Production of nodular cast iron crankshaft with iron coated sand process

摘要：介紹了鐵型覆砂鑄造工藝的優(yōu)點(diǎn)；通過(guò)采用含Sb的專用球化劑、鐵型覆砂鑄造工藝，試制了鑄態(tài)高強(qiáng)度、高伸長(zhǎng)率球鐵曲軸。結(jié)果表明：曲軸本體金相組織為球化等級(jí)2級(jí)、石墨大小6級(jí)、珠光體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到85%~95%，本體杭拉強(qiáng)度870~940Mpa、伸長(zhǎng)率4.4%~6.0%，完全達(dá)到客戶要求。

   曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的零件之一，很大程度上影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性與壽命，它與連桿配合將作用在活塞上的氣體壓力變?yōu)樾D(zhuǎn)動(dòng)力，傳給底盤上的傳機(jī)構(gòu)；同時(shí)，曲軸又是高速旋轉(zhuǎn)件，因此要求它不但要有足夠的剛度與強(qiáng)度，而且要有良好的承受小能量多次沖擊載荷的能力，且耐磨損和有良好的潤(rùn)滑性。

       自上世紀(jì)50年代球鐵代替鍛鋼成為曲軸的材料以來(lái)，球鐵曲軸的應(yīng)用得到了飛速發(fā)展，材料牌號(hào)也由原來(lái)的QT600-3發(fā)展到現(xiàn)在的QT900-2，而且ADI曲軸也在研發(fā)應(yīng)用之中，對(duì)于一般球鐵曲軸鑄件，為獲得足夠的珠光體體積分?jǐn)?shù)，多采用正火處理或加入Cu、Cr/Mo、Ni等合金元素得到合格組織；近幾年來(lái)，筆者公司在采用鐵型覆砂和含Sb球化劑生產(chǎn)鑄態(tài)高強(qiáng)度、高伸長(zhǎng)率的球鐵曲軸方面開展了一些研究工作，并取得了一定的進(jìn)展。

1、 鐵型覆砂鑄造工藝簡(jiǎn)介

   鐵型覆砂鑄造是在粗成形金屬鑄型內(nèi)壁覆上一層4~6mm厚的覆膜砂，覆膜砂在一定溫度下固化，覆蓋于鐵型內(nèi)表面，鐵液注入覆膜砂的鐵型之中形成鑄件的工藝方法。此工藝是基于金屬型鑄造和砂型鑄造基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)：鐵型加快了鐵液的冷卻，使鑄件石墨細(xì)小、組織致密、基體中珠光體體積分?jǐn)?shù)增加；鑄件尺寸精度高、加工余量??；造型材料需要量少；廢品率低；以及鑄件清理工作量小。其中最關(guān)鍵的是鑄型強(qiáng)度高、硬度高，石墨膨脹作用于

鑄型產(chǎn)生反作用力，使鑄件得到良好的自補(bǔ)縮，有利于防止縮孔、縮松缺陷的產(chǎn)生。與砂型鑄造相比，鐵型覆砂鑄造的鑄件組織更致密，力學(xué)性能得到改善，并有利于消除球鐵鑄件的縮孔、縮松缺陷，實(shí)現(xiàn)無(wú)冒口鑄造。

鐵型覆砂用于鑄態(tài)曲軸生產(chǎn)上，使鑄件結(jié)晶和冷卻速度加快，鑄件晶粒得到細(xì)化，因而力學(xué)性能與使用性能也大大提高，可以取消正火工藝，大大降低成本、因此，鐵型覆砂鑄造工藝在各種鑄態(tài)球鐵曲軸生產(chǎn)中應(yīng)用極其廣泛，是獲得非合金化鑄態(tài)高強(qiáng)度、高伸長(zhǎng)率球鐵曲軸的一種有效方法。

2、工藝試驗(yàn)

2.1鑄件技術(shù)要求

       圖1為曲軸鑄件簡(jiǎn)圖要求金相組織為：珠光體體積分?jǐn)?shù)70%以上，游離滲碳體和磷共晶均不超過(guò)2%，滲碳體和磷共晶總量不超過(guò)3%；球化等級(jí)1~3級(jí)，石墨大小5~8級(jí)。要求力學(xué)性能為：曲軸本體抗拉強(qiáng)度≥800MPa，伸長(zhǎng)率≥3%，布氏硬度240~320HB。

2.2試驗(yàn)方案

2.2.1  原材料的選擇

       選用優(yōu)質(zhì)低P、低S、低干擾元素的庚辰生鐵Q12，優(yōu)質(zhì)無(wú)銹的碳素結(jié)構(gòu)鋼，ω(C)>90%、ω(S)<0.05%的增碳劑，以獲得低S高純凈鐵液。

2.2.2化學(xué)成分選擇

       (1)C的作用和影響：C是球墨鑄鐵的基本元素，在ω(Si)量相同的情況下，ω(C)量越高，CE量越高，有利于石墨化，增加石墨球數(shù)，減少白口傾向，改善鐵液的流動(dòng)性，在不產(chǎn)生石墨漂浮的情況下，盡量提高ω(C)量，一般控制在3.7%~3.9%。

       (2)Si的作用和影響：在球墨鑄鐵中，Si不僅可以有效地減小白口傾向，增加鐵素體體積分?jǐn)?shù)，而且具有細(xì)化共晶團(tuán)的作用；但是，Si提高鑄鐵的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度，降低沖擊韌性，因此在珠光體基體球鐵中，ω(Si)量不宜過(guò)高，一般為1.8%~2.1%。

       (3)S的作用和影響：s是一種反球化元素，它與Mg、RE等球化元素有很強(qiáng)的親合力；S的存在會(huì)大量消耗鐵液中的球化元素，形成Mg和RE的硫化物，引起夾渣、氣孔等鑄造缺陷球墨鑄鐵中S主要來(lái)自生鐵和增碳劑，因此要求生鐵中的ω(S)<0.02%，增碳劑中的ω(S)<0.05%。

       (4)P的作用和影響：P是一種有害元素、它在鑄鐵中溶解度極低，當(dāng)ω(P)<0.05%時(shí)，固溶于基體中，對(duì)力學(xué)性能幾乎沒(méi)有影響；當(dāng)ω(P)>0.05%時(shí)，P極易偏析于共晶團(tuán)邊界，形成二元、三元或復(fù)合磷共晶，降低鑄鐵的韌性。一般要求ω(P)<0.05%。

   (5)Mn的作用和影響：球墨鑄鐵中Mn的作用主要表現(xiàn)在提高珠光體的穩(wěn)定性；但是Mn偏析于晶界上，造成球鐵的韌性下降，同時(shí)Mn也會(huì)提高鐵素體球墨鑄鐵的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度。因此，即使是在珠光體球墨鑄鐵中，也要求ω(Mn)量盡可能低些，一般控制ω(Mn)量在0.3%~0.55%。

2.2.3球化劑的選擇

       2003~2012年4月份，一直使用Z-1球化劑，成分見(jiàn)表1，鑄件力學(xué)性能總是達(dá)不到主機(jī)廠要求，見(jiàn)表2

       經(jīng)過(guò)多次工藝試制，2012年5月份以后，采用YY-1球化劑，ω(Mg殘)量由原來(lái)的0.032%~0.033%變?yōu)?/span>0.034%-0.036%，其成分見(jiàn)表1。分析認(rèn)為，在YY-1中起主要作用的元素為Sb。

Sb的作用：在Ce存在的前提下，Sb可顯著提高石墨球圓整度，防止石墨畸變，并能明顯增加石墨球數(shù)。Sb加入適量，有強(qiáng)烈的表面吸附作用，富集在石墨界面處，既可防止石墨球破碎，又可細(xì)化石墨。Sb還起到穩(wěn)定珠光體的作用，同時(shí)Sb還可改善含Ba孕育劑的孕育效果，提高孕育劑的抗衰退性能。

2.2.4配料及熔煉工藝

爐料配比見(jiàn)表3。采用1t中頻電爐熔煉鐵液，熔煉溫度控制在1540~ 1550℃采用1t帶堤壩處理包，沖入法球化處理，球化劑加入量1.1%，球化反應(yīng)時(shí)間為90~120S孕育劑為普通75SiFe，分兩次孕育：一次為出鐵2/3后加入0.3%~0.4%的孕育劑；第二次為球化處理后加入0.1%的孕育劑進(jìn)行浮Si孕育。另外，澆注時(shí)進(jìn)行瞬時(shí)孕育，瞬時(shí)孕育劑型號(hào)為BS-2，加入量為0.1%。澆注時(shí)間控制在8 min之內(nèi)。打箱時(shí)間設(shè)定為最后一箱澆注結(jié)束后的10-15min。表4為鐵液的最終化學(xué)成分。

2.3鐵型覆砂工藝

菠砂層厚度4~6mm，射砂時(shí)型板、模具預(yù)熱溫度200~240℃，鐵型溫度200~220℃，固化時(shí)間10~20S，使用纖維過(guò)濾網(wǎng)，見(jiàn)圖2。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表5為部分鑄態(tài)球鐵曲軸的力學(xué)性能及金相組織統(tǒng)計(jì)結(jié)果。采用YY-1球化劑后，球化級(jí)別2級(jí)，石墨大小6級(jí)，珠光體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到85%~95%。對(duì)曲軸小頭扇板進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，取樣位置如圖1，結(jié)果表明力學(xué)性能已完全達(dá)到要求。

4、結(jié)束語(yǔ)

采用鐵型覆砂和含Sb球化劑，成功地獲得了鑄態(tài)高強(qiáng)度、高伸長(zhǎng)率球鐵曲軸，減少了資源和能耗，降低了生產(chǎn)成本。

轉(zhuǎn)自：消失模鑄造

附圖：鐵型覆砂曲軸生產(chǎn)線