铁模覆砂铸造合成球铁(QT600-3)凸轮轴本体性能分析

时间：2024-09-03

蓝敏俐陈忠士

(福建船政交通职业学院机械工程系，福州 350007)

凸轮轴是汽车发动机的关键部件之一，凸轮轴的质量直接影响发动机燃烧比和节能降耗效果，决定发动机的质量。将性能优良、价格低廉的球墨铸铁用来制造发动机凸轮轴，是凸轮轴生产的发展趋势。由于球墨铸铁呈“糊状凝固”，凸轮轴内部普遍存在疏松、缩松等缺陷，导致凸轮轴本身的力学性能下降，难以达到验收要求，这也是目前国内各大凸轮轴生产厂家和汽车制造商共同关注的问题。本次试验从保证铸态QT600-3球铁凸轮轴本体力学性能着手，分析球墨铸铁凸轮轴本体的显微组织与力学性能的量化关系，旨在为实际工艺设计提供可靠的理论依据和应用基础。

1 试验方案与试验方法

球墨铸铁显微组织评定及力学性能测定的主要依据GB/T 9441—2009“球墨铸铁金相检验标准”。

1.1 铸造方法选择

球墨铸铁的碳当量高，凝固时析出的石墨多，共晶膨胀量大，容易使铸件的外形尺寸变大，从而在铸件的中心部位出现缩孔和缩松。为了防止铸件外形尺寸发生变化，充分利用球墨铸铁石墨膨胀力迫使周边液态金属补缩共晶团间隙，采用刚性大的铁模覆砂铸造技术是最佳选择。铁模覆砂铸造的特点是兼具金属型与壳型铸造的优点，冷却速度快，铸型刚度大，有利于珠光体的形成，能减少甚至消除铸件内部的缩孔和缩松缺陷［1］。

1.2 化学成分设计

对于高强度球墨铸铁，化学成分的设计至关重要，化学成分的设计必须与球墨铸铁的牌号、铸造方法有机地结合起来。对于球铁QT600-3，其基体属于珠光体和铁素体的混合基体，由于强度高，珠光体必须大于铁素量。进行成分设计时，应综合考虑各元素及铸造工艺对基体组织和性能的影响，保证形成一定量的珠光体和铁素体，使之具有恰当的比例关系。表1所示为试验中各化学成分含量表。

表1 试验中各化学成分含量表 %

(1)碳的含量。选择含碳量时，应从保证球墨铸铁的良好力学和铸造性能这个角度考虑［2］。碳有利于石墨球析出和铁素体形成，增加含碳量，则析出的石墨球数增多，圆整度增加，可以减少缩孔体积和缩松面积。试验中，将碳量控制在3.8% ～3.9%。

(2)硅的含量。在球墨铸铁中，硅是促进石墨化的元素，可增加铁素体含量。当加入量低于5%时，硅能提高球墨铸铁的抗拉强度。为了平衡铁模覆砂冷却速度快而促进珠光体形成，试验中将硅量控制在 2.6% ～2.7%。

(3)锰的含量。锰的作用是形成和稳定珠光体，提高球墨铸铁的强度和硬度，但是断后伸长率将随含量的增加而显著下降。另一面，锰易形成碳化物并富集在共晶团边界处，增加铸件白口倾向，是偏析倾向特别明显的元素［3］，为此将锰的含量控制在0.20%以下。

(4)合金化元素铜的含量。为了提高球墨铸铁的热处理性能，得到期望的珠光体组织，最可靠的方法就是添加铜［4］。铜对基体具有固溶强化和沉淀硬化作用，在共晶转变时起着促进石墨化的作用，减少甚至消除游离渗碳体的形成，并在共晶转变时促进珠光体的形成。为了保证铸件本体抗拉强度达到600 MPa以上，试验时将铜含量控制在 0.35% ～0.45%。

1.3 配料、球化与孕育处理

配料有2种方案:方案一中选用低S、低P、低Mn的废钢为主要炉料，选用低S、低N的石墨型增碳剂调节碳量生产合成铸铁;方案二则以Q10球铁生铁为主要炉料生产非合成铸铁。

球化与孕育处理:球化处理方法为传统的冲入法，球化剂为稀土镁硅铁，用量为1.30% ～1.45%;孕育剂为Si-Ca-Ba合金，加入量1.10% ～1.30%;分3次孕育，即包内孕育(20%孕育剂)、随流孕育(60%孕育剂)和转包孕育(20%孕育剂)。

1.4 本体取样位置设计与试样拉伸

图1是凸轮轴本体拉伸试样的取样位置，图2是GB/T1348—2009规定的拉伸试样形状与尺寸。

图1 凸轮轴本体取样位置

图2 拉伸试样的形状与尺寸

2 试验结果与分析

2.1 凸轮轴本体力学性能对比试验

设计合成球铁与非合成球铁凸轮轴本体力学性能的对比试验。表2所示为合成球铁凸轮轴与非合成球铁凸轮轴本体力学性能对比表。合成球铁的配料是“65%废钢+回炉料”，而非合成球铁的配料为“65%Q10球铁生铁+回炉料”。二者的化学成分均在设计范围内，试验工艺基本相同。

表2 合成球铁与非合成球铁凸轮轴本体力学性能对比表

在碳当量、珠光体和铁素体量基本相同的情况下，采用废钢增碳生产合成球铁凸轮轴，其本体力学性能比采用生铁生产的非合成球铁凸轮轴高，本体性能达到了QT600-3的要求。合成球铁凸轮轴本体抗拉强度比非合成球铁凸轮轴的抗拉强高出80～100 MPa，断后伸长率是非合成球铁凸轮轴的2倍以上。这是因为:

(1)废钢原料较为纯净，而生铁中含有更高的干扰元素和粗大的过共晶石墨，具有遗传性。

(2)采用废钢增碳生产合成铸铁，增碳剂的加入，高熔点的石墨作为外来形核质点，使石墨数增多，细化的石墨球，减小了对基体的割裂作用，使基体性能得到最大限度的发挥。

(3)废钢中含碳量较低，增碳时在铁液中出现了大量的低碳微区，促进了发达的奥氏体枝晶的形成［5-7］。在随后的冷却过程中，由奥氏体转变成的铁素体和珠光体也很细小，提高了合成球铁的强度和断后伸长率。

2.2 合成球铁凸轮轴本体的金相组织

2.2.1 石墨球的大小与分布

图3是铁模覆砂铸造QT600-3合成球铁凸轮轴本体石墨球大小与分布的金相组织。可以看出，在合成球铁凸轮轴本体中的石墨球数更多、细小且分布均匀。其球化等级在2级以上，球化率在95%以上，石墨球直径大小在15～25 μm，石墨球的大小达6—7级。由于石墨球数多，外形圆整、细小，且分布均匀，减小了对金属基体的切割作用，使金属基体的强度利用率提高，金属基体的性能得到了最大限度地发挥。

2.2.2 基体组织

图4是铁模覆砂铸造QT600-3合成球铁凸轮轴本体的基体组织。可以看出，其组织是细片状珠光体和牛眼状铁素体，未发现自由渗碳体的存在。试验发现，要保证凸轮轴本体的力学性能达到QT600-3的要求，珠光体应控制在65% ～80%，铁素体量则控制在20%～35%。当珠光体量低于65%，铁素量超过35%时，抗拉强度将低于600 MPa，而断后伸长率较高;当珠光体量超过80%，铁素体量低于20%时，则抗拉强度高而断后伸长率低于3%。

图3 铁模覆砂铸造QT600-10合成球铁的石墨形状与分布

图4 铁模覆砂铸造QT600-10合成球铁的基体组织

纵观试验中合成球铁的基体金相组织，主要有以下特征:

(1)细片状珠光体。利用废钢生产合成球铁时，造成许多贫碳区，形成了细小的奥氏体枝晶，随后转变成的珠光体也越细［8］;另一方面，铁模覆砂铸造的冷却速度越快，得到的珠光体片晶粒也越细;再者，铜的加入使珠光体得到不同程度的细化和强化。几方面的综合作用，使凸轮轴的本体强度得到了保证。

(2)细小铁素体呈牛眼状均匀分布。合成铸铁的初生石墨和共晶石墨球数的增多，缩短了碳在奥氏体中的扩散距离，共析转变时铁素体易在石墨周边形核析出，形成特有的牛眼状基体组织。高碳量和高硅量使得铁素体量增加，保证了球铁凸轮轴的铁素体量，从而保证凸轮轴本体的断后伸长率。

(3)无自由渗碳体存在。利用废钢增碳生产合成球铁，铁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，铜的加入进一步促进了石墨化，可有效减少甚至消除自由渗碳体，这是获得高强韧性球墨铸铁的重要保证。