冷激鑄鐵凸輪軸鑄造內(nèi)在質(zhì)量的控制

盧 杉 苗祥利 朱幸幸

（1.焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南中軸中匯汽車零部件有限公司，河南 焦作 454000）

冷激鑄鐵凸輪軸是利用成形冷鐵對高溫鐵水的激冷作用，使凸輪升程段表面至心部獲得一定厚度的白口層、過渡區(qū)，其余部位保持灰鑄鐵組織。由于冷激鑄鐵凸輪軸具有凸輪表面耐磨性好、軸頸和心部保持灰鑄鐵的機(jī)械強(qiáng)度、凸輪經(jīng)鑄造成形后直接磨削、生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)勢，所以，國內(nèi)外大多數(shù)轎車發(fā)動機(jī)凸輪軸多采用這種材質(zhì)[1]。

冷激鑄鐵凸輪軸鑄造內(nèi)在質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)主要包括：化學(xué)成分、基體硬度、凸輪桃尖硬度、冷激層深度(以下簡稱冷深)、金相組織、抗拉強(qiáng)度等?？刂坪美浼よT鐵凸輪軸鑄造的內(nèi)在質(zhì)量，是保證成品凸輪軸產(chǎn)品質(zhì)量和使用性能的基礎(chǔ)。

1. 化學(xué)成分的控制

化學(xué)成分的控制是保證冷激鑄鐵凸輪軸鑄造內(nèi)在質(zhì)量的基礎(chǔ)。對于冷激鑄鐵凸輪軸,《汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸技術(shù)條件》(QC/T 544—2000)中推薦了主要成分參考值，見表1[2]。

表1 汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸主要成分

具體到客戶和產(chǎn)品，化學(xué)成分又有更明確的要求，除C、Si、Mn、P、S指標(biāo)外，合金元素也有具體要求。

目前，隨著熔煉用原材料質(zhì)量的穩(wěn)定、熔煉爐的進(jìn)步、光譜儀及熱分析儀的使用，冷激鑄鐵凸輪軸在實(shí)際鑄造生產(chǎn)過程中，達(dá)到上述化學(xué)成分技術(shù)指標(biāo)要求并不難，但要實(shí)現(xiàn)鑄造內(nèi)在質(zhì)量穩(wěn)定、可控，特別是硬度、冷深、金相組織、抗拉強(qiáng)度合格率接近100%，并不容易。為此，各生產(chǎn)廠家要結(jié)合各自的生產(chǎn)工藝條件，制定各產(chǎn)品化學(xué)成分技術(shù)指標(biāo)的適宜范圍，這個范圍盡量收窄。收窄化學(xué)成分，不僅給內(nèi)在質(zhì)量控制提供了基礎(chǔ)保障，而且回爐料回用時成分好掌握。表2是某鑄造車間針對客戶A產(chǎn)品和客戶B產(chǎn)品制定的化學(xué)成分范圍。

表2 客戶產(chǎn)品制定的化學(xué)成分范圍

2. 基體硬度控制

對于冷激鑄鐵凸輪軸鑄造的內(nèi)在質(zhì)量，在控制好化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，應(yīng)優(yōu)先控制基體硬度?；w硬度不僅要滿足客戶技術(shù)要求，還要為保證抗拉強(qiáng)度提供基礎(chǔ)，而且得滿足后續(xù)機(jī)加工有良好的切削性能。

《汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸技術(shù)條件》推薦：冷激凸輪軸非冷激區(qū)（即本文所述的基體硬度）硬度為180—285 HBS[2]。

圖1 凸輪軸結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，凸輪軸產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)為一根細(xì)長軸上套有若干個凸輪，粗細(xì)不均，再加上冷激凸輪軸的凸輪需用冷鐵激冷，因此，一根凸輪軸不同部位上的基體硬度有較大差異。為了滿足技術(shù)要求和良好的切削性能，同時避免鑄造過程大軸徑（a軸徑）部位出現(xiàn)縮松缺陷，通常情況從以下幾個方面來控制基體硬度。

⑴在凸輪軸的前端（左端）設(shè)置澆口；

⑵基體硬度檢驗(yàn)試樣:從凸輪軸前端大軸徑處（a軸徑）切取，即檢驗(yàn)基體硬度最軟處，其他部位抽樣檢驗(yàn)；

⑶孕育量控制在3‰以上；

⑷開箱時間不早于澆注后40 min，避免產(chǎn)品澆注尾端（右端）小軸徑處基體硬度偏高而不好加工；

⑸基體硬度出現(xiàn)偏差時，可微量調(diào)整鐵水C、Mn含量,必要時，再微量調(diào)整鐵水中其他合金元素。

⑹有的熔煉原材料，如生鐵、廢鋼，會含有Ti元素，Ti對基體硬度影響較大，生產(chǎn)過程中可通過調(diào)整Mn、Cr含量來抵消Ti的干擾。

表3是某鑄造車間針對客戶A產(chǎn)品和客戶B產(chǎn)品制定的基體硬度內(nèi)控范圍。即通過控制檢驗(yàn)基體硬度最軟處，來保證凸輪軸非冷激區(qū)的硬度不僅合格，而且有良好的切削性能。

表3 客戶產(chǎn)品制定的基體硬度

3. 冷深及凸輪桃尖硬度的控制

鐵水化學(xué)成分、基體硬度控制在以上所述較小范圍后，決定冷深的因素主要有：冷鐵大小、孕育量多少、孕育溫度（或鐵水出爐溫度）、澆注溫度等；決定凸輪桃尖硬度（含升降段硬度）的因素主要有：冷鐵大小、冷深、白口純度（或過渡區(qū)麻口深度）等。

3.1 技術(shù)要求

3.1.1 《汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸技術(shù)條件》推薦

《汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸技術(shù)條件》推薦的要求見表

表4 冷激凸輪軸不同加工工藝要求

3.1.2 客戶要求實(shí)例

如圖2，客戶A產(chǎn)品毛坯(2 mm加工余量):凸輪型面頂部激冷層深度≥7 mm,桃尖硬度A、B、C點(diǎn)≥50 HRC;

升降段激冷層深≥4 mm，升降段硬度D、E點(diǎn)硬度≥

圖2 客戶A產(chǎn)品毛坯檢驗(yàn)示意圖

如圖3，客戶B產(chǎn)品毛坯(2 mm加工余量):凸輪型面頂部激冷層深度≥7 mm,桃尖硬度1、2、3點(diǎn)≥48 HRC;升降段激冷層深≥4 mm，升降段硬度4、5點(diǎn)硬度≥40 HRC（7點(diǎn)為基體硬度點(diǎn)）。

圖3 客戶B產(chǎn)品毛坯檢驗(yàn)示意圖

3.2 控制要點(diǎn)

3.2.1 冷深控制要點(diǎn)

⑴冷鐵。在產(chǎn)品開發(fā)初期，凸輪軸鑄造車間根據(jù)自身生產(chǎn)工藝條件，要設(shè)計和制作好與產(chǎn)品凸輪型線相吻合的冷鐵，冷鐵投入使用后一般不再改變。凸輪桃尖上方冷鐵厚度越大，越有利于冷深的形成，反之，不利于冷深的形成。如，客戶A產(chǎn)品和客戶B產(chǎn)品，鑄造所用冷鐵厚度(圖4所示)設(shè)計在25—30 mm之間, 冷鐵厚度小于25 mm，產(chǎn)品批產(chǎn)后冷深合格率偏低；冷鐵厚度大于30 mm, 又不利于鑄造造型（造型時凸輪周邊會出現(xiàn)型虛）。

圖4 不同產(chǎn)品鑄造所用冷鐵厚度

⑵孕育量。冷鐵確定后，控制冷深主要是通過孕育量的增減來調(diào)整。孕育量增加，冷深減小，孕育量減少，冷深增大。同時，爐前采用白口檢驗(yàn)試樣，測量白口深度，來檢驗(yàn)和把控產(chǎn)品的冷激層深度。孕育劑通常選用供應(yīng)質(zhì)量穩(wěn)定的FeSi75鑄造專用孕育劑，顆粒度3—8 mm。孕育量為鐵水重量的3.0%—4.5%（隨原材料批次、爐料配比、孕育劑批次、產(chǎn)品等變化而變化）。

⑶孕育溫度（或鐵水出爐溫度）。孕育時鐵水的溫度直接影響孕育劑的燒損量，也決定著所澆注凸輪軸毛坯凸輪冷深大小。孕育鐵水溫度高，孕育劑燒損量多，冷深會變大；反之，孕育鐵水溫度低，冷深會變小。鐵水出爐溫度通?？刂圃?560℃—1570℃，這個溫度的變差盡量小。

⑷澆注溫度。冷激鑄鐵凸輪軸澆注溫度通常控制在1360℃—1450℃。鑄造生產(chǎn)過程中，開始鐵水澆注溫度高，所澆注凸輪軸毛坯的冷深偏小，隨著鐵水澆注溫度降低，冷深一般會變大。

⑸產(chǎn)品凸輪本身的寬度和頂高（圖5所示）也是影響冷深大小的因素。凸輪寬度大、頂高高，冷深易偏小。為了利于冷激層形成，毛坯設(shè)計時，凸輪寬度可選下差；針對凸輪頂高高的毛坯，所配冷鐵的厚度應(yīng)大些。

圖5 凸輪結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 凸輪桃尖硬度控制要點(diǎn)

⑴冷鐵。冷鐵寬度大，有利于保證凸輪桃尖硬度的合格率。反之，產(chǎn)品批產(chǎn)后凸輪桃尖硬度質(zhì)量不穩(wěn)定，特別是像客戶A產(chǎn)品要求的“桃尖硬度A、B、C點(diǎn)≥50 HRC”時。

⑵冷深。通常情況下，凸輪桃尖硬度隨冷深增大而增大。如, 冷深7 mm, 凸輪桃尖硬度50 HRC; 冷深10 mm，凸輪桃尖硬度就增大為52 HRC。但有時也會出現(xiàn)冷深很大, 而凸輪桃尖硬度升不上去的難題，如冷深已15 mm了，凸輪桃尖硬度反而為48 HRC或45—48 HRC。

⑶冷激白口純度（或過渡區(qū)麻口深度）。出現(xiàn)上述“難題”, 主要原因在于冷激白口純度不高或過渡區(qū)麻口深度過大。白口純度越高，越有利于保證凸輪桃尖硬度合格。提高白口純度主要從“提C降Si”、減少熔煉配料中回爐料的用量、提高澆注溫度、控制循環(huán)使用的冷鐵溫度不高于室溫等方面解決。

4. 金相組織控制

4.1 技術(shù)要求

對金相組織的技術(shù)要求，大多數(shù)客戶產(chǎn)品與《汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸技術(shù)條件》推薦的基本一致。

圖6為全冷激凸輪金相切樣示意圖。凸輪的截面組織由表層至心部依次為外層冷激區(qū)、過渡區(qū)（外層與心部之間）和心部以及軸頸等非冷激區(qū)的組織。

圖6 全冷激凸輪金相切樣示意圖

⑴外層冷激區(qū)為白口組織，其金相組織為:萊氏體+細(xì)針狀碳狀物+細(xì)片狀（或粒狀）珠光體。允許有少量游離點(diǎn)狀石墨存在。

⑵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。

⑶凸輪心部（其心部直徑應(yīng)≥10 mm）或半冷激凸輪心部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(yù)型或A+E型）。石墨長度為4～7級，碳化物數(shù)量為1～5級，珠光體數(shù)量為1～2級。

⑷軸頸等非冷激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(yù)型或A+E型）。石墨長度為4～7級，碳化物數(shù)量為1～4級，珠光體數(shù)量為1～2級。

4.2 控制要點(diǎn)

在前述化學(xué)成分、基體硬度、冷激層深度、凸輪桃尖硬度等內(nèi)在質(zhì)量控制合格后，金相組織通常很容易達(dá)到技術(shù)要求。實(shí)際鑄造生產(chǎn)過程中，偶爾會出現(xiàn)非冷激部分的碳化物超標(biāo)，影響機(jī)加工的切削。降低碳化物，可通過采取以下措施實(shí)現(xiàn)：避免個別箱次開箱過早、避免后期澆注溫度偏低、提高孕育效果、避免孕育失效、控制Cr/Mn合金含量不超上限值等。

5. 抗拉強(qiáng)度控制

對冷激鑄鐵凸輪軸的抗拉強(qiáng)度，《汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸技術(shù)條件》推薦:采用隨爐孕育后的鐵水澆注單鑄試棒，抗拉強(qiáng)度≥200 MPa。

目前，客戶對冷激鑄鐵凸輪軸抗拉強(qiáng)度的要求大多數(shù)高于《汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸技術(shù)條件》推薦值。如前述客戶A產(chǎn)品、客戶B產(chǎn)品的要求分別是不小于250 MPa和300 MPa。

通常控制好毛坯的鐵水化學(xué)成分、孕育、基體硬度和金相組織，所鑄的隨爐單鑄試棒較容易達(dá)到客戶的技術(shù)要求。為了保證抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定合格，可添加Cu、Ni、Mo合金元素。如，某鑄造車間為保證客戶B產(chǎn)品300 MPa抗拉強(qiáng)度，除按客戶要求化學(xué)成分添加了Cu元素，還額外添加了Ni、Mo元素。

6. 結(jié)語

目前，國內(nèi)冷激鑄鐵凸輪軸毛坯的生產(chǎn)都是由專業(yè)鑄造公司或?qū)I(yè)鑄造車間來完成。生產(chǎn)出符合《汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸技術(shù)條件》要求的毛坯并不太難，但要批量生產(chǎn)出100%合格的產(chǎn)品也不容易。特別是隨著轎車發(fā)動機(jī)技術(shù)進(jìn)步，對作為發(fā)動機(jī)核心部件之一的凸輪軸提出了更高要求。如本文所述的客戶A產(chǎn)品、客戶B產(chǎn)品案例，其凸輪軸內(nèi)在質(zhì)量技術(shù)要求明顯高于《汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸技術(shù)條件》中推薦的要求。本文所述某鑄造車間通過對化學(xué)成分、基體硬度、凸輪桃尖硬度、冷激層深度、金相組織、抗拉強(qiáng)度等嚴(yán)格控制，客戶A產(chǎn)品、客戶B產(chǎn)品毛坯內(nèi)在質(zhì)量合格率達(dá)99.7%以上。