（材料加工工程专业论文）高强韧球铁曲轴的铁型覆砂工艺研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii 摘 要 汽车是当今社会最重要的交通运输工具之一，发动机是汽车的核心部件，曲轴又 是发动机的关键。随着汽车性能要求的不断提高，发动机的功率不断增大，曲轴必将 承受更大的交变载荷，对曲轴材质的强度、韧性、可靠性的要求也越来越高，普通曲 轴和一般的高强度曲轴难以满足要求。 鉴于铸铁材质曲轴本身具有钢曲轴所无法比拟的经济性，开发和研究高强韧的球 铁曲轴具有广阔的市场和应用前景。因此，本论文研究了高强韧球铁曲轴的铁型覆砂 工艺。通过铁型覆砂铸造技术成型的球铁曲轴组织致密，力学性能较高，显著地提高 了铸件的尺寸精度，表面粗糙度也大大降低，使球铁曲轴质量大为改善。生产出的 qt880- 6 正火球墨铸铁曲轴在保持高强度的基础上，大大提高了球墨铸铁的韧性，伸 长率达到了 6的平均水平。 本文利用废钢、增碳剂并适当配入生铁，通过中频感应电炉熔炼来获得合格的高 质量原铁水，然后经球化孕育处理，形成球墨铸铁。此合成铸铁的熔炼方式和处理工 艺为球墨铸铁生产开辟出一条新的途径。 其化学化学成分为, 3.63.9 c%、1.82.4 si%、 0.250.6 mn%、0.30.7 cu%、0.05 p%、0.03 s%。 本文以六缸曲轴 430 为对象，对铁型覆砂球铁曲轴进行了工艺、工装设计。针对 球铁曲轴的金属型覆砂铸造的工艺特点，制定了铁型覆砂的生产工艺参数如铸件壁厚、 覆砂层厚度、金属型壁厚等。并针对曲轴生产中出现的的各种缺陷和问题，提出了行 之有效的技术解决措施。 本文采用不完全奥氏体化热处理工艺提高曲轴的力学性能，制定了生产高强韧球 铁曲轴的热处理工艺参数。正火温度：86030、保温 1.50.5小时，雾冷；回火 温度：60020、保温 2.00.5 小时，空冷。 关键词：铁型覆砂；球墨铸铁；曲轴；高强韧 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i abstract automobile is one of the important communication tools of the current time. engine is the core part of the vehicle, and crankshaft is the key point of engine. with the increasing of the power of the diesel engine, the crankshaft will bear the higher alternating loads. the requirement to the strength, the ductility and the reliability of the material of the crankshaft is higher and higher. the original crankshaft and the medium strength crankshaft cannot satisfy the demand. since the cast iron crankshaft has the advantages, in the paper, we do the research on the process of iron mould coated sand for nodular iron crankshaft with high strength and ductility. the cast structure of crankshaft by the process is compact and mechanics capability better. other more， it observably enhances the size precision and consumedly reduces exterior coarseness. the quality of the cast crankshaft improves consumedly. consequently, based on keeping high strength of the crankshaft, research on the process of iron mould coated sand for qt880- 6 crankshaft raises the ductility of nodular cast iron greatly, has make the specific elongate on rising 6 percent average. this paper presents the process of getting the qualified molten iron through melting scrap, carburant and moderate cast iron, which offers a new way for producing ductile iron. the chemical constituent was 3.63.9 c%，1.82.4 si%，0.250.6 mn%，0.30.7 cu%，0.05 p%，0.03 s%。 by the example of 430 crankshaft, the paper design the technology, improve workmanship for the crankshaft by iron mould coated sand. based on the working characteristic, the paper determines the processing parameters of iron mould coated sand , which includes the crankshafts cast thickness, sand coating thickness, and thickness of metal mold. the paper offers effective processes for the defect structure in the crankshaft production. 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii in the paper, the mechanical property of crankshaft is improved by incomplete austenitizing, and the heat treat process parameters are set up. the normalization process is to heat the crankshaft up to temperature of (860 30) and then get it soaked for （1.5 0.5） hour prior to mist cooling. the tempering process is to heat the crankshaft up to temperature of (600 20) and then get it soaked for （2.00.5） hour prior to air- cooling. key words: iron mould coated sand；nodular cast iron；crankshafts；high strength and ductility 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导老师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1 . 1 国内外曲轴研究概况 发动机是汽车的心脏，曲轴是发动机中至关重要的零件，它在工作中受到不断变 化的燃气压力、惯性力及力矩作用，从而在各部分产生弯曲、扭转、剪切、拉压等交 变应力。鉴于曲轴的重要性及其工作状况的复杂性，设计者在选材时务必慎重，要求 曲轴有较高的抗拉强度、疲劳强度、表面强度、耐磨性，同时心部要有一定的韧性。 另外，应当顺应当今世界汽车材料的发展趋势，采用轻量化材料以减轻汽车自重，减 少汽车的燃油消耗，节约石油资源，降低环境污染；选用和开发替代材料简化零件生 产工艺，降低生产成本1 ，2。 目前，国内普遍使用的曲轴材料主要有两类，锻钢和球墨铸铁。锻钢材料一般为 中碳钢和中碳低合金钢， 如45钢、 53钢、 35crmo、 40cr等3 ，4。 球铁曲轴牌号有qt600- 3、 qt700- 2、qt800- 2、qt900- 2、qt900- 547 。 总的说来，曲轴用材料的发展趋势是，以球铁曲轴替代锻钢曲轴；特别是发展高 的抗拉强度和伸长率为性能代表的高强韧球铁曲轴。 1 . 1 . 1锻造曲轴 锻造曲轴主要是锻钢曲轴，可分为主要有以下几类： （1 ） 热处理锻钢曲轴 这类曲轴多采用精锻中碳钢或中碳合金钢，需要采用调质 （或正火）热处理来提 高强度并改善加工性能。另外，还有关于国外采用 45钢经锻造余热淬火后，增加淬透 性，以提高硬度、抗拉强度、冲击韧性和伸长率，从而降低毛坯成本的报道3 ，4。 中国重型汽车集团公司从奥地利斯太尔公司引进了 wd615系列发动机， 为实现引 进技术国产化，选用上钢五厂精炼 45号钢代替 ck45 钢试制斯太尔曲轴，两者成分分 别为 0.49%c， 0.29%si，0.66%mn，0.012%s，0.02%p， 0.21%cr，微量cu和 0.49%c， 0.27%si，0.72%mn，0.03%s，0.019%p，微量cu。得到的组织分别如下：进口曲轴显 微组织为珠光体， 晶粒度相当于 gb6394标准7级， 带状组织和魏氏体组织相当于yb31 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 标准 0 级，无游离渗碳体，有的表面无明显脱碳层；国产曲轴显微组织为珠光体和铁 素体，晶粒度相当于 gb6394 标准 8 级，带状组织和魏氏体组织相当于 yb31 标准 0 级，无游离渗碳体，有的表面脱碳层不明显，有的表面脱碳层深达 0.65mm8。两者均 采用正火热处理 （860，2h 空冷）都达到了大型曲轴的全纤维锻造工艺的要求。经 测试，两种曲轴的化学成分、力学性能、基体硬度、金相组织、锻造纤维流向、极限 承载弯矩基本相当。 锻造曲轴由于需要热处理，工艺较复杂，需要时间多，而且能源消耗较大。 （2 ） 微合金非调质钢曲轴 微合金非调质钢曲轴是近年来发展起来的新钢种，它采用添加微量合金元素强化 的方法，通过添加钒（v），妮（nb），钛（ti）等合金元素细化晶粒，强化钢的基 体，从而提高钢的强度。其优点是可以省去调质 （或正火）处理工艺，具有明显的简 化工艺、节时节能的效果同时可改善切削加工性能，提高劳动生产率。微合金钢与调 质碳钢相比可节约成本 711%，与调质合金钢相比可节约成本 1119%9。 传统的调质钢需通过热处理工艺来提高强度， 而且需加入昂贵的镍 （ni） 、 铬 （cr） ， 铝（al）等元素。自从联邦德国于 1972 年研制出牌号为 49mnvs3 的中碳微合金钢后， 英国、法国、意大利、日本前苏联、美国等也相继研制出不同牌号的微合金非调质钢 以代替调质钢。 例如，英国研制的 vanard 系列低碳（0.3- 0.5%）高锰（1.01.5%）微合金钢， 与 49mnv s3（0.480.56%c，0.61.0%mn），u 型缺口冲击能15j /cm2）相比，在相 同强度时可提高冲击能 33%。瑞典金属学院发现将硅（si）从 0.3%提高到 0.6%时，在 对强度无影响的情况下可将冲击能提高 25%。nomura 等人发现1014，将用钒（v）处 理过的钢中的硫（s）提升至大约 0.05%时，可有效提高韧性。nippon steel 发现向 0.42c- 0.79mn- 0.26si- 0.11v 钢中加入 0.021 钛（ti），在 12500 锻造，然后空淬，可 将室温下 u 型缺口冲击能由 34 j/cm2提升至 50j/cm2 。 国外汽车应用微合金非调质钢曲轴己十分广泛，德国 benz、意大利的 fiat、美国 的 ford、日本的三菱和丰田汽车公司都有部分汽车发动机曲轴采用非调质钢。我国非 调质钢的研究起步较晚，但经过努力已研制出十几种非调质钢，例如为解决康明斯发 动机锻造曲轴用钢，东风汽车公司研制出一种新型曲轴用非调质钢 50mnv （0.440.56%c，0.80- 1.3%mn，0.170.37%，0.035%s，0.035%p， 微量 v）30。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 1 . 1 . 2铸造曲轴 铸造曲轴是一种新兴发展的曲轴。主要有：铸造热处理曲轴、奥氏体等温淬火球 铁（adi）和铸态珠光体球铁曲轴。 （1 ） 铸造热处理曲轴 意大利菲亚特 （fiat）汽车公司开发的高强韧性球铁系列的综合性能指标为同类 材料中最高，反映了当今国际先进水平。牌号 gh90- 5 的球铁用于发动机曲轴，需经正 火处理。 南京汽车厂从菲亚特公司引进的 iveco轻型系列卡车的发动机曲轴为 gh90- 5 牌 号球铁。南汽采用高温低硫原铁水，通过严格控制 mn 和 p 的含量，加入 0.50.8%的 cu，用含ca 和低镁低稀土球化剂处理及硅铁随流孕育，再经过正火和高温回火处理， 得到细片状珠光体十破碎状牛眼铁素体组织。在实验室条件下，y 型试块性能可接近 qt900- 5 的要求，曲轴本体解剖后，经测试达到 qt850- 4 性能指标，基本满足生产的 要求15。 （2 ） 奥氏体等温淬火球铁 （a d i ） 奥氏体等温淬火球铁（adi）是近年来在铸铁冶金中的重大发现之一。将球铁加热 到 897附近， 奥氏体化溶解碳， 然后进入 247397盐浴中急冷， 以防止出现珠光体， 并保温12小时， 最后急冷到室温，获得基体为奥氏体加贝氏体混合组织的 adi 材料。 通常在其中加入少量镍（ni），铝（al）或铜 （cu）来提高硬度16。 富含碳的残余奥氏体比较稳定，韧性好而且不连续，这极大地提高了材料的性能。 它的另外一个突出特点是加工感应相变形成马氏体，而且也是加工部分产生硬化，提 高了强度和耐磨性，此种硬化效果具有持续性。高强度 adi 材料抗拉强度为 12741470mpa，伸长率为 13%，主要用作钢质零件的代用材料；高韧性 adi 材料抗 拉强度为 8821078mpa，伸长率为 612%，主要用作铸铁零件的代用材料1921,30。 adi 材料可被用来制造承受高负载的曲轴，而通常条件下，普通球铁材料是达不 到这么高的要求的。adi 材料的开发提高了球墨铸铁类材料的机械性能，拓展了球铁 材料的应用空间。由于其价格低廉，设计自由度大，经不同温度等温淬火处理后，具 有高强度、高韧性、高疲劳和耐磨性能，因此是一种非常有发展前途的材料。 adi 的生产对铸件质量要求高，需要严格控制等温淬火热处理工艺参数，为此要 采用机械化自动化程度较高的专用等温淬火热处理设备。在美国等温淬火球铁（adi） 己从理论及工艺研究进入到实际应用阶段，adi 球铁曲轴己有一定的产量。而我国尚 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 处于试验研究阶段，在单缸发动机上有所采用，另外有少数关于在四缸发动机上的应 用报道。 （3 ） 铸态珠光体球铁曲轴 球铁材料过去一直采用正火来提高强度，随着生产技术的成熟，铸态珠光体球墨 铸铁曲轴逐步代替了正火球墨铸铁曲轴。由于石墨球数增加，基体组织全为珠光体， 因而铸态下就能获得较高的机械性能。 国内 eq1092、富康 zx、ca1040、捷达、桑塔纳 lx、依维柯、daily 等车型均 采用铸态曲轴。 铸态曲轴不须正火热处理，这样不仅简化生产工序、降低能源消耗和生产成本， 还避免了人为因素产生的内应力，从而减少了曲轴在切削加工后进行表面淬火强化处 理时的变形倾向。以 eq1092 汽车曲轴的生产为例，只要铸态基体组织珠光体含量不 少于 75%，轴颈表面淬火硬度就高于 hrc 46，变形量小于 0.3mm，而原来采用正火球 墨铸铁曲轴， 表面淬火后， 曲轴变形很大且不稳定， 平均为 1.5mm，最大达到 3.5mm4。 球铁向铸态发展是大势所趋，同时也是技术进步的表现。为保证铸态曲轴的质量， 需严格控制化学成分、球化、孕育、凝固等关键工序，以获得要求的金相组织。在原 材料、熔炼设备、工艺、化学成分检验、金相组织分析、球化率检验、缺陷检验等一 系列生产环节上，要采取切实可行的技术措施，并制定严格的生产管理制度。 采用高温（大于 1500）低硫（球化处理前小于 0.010.02%）纯净铁水是生产高 质量球铁件的前提和关键。国外汽车球铁件中硫、磷含量一般较低（福特汽车厂生产 的球铁曲轴，规定最大的硫含量小于 0.0130.015%）22。国内球铁铁水整体质量尚不 高，但几个大汽车厂家如一汽、二汽、上汽、南汽球铁质量较好。 北京吉普汽车有限公司的试验表明23，在其他条件相近的情况下，碳当量越高， 球化率 dp 越高，平均石墨形状系数 sp 越大，石墨相对含量 a/am 越多，石墨球径 d 中等偏小且均匀分布时，曲轴的缩孔、缩松越小。 铸态珠光体球铁与铸态混合基体球铁相比较难于生成。其基体组织是通过调整原 铁水化学成分来保证的，一般需通过调整终 si 量，加入 cu、sn 等合金元素改善铸态 组织，提高强度。铸态珠光体基体球铁在生产时应该注意合金元素的简化和少量化， 这样既可保证冲击韧性，又可降低成本。 铸态珠光体球铁终si量一般在 2.12.7%，并保证碳当量在 4.34.7%。 mn元素在 球铁中有稳定珠光体的作用，对提高强度和硬度有益，但易形成碳化物偏析于晶界。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 因此 mn不宜超过 0.7%，p与 s是球铁中有害元素，铸态球铁应控制 p0.08%， s 0.08%。mg与 re 对石墨球化有积极的促进作用，但过高的 mg，会发生石墨畸变，过 高的残留 re 会增加白口倾向，要求控制 mg（残留）=0.0250.045%， re（残留） =0.0150.035%24。cu和 sn均可稳定珠光体，cu对球铁铸态性能抗拉强度、hb 影响 较大，适当增加铜含量，可提高球铁强度25。 1 . 1 . 3两种曲轴材料的比较 球墨铸铁比钢轻 10%，无残留应力，加工时产生的缺陷少，而且球墨铸铁减震性、 耐磨性、对缺口敏感性等优于锻钢。铸造曲轴与锻造曲轴相比，可使连杆轴径中空， 减轻回转质量，且可减少轴拐角处的应力集中。 球墨铸铁曲轴，尤其是铸态球墨铸铁曲轴，具有生产工艺简单，能源消耗少，生 产成本低，生产效率高等优点。 目前几种常用曲轴材质中，调质锻钢、非调质锻钢、等温淬火球墨铸铁、正火球 墨铸铁和铸态球墨铸铁成本依次降低， 其中正火球墨铸铁曲轴成本大约是锻钢曲轴的 4 0 % - 5 0 % ，是等温淬火球墨铸铁曲轴的7 0 % ，比铸态球墨铸铁曲轴高约1 0 % 。与锻钢曲 轴相比，因此球墨铸铁成本优势很大，在激烈的市场竞争中很具潜力。欧洲球墨铸铁 曲轴 8 0 % ，锻钢曲轴 2 0 % ，日本曲轴铸锻比为6 0 ，4 0 ，美国三家大汽车厂（g m ，f o r d ， c h r y s l e r ）生产的轿车和轻型车约9 9 % 使用铸造曲轴。而轿车用量最大的直列四缸曲 轴，全世界多己用铸铁代替了锻钢6,18。 对于六缸柴油机曲轴，国外多沿用锻钢件，而我国由于缺乏大型锻造设备，在重 型柴油机的设计和制造中，早已采用球铁曲轴。例如中国重型汽车公司设计的 6120、 6130 等发动机。二汽在原 6100 汽油机的基础上改造成 6102柴油机时，开发曲轴圆角 滚压工艺和其专用设备，仍然实现了六缸柴油机曲轴的球铁化。 球铁取代锻钢用于重要零件时，先进国家考核屈服强度和屈强比指标。球铁要取 代锻钢，重点是提高韧性，尤其是动态韧性，一般可通过细化晶粒和显微组织；尽量 降低有害杂质含量；球化或钝化，分散弱相（如石墨）以减少应力集中系数；生成或 引入韧性好的不连续组织（如 adi 球铁中的残余奥氏体）来提高性能。 另据文献17,18分析，若我国轻型车、轿车曲轴铸锻比为 60，40，那么到 2010年， 全国需新增曲轴前轴锻件的生产能力将大于 380 万件。随着球铁件在更大范围内取代 锻造曲轴，铸锻比将会有所提高，那么这 38 万件的锻件市场将会被球铁分去不小的一 份，因此可以说以球铁曲轴取代锻造曲轴商机无限，更是大势所趋。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 1 . 2 球铁曲轴的铸造工艺现状 1 . 2 . 1普通粘土砂铸造 （1 ） 震实造型 震实造型曾是国内外曲轴生产中应用较为广泛的造型方法。这些造型手段与手工 造型相比，虽有技术先进和较高生产率等优点，但从满足大批量生产，铸铁石墨化膨 胀对砂型刚度的要求来看，则有些不足。首先，型面硬度不够高，因为像球铁曲轴这 样的铸件需要砂型有足够的硬度及刚性，这样在浇注后石墨化膨胀时不致使型壁产生 位移从而达到自补缩的目的；其次，该方法造型后其硬度分布不均；再次，这种造型 方法起模机构不够平稳，砂型精度低，从而导致铸件尺寸及精度低，故近几年在工业 发达国家和我国主要汽车生产基地已趋于淘汰。 （2 ） 高压造型 高压造型的特点是，砂型硬度高，有利于铸铁石墨化膨胀的自补缩，对防止铁液 凝固过程中石墨化膨胀而产生的壁移是有利的，可以提高曲轴内在质量；另一方面， 高压造型的铸型精度高，这对于动平衡要求较高轴类件是一个较大的优点。 采用高压造型除具有上述优点外，也存在一些不足，其一是砂型高度方向上的硬 度分布为型面低、背面高，不利于型腔中气体的排出，即砂型的透气性差；其二是型 腔中型面上水平面与侧立面的硬度差大，型面中心与砂箱边沿的硬度差也较大，影响 了铸件材质的均匀性，其三是设备一次性投资大。除此之外，高压造型还存在对砂箱 要求高、模具寿命较短、型砂再生性及设备维修费用高等缺点。 （3 ） 气冲造型 气冲造型方法是利用气流冲击型砂造型的一种方法。 瑞士 gf 公司己向全世界提供 了气冲造型线 200 余条，国内一汽铸造厂就有 gf 公司提供的气冲造型线。 生产实践表明，气冲造型方法与其它粘土砂型工艺相比，具有紧实度高、噪声低、 机器结构简单、铸造工艺性好等优点，但也存在铸型硬度不均匀，在铸型上层，紧实 度较低，当砂型很矮时，则有砂型紧实度很低的缺点。如将气冲造型与高压造型结合 起来便可克服气冲造型铸型硬度分布不均的不足，但目前用其方法生产曲轴铸件的单 位较为少见。 1 . 2 . 2 壳型填铁丸铸造 壳型填铁丸铸造方法是在壳型的外围填充铁丸以固定壳型，然后浇注铁液的一种 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 先进的铸造方法。该工艺的第一步是造壳型，传统的壳型制造方法是采用翻斗法，先 将固定于模板上的模样预热到250300，喷涂分模剂，将模板置于翻斗上并紧固好， 翻斗转动 180 度使覆膜砂落到模板上，保持 1550s（常称结壳时间），砂中树脂软化 重熔，将砂粒粘在一起，并沿模板形成一定厚度的壳；翻斗复位，未起反应的砂仍旧 落回翻斗内，对薄壳继续加热 3090s （常称烘烤时间），顶出，即得到壳厚为 515mm 壳型31。目前，壳型制造工艺仍在继续发展，传统的制造工艺是将模样水平放置，制 的壳型强度不是太高，文献报导，如将模样垂直放置，在壳型制造过程中覆膜砂受到 侧面挤压力，使得壳型的紧实度提高，因此可得到强度更高的壳型。在欧洲一些国家 还利用 co2激光烧结的办法制造壳型，利用激光加热均匀的特点，克服了传统的烧结 办法所带来的受热不均的问题，用于生产结构复杂的铸件。在壳型填丸铸造流水线生 产中主要采用四工位射砂制壳机32。将两部分壳型放入砂箱后填充铁丸，适当震实， 防止浇注过程中的裂壁移动，浇注成型。其生产线铸造工艺流程如图 1- 1 所示。 壳型填充铁丸工艺目前在美国 gm 公司、日本丰田和德国大众汽车公司、法国白 莺和雪铁龙公司采用这种先进的铸造工艺流水线生产汽车发动机曲轴。在国内，仅上 海汽车铸造总厂在90 年代初从德国大众沃尔夫斯堡铸造厂引进了这种生产线，并形成 了规模生产。 图 1- 1 壳型填铁丸铸造生产工艺流程图 1 . 2 . 2 铁型覆砂铸造 铁型覆砂铸造是铸造行业的一项新技术、新工艺，它是在粗成形的金属型（称铁 型）内腔上覆一层型砂而成的铸型33。经反复的工艺试验和生产验证后，将铁型的重 量、壁厚与覆砂层合理地配合，使铸件充型、凝固和冷却过程在一个比较理想的条件 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 下完成。实现了球铁曲轴的铸态生产，减少了曲轴的变形，简化了生产工序。由于铸 件的结晶和冷却速度加快，使铸件晶粒细化，力学性能和使用性能显著提高。此外由 于铁型的无退让性，但覆砂层却能适当地减少铁型的收缩阻力；铁型的刚性又能有效 地转变球铁在凝固过程中石墨化膨胀方向，由向外膨胀变为向内膨胀，从而实现石墨 化膨胀自补缩的无冒口铸造；同时由于覆砂层薄，型腔不易变形，铸件的精度大为提 高；覆砂层的存在也提高了铁型的使用寿命，降低了制造成本。此外，该工艺用砂量 极少，铸造车间一般都有不设砂处理工部，即减少了设备投资，又改善了铸造车间的 劳动条件。 1 . 2 . 3 三种现状工艺的比较 通过以上介绍，可以看出利用铁型覆砂铸造生产曲轴具有以下优点： 1）铸型硬度高，易于实现自补缩，缩孔、缩松缺陷减少，组织致密； 2）金属液体冷却速度快，使铸件晶粒细小，基体中珠光体的含量高，铸件内在质 量高、性能好； 3）实现无冒口铸造工艺，尺寸及形状精度高，加工余量小，工艺出品率高； 4）适于大批量生产，劳动生产率高，覆膜砂用量少，劳动条件好，经济效益高。 铁型覆砂铸型的不足之处，透气性差，易于产生气缩孔、夹杂等缺陷，且其设备 投资大，因此只能在专业化和产品定型化的生产中应用。 尽管酚醛树脂覆膜砂价格较高，制壳耗能高，但在要求铸件表面光洁度和尺寸精 度高的曲轴制造行业得到广泛的应用。 1 . 3 铁型覆砂的工艺过程 铁型覆砂铸造是在金属型内腔覆上一薄层型砂而形成铸型的一种铸造工艺， 兼具 金属型和壳型铸造的特点。 该工艺主要优点是铸件尺寸精度高、加工余量小、造型材料需要量少、铸件中的 应力低、废品率低以及铸件清理工作量小等。 1 . 3 . 1 工艺原理 首先对铁水浇入铁型覆砂铸型以后，“铸件覆砂层铁型”不稳定热交换系统 情况分析如下。通过铸件、覆砂层和铁型的比热流是相同的。在铁型覆砂铸造中， “铸 件覆砂层铁型”系统中，大部分温度降在覆砂层上。当铁型覆砂铸造用于各种不 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 同铸件的生产时，就是通过试验或经验类比，以确定不同的覆砂层厚度和铁型厚度来 控制铸件的凝固速度34。 例如， 在490球铁曲轴铁型覆砂铸造工艺设计中，取覆砂层厚度为 5 8mm， 铁 型壁厚为 2030mm ， 生产出了优质的无冒口铸态球铁，其主要原因如下： 1. 覆砂层有效地调节了铸件的冷却速度35，一方面使铸件不易出现白口， 另一方 面又使冷却速度大于砂型铸造。 如图1- 2 所示， 当铁水浇入铁型覆砂铸型后， 经 8min 铸 件温度降到 930左右，而砂型要降到同样温度，就需要24min，冷却速度提高了 3倍 左右。其结果使铸件的机械性能显著提高，能使铸态球铁牌号由球铁 600 提高到球铁 800。 图 1- 2 球铁浇注后的冷却曲线 2. 由于覆砂层薄，型腔不易变形，铸件精度比砂型大为提高。此外，覆砂层的存 在，也提高了铁型的使用寿命，降低了制造成本。 1 . 3 . 2 生产实现 （1 ） 覆砂造型 大批量生产的铁型覆砂铸造，其覆砂造型如图 1- 3 所示36。从铁型背面的一组射 图 1- 3 覆砂造型 砂孔经铁型和模型合模后形成的间隙（覆砂层厚度）中射入流动性较好的型砂， 经固 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 化起模后形成铁型覆砂铸型。整个造型过程在专用的覆砂造型机或由射芯机改装的覆 砂造型机上完成。 一般用于生产批量比较小的情况， 整个覆砂过程基本上由人工完成。 （2 ） 生产流程 目前我国铁型覆砂铸造的一般生产流程如图 1- 4 所示37。 图 1- 4 铁型覆砂铸造的生产流程 铁型覆砂铸造工装设计的主要内容包括射砂装置、铁型、型板、温控底座及辅助 工装等，覆砂层用砂一般采用酚醛树脂砂和酚醛树脂砂。 1 . 4 选题的来源和意义 曲轴是汽车发动机的关键零件，而且其受力情况极为复杂，曲轴的强度和寿命在 很大程度上决定了发动机的可靠性和寿命，因此人们对曲轴的用材、强化工艺研究极 为关注。由于汽车发动机的转速高、功率大，再加上曲轴属于安全件，一旦断裂就易 引起车毁人亡，所以曲轴的设计要求高的强度，高的使用可靠性。 国内现在大部分汽车均采用锻钢制造曲轴，由于工艺复杂，成本较高。在许多国 家汽车均是国民经济的支柱产业，所以汽车的产量非常大，因此对材料的经济性要求 也非常高，随着球铁的发展，性能的不断提高，球铁己成为替代锻钢的首选材料，球 铁同锻钢相比，生产成本大大降低，以 jl365 发动机曲轴为例，按我国目前现行价格 和工艺，每根轿车曲轴的毛坯成本可降低 100 元，如年产 40 万曲轴则可节约 4000 万 元，说明研究球铁曲轴的生产具有十分可观的经济效益38。球铁同锻钢相比，不仅是 生产成本大大降低，而且在性能上也不比锻钢低，如采用高新技术进行生产，其疲劳 强度安全系数还高于锻钢，球铁曲轴不光是在刚性和疲劳强度上赶上锻钢曲轴，而且 球铁曲轴还具有一些独特的优点，如它的耐磨性和减震性优于锻钢曲轴，由于石墨的 自润滑作用，球铁曲轴的加工切削性也好于锻钢曲轴。国外目前发动机大部分都用球 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 铁曲轴，采用复合强化，提高曲轴的疲劳强度。而国内普遍用锻钢，这是因为用传统 的工艺方法来生产球铁曲轴，其球化质量不稳定，基体组织也不稳定，因此力学性能 有波动，再加上传统方法有时又容易产生一些铸造缺陷，如通过正火处理，又会使曲 轴表面氧化严重，曲轴发生扭曲或弯曲变形，这些无疑会影响曲轴的可靠性。 随着我国汽车工业的发展，汽车市场的激烈竞争将进一步加剧。作为应用范围最 广，产量最大的球墨铸铁，开发高强度、高性能的铸态球墨铸铁具有广阔的前景，且 目前国内在发展高强度、高性能铸态球铁方面的研究还落后于发达国家的水平。因此， 开发和研究高强度、高性能球墨铸铁曲轴及其生产工艺对提高国内的曲轴生产技术水 平具有重要实际意义和应用价值。 1 . 5 本课题的主要研究内容 本文针对市场需求， 开展了球铁 880- 6球铁曲轴的铁型覆砂工艺的研究， 要求生产 的球铁曲轴达到抗拉强度 880mpa，伸长率为 6%。如上所述，要想在保证强度条件下 提高铸件的韧性，就必须尽可能细化组织特别是铁素体组织，同时还要保证铸造出的 曲轴无铸造缺陷，质量合格。 为此，本课题的主要研究内容如下： 1. 优选合金的化学成分，通过合金化、球化质量改善和孕育质量改善，提高原铁 水质量； 2. 设计铁型覆砂的工艺装备和浇注系统，制定铁型覆砂的生产工艺，解决铁型覆 砂工艺生产过程中的质量问题； 3. 曲轴的热处理强化工艺试验，优选热处理工艺规范如正火工艺、回火工艺、冷 却工艺； 4. 分析在保持高强度和高伸长率情况下， 球铁 880-6 曲轴所需的可能组织要求的 金相组织和化学成分。 5生产出质量优异的球铁 880-6 牌号的球铁曲轴，满足市场需求。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 2 球铁合金的熔炼及处理 考虑到生产的需要和现场的实验条件，球墨铸铁的化学成分选择及其熔制是按实 际生产操作制订的，以保证试验结果能较真实地反映生产实际情况。本章着重介绍曲 轴用球铁化学成分的选择、熔制及其球化孕育处理工艺。 2 . 1 球铁曲轴化学成分的选择 2 . 1 . 1球铁曲轴基本化学成分 选择适当的化学成分是保证铸铁获得良好组织形状态和教高的力学性能的基本条 件。化学成分的选择要有利于石墨的球化和获得满意的基体组织，以期获得所要求的 性能，还要有较好的铸造性能。 碳当量 为获得较好综合力学性能的球墨铸铁，合理的控制碳当量是一个关键。碳当量的 选择要合适，在不影响实验结果的情况下，采用简化的碳当量公式，即式 2- 1。 ce=wc+1 /3 wsi （2- 1） 式中，ce 碳当量 （%） wc铸铁的实际含碳量 wsi 铸铁的实际含硅量 碳当量的选择原则是保证铸铁组织性能时尽量使 ce 值靠近共晶成分， 使铁液具有 较好的流动性，从而保证其铸造性能。碳当量过低，铸件易产生缩松和裂纹，甚至出 现白口；碳当量过高，尤其是大中断面球墨铸铁更易出现石墨漂浮，其结果是使铸铁 中的夹杂物增多，降低铸铁性能。 碳含量 选择含碳量应从保证球墨铸铁具有良好的力学性能和铸造性能两方面考虑，在球 墨铸铁的生产中，碳的质量分数范围一般为 3.53.9%，含碳量对球墨铸铁力学性能的 影响主要是通过其对金属基体的影响起作用。碳的质量分数达到或超过 3.9%称为高碳 量。高碳量增强了石墨对基体组织的割裂作用。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 运用铁型覆砂工艺生产工艺中铁型为刚性铸型，可以充分利用凝固过程中的石墨 化膨胀来提高基体组织的致密性，从而提高铸铁的力学性能。在砂型铸造生产中，由 于球墨铸铁的糊状凝固特性以及共晶凝固时间较长，铸件的外壳在凝固前期处于较软 的状态，碳以石墨形式共晶出来的石墨化膨胀力可以通过较软的铸件外壳传递给铸型， 使砂型退让，从而导致铸件外形尺寸胀大。只有在铸件凝固后期，铸件形成坚固的外 壳后，石墨化膨胀所产生的力才作用于铸件内部，提高铸件的致密性。因此，砂型铸 造只利用了凝固后期的石墨化膨胀力。而铁型覆砂工艺由于铸型刚度很高，铸件的整 个凝固过程中石墨化膨胀力都可以用来提高铸件的致密性。因此，铁型覆砂工艺生成 曲轴的碳含量适当降低。相比于砂型铸造，铁型覆砂碳含量的降低又达到了解决大断 面球墨铸铁易出现石墨漂浮的问题。因此本试验碳含量选择在 3.653.90%。 硅含量 硅除了影响共晶含碳量以外， 也影响 fe- c- si系统的共晶凝固温度和所形成的凝固 组织。硅使碳在铁液中的溶解度降低，提高了碳的活度，有利于碳的析出。另外，硅 阻碍铁原子与碳原子的化合，促进石墨的析出。 另一方面，硅在共析转变阶段促进铁素体量的增加，降低了铸件的强度，而且硅 量的增加使球铁的韧一脆性转变温度相应提高，对铸件的低温使用性能有不良影响。 硅提高球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度和硬度，同时也使塑性指标降低，硅使球 墨铸铁的脆性转变温度升高。要生产高强韧的铸态珠光体组织的球墨铸铁，si 的含量 选择在 2.02.2%。 综合以上因素，选定曲轴球铁的碳硅目标成分为 3.653.9c%和 2.02.2si%， 碳当 量 ce 值为 4.34.5%范围内。 锰含量 在球墨铸铁中，大部分的硫和氧已经在球化处理时被去除，或者结合成稳定的化 合物，因此，少量的锰就可以作为合金元素而发挥作用，此时锰的作用主要是形成碳 化物和珠光体。在生成珠光体球墨铸铁时，可以利用锰稳定珠光体的作用，消除铁素 体组织，特别是消除石墨周围的牛眼状铁素体。 对于厚大断面的铸件来说，锰的偏析倾向特别显著。锰是在残余铁液中富集的元 素。如果形成的碳化物呈网状分布在共晶团上，对力学性能极为有害。运用铁型覆砂 工艺，铁型的传热性好，铸件凝固的冷却速度快，能大大缓解因锰偏析而形成的碳化 物。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 对于珠光体球墨铸铁来说，提高含锰量对力学性能的影响明显。珠光体随着含锰 量的增加而细化成为索氏体，从而提高球墨铸铁的抗拉强度和屈服极限，同时也提高 硬度。但是锰对铁素体的固溶强化作用，将使球墨铸铁伸长率将随含锰量的增加而显 著下降。 因此，本课题选择 mn含量在 0.60.8%之间。 磷含量 磷是随金属炉料进入球墨铸铁中的，磷并不影响石墨的球化，但磷很容易偏析形 成硬而脆的磷共晶，从而降低了强度、延性和韧性；磷能显著提高脆性转变温度；含 磷量高的时候，还会在铸件容易出现缩松，具有明显的冷脆现象，容易冷裂。与铁素 体球墨铸铁相比，磷对珠光体的有害作用要严重得多。磷的质量分数超过 0.06%时， 塑性和冲击韧性急剧下降。 热力学表明，在铸铁中是不可脱磷的。生产球墨铸铁就必须采用低磷生铁。采用 强化孕育（增加石墨球数）或各种热处理只能减轻但不能从根本上消除磷的有害作用。 所以我们力求在炉料方面将 p 控制在0.02%，在金相中磷共晶1%。 氧、硫 根据 skaland 等的提出的碳化物/氧化物双重结构核心模型（如图 2- 1），晶核的核 心为硫化物，硫化物是双重结构核心的发源地；核心的外壳为氧化物，其具体成分为 顽辉（火）石 mgosio2及镁橄榄石 2mgosio2。因此，铁液中氧硫的含量需要相 互配合进行选择才能更大程度的发挥氧硫化合物作为非均质核心的效果。 图 2- 1 碳化物/氧化物双重结构核心模型 在通常的冲天炉熔炼过程中，由于大量空气是通过送风系统进入炉内，同时过热 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 区的存在，气态氧始终对铁液起作用，常被氧所过饱和，所以冲天炉熔炼时铁水内的 自由氧含量是足够的，其主要矛盾是集中在如何降低硫含量上。 但在本课题的研究过程中，我们是采用中频感应炉熔炼，其炉内最高温度不会高 于 1550（受限于炉衬砂的耐火度），不存在过热区，只是铁水液 面与空气接触，即使感应电炉对铁液有搅拌的作用，所以在大多数情况下，单电 炉出的铁水其自由氧含量不足，在孕育处理时就无法和孕育球化中加入的合金元素化 合形成足够的氧化物（如 sio2等）作为有效晶核，不能满足球铁球化孕育处理的要求。 使铸铁的球化效果大打折扣，得不到足够多的球墨数和良好的石墨圆整度，从而使铸 铁的力学性能下降。而且，相对于冲天炉熔炼，感应电炉熔炼过程中没有焦炭的参与， 其硫含量较低，其主要矛盾是如何保持适量的氧硫来满足孕育的要求。在生产中，常 通过以下两个手段来调节铁液中的氧硫含量来满足孕育的要求：一是加铁屑。另一个 是加硫化铁。在试验中我们选择的是在炉料的溶化过程中加入适量的铁屑，来增加铁 液中的氧含量。 因此，本球铁曲轴试验中我们选择氧含量为 0.2%，硫含量为 0.020.05%。 镁含量 镁是基本的石墨球化元素，也是球化能力最强的元素。镁的化学性质活泼，脱硫 去氧能力强，生成的硫化物、氧化物熔点高，密度小，较易浮出铁液而除去（mgs 的 熔点是 2000，密度 2.8g/cm3；mgo 的熔点是 2800，密度3.073.20g/cm 3）。镁进 入铁液后首先起脱硫去氧作用，当铁液中的硫降至一定值时，镁开始对石墨起球化作 用，促使石墨长成球状。 此外镁又是强烈稳定碳化物的元素，因此，残留有一定镁量的铁液在凝固时有很 大的白口倾向。由于镁的密度小，沸点低，加入铁液中的镁极易上浮并汽化，因此加 入铁液中的镁，除一部分脱氧去硫，一部分残留在铁液中起其球化作用外，还有相当 部分被烧损。生产本试验中厚大截面的球铁曲轴时，mg 的最佳残留量为 mg残= 0.0350.055%。 稀土元素 re 与 mg一样，都有较强的脱硫和脱氧能力。稀土氧化物和硫化物都是高熔点化 合物，它们密度大，约为 5.97.2g/cm3。稀土元素在铸铁中既能净化铁液，中和干扰球 化元素，又能改善石墨形态，提供外来结晶核心。随着稀土残量的增加抗衰退时间都 延长，re 在球铁中尽管有很多有益的作用，但是稀土元素是强烈的促进渗碳体析出的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 合金元素，在铁液中加入过多，致使铸铁白口倾向增大，甚至会出现异形石墨，而且 稀土偏析严重，会恶化球铁的力学性能 ，特别是塑性和韧性。 本课题中，为了得到铸态珠光体，我们加入了铜锑等合金元素，以及铁液中保留 一定量的硫，为了使铁液有良好的抗干扰能力，因此我们选择残留 re 量为 re残= 0.0250.040%。 2 . 1 . 2球铁曲轴合金元素的选择 球墨铸铁基体的性能对球墨铸铁的性能有很大影响，决定球铁最终基体组织的相 变是共析相变，共有两种形式，奥氏体分解为石墨和铁素体和奥氏体转变为珠光体。 在提高球墨铸铁强韧性的方法中，利用合金化获得铸态珠光体球铁是国内外许多研究 工作者使用的重要手段。 把合金元素以微量添加到厚大断面球铁中，