鐵模覆砂鑄造合成球鐵(QT600-3)凸輪軸本體性能分析

藍(lán)敏俐 陳忠士

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，福州 350007)

凸輪軸是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，凸輪軸的質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒比和節(jié)能降耗效果，決定發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量。將性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的球墨鑄鐵用來(lái)制造發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸，是凸輪軸生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。由于球墨鑄鐵呈“糊狀凝固”，凸輪軸內(nèi)部普遍存在疏松、縮松等缺陷，導(dǎo)致凸輪軸本身的力學(xué)性能下降，難以達(dá)到驗(yàn)收要求，這也是目前國(guó)內(nèi)各大凸輪軸生產(chǎn)廠家和汽車(chē)制造商共同關(guān)注的問(wèn)題。本次試驗(yàn)從保證鑄態(tài)QT600-3球鐵凸輪軸本體力學(xué)性能著手，分析球墨鑄鐵凸輪軸本體的顯微組織與力學(xué)性能的量化關(guān)系，旨在為實(shí)際工藝設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)和應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)方法

球墨鑄鐵顯微組織評(píng)定及力學(xué)性能測(cè)定的主要依據(jù)GB/T 9441—2009“球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)”。

1.1 鑄造方法選擇

球墨鑄鐵的碳當(dāng)量高，凝固時(shí)析出的石墨多，共晶膨脹量大，容易使鑄件的外形尺寸變大，從而在鑄件的中心部位出現(xiàn)縮孔和縮松。為了防止鑄件外形尺寸發(fā)生變化，充分利用球墨鑄鐵石墨膨脹力迫使周邊液態(tài)金屬補(bǔ)縮共晶團(tuán)間隙，采用剛性大的鐵模覆砂鑄造技術(shù)是最佳選擇。鐵模覆砂鑄造的特點(diǎn)是兼具金屬型與殼型鑄造的優(yōu)點(diǎn)，冷卻速度快，鑄型剛度大，有利于珠光體的形成，能減少甚至消除鑄件內(nèi)部的縮孔和縮松缺陷［1］。

1.2 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

對(duì)于高強(qiáng)度球墨鑄鐵，化學(xué)成分的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，化學(xué)成分的設(shè)計(jì)必須與球墨鑄鐵的牌號(hào)、鑄造方法有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。對(duì)于球鐵QT600-3，其基體屬于珠光體和鐵素體的混合基體，由于強(qiáng)度高，珠光體必須大于鐵素量。進(jìn)行成分設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮各元素及鑄造工藝對(duì)基體組織和性能的影響，保證形成一定量的珠光體和鐵素體，使之具有恰當(dāng)?shù)谋壤P(guān)系。表1所示為試驗(yàn)中各化學(xué)成分含量表。

表1 試驗(yàn)中各化學(xué)成分含量表 %

(1)碳的含量。選擇含碳量時(shí)，應(yīng)從保證球墨鑄鐵的良好力學(xué)和鑄造性能這個(gè)角度考慮［2］。碳有利于石墨球析出和鐵素體形成，增加含碳量，則析出的石墨球數(shù)增多，圓整度增加，可以減少縮孔體積和縮松面積。試驗(yàn)中，將碳量控制在3.8% ～3.9%。

(2)硅的含量。在球墨鑄鐵中，硅是促進(jìn)石墨化的元素，可增加鐵素體含量。當(dāng)加入量低于5%時(shí)，硅能提高球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度。為了平衡鐵模覆砂冷卻速度快而促進(jìn)珠光體形成，試驗(yàn)中將硅量控制在 2.6% ～2.7%。

(3)錳的含量。錳的作用是形成和穩(wěn)定珠光體，提高球墨鑄鐵的強(qiáng)度和硬度，但是斷后伸長(zhǎng)率將隨含量的增加而顯著下降。另一面，錳易形成碳化物并富集在共晶團(tuán)邊界處，增加鑄件白口傾向，是偏析傾向特別明顯的元素［3］，為此將錳的含量控制在0.20%以下。

(4)合金化元素銅的含量。為了提高球墨鑄鐵的熱處理性能，得到期望的珠光體組織，最可靠的方法就是添加銅［4］。銅對(duì)基體具有固溶強(qiáng)化和沉淀硬化作用，在共晶轉(zhuǎn)變時(shí)起著促進(jìn)石墨化的作用，減少甚至消除游離滲碳體的形成，并在共晶轉(zhuǎn)變時(shí)促進(jìn)珠光體的形成。為了保證鑄件本體抗拉強(qiáng)度達(dá)到600 MPa以上，試驗(yàn)時(shí)將銅含量控制在 0.35% ～0.45%。

1.3 配料、球化與孕育處理

配料有2種方案:方案一中選用低S、低P、低Mn的廢鋼為主要爐料，選用低S、低N的石墨型增碳劑調(diào)節(jié)碳量生產(chǎn)合成鑄鐵;方案二則以Q10球鐵生鐵為主要爐料生產(chǎn)非合成鑄鐵。

球化與孕育處理:球化處理方法為傳統(tǒng)的沖入法，球化劑為稀土鎂硅鐵，用量為1.30% ～1.45%;孕育劑為Si-Ca-Ba合金，加入量1.10% ～1.30%;分3次孕育，即包內(nèi)孕育(20%孕育劑)、隨流孕育(60%孕育劑)和轉(zhuǎn)包孕育(20%孕育劑)。

1.4 本體取樣位置設(shè)計(jì)與試樣拉伸

圖1是凸輪軸本體拉伸試樣的取樣位置，圖2是GB/T1348—2009規(guī)定的拉伸試樣形狀與尺寸。

圖1 凸輪軸本體取樣位置

圖2 拉伸試樣的形狀與尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凸輪軸本體力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)

設(shè)計(jì)合成球鐵與非合成球鐵凸輪軸本體力學(xué)性能的對(duì)比試驗(yàn)。表2所示為合成球鐵凸輪軸與非合成球鐵凸輪軸本體力學(xué)性能對(duì)比表。合成球鐵的配料是“65%廢鋼+回爐料”，而非合成球鐵的配料為“65%Q10球鐵生鐵+回爐料”。二者的化學(xué)成分均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，試驗(yàn)工藝基本相同。

表2 合成球鐵與非合成球鐵凸輪軸本體力學(xué)性能對(duì)比表

在碳當(dāng)量、珠光體和鐵素體量基本相同的情況下，采用廢鋼增碳生產(chǎn)合成球鐵凸輪軸，其本體力學(xué)性能比采用生鐵生產(chǎn)的非合成球鐵凸輪軸高，本體性能達(dá)到了QT600-3的要求。合成球鐵凸輪軸本體抗拉強(qiáng)度比非合成球鐵凸輪軸的抗拉強(qiáng)高出80～100 MPa，斷后伸長(zhǎng)率是非合成球鐵凸輪軸的2倍以上。這是因?yàn)?

(1)廢鋼原料較為純凈，而生鐵中含有更高的干擾元素和粗大的過(guò)共晶石墨，具有遺傳性。

(2)采用廢鋼增碳生產(chǎn)合成鑄鐵，增碳劑的加入，高熔點(diǎn)的石墨作為外來(lái)形核質(zhì)點(diǎn)，使石墨數(shù)增多，細(xì)化的石墨球，減小了對(duì)基體的割裂作用，使基體性能得到最大限度的發(fā)揮。

(3)廢鋼中含碳量較低，增碳時(shí)在鐵液中出現(xiàn)了大量的低碳微區(qū)，促進(jìn)了發(fā)達(dá)的奧氏體枝晶的形成［5-7］。在隨后的冷卻過(guò)程中，由奧氏體轉(zhuǎn)變成的鐵素體和珠光體也很細(xì)小，提高了合成球鐵的強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率。

2.2 合成球鐵凸輪軸本體的金相組織

2.2.1 石墨球的大小與分布

圖3是鐵模覆砂鑄造QT600-3合成球鐵凸輪軸本體石墨球大小與分布的金相組織。可以看出，在合成球鐵凸輪軸本體中的石墨球數(shù)更多、細(xì)小且分布均勻。其球化等級(jí)在2級(jí)以上，球化率在95%以上，石墨球直徑大小在15～25 μm，石墨球的大小達(dá)6—7級(jí)。由于石墨球數(shù)多，外形圓整、細(xì)小，且分布均勻，減小了對(duì)金屬基體的切割作用，使金屬基體的強(qiáng)度利用率提高，金屬基體的性能得到了最大限度地發(fā)揮。

2.2.2 基體組織

圖4是鐵模覆砂鑄造QT600-3合成球鐵凸輪軸本體的基體組織?？梢钥闯觯浣M織是細(xì)片狀珠光體和牛眼狀鐵素體，未發(fā)現(xiàn)自由滲碳體的存在。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，要保證凸輪軸本體的力學(xué)性能達(dá)到QT600-3的要求，珠光體應(yīng)控制在65% ～80%，鐵素體量則控制在20%～35%。當(dāng)珠光體量低于65%，鐵素量超過(guò)35%時(shí)，抗拉強(qiáng)度將低于600 MPa，而斷后伸長(zhǎng)率較高;當(dāng)珠光體量超過(guò)80%，鐵素體量低于20%時(shí)，則抗拉強(qiáng)度高而斷后伸長(zhǎng)率低于3%。

圖3 鐵模覆砂鑄造QT600-10合成球鐵的石墨形狀與分布

圖4 鐵模覆砂鑄造QT600-10合成球鐵的基體組織

縱觀試驗(yàn)中合成球鐵的基體金相組織，主要有以下特征:

(1)細(xì)片狀珠光體。利用廢鋼生產(chǎn)合成球鐵時(shí)，造成許多貧碳區(qū)，形成了細(xì)小的奧氏體枝晶，隨后轉(zhuǎn)變成的珠光體也越細(xì)［8］;另一方面，鐵模覆砂鑄造的冷卻速度越快，得到的珠光體片晶粒也越細(xì);再者，銅的加入使珠光體得到不同程度的細(xì)化和強(qiáng)化。幾方面的綜合作用，使凸輪軸的本體強(qiáng)度得到了保證。

(2)細(xì)小鐵素體呈牛眼狀均勻分布。合成鑄鐵的初生石墨和共晶石墨球數(shù)的增多，縮短了碳在奧氏體中的擴(kuò)散距離，共析轉(zhuǎn)變時(shí)鐵素體易在石墨周邊形核析出，形成特有的牛眼狀基體組織。高碳量和高硅量使得鐵素體量增加，保證了球鐵凸輪軸的鐵素體量，從而保證凸輪軸本體的斷后伸長(zhǎng)率。

(3)無(wú)自由滲碳體存在。利用廢鋼增碳生產(chǎn)合成球鐵，鐵液中的碳在很大程度上能以石墨形式析出，形成大量的石墨球。另一方面，銅的加入進(jìn)一步促進(jìn)了石墨化，可有效減少甚至消除自由滲碳體，這是獲得高強(qiáng)韌性球墨鑄鐵的重要保證。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)配比合適的化學(xué)成分，利用廢鋼增碳生產(chǎn)合成鑄鐵的方法，加強(qiáng)球化與孕育處理，采用鐵模覆砂生產(chǎn)球鐵凸輪軸，其本體力學(xué)性能可以達(dá)到QT600-3的要求，滿(mǎn)足本體驗(yàn)收條件。

(2)鐵模覆砂鑄造生產(chǎn)的QT600-3合成球鐵凸輪軸，其本體金相組織包含細(xì)小的球狀石墨、牛眼狀鐵素體和細(xì)片狀珠光體，無(wú)自由滲碳體存在。

(3)采用鐵模覆砂生產(chǎn)球鐵凸輪軸，在本體性能達(dá)到QT600-3要求時(shí)，盡量細(xì)化石墨球，以提高單位面積上的石墨球數(shù)量和石墨球的圓整度，球化等級(jí)在2級(jí)以上，石墨大小在6級(jí)以上。珠光體量應(yīng)控制在65% ～80%，鐵素體量控制在20% ～35%為宜。

［1］王曉江.鑄造合金及其熔煉［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:81-97.

［2］郭振廷，王成鋒，孫雅心.鑄態(tài)高強(qiáng)高韌球墨鑄鐵的研制［J］.鑄造，2005，54(2):195-197.

［3］吳德海.球墨鑄鐵［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2006:57-66.

［4］李炯輝.金屬材料金相圖譜(上冊(cè))［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:6-8.

［5］賀焱.郭學(xué)鋒，林浩，等.高強(qiáng)高韌合成球墨鑄鐵的組織和力學(xué)性能［J］.熱加工工藝，2010，39(7):27-29.

［6］陳忠士，鄒澤昌，溫麗娜，等.合成鑄鐵的增碳工藝技術(shù)及組織的研究［J］.熱加工工藝，2012，41(19):67-69.

［7］王順安，鄒榮劍.合成鑄鐵的研究及應(yīng)用［J］.鑄造，2010，59(7):721-724.

［8］賀焱.郭學(xué)鋒，林浩，等.高強(qiáng)高韌合成球墨鑄鐵的組織和力學(xué)性能［J］.熱加工工藝，2010，39(7):27-29.