消失時(shí)間短，形核率低。單一增碳，鐵液中存在大量起伏不定、超過(guò)臨界晶核尺寸的近程有序排列的碳原子集團(tuán)，極易生成均質(zhì)晶核，不利于石墨析出[9]。

為此，在電爐內(nèi)添加SiC基復(fù)合預(yù)處理變質(zhì)劑，碳化硅在鐵液中不斷熔解、反應(yīng)，持續(xù)生成高活性的“非平衡石墨”，使鐵液中出現(xiàn)“碳峰”，促進(jìn)石墨析出；同時(shí)向周?chē)合嘀嗅尫糯罅繜崃?，使共晶冷卻曲線(xiàn)上移，使鐵水按鐵-石墨穩(wěn)定系凝固。

合金元素對(duì)石墨化和促進(jìn)珠光體形成具有重要作用，因此生產(chǎn)高性能球鐵時(shí)需要加入合金化元素。其中銅元素在一次結(jié)晶時(shí)，屬于中等石墨化元素，其石墨化能力相當(dāng)于硅的1/5[7].銅能穩(wěn)定奧氏體，使共晶階段在石墨球外的奧氏體殼免受干擾，有利于石墨球的圓整。在共析轉(zhuǎn)變過(guò)程中，阻礙石墨化，使固溶在奧氏體中的碳以共析滲碳體析出，促進(jìn)珠光體的形成，并能降低或消除游離碳化物。銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.4%時(shí)球鐵強(qiáng)度、硬度急劇提高，銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.4%后，強(qiáng)度增加的速率下降，隨含銅量的增加延伸率逐漸降低[8]，因此確定銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%-0.5%.鐵水化學(xué)成份見(jiàn)表1.

表1 鐵水化學(xué)成份（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

由于原料中增加了廢鋼的比例，與主要以生鐵為原料熔制的普通球鐵相比，Ti、Al、S、P 等有害元素減少（見(jiàn)表2），使得不經(jīng)熱處理的鑄態(tài)球鐵各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)得以提高，見(jiàn)表3.

表2 控制元素及有害元素含量對(duì)比表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表3 鑄態(tài)QT700-2球鐵機(jī)械性能對(duì)比表

與普通球鐵對(duì)比，本試驗(yàn)球鐵的石墨球大小更集中，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4.

表4 石墨球尺寸與數(shù)量對(duì)比表

2.2 工裝設(shè)計(jì)

該曲軸長(zhǎng)度1 120 mm，重量為109 kg，現(xiàn)有型板尺寸為1 240 mm×890 mm，使得曲軸模樣和澆冒系統(tǒng)排布非常緊湊。如圖1所示，采用一個(gè)高發(fā)熱保溫冒口補(bǔ)縮2支曲軸，其作用是：在澆注過(guò)程中發(fā)熱劑被高溫鐵液迅速點(diǎn)燃放出大量的熱量，使冒口套內(nèi)鐵液溫度升高、保溫時(shí)間延長(zhǎng)，提高冒口的補(bǔ)縮效率。為保證補(bǔ)縮效果，在冒口頸部位也同時(shí)采用保溫冒口頸套形式，以保證冒口頸較長(zhǎng)時(shí)間的補(bǔ)縮效果，如圖2所示。鑄件經(jīng)過(guò)解剖未發(fā)現(xiàn)縮松缺陷，為類(lèi)似曲軸工藝提供了非常好的應(yīng)用實(shí)例。

圖1 工裝設(shè)計(jì)圖

2.3 熱處理

當(dāng)球鐵的抗拉強(qiáng)度要求超過(guò)800 MPa時(shí)，一般需要對(duì)鑄件進(jìn)行正火處理以獲得珠光體及少量鐵素體的組織。研究表明，細(xì)小的晶?？稍黾硬牧系木C合機(jī)械性能。另外在珠光體球鐵中，鐵素體為破碎狀時(shí)無(wú)論是高能量還是低能量多次沖擊性能都優(yōu)于鐵素體為牛眼狀時(shí)的性能[10]。

圖2 上箱放置保溫冒口頸套

為了獲得細(xì)小的珠光體和少量的破碎狀鐵素體，曲軸鑄件采用兩階段正火處理。將鑄件加熱到Accm以上30℃～50℃保溫，使石墨表面的碳逐漸溶入奧氏體中提高含碳量，然后在Accm以下20℃～40℃等溫處理，使組織處于奧氏體、鐵素體、石墨的三相平衡區(qū)，奧氏體中的碳及其他元素得到均勻化，避免了石墨球周?chē)嬖谪毺紖^(qū)，阻礙了牛眼狀鐵素體的形成，促進(jìn)了鐵素體以游離態(tài)析出，鐵素體含量5%～10%.

利用掃描電鏡分別分析了僅進(jìn)行一階段正火處理的QT900-2球鐵和本實(shí)驗(yàn)的兩階段正火處理的TR905球鐵的珠光體形態(tài)，結(jié)果表明兩者珠光體片間距相當(dāng)，但經(jīng)兩階段正火的球鐵的珠光體條紋方向具有不一致性，表明其晶粒細(xì)小，有利于機(jī)械性能的提高，見(jiàn)圖3.

圖3 珠光體形態(tài)（SEM）

2.4 機(jī)械性能試驗(yàn)

拉伸和沖擊試樣在曲軸鑄件本體上制取。通過(guò)對(duì)不同試驗(yàn)批數(shù)百支曲軸的檢驗(yàn)，曲軸本體抗拉強(qiáng)度可穩(wěn)定達(dá)到900 MPa以上，伸長(zhǎng)率5%以上，室溫沖擊功達(dá)到50 J以上，檢測(cè)數(shù)據(jù)均值見(jiàn)表5.

表6中列出了開(kāi)發(fā)的TR905與菲亞特GH90-52-05、玉柴QT800-6球鐵的性能指標(biāo)對(duì)比。

2.5 疲勞試驗(yàn)

按照GB/T4337-1984《金屬旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法》，對(duì)TR905球鐵進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，其彎曲疲勞極限374 MPa，與曲軸常用材料的疲勞極限對(duì)比見(jiàn)表7.

表5 材料機(jī)械性能檢驗(yàn)結(jié)果

表6 幾種高性能球鐵曲軸本體性能指標(biāo)對(duì)比

表7 TR905與常用材料疲勞極限對(duì)比表（循環(huán)基數(shù)1×107）

按照QC/T637《曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)方法》，在諧振式曲軸疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。分別分析了45碳素鋼、42CrMo合金鋼和TR905球鐵制造的同款曲軸的中值彎曲疲勞強(qiáng)度，結(jié)果表明TR905球鐵曲軸疲勞強(qiáng)度超過(guò)氮化鋼曲軸，疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)表8.

表8 不同材質(zhì)的同型號(hào)曲軸疲勞強(qiáng)度

2.6 曲軸臺(tái)架試驗(yàn)

用于試驗(yàn)的曲軸原設(shè)計(jì)為45和42CrMo兩種鍛鋼材質(zhì)，分別匹配不同功率的發(fā)動(dòng)機(jī)。由于該鍛鋼曲軸采用氣體氮化處理，45鋼材質(zhì)曲軸表面硬度≥300 HV10，42CrMo材質(zhì)曲軸表面硬度≥450 HV10，而采用TR905材質(zhì)制造的該款球鐵曲軸軸頸表面并不進(jìn)行任何硬化處理，軸頸表面微觀組織為珠光體加少量鐵素體，硬度HB250-300.為驗(yàn)證曲軸軸頸耐磨損性能，使用同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)分別裝配上述三種材質(zhì)的曲軸按照GB/T19055《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法》，進(jìn)行1 000 h臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果表明三款曲軸的軸頸磨損量相當(dāng)，見(jiàn)表9.

表9 曲軸軸頸磨損量對(duì)比

與鍛鋼材質(zhì)經(jīng)氮化處理的曲軸相比，雖然球鐵曲軸表面硬度低，但由于軸頸與軸瓦之間存在潤(rùn)滑油膜，并非干摩擦；同時(shí)由于球鐵表面石墨坑可起到儲(chǔ)油作用，有利于潤(rùn)滑，因此三款曲軸軸頸磨損量并無(wú)明顯差異。

該球鐵曲軸近幾年已累計(jì)裝機(jī)數(shù)十萬(wàn)臺(tái)，使用情況良好，其代替鋼軸可使成本降低20%以上。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)提高廢鋼在球鐵原料中的比例，獲得了純凈的鐵水，減少了鐵水中有害元素的含量，降低了生鐵遺傳性對(duì)性能的制約。在此基礎(chǔ)上通過(guò)合金元素的調(diào)整及兩階段奧氏體化等溫正火處理，可獲得細(xì)小的珠光體和破碎狀鐵素體，提高材料綜合機(jī)械性能及穩(wěn)定性。

采用高強(qiáng)度高韌性TR905球鐵材料制造的曲軸彎曲疲勞強(qiáng)度超過(guò)了45鋼和42CrMo鍛鋼材質(zhì)氣體氮化曲軸的水平，因而可以代替氮化鋼軸從而降低生產(chǎn)成本。

試驗(yàn)的球鐵曲軸軸頸不經(jīng)硬化處理后也可保證軸頸磨損量與鋼軸相當(dāng)，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的差異性，軸頸不硬化工藝是否適用于其他曲軸還需進(jìn)行試驗(yàn)研究。