高性能球墨鑄鐵在重型載貨汽車底盤的應(yīng)用

王青

（西安交通大學(xué)，西安 710049）

1 前言

在制造汽車零部件產(chǎn)品輕量化和節(jié)能減排大趨勢(shì)下，隨著商用車行業(yè)不斷發(fā)展，與低合金鑄鋼、鍛鋼、鋁合金等多種材料相比，高性能球墨鑄鐵以其比強(qiáng)度高、塑韌性良好、耐磨性好、抗振性能優(yōu)異的特性在汽車鑄件中已占一席之地。

目前國(guó)內(nèi)重型載貨汽車底盤高性能球墨鑄鐵主要在800～1 000 MPa 級(jí)。在底盤支架類實(shí)際生產(chǎn)中以砂型、消失模和熔模精鑄生產(chǎn)工藝為主。應(yīng)用分為鑄態(tài)供貨和等溫淬火球墨鑄鐵（ADI）鑄件2 大類。

2 高性能球墨鑄鐵鑄態(tài)供貨鑄件

國(guó)內(nèi)鑄態(tài)供貨高性能鑄件采用嚴(yán)格的熔煉、球化、孕育處理工藝。嚴(yán)格的原材料控制，采用高純生鐵，防止生鐵微量元素中反球化元素對(duì)球化的干擾；采用優(yōu)質(zhì)廢鋼，Mn、P、S、Ti 的含量要低。商用車底盤球鐵鑄件鑄態(tài)以QT800-5 為主，密度為7.3 kg/m3，抗拉強(qiáng)度為800 MPa，屈服強(qiáng)度為480 MPa，伸長(zhǎng)率為5%，材料硬度為245～335 HBW 10/3000。對(duì)比國(guó)標(biāo)中的QT800-2，QT800-5 因其塑韌性稍低，實(shí)際批量應(yīng)用較少。

東風(fēng)精密鑄造采用熔模鑄造工藝實(shí)現(xiàn)鑄態(tài)性能QT800-5，主要技術(shù)措施如下。

a.利用合金元素Mn 和Cu 等合金強(qiáng)化基體組織；

b.通過(guò)采用低鎂低稀土球化劑FeSiMg6Re2，包內(nèi)孕育采用75SiFe，倒包孕育采用4～8 mm 的鋇硅鐵孕育劑，3 次型內(nèi)孕育采用2～4 mm 的鋇硅鐵孕育劑；

c.球鐵原鐵液化學(xué)成分控制為C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.3%～3.5%，Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.3%～2.5%，Mn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%～1.0%，Cu 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%～0.9%。鑄態(tài)基體組織珠光體含量≥85%，球化等級(jí)≤2 級(jí)，力學(xué)性能可以滿足要求[1]。

GF（喬治費(fèi)歇爾金屬成型科技）鑄態(tài)供貨鑄件應(yīng)用轉(zhuǎn)包純鎂球化技術(shù)，即球化處理前，先將球化包橫臥，注入定量鐵水，然后將鎂塊從專用入口放入球化室。球化處理時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)球化包，使其立放，鐵水進(jìn)入球化室，鎂受熱氣化，鎂蒸汽上浮過(guò)程中和鐵水充分接觸反應(yīng)。純鎂球化效果優(yōu)于“喂絲法”和“沖入法”等傳統(tǒng)球化方式，具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，可以大幅降低球化劑的加入量，減少球化過(guò)程中產(chǎn)生的非金屬夾雜物，提高鐵液的純凈度，同時(shí)極大降低球化成本。原鐵液的含硫量可以高達(dá)0.2%，不影響球化效果，脫硫和球化可同時(shí)進(jìn)行，無(wú)需預(yù)先脫硫，處理過(guò)程安全平穩(wěn)，鐵液溫度下降少，降低約40 ℃，鎂的吸收率約60%，因純鎂球化不會(huì)帶入硅，可以方便控制硅含量。

GF 澆注方式的不同在于保溫澆注爐設(shè)備等的不同。保溫澆注爐的功能類似于傳統(tǒng)澆注方式中的澆包，相對(duì)于傳統(tǒng)澆包其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在4 方面：上部有氮?dú)獗Ｗo(hù)，隔絕空氣中的氧氣，維持鐵水成分；底部有電磁加熱，維持鐵水設(shè)定溫度穩(wěn)定；精準(zhǔn)控制每次澆鑄所需鐵水的流出量；連續(xù)澆鑄，可根據(jù)需要，隨時(shí)向保溫爐中補(bǔ)充鐵水。

3 等溫淬火球墨鑄鐵鑄件

因球墨鑄鐵含有石墨相，是雙相凝固，可通過(guò)熱處理工藝改變其基體含碳量。ADI等溫淬火球墨鑄鐵是一種由球墨鑄鐵通過(guò)等溫淬火熱處理得到以?shī)W鐵體為主要基體的強(qiáng)度高、塑韌性好的鑄造合金，也稱為奧鐵體球墨鑄鐵。奧鐵體組織因不存在脆性的滲碳體，因此ADI具有優(yōu)異的韌性，能有效減緩裂紋的擴(kuò)張，力學(xué)性能如表1 所示。GB/T 24733—2009《等溫淬火球墨鑄鐵件》[2]對(duì)等溫淬火球墨鑄鐵的牌號(hào)、技術(shù)要求、取樣等做出了相應(yīng)規(guī)定。其一般性能中彈性模數(shù)為17 000 MPa、泊松比為0.28、熱擴(kuò)散系數(shù)為12×106m2/s、比熱為2.5 J（/kg·K）、導(dǎo)熱系數(shù)為1.08 W（/m·K）、密度為7.7 g/cm3。在重型載貨汽車底盤結(jié)構(gòu)件目前的應(yīng)用主要以QT800 替代一般球鐵件及低合金鋼件，以QT900替代40Cr球心等。

表1 ADI 單鑄或附鑄試塊的力學(xué)性能（鑄件主要壁厚≤30 mm）

ADI 零件的主要生產(chǎn)廠有河南歐迪艾、河北清河恒基機(jī)械鑄造有限公司、大連三明廠等，其產(chǎn)品種類也由以前的板簧支座、支架、拖鉤等幾種零件，發(fā)展為幾十種零件。東風(fēng)汽車有限公司在5 t高機(jī)動(dòng)性越野車試制中，采用ADI 替代傳統(tǒng)鑄鋼件，并結(jié)合球墨鑄鐵優(yōu)良的鑄造性能和力學(xué)性能在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在CAE 模擬分析下，對(duì)零件關(guān)鍵受力部位輕量化后相比之前仍有所增強(qiáng)的情況下，盡量減少質(zhì)量，采用ADI 后14 件零件總質(zhì)量由630.62 kg 減為380.66 kg，輕量化率達(dá)39.6%，并在后續(xù)改進(jìn)中進(jìn)一步增加ADI 件的數(shù)量，使整車ADI 件質(zhì)量達(dá)到了550.4 kg；一汽集團(tuán)積極開(kāi)展ADI 在重型載貨汽車、礦用車底盤零件上的研發(fā)工作，前梁、轉(zhuǎn)向節(jié)、后橋、輪毅等利用ADI 優(yōu)異的力學(xué)性能改進(jìn)設(shè)計(jì)，在輕量化的基礎(chǔ)上降低成本[3]。

全球范圍內(nèi)研發(fā)出了多種組織結(jié)構(gòu)的ADI 材質(zhì)和多種制備ADI 的工藝：奧鐵體ADI、無(wú)奧氏體ADI、雙相 ADI、含碳化物ADI、低碳當(dāng)量 ADI、兩步ADI、形變 AOI、擠壓ADI、鑄態(tài)合金ADI、連續(xù)冷卻淬火法ADI 及等溫淬火ADI，但目前仍以獲得奧鐵體球鐵的常規(guī)等溫淬火處理法ADI 為主。

等溫淬火處理法：將球鐵件加熱到奧氏體化溫度區(qū)，保溫一定時(shí)間，使其基體完全奧氏體化，然后將鑄件快速淬入鹽浴爐、油箱或流動(dòng)床爐中，使其快冷至奧氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，等溫保持約1～4 h，然后空冷至室溫。等溫淬火后基體組織由高碳奧氏體、針狀鐵素體、石墨球組成，石墨球的形態(tài)、尺寸和數(shù)量無(wú)明顯變化。

等溫淬火處理法優(yōu)勢(shì)：合金元素加入比鑄態(tài)合金法少，生產(chǎn)成本低，冷卻速率易控制，組織穩(wěn)定。雖比連續(xù)冷卻淬火法工藝加入合金元素多，但組織穩(wěn)定，不易形成內(nèi)應(yīng)力，也不必須進(jìn)行回火處理。

4 國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)800～1 000 MPa 級(jí)高性能球墨在重型載貨汽車底盤鑄件的應(yīng)用見(jiàn)表2。

表2 國(guó)內(nèi)商用車底盤800～1 000 MPa級(jí)球鐵零件應(yīng)用情況

5 QT800-5在重型商用車底盤的應(yīng)用實(shí)例

重型商用車企業(yè)不斷對(duì)底盤支架-平衡軸支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料升級(jí)試制。平衡軸支架是平衡懸架的重要組成部分，主要起到連接車架與鋼板彈簧、保證雙后橋載荷實(shí)時(shí)均衡性作用，對(duì)提高車輛的驅(qū)動(dòng)性能、通過(guò)性能具有重要作用。擬采用高性能球墨鑄鐵QT800-5 替代普通球墨鑄鐵QT500-7。優(yōu)化前質(zhì)量為51 kg，原設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1，經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)和力學(xué)性能模擬計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)質(zhì)量降低至36 kg，實(shí)現(xiàn)單件質(zhì)量降低15 kg，減重率達(dá)29%。輕量化后的設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。力學(xué)性能主要指標(biāo)為：抗拉強(qiáng)度為800 MPa，屈服強(qiáng)度為480 MPa，伸長(zhǎng)率為5%，材料硬度為245～335 HBW 10/3000，材料密度為7.3 kg/m3，主要結(jié)構(gòu)變化為：主壁厚由14 mm和16 mm減薄至12 mm。

圖1 原設(shè)計(jì)方案

圖2 輕量化方案

在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)充分考慮了球墨鑄鐵的凝固特性，降低其斷面敏感特性，盡可能采用等壁厚均勻化設(shè)計(jì)，使材料特性盡可能發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)。

設(shè)計(jì)約束見(jiàn)圖3，工況載荷設(shè)定為：垂向工況Z向載荷為220 000 N，制動(dòng)工況Z向載荷為90 000 N，X向載荷為120 000 N。

圖3 平衡軸支架約束狀態(tài)

為比較新舊2 種結(jié)構(gòu)方案的受力情況，對(duì)原結(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相同載荷的約束和模擬，并進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)2 種方案最大應(yīng)力均集中在圓周根部。通過(guò)表3 可以看出優(yōu)化后支架減重15 kg。

表3 優(yōu)化前后方案對(duì)比

5.1 鑄造模擬

利用鑄造模擬軟件對(duì)平衡軸支架的充型及凝固過(guò)程進(jìn)行模擬，圖4 為凝固過(guò)程，鑄件凝固可以實(shí)現(xiàn)順序凝固，模擬發(fā)現(xiàn)在圖5 中指出位置可能出現(xiàn)縮松，凝固后對(duì)鑄件進(jìn)行切割驗(yàn)證（圖6），發(fā)現(xiàn)鑄件只存在輕微縮松，滿足鑄件缺陷控制標(biāo)準(zhǔn)。所以判定鑄件內(nèi)部質(zhì)量合格。

圖4 支架凝固過(guò)程模擬

圖5 縮松位置

圖6 支架切割驗(yàn)證

5.2 熔煉設(shè)備及工藝

熔化工藝：按照廢鋼-生鐵-回爐料的順序加入，熔化溫度控制在＜1 370 ℃，按照不同的爐料熔融百分比，分2 次加入增碳劑。當(dāng)爐料熔融至90%時(shí)做爐前分析。根據(jù)爐前分析結(jié)果進(jìn)行必要調(diào)整，最后熔煉至出爐溫度后出爐。

廢鋼化學(xué)成分要求：C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～0.3%；Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.30%；Mn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.30%；P質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.04%；S 質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.04%；Cr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.25%。

增碳劑化學(xué)成分要求：固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%；灰分Mn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.30%；揮發(fā)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.20%；S 質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.03%。

球化及孕育處理：先將占鐵液質(zhì)量1.5%球化劑放到包底凹坑內(nèi)，用鐵托搗實(shí)，再將一次硅鋇孕育劑放到球化劑上，用鐵托搗實(shí)，再用經(jīng)烘烤后的球鐵鐵屑覆蓋并搗實(shí)，加入合金，并使用珍珠巖進(jìn)行覆蓋。出鐵時(shí)第一次倒入鐵液后，待球化反應(yīng)結(jié)束倒入剩余鐵液，并隨流加入二次硅鋇孕育劑。

對(duì)鑄件進(jìn)行試制，圖7 為鑄造模具示意。并從鑄件本體取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，抗拉試樣（圖8）和金相試樣（圖9）取樣位置見(jiàn)圖10 所示，性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，本體抗拉強(qiáng)度＞800 MPa，伸長(zhǎng)率＞5%，球化等級(jí)為3 級(jí)，石墨大小為6 級(jí)（圖11），珠光體體積分?jǐn)?shù)80%（圖12），符合技術(shù)要求。

表4 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

圖7 鑄造模具示意

圖8 抗拉試樣

圖9 金相試樣

圖10 取樣位置

圖11 試樣石墨大小

圖12 試樣基體組織

經(jīng)檢測(cè)合格后，最終對(duì)零件進(jìn)行了裝車試驗(yàn)（圖13）。經(jīng)路試試驗(yàn)，支架完全能滿足各種道路試驗(yàn)要求。

圖13 支架實(shí)車驗(yàn)證

6 高性能球墨鑄鐵在重型載貨汽車底盤應(yīng)用存在的問(wèn)題

a.成本問(wèn)題：雖鑄態(tài)高性能球墨鑄鐵相比ADI鑄件少了熱處理環(huán)節(jié)，有一定經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，但目前鑄造原輔材料及合金的價(jià)格不斷攀升，高性能球墨鑄鐵又對(duì)原輔材料質(zhì)量及合金元素添加種類及添加量都有著嚴(yán)格控制要求，造成兩者在原材料成本方面不斷攀升。高性能球墨鑄鐵的高強(qiáng)韌性能給鑄件輕量化帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，是否能抵消其原材料價(jià)格上漲導(dǎo)致鑄件成本增加地幅度，成為鑄件大規(guī)模批量應(yīng)用的難題。

b.技術(shù)問(wèn)題：因鑄件生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，工藝控制難度比較大，目前供應(yīng)商的技術(shù)水平差異較大，主要體現(xiàn)在鑄件力學(xué)性能穩(wěn)定性、一致性的差異，而不是單件鑄件力學(xué)性能指標(biāo)差異。高性能球墨鑄件在商用車的進(jìn)一步大規(guī)模應(yīng)用仍存在技術(shù)進(jìn)步空間。

c.上下游合作問(wèn)題：目前業(yè)內(nèi)在對(duì)高性能球墨鑄鐵進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，通常在主機(jī)廠設(shè)計(jì)部門根據(jù)服役條件利用有限元分析軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在生產(chǎn)廠調(diào)整工藝優(yōu)化模擬澆注系統(tǒng)，造成強(qiáng)度分析與工藝設(shè)計(jì)不同步，交互不通暢，未能形成閉環(huán)，影響材料的最優(yōu)選取及材料的高性能發(fā)揮，易出現(xiàn)因缺陷或設(shè)計(jì)不足影響零件壽命。如何利用好模擬軟件深入開(kāi)展企業(yè)間高效合作，對(duì)缺陷類型、缺陷尺寸、缺陷位置進(jìn)行預(yù)判，發(fā)揮材料性能及結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢(shì)，從而形成經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)，已成了高性能球墨鑄鐵在汽車零部件輕量化能否發(fā)揮重要作用的關(guān)鍵。

7 結(jié)束語(yǔ)

800～1 000 MPa 級(jí)高性能球墨鑄鐵通過(guò)合金化或適當(dāng)熱處理手段提高球墨鑄鐵性能，與普通球墨鑄鐵相比，具備高抗拉強(qiáng)度且同時(shí)高延伸率的優(yōu)勢(shì)。且800～1 000 MPa 的高性能球墨鑄鐵的各項(xiàng)性能均滿足汽車行業(yè)的各項(xiàng)要求，其在輕量化方面優(yōu)異表現(xiàn)在商用車領(lǐng)域越發(fā)凸顯，隨著技術(shù)的發(fā)展及廠商之間的進(jìn)一步合作，將不斷提高其質(zhì)量穩(wěn)定性，并降低成本。高性能球墨鑄鐵將不斷為汽車輕量化注入強(qiáng)大動(dòng)力。