硕士论文-全激冷低合金铸铁凸轮轴的工艺优化与质量控制.pdf

哈尔滨理工大学 硕士学位论文 全激冷低合金铸铁凸轮轴的工艺优化与质量控制 姓名：李树春 申请学位级别：硕士 专业：材料工程 指导教师：吉泽升;王世忠 20070101 啥尔滨理工大学工程硕士学位论文 全激冷低合金铸铁凸轮轴的工艺优化与质量控制 摘要 全激冷低合金铸铁凸轮轴具有耐磨、抗擦伤性能和成本相对较低等优良 性能，在国外的汽车制造业中已得到广泛的应用。但在国内，全激冷低合金 铸铁凸轮轴应用较少，没有成熟工艺，可值得借鉴的经验很少。因此，研究 全激冷低合金铸铁凸轮轴的生产工艺具有理论和实际的意义。 本文通过工艺试验和分析的方法，来寻找影响全激冷低合金铸铁凸轮轴 铸造品质的相关因素，并确定全激冷低合金铸铁凸轮轴的生产工艺和过程控 制方法，以此达到全激冷低合金铸铁凸轮轴的批量生产要求。首先，对影响 全激冷低合金铸铁凸轮轴d 型石墨的形成条件进行分析，通过对合金元 素、铁液的过热温时问、过热温度、浇注时问、浇注速度、铁液的孕育处 理、孕育剂的选择、冷铁的尺寸等因素进行控制，来减少和控制d 型石墨 的形成；其次，对全激冷低合金铸铁凸轮轴的加工性能进行大量的试验和分 析，最终通过控制合金成分、浇注温度和速度、孕育处理、过热温度和保温 时闯、表层组织、铸件尺寸精度、铸造缺陷等，来改善和提高凸轮轴的加工 性能；最后，对凸轮轴的常见三种缺陷进行试验和分析，并制定相应的改进 措施，来降低缺陷的发生。 在上述研究与分析的基础上，又进一步对生产进行优化，并确定全激冷 低合金铸铁凸轮轴的生产工艺的要点。( 1 ) c e 控制在3 8 4 2 ；( 2 ) 铁 液的s 控制在0 0 4 0 0 8 ；( 3 ) 炉科的配比控制在生铁：回炉科：废钢 = 3 ：4 ：3 ；( 4 ) t i 和v 等微量元素控制在小于0 0 3 ；( 5 ) 铁水的保温温度 控制在1 4 5 0 1 5 0 0 ，过热温度控制在1 5 0 0 1 5 5 0 ，过热时同控制在 1 0 2 0 m i n ；( 6 ) 浇注温度1 3 8 0 1 4 2 0 ，浇注时间5 7 s 。通过生产验证， 该工艺能够达到厂家提出的技术标准和批量生产的要求。 关键词全激冷；低合金铸铁；凸轮轴：质量控制 堕堑篓堡三查薹三至堡圭耋堡篁圣 p r o c e s so p t i m i z a t i o na n d q u a l i t y c o n t r o lo ff u l lc h i l l e dl o wa l l o y i r0 小lc a m s i | - a f t a b s t “l c t t h a n k st oi t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e s , s u c ha sw e a ra n ds c r a t c hr e s i s t a n c ea n d r e l a t i v e l yl o wc o s t ，t h ef u l l yc h i l l e dl o wa l l o ye a s ti r o nc a m s h a f ti sb r o a d l y a p p l i e do v e r s e a si na u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y b u t , a th o m e ，d u e t ol a c k o fm a t u r et e c h n o l o g ya n dl e s se x p e r i e n c e ，w h i c hc a nb er e f e r r e dt o ，t h ef u l l y c h i l l e dl o wa l l o yc a s ti r o nc a m s h a f ti sl e s sa p p l i e d s os t u d y i n gt h ep r o d u c t i o n t e c h n o l o g yo ff u l l yc h i l l e dl o wa l l o yc a s ti r o nc a m s h a f th a st h e o r e t i c a la n da c t u a l s i g n m c a n u s i n gt e c h n o l o g ye x p e r i e n c ea n da n a l y s i sm e t h o d , t h i st e x tl o o k sf o rr e l e v a n t f a c t o r sh a v i n gi n f l u e n c e so nc a s t i n gq u a l i t yo ft h ef u l l yc h i l l e dl o wa l l o yc a s t i r o nc a m s h a f ta n dd e t e r m i n e sp r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n dp r o c e s sc o n t r o lm e t h o d o ft h ef u i l yc h i l l e dl o wa l l o yc a s ti r o nc a m s h a f tt or e a c h b a t c hp r o d u c t i o n r e q m r e m e n t so ft h ef u l l yc h i l l e dl o wa l l o yc a s ti r o nc a m s h a f t f i r s t ，a n a l y z et h e c o n d i t i o n sh a v i n gi n f l u e n c e so ndt y p eg r a p h i t ef o r m a t i o no ft h ef u l l yc h i l l e d l o wa l l o yc a s ti r o nc a m s h a f t ，r e d u c ea n dc o n t r o lt h edt y p eg r a p h i t ef o r m a t i o n t h r o u g hc o n t r o lo fa l l o ye l e m e n t s , m o l t e ni r o no v e r h e a td u r a t i o n , o v e r h e a t t e m p e r a t u r e , p o u r i n gt i m ea n dp o u r i n gs p e e d ，m o l t e ni r o ni n o c u l a t i n gt r e a t m e n t ， i n n o c u l a n tc h o i c e ，c h i l l e d i r o nd i m e n s i o n se t c ，：n e x t ，p r o c e e dt oal o to f e x p e r i e n c e sa n da n a l y s i so fm a c h i n a b i l i t yo f t h ef u l l yc h i l l e dl o wa l l o yc a s ti r o n c a m s h a f t , a n db yc o n t r o lo fa l l o yc o m p o s i t i o n ，p o u t i n gt e m p e r a t u r ea n ds p e e d ， i n o c u l a t i o nt r e a t m e n t ，o v e r h e a tt e m p e r a t u r ea n dt e m p e r a t u r eh o l d i n gt i m e ，c a s e s t r u c t u r e ，e a s td i m e n s i o na c c u r a c y , c a s t i n gd e f e c t se t c i m p r o v ea n di n c r e a s et h e m a c h i n a b i l i t yo f t h ef u l l yc h i l l e dl o wa l l o yc a s ti r o nc a m s h a f t ；f i n a l l y , p r o c e e dt o e x p e r i e n c e sa n da n a l y s i so ft h r e eo r d i n a r yd e f e c t so ft h ef l i l l yc h i l l e dl o wa l l o y c a s ti r o nc a m s h a f ta n de s t a b l i s hc o r r e s p o n d i n gi m p r o v i n gm e 啪瑚t ol o w e rt h e d e f e c to c g a l r r e n c e o nt h eb a s i so fs t u d ya n da n a l y s i sm e n t i o n e d 曲o v e f u r t h e ro p t i m i z a t i o ni s c a r r i e do u tt op r o d u c t i o n , e s t a b l i s ht h ei m p o r t a n tp o i n t so f p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 o f t h ef u l l yc h i l l e di o wa l l o yc a s ti r o l lc a m s h a f t 1 、t h ec ei sc o n t r o l l e db e t w e e n 3 8 4 2 2 ) t h eso fm o l t e ni r o ni sc o m r o l l e db e t w n0 0 4 0 0 8 3 ) t h ep r o p o r t i o nb e t w e e nt h ef u r n a c ec h a r g e p i gi r o na n ds c r a ps t e e li sc o n t r o l l e d t o ：4 ：3 ：34 、t h em i c r o e l e m e n t ss u c h 弱t ia n dva r ec o n t r o l l e db e l o w0 0 3 s 、t t 坨t e m p e r a t u r eh o l d i n gt i m eo fm o l t e ni r o ni sc o n t r o l l e db e t w e e n1 4 5 0 1 5 0 0 ，t h eo v e r h e a tt e m p e r a t u r eb e t w e e n1 5 0 0 1 5 5 0 ，t h eo v e r h e a tt i m e b e t w e e n1 0 2 0 m i n6 1t h ep o u r i n gt e m p e r a t u r ei sc o n t r o l i e db e t w e e n1 3 8 0 1 4 2 0 “ c ，t h ep o 嘶n gt i m eb e t w e e n5 7 s p r o d u c t i o ns h o w st h a tt h i st e c h n o l o g y c a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so ft e c h n i c a is t a n d a r da n db a t c hp r o d u c t i o no ft h e m a n u f a c t o r e r k e y w o n i sf u l l yc h i l l e d ；l o wa l l o wc a s ti r o n ；c a m s h a r ；q u a 】i t yc o n t r o l m 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文全激冷低合金铸铁凸轮轴 的工艺优化与质量控制，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期问独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明 部分外不包含他人己发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人 承担。 作者签名：召鼢 日期： 2 0 0 71 月 1 0日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 全激冷低合金铸铁凸轮轴的工艺优化与质量控制系本人在哈尔滨理 工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究 成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不褥以其它单位的名义发 表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授 权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密时 。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：，曩林，u 导师签名： 日期：2 0 0 7 年1 月l o 日 日期：2 0 0 7 年1 月l o 日 哈尔滨理工大学工程硕上学位论文 第1 章绪论 1 1凸轮轴在国内外发展概况 汽车工业是我国重点发展的产业，汽车性能的优劣直接取决于其发动机性 能的好坏。因此，开发发动机关键零部件的生产技术、制造优质铸件，是汽车 工业发展的当务之急。凸轮轴作为发动机三大关键摩擦副之一，工作时凸轮表 面和挺杆之间有很高的接触应力和较快的相对滑动速度，所以在凸轮表面常出 现擦伤、点蚀及快速磨损等失效形式。一般要求凸轮轴有适当的强度和韧性， 凸轮表面具有良好的耐磨性能和抗冲击性能。目前制造凸轮轴的材料较多，国 内外凸轮轴常用材质有4 5 钢、球铁和合金铸铁。由于凸轮轴对材质的强度和 韧性要求不是很高，但对凸轮部分的耐磨性能要求很高，因此国内外轿车和中 轻型汽车凸轮轴生产中，合金铸铁己成为应用广泛的凸轮轴材料之一1 1 1 2 】。 合金铸铁因具有一定的机械性能，良好的铸造、减震、润滑、导热性能， 在机械制造行业中应用广泛。其凝固过程及组织受化学成分、冷却速度等因素 的影响。合金化分低合金化和高合金化两种类型。高合金化铸铁主要是指具有 某些特殊性能的特种铸铁，如抗磨铸铁、耐热铸铁以及耐腐蚀铸铁等。但由于 高合金化铸铁中加入的合金元素往往较为昂贵，在合金铸铁凸轮轴生产中，主 要采用低合金化铸铁。低合金化铸铁的合金元素总加入量一般低于3 喇3 4 i 。在 设计合金元素的加入量时，应使合金元素含量适当，既要使合金元素在铸铁的 共析转变中起稳定和细化珠光体的作用，又要在共晶转变中不致有形成白口的 倾向。凸轮轴合金化的作用为：( 1 ) 细化石墨和共晶团，增加基体中珠光体的 含量，并使珠光体的片间距细化；( 2 ) 生成碳化物或含有合金元素的复合磷共 晶等硬脆相，提高耐磨性；( 3 ) 提高基体的淬透性 5 1 在合金铸铁中，加入的合金元素往往有c u 、n i 、c r 、m o 、w 、v 等元 素，在凸轮轴用合金铸铁中，以c u 、n i 、c r 、m o 合金元素的多元合金化应用 较多。合金元素的种类及加入量与凸轮部位耐磨性能的强化工艺有关。冷却速 度对合金铸铁凝固过程的影响主要在于对相变过程中原子扩散迁移的影响。在 共晶转变过程中，冷却速度小，转变倾向于按照奥氏体+ 石墨这一共晶方式进 行，但冷却速度过小，则导致石墨片粗大、基体中璩光体含量少、片间距增大 及凸轮部位硬度降低，不利于凸轮耐磨性能的提高。为使石墨片及基体晶粒细 哈尔滨理工大学工稃硕士学位论文 小，需要采取较快的冷却速度，在铸造生产中，主要采取不同的铸造工艺方法 来控制冷却速度 6 1 。 全激冷铸铁凸轮轴在国内生产的较少，根据查阅的资料和了解到的相关信 息，有北京现代和二汽神龙系列轿车采用此种全激冷低合金铸态凸轮轴，然而 只是近年才进行研制和试生产。二汽雪铁龙采用法国p s a 集团b 5 1 1 1 1 0 中 g l a i 冷硬铸铁材料标准，化学成分为：3 2 缸3 7 c ，1 7 屯2 s i ， 0 6 , - - 1 1 m n ，0 1 5 p ，0 1 8 s ；凸轮桃尖范围内硬度不低于 h r c 4 8 ，其余部位硬度不低于h r c 4 2 ；轴颈金相组织：石墨为a 型+ 少量d 、e 型( d 、e 不高于4 0 ) ，基体为p + f ，渗碳体不超过5 ；轴颈硬度为 瑚1 7 0 屯5 5 1 7 i 町。北京现代采用的是近日系标准，在性能对比上，比二汽雪铁 龙的凸轮轴标准要高一些，主要表现在凸尖硬度、心部d 、e 型石墨允许量， 轴径的基体组织和硬度，以及化学成分上：此系列的凸轮轴在国内为新品，在 国内并无其它厂家进行生产，但成都汽配与我公司同时为北京现代轿车配套此 系列凸轮轴毛坯。此类型的凸轮轴在韩国和日本已为成熟的产品，但在国内很 少有相关的文章发表。 1 2 低合金激冷铸铁凸轮轴的特点 1 2 1凸轮轴工作概况 凸轮轴是发动机最大的摩擦件，在发动机中运行速度较高、接触应力大、 润滑困难；特别是凸轮轴桃尖部位长期工作在高的接触疲劳应力下，极易产生 刮伤、撕裂、割落及早期磨损失效；严重时几个小时，甚至更短的时间就损 坏，造成发动机异响，返修。凸轮轴的工作环境决定了它必须是具有一定的强 度和刚度，一定韧性、良好的耐磨性。同时，由于凸轮轴的结构特点，它还必 须有好的机械加工性能【9 j 。 1 2 2 低合金铸铁凸轮轴特点 采用低合金激冷铸铁制造凸轮轴是一种加工工序少、成本低廉的制造工 艺。它采用了在凸轮轴桃尖部位获得相当深度的白口组织来保证凸轮表面的耐 磨性和心部的韧性。它是通过特殊激冷工艺方法使铸件冷激层的碳保持化合碳 的形式而形成白口或麻口。它要保证在同一根轴铸态达到白口层麻口层灰口 2 竺尘鎏堡三奎耋三耋塑圭兰堡鎏三 层三种不同组织，以达到轴在不同部位对耐磨和韧性的不同要求。一般自口层 的硬度控制在h r c a 5 以上，有的企业为了进一步强化其耐磨性，还对凸轮桃 尖部位进行高频淬火或提出更高的硬度要求。 冷激铸铁凸轮轴的生产控制关键是冷激层的深浅和冷激层的硬度。这种铸 铁的耐磨层，是以冷铁块激冷来获得的，故通称为冷激铸铁。冷激铸铁含有大 量的细针状碳化物，在摩擦过程中起到了耐磨骨架作用，珠光体组织较软，在 摩擦过程中，摩损较快，自然在碳化物针之间形成凹坑，有较好的储油和油膜 保持性。所以这种凸轮轴的抗擦伤性能和耐磨性能特别好，是当前世界各国汽 车凸轮轴和挺杆应用较多的一种【l o l 。 1 3 低合金激冷铸铁凸轮轴的生产工艺 1 3 1 化学成分 在冷激铸铁中，化学成分是比较关键的，它关系到白口倾向的大小及耐磨 性的好坏，合金元素更是关系重大，它直接关系若白口层碳化物的多少及种 类。对耐磨性起着决定作用。所以选择时要兼顾冷激部位有较好的抗磨性能， 又要保证其余部分有相应的强度和良好的机械加工性能。 铸件中化学成分的变化对白口倾向影响非常明显，生产中通常是靠加入一 定量的合金元素来调整自口深度。常用的元素有n i 、c r 、m o 、c “ u 等，冷激铸 铁凸轮轴中加入的合金元素小于3 ，又称低合金铸铁。加入的合金量一般靠 试验来确定，因为元素的作用，随着实际白口层深度的不同而不同，不同结构 的产品也应加以调整【1 “。 1 3 2 金相组织及硬度 冷激铸铁凸轮轴在凸轮桃形部位冷激后纵剖面看，成为三个组织不同的区 域：( 1 ) 表层为硬化区，即白口区：有4 0 的碳化物+ 珠光体十莱氏体。( 2 ) 过渡 区，即麻口区：莱氏体+ 珠光体+ 少量碳化物。( 3 ) 中心区，非硬化层，即灰v i 区： 珠光体+ 片状石墨，珠光体 8 0 ，碳化物 o 5 m p a 为了满足砂芯的使用要求，4 h 后的抗拉强度应 1 2 m p a ，在0 5 m p a 和1 2 m p a 点作水平线，可找出满足此强度要求最佳的温度区问为1 0 3 0 ； ( 2 ) 原砂温度对砂芯固化时间的影响。由图5 - 8 可以看出；原砂温度越高，砂芯 的固化速度越快。因此，当吹胺时间不变时，可以通过适当提高砂温来加速固 化速度；当砂温较低时，可以通过提高通胺时间来提高砂芯即时强度。而砂温 较高时，用延长通胺时问来提高即时强度并不明显。 5 - 2 2 4 相对湿度对砂芯性能的影响( 1 ) 砂芯的抗湿性能。由图5 - 9 可以看出： 砂芯的抗拉强度随存放时间延长而下降。而且随存放环境的相对湿度增加，砂 芯强度下降的幅度也增大。如相对湿度为6 0 ，存放2 4 h 未出现抗拉强度明显 下降，而相对湿度为9 0 时，储存2 4 h 后，抗拉强度明显下降。( 2 ) 砂芯储存 时间。一般情况下，砂芯使用时的抗拉强度应 1 2 m p a 。从1 2 m p a 点做水平 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 23 4 5 吹胺时间s 图5 - 8 抗拉强度随吹胺时间的变化曲线 f i g 5 - 8e f f e c to f t i m eo f b l o wa l l l l l o l l i ao nt e l l g i l es 嘶i g i h 线，得出相对湿度8 0 时，砂芯最佳储存时间 1 2 0 h ，而在相对湿度9 0 ， 砂芯的储存时间应 4 0 h 。 1 6 1 5 1 皇1 蓄- 器1 0 9 o 8 f 。 一 一一 l 0 2 4 4 87 29 61 2 01 4 4 1 6 8 存放时间s 酾 i + 8 0 7 0 i l ! ! 婴l 图5 - 9 抗拉强度随时问的变化曲线 f i g 5 - 9 e f f e c t o f d e p o s i t i n g t i m e o n t e m i l es t r e n g t h 5 2 2 5 芯盒品质对砂芯性能的影晌砂芯要获得均的强度和性能，就要求 芯盒具有良好的通气性、射砂的均匀性、合适的进气面积与排气面积比及芯盒 与射砂板之间良好的密封等。因此，在设计芯盒时必须进行充分考虑并给予实 2 8 6 4 2 l l o o o o o t罨憾骥籀搭 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 施，以得到良好的砂芯性能 4 9 1 。 5 2 2 6 树鹰的加入量与配比对砂落发气性的影响树脂加入量过高或g p 2 0 2 型树脂加入比例过大，会使砂芯在浇注时放出大量胺气，使凸轮轴在轴径和凸 轮处易出现气孔缺陷。 为研究树脂加入量与配比对砂芯发气性的影响，采用只改变树脂的加入量 和配比，而浇注温度等其他参数不变的情况下，进行试验，结果见表5 1 。 表5 1 树脂加入量与配比对凸轮轴质量的影响 t a b l e5 - 1e f f e c to f q u a t i t ya n ds c a l eo f r e s i no nq u a l i t yo f c m n s h a r 树脂的加入量( )气孔废品率i 型型树脂配比( 树脂气孔废品率 ( 占砂量，比例1 ：1 ) ( ) 加入量2 ，0 )( ) 2 5o 94 5 ：5 50 6 2 0 0 35 5 ：4 5 0 1 由表5 1 可以看出，树脂加入量为2 o ，配比为”：4 5 时，凸轮轴的气 孔缺陷明显降低。 5 2 2 7 原砂粒径对砂芯性能的影响用径( 0 3 0 0 0 1 5 0 ) m m 、( 0 2 1 2 0 1 0 6 ) m m 的两种原砂进行抗拉强度试验和实际浇注，考查粒径对砂芯使用性能的影 响，其结果，见表5 - 2 ( 抗拉强度为5 个试样的平均值，凸轮轴浇注试验时控 制参数相同，共浇注3 3 6 0 件) 。 表5 - 2 原砂粒径对抗拉强度和凸轮轴品质的影响 t a b l o5 - 2e f f e c to f g r a i ns i z eo f r a w8 a n d so nt e n s i l es t n g l ha n dq u a l i t yo f c a m s h a r 原砂粒径( m m )砂芯抗拉强度( m p a )因砂芯品质而造成的废品( ) 3 0 0 01 5 020 62 3 0 2 1 2 0t 0 61 ，7 95 6 由表5 2 可知，( o 3 0 0 0 1 5 0 ) m m 的抗拉强度和对铸件表面品质都优于 ( o 2 l 加1 0 6 ) m m 的原砂。 5 2 3 造型工艺参数的确定 1 原砂含水量增加待用原砂水分的抽检频次，确保烘干后原砂含水量 o 2 。 2 原砂含泥量采用含泥量 o 3 的标准原砂，并定期进行化验。 哈尔演理工大学工程硕士学位论文 3 原砂温度保证待用原砂温度控制在1 0 3 0 “ 1 2 之间。 4 树脂加入量调整树脂加入比倒，树脂加入量分别为0 9 1 0 ， 加入比例5 5 ：4 5 。 5 改进芯盒改进射砂板上射砂孔分布，确保砂芯性能的均一性。在充 分考虑底板排气塞的位置、模样和浇注系统的形状、冷铁的定位等因素，对射 砂孔的分布进行了改进，使射砂孔分布更加合理，以确保砂芯的紧实率和均一 性。( 1 ) 调整排气塞的尺寸、数量及排气塞的布置，以确保芯盒具有良好的进 气面积与排气面积比。根据凸轮轴冷芯盒的形状、射砂压力、工作温度等因 素，将进、抨气面积比调整为1 0 ：1 ( 2 ) 在芯盒的分型面上安置密封条，防 止通气过程三乙胺气从分型面处外漏，确保砂苍的固化效率，同时保证芯盒与 射砂板之间有较好的密封性，确保砂芯具有良好的紧实率和抗拉强度。 6 砂芯的可使用时问和储存环境的相对湿度保证砂芯在储存过程中相 对湿度r 1 “ 1 9 0 ，同时将砂芯的可使用时间控制在4 9 6 h 。如相对湿度9 0 时，射出的砂芯4 h 后立即使用。 7 原砂粒径选用粒径为( o 3 0 0 ，o 1 5 0 ) m m 原砂 5 2 4 冷铁尺寸的确定 5 2 4 1冷铁尺寸对凸轮轴的影响激冷铸造凸轮轴在凸轮的桃尖部位放置合 适的成型冷铁来达到局部激冷的目的，在凸轮周边部位生成足够深度的自口 层，凸轮断面自桃尖至基圆的组织依次为白口、麻口、灰口，以保证桃尖工作 表面有足够的耐磨性和凸轮轴有良好的加工性能。由于凸轮桃尖硬度和白口层 深度决定着凸轮的耐磨性，即决定着凸轮轴的使用寿命，这是评价凸轮轴质量 的两个重要指标，而成型冷铁的形状、大小又是影响这两个指标的关键因素。 5 2 4 2 冷铁的尺寸我们通过试验的方式来确定冷铁的尺寸。冷铁的尺寸如 表5 - 3 所示，冷铁的形状如图5 1 0 所示。 表5 - 3 试验用的冷铁 t l i b l c5 3 ( = h i nb l o c k s6 xt e s t 冷铁型号冷铁尺寸( m )冷铁与凸轮重 形状 l 1l 2 h 1 1 2 量比 a 6 0 4 5 4 0 1 50 ，8 蹄形 b7 05 04 52 01 2 蹄形 c8 05 5 5 0 2 5 1 5 蹄形 d9 56 05 53 02 0 蹄形 哈尔滨珲工大学工程硕士学位论文 图5 1 0 冷铁形状示意图 f i g 5 - 1 0t h e s k e t c hm a po f c h i ub l o c k 在试验过程中，在同一铸型中分别用a 、b 、c 、d 四种冷铁激冷，来分 析凸轮桃尖至基圆中心的硬度变化。试验结果见图5 1 1 。由图5 1 1 可以看出： ( 1 ) 随着凸轮断面内离冷铁的距离增加，冷铁的激冷作用减弱，凸轮断面内 的硬度逐渐下降，至凸轮基圆中心附近时，硬度值变化减小。( 2 ) 随着冷铁的 增大，凸轮桃尖表层区域硬度显著提高，断面平均硬度逐渐增加；( 3 ) 冷铁重 o5l o1 52 0 离凸轮表面距离，m m 图5 - n 冷铁对凸轮硬度的影响 f i g 5 - 1 1e f f e c to f c h i l lb l o c k so i lh a r d n e o f c a m 4 0 “ 稻们 弘如 筋 q 笛h ，蜊罄 哈尔滨理工大学工姆硕士学位论文 量小于1 5 时，冷铁的蓄热能力较小，不能使凸轮的硬度达到所需的硬度值， 但冷铁重量比为2 0 的d 型冷铁则使凸轮桃尖表层硬度增幅较小，断面硬度降 低减缓，使凸轮的白口层和麻口层增加，使凸轮轴的三区分布较差，而重量比 为1 5 时，凸轮的硬度达到了所需的硬度值并且三区分布较好因此，通过试 验我们将凸轮轴的冷铁定为蹄形冷铁且冷铁与凸轮的重量比为1 4 1 6 。 5 3 轴熔化工艺 5 3 1 熔化工艺概况 熔化采用的是5 0 0 k g 中频电炉，每包铁水重量为7 0 k g ，每包根据三角断口深度 加入一定量的硅钡孕育剂，采用人工抬包进行浇注，浇注完成后自然冷却2 个小 时后进行打箱。炉料有废钢、灰铸铁回炉料、7 5 f e s i 、锰铁、磷铁、增碳剂、 硫化亚铁、铬铁、电解铜、钼铁、镍铁等主要炉料配比惭) 为废钢：灰铸铁 回炉料鼍6 0 7 0 ) ：( 4 0 3 0 ) 。 5 3 2 合金成分 在给定技术标准的化学成分范围内，根据我公司生产半激冷凸轮轴的生产经 验，我们将此凸轮轴的化学成分综合分析并考虑到前述的的实验结果，最终将凸 轮轴的化学成分进行优化和确定。结果见表5 4 所示。 表5 4 凸轮轴炉前化学成分( ) t a b l e5 - 4c o m p o s i t i o no f c a m s h a f tf o rm e i t m g c ) 兀 cs jm npsc uc rn i 素 含 量 3 3 3 51 6 1 90 5 o 7 o 1 5 0 1 50 3 o 50 3 o 40 3 o 5 5 3 3孕育剂加入量和白口深度 白口深度是靠孕育剂加人量来调整的，孕育剂加人量太多，降低铁液的白 口倾向，凸轮桃尖白口层深度太浅，甚至几乎不形成白口，凸轮桃尖硬度达不 到技术要求；孕育剂加人量太少，铁液的白口倾向太大，轴颈会出现大量游离 渗碳体另外白口深度的控制还与碳当量( 化学成分) 、过热温度和时间、出炉 4 1 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 温度等密切相关，因此，在加孕育剂确定白e l 深度时，必须考虑以上因素。 此外，白口深度的观察也与操作者的经验有关，实际观察出的白口深度会 因人而异。因此要求操作者应固定，更换操作者时应进行长时问的理论和实际 操作的培训，否则会引起凸轮轴材质废品率的上升。经过大量生产实践验证， 凸轮轴孕育后试样白口深度控制为3 5 m m 为宜 5 3 4 浇注温度和速度 浇注温度主要是通过影响冷铁的激冷作用而影响白口层深度、硬度和显微 组织。浇注温度过高，降低了冷铁的激冷效果，使结晶过冷度小，白口倾向 小；相反，则冷铁激冷效果好，结果过冷度大，白口倾向大。通过反复试验， 我们将浇注温度规定为1 3 8 0 1 4 2 0 。要求每包测浇注温度。 浇注方式要求平稳快浇，这样有利于凸轮获得正常的激冷组织，靠近冷铁 表面处形成白口，然后逐渐过渡到麻口、灰口组织，防止凸轮桃尖出现大量石 墨而降低桃尖硬度。由于是采用手工浇注，浇注时应对准浇口杯，不许铁液飞 溅，使铁液快速充满浇口杯，浇注过程中不许断流。浇注时间控制为5 7 s ， 孕育处理后，每包钦液在3 5 m i n 内浇注完毕，防止孕育衰退。 5 3 5 过热时间和过热温度 按正常操作，炉内铁液温度达到1 4 7 0 1 4 9 0 之间，每隔l o 2 0 m i n ，取 一个成分试样，同时浇一个白口试样，观察炉内铁液的化学成分和白口深度的 变化情况。使用感应炉熔化，保温时间长，铁液极易脱碳，白口倾向大，石墨 长度短，极易产生d 、e 型石墨，铁液的流动性交差，收缩倾向增大，易引起 各种铸造缺陷( 气孔、冷隔、缩松等) ，因此应严格控制铁液的过热时间1 5 0 。生 产现代凸轮轴时，规定过热时闽为3 0 r a i n 以内，超过3 0 r a i n ，补加5 的生 铁，超过l h ，铁水报废。铁水的过热温度控制在1 5 0 0 1 5 5 0 之间，保温温 度控制在1 4 5 0 1 5 0 0 之间。 5 3 6 炉料配比 炉料配比主要是考虑生铁、废钢、回炉料的比例。试验时，如果炉料配比 不相同，即使铁液的化学成分相同，凸轮的白口深度也可能不同。如果炉料配 比中生铁的比例大，铁液石墨化核心就多，铁液凝固时石墨的形核率就高，碳 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 就容易按析出石墨的方式凝固，使铁液的白口倾向变小；相反，如果废钢的比 例大，铁液石墨化核心就少，自口倾向大，增加了激冷效果p ”。 因此，炉料配比要求稳定，波动范围要小，否则将引起材质不稳定。我们 经过长期的试验和生产经验的积累，并考虑到前述章节的试验结果，认为生铁 废钢：回炉料_ 3 ：3 ：4 为宜。同时要求生铁、废钢必须经过抛丸处理，清除表面 锈蚀和油污。 5 4 本章小结 通过试验和分析的方式，确定了全激冷低合金铸铁凸轮轴的最优工艺；( 1 ) 烘干后原砂含水量 o 2 ；原砂含泥量 o 3 ；原砂温度控制在1 0 3 0 ； 树脂加入量分别为0 9 1 0 ，加入比例5 5 ：4 5 ，相对湿度9 0 时，射出 的砂芯4 h 后立即使用；原砂粒径选用( 0 3 0 0 0 1 5 0 ) m m ；( 2 ) 冷铁为蹄形冷铁且 与凸轮重量比值为1 4 1 6 ：( 3 ) 化学成分为3 3 3 5 c ，1 6 1 9 s i ， 0 5 0 7 m n ， o 1 5 p ， o 1 5 s ，0 3 n o 5 c u ，0 3 0 4 c r ， 0 3 0 5 n i ；( 4 ) 孕育后自口深度控制为3 s m m ：( 5 ) 浇注温度为1 3 8 0 1 4 2 0 ，浇注时间5 7 8 ；过热温度1 5 0 0 1 5 5 0 ，保温温度1 4 5 0 1 5 0 0 ； ( 6 ) 炉料的配比为生铁：废钢：回炉料习：3 ：4 。 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 结论 l 、可采取以下措施来控制和降低全激冷低合金铸铁凸轮轴的d 型石墨数 量：( 1 ) 合金成分的c e 值为3 8 4 2 ；( 2 ) 炉料内加入一定量的生铁，将炉料 的配比定为废钢：回炉料：生铁- 3 ：4 ：3 ；( 3 ) 铁水进行增硫处理，将硫的成分控制在 0 0 4 0 0 8 0 , 4 ；( 4 ) 凸轮轴上易出现d 型石墨的位置可引入过热冒口；( 5 ) 铁液 的钛含量应低于0 0 3 ； 2 、改善全激冷低合金铸铁凸轮轴的加工性能，可采取以下措拖：( 1 ) 铁水要 进行充分孕育，并保证加工面的渗碳体量不超过2 ；( 2 ) 铁液中不易引入过多的 合金成分，以最少的合金元素达到所需性能；f 3 ) 控制好铁液中钛和钒等微量元 素的含量，应低于0 0 3 ；( 4 ) 加工表层组织中要有少量的铁素体；( 5 ) 控制好凸 轮轴的表面质量和尺寸精度；( 6 ) 防止凸轮轴的加工表面出现大量的渣气孔缺 陷： 3 、少量微小的渗碳体或硬质点并不影响凸轮轴的加工性能，反之在一定 程度上会利于凸轮轴的断屑即提高凸轮轴的加工性能； 4 、可通过增加铁液过热温度或延长保温时间、缩短浇注时间和提高浇注 温度、控制碳当量和保证铁液成分的相对稳定、防止铁液出现紊流，定期检查 冷铁质量、防止铁液出现跑火等措旖来防止石墨带的生成； 5 、进行炉内增碳、适当增加炉料废钢加入比例、提高铜含量可有效提高 凸轮轴的韧性和抗断裂性能。 2 尘耋耋三查兰三矍堡圭兰堡丝圣 参考文献 l杜军铸铁凸轮轴制造技术及国内外发展动态汽车工艺与材料，1 9 9 9 , ( 3 ) ： 4 - 6 2 孙国维，侯俊，苏仕方世界铸造工业技术的近期发展铸造，2 0 0 4 , 5 3 ( 1 ) ： 1 - 4 3 孙国维，铸造业的发展及第6 5 届世界铸造会议简介铸造技术，2 0 0 3 ，( 2 ) ： 1 - 3 4缪良新形式下中国铸造工业的战略考虑铸造技术，2 0 0 3 ，2 4 ( 4 ) ：2 6 1 2 6 3 5潘立鹄低合金冷激铸铁凸轮轴的生产技术中国铸造装备与技术，2 0 0 5 ， ( 3 ) ：2 5 - 2 7 6殷作虎硫对灰铸铁组织和性能的影响铸造，2 0 0 4 , 5 3 ( 1 0 ) ：8 0 5 - 8 0 9 7 j e w a l i c e i n o c u l a t i o ns u l p h u rr e l a t i o n s h i pi nc a s ti r o n a f st r a n r a c t i o n s , 1 9 9 8 ，8 0 ( 3 ) ：31 7 - 3 2 8 8i ar e m o n d i n o ，e p i l a s t r o ，e n a t a l e q u a t i l ya n de c o n o m i ca s p e c t so f i n - m o u l d i r o nt r e a t m e n t 4 3 r di n t e r n a t i o n a lf o u n d r yc o n g r e s ，b u c h a r e s t , 1 9 7 6 ：11 1 3 9 李平，魏伯康，万仁芳富康轿车凸轮轴国产化生产技术现代铸铁2 0 0 2 , o ) ：3 3 - 3 6 l o 章爱生冷铁对凸轮轴凸轮的激冷作用，热加工工艺，1 9 9 8 ，( 3 ) ：3 8 - 4 0 1 1 章舟感应电炉熔炼灰铸铁( 球铁) 时要注意的问题现代铸铁，2 0 0 0 ，( 4 ) ： 2 4 2 6 1 2 宋洪烨，徐兴春凸轮轴激冷铸造中若干问题的讨论铸造技术，1 9 8 5 ，o ) ： 1 1 - 1 5 1 3 张兆云，徐春杰，牛宏建d 型石墨灰铸铁的认识铸造技术，2 0 0 3 ，2 4 ( 4 ) ： 2 8 3 2 8 4 1 4 李降盛铸造合金及熔炼机械工业出版社，1 9 8 9 ：s 2 4 1 5 邱代荣铸铁凸轮轴汽车工艺与材料，1 9 9 4 ，( 7 ) ：2 3 - 2 5 1 6 李平工艺因素稳定性对冷硬铸铁凸轮轴质量的影响现代铸铁，2 0 0 4 , 2 4 ( 1 ) ：1 7 - 1 9 1 7 杨国杰，陈国祯，庞风荣子铸铁件质量手册机械工业出版社，1 9 8 9 ： 2 1 5 - 2 1 8 1 8 张绪成冷激合金铸铁凸轮轴的铸造工艺铸造技术，2 0 0 0 , ( 1 ) ：3 0 - 3 2 晗尔滨理工大学工程硕士学位论文 1 9 k t o s h i h i k o m c f l e m i n g s s o l i d i f i c a t i o n m a t e um a t e rt r a n s , 1 9 9 5 ，( 2 6 ) ：2 9 9 l 一2 9 9 8 2 0 e i t u r n e r a no v e r v i e wo f m e t h o d s f o 峨d r y m a n , 2 0 0 3 ，( 1 ) ：2 2 2 5 2 l j a r t a w k , 殳o ，w i l s o n , j ，h t y l e z a k l a t o r a 妇yw e a rt e s t i n go f f e r r o u sa l l o y s a n dc o m p o s i s t e s a f st r a n s a c t i o n s , 1 9 9 8 ，( 1 0 6 ) ：6 5 3 - - 6 5 7 2 2 o d o g m a , j 八r t a w k , e f f e c to fr e t a i n e da u s t e n i t eo na b r a s i o nr e s i s t a n c eo f u g h c rw h i t ec a s ti r o n a f st r a n s a c t i o n s , 1 9 9 7 ，( 1 0 5 ) ：1 6 7 1 7 4 2 3 0 d o g a n , j a h a w k t t l 蹴t y p e so fw e a ro f2 6 c rw h i t ec a s ti r o na f s t r a n s a c t i o n s , 1 9 9 8 ，( 1 0 6 ) ：6 2 5 面3 1 2 4g l a i r d s o m ec o m m e n t s0 1 1w 1 l i l