球墨鑄鐵曲軸的鑄造與發(fā)展
1、前言
曲軸是汽車發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其性能好壞直接影響汽車的壽命。曲軸工作時承受著大負(fù)荷和不斷變化的彎矩及扭矩作用，常見的失效形式為彎曲疲勞斷裂及軸頸磨損，因此要求曲軸材質(zhì)具有較高的剛性和疲勞強(qiáng)度以及良好的耐磨性能。隨著球墨鑄鐵技術(shù)的發(fā)展，其性能也在不斷提高，優(yōu)質(zhì)廉價的球鐵已成為制造曲軸的重要材料之一。
自1947年球墨鑄鐵發(fā)明以來，經(jīng)過不長時間的努力，其抗拉強(qiáng)度提高到了600~900MPa，接近或超過了碳素鋼的水平。與鍛鋼材料比較，球墨鑄鐵曲軸既有制造簡便、成本低廉，又有吸震、耐磨、對表面裂紋不敏感等鍛鋼材料所不具備的優(yōu)良特性，因而球墨鑄鐵具備了代替鍛鋼制造曲軸的可能性。
20世紀(jì)50年代后期，國內(nèi)南京汽車制造廠率先批量生產(chǎn)躍進(jìn)牌汽車球鐵曲軸。60年代，二汽首先成為國內(nèi)按照球鐵曲軸生產(chǎn)工藝進(jìn)行設(shè)計和投產(chǎn)的汽車廠。到了70、80年代，中小型柴油機(jī)在我國迅速發(fā)展，由于球鐵制造和經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢，大多數(shù)中小型柴油機(jī)都采用球鐵曲軸，極大地推動了我國球鐵曲軸的應(yīng)用與發(fā)展，出現(xiàn)了一批球鐵曲軸專業(yè)生產(chǎn)廠。近十多年在汽車工業(yè)的快速發(fā)展過程中，又新建了一批現(xiàn)代化的球鐵曲軸生產(chǎn)廠（或分廠、車間），球鐵曲軸在國內(nèi)得到了普遍應(yīng)用。
國外球鐵曲軸的應(yīng)用也十分廣泛，早在上世紀(jì)50年代，國外就開始將球墨鑄鐵應(yīng)用于曲軸的生產(chǎn)，如美國的福特公司首先應(yīng)用，美國克萊斯勒公司、瑞士的GF公司、法國的雷諾和雪鐵龍公司、意大利的菲亞特公司、羅馬尼亞的布拉索夫汽車廠等先后成功地將球墨鑄鐵應(yīng)用于曲軸的生產(chǎn)。在德國，排氣量2000ml 以下的柴油機(jī)中球鐵曲軸占50％，排氣量1500ml 以下的汽油機(jī)中球鐵曲軸占80％；在美國汽車行業(yè)中，球鐵曲軸占80％。由于制造技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢，球鐵曲軸在汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用的總體狀況今后不會發(fā)生太大的變化。
2、球鐵曲軸的熔煉
對于球鐵的熔煉，國內(nèi)外采用沖天爐，工頻爐雙聯(lián)熔煉的較多。鐵液一般要經(jīng)過脫硫處理，鐵液脫硫方式現(xiàn)在多采用多孔塞脫硫方法，即吹N2氣加入CaC2或復(fù)合脫硫劑攪拌脫硫。脫硫的穩(wěn)定性對于熔煉曲軸鐵液具有重要意義，如采用感應(yīng)電爐熔煉可以更好地控制合金成分范圍，穩(wěn)定球化，易于保證鐵液質(zhì)量。
球化處理是球鐵曲軸生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，石墨的形態(tài)不僅影響曲軸本體強(qiáng)度性能，而且會影響到曲軸疲勞強(qiáng)度與抗沖擊性能。球化劑的選用對于球化處理結(jié)果具有重要意義。
國內(nèi)球化劑主要采用稀土鎂硅鐵復(fù)合球化劑。
稀土具有較好的脫硫及平衡微量元素有害傾向的作用，凈化鐵液，穩(wěn)定生產(chǎn)，但起主導(dǎo)球化作用的仍然是鎂。鑒于國內(nèi)鑄造廠脫硫水平的提高，球化劑有向低稀土方向發(fā)展的趨勢。另外，可根據(jù)鑄態(tài)基體組織的需要，使用含Ca、Ba、Bi、Sb 等元素的復(fù)合球化劑。
球化時采用哪種球化工藝，主要考慮吸收率的高低、反應(yīng)是否平穩(wěn)。國外很多工廠采用蓋包沖入法,其優(yōu)點是吸收率較高，煙塵少，投資小，適應(yīng)面廣泛。國內(nèi)采用的更多為沖入法球化處理工藝，Mg的吸收率偏低（通常30％~50％）。喂絲法球化是最近發(fā)展起來的一種球化新工藝，其優(yōu)點是反應(yīng)平穩(wěn)、溫度損失少，正在逐步推廣。
孕育處理是球化后的鐵液必不可少的工序。目前，國內(nèi)普遍采用含硅75％的硅鐵合金，國外球鐵孕育劑較多地應(yīng)用硅鐵/鋯、硅鐵/錳/鋯及含鈣、鋇的復(fù)合孕育劑，其中鋯能延遲衰退時間，錳能降低熔點，使孕育均勻。采用高效孕育劑可以有效地增加石墨核心，細(xì)化晶粒，延緩孕育衰退時間。當(dāng)前，隨流孕育法在美國廣泛被采用, 可以有效地控制孕育劑在鐵液中分布的均勻性。型內(nèi)孕育法常與其他孕育方法聯(lián)合使用，是一種復(fù)合強(qiáng)化孕育工藝。另外，新近發(fā)展的喂絲法孕育工藝，是與喂絲法球化同時進(jìn)行的一種孕育方法。
3、鑄態(tài)球鐵曲軸合金化
研究資料表明，珠光體基體的組織較鐵素體基體組織具有更好的疲勞強(qiáng)度性能，而這正是曲軸所需具有的重要使用性能之一。同時，珠光體基體組織具有更高的常溫抗拉強(qiáng)度和耐磨性。故在球鐵曲軸的生產(chǎn)中，其基體組織以珠光體基體為主，通常為QT600、QT700、QT800 甚至QT900 牌號，一般要求伸長率在2％以上。對于QT600、QT700 來說，采用鑄態(tài)生產(chǎn)即可以穩(wěn)定地達(dá)到性能要求；而對于QT800、QT900 等較高牌號的生產(chǎn)，很多工廠是通過熱處理來實現(xiàn)的，這無疑會增加曲軸制造成本，而實現(xiàn)鑄態(tài)的相關(guān)曲軸牌號具有很大的成本優(yōu)勢。
對于促進(jìn)基體為珠光體組織，可采用的合金元素很多，如Cu、Mn、Cr、Mo、Ni、Sn 等常規(guī)合金元素，而諸如Sb、Bi 等微量合金元素也同樣具有很好的促進(jìn)珠光體形成功能，但通常采用單一的合金元素不能很好地達(dá)到高的牌號與性能。研究表明，采用二元合金或多元合金往往較單一合金加入形式具有事半功倍的作用。對于上述牌號來說，通常采用以Cu 為合金化的一個主要元素，Cu具有很好的促進(jìn)珠光體形成的性能，有利于共晶階段的石墨化和細(xì)化、圓整石墨球，并不會促進(jìn)碳化物的生成。采用Cu-Mn、Cu-Mo、Cu-Ni、Cu-Cr 等二元合金均可以實現(xiàn)QT600、QT700 鑄態(tài)牌號的生產(chǎn)，但對于易產(chǎn)生碳化物的元素如Mn、Cr 等應(yīng)注意使用范圍的控制，同時這些元素也會阻礙石墨化，影響最終的球化效果。
對于QT800-2 的牌號，鑄態(tài)穩(wěn)定生產(chǎn)往往需要多種工藝綜合進(jìn)行，當(dāng)然合金化是保障牌號性能實現(xiàn)的重要因素。試驗表明，以Cu-Sb、Cu-Sn 為主的合金化，采用Mn、Mo、Ni 等作為附加元素，可以實現(xiàn)牌號性能要求。如采用Cu-Sb 合金化，甚至可以達(dá)到QT900-2 牌號，其中起主導(dǎo)作用的是微量元素Sb。Sb元素是一種微量元素，國外一般不應(yīng)用于生產(chǎn)，因其加入量較少，范圍很窄，不利于生產(chǎn)控制。但Sb 卻具有很好的提高基體組織珠光體含量的特性，在合適的范圍內(nèi)不會促進(jìn)碳化物產(chǎn)生，并提高石墨球數(shù)量，改善圓整度，尤其在大斷面鑄件中應(yīng)用具有很好的效果，可以顯著提高強(qiáng)度性能。Sn效果與Sb類似，是一種強(qiáng)烈穩(wěn)定珠光體的元素，在高牌號灰鐵、蠕鐵和球鐵鑄造生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，其加入量通常維持在0.02％~0.05％，不會促進(jìn)碳化物產(chǎn)生，可以顯著提高強(qiáng)度、硬度，但如果Sn加入量過多，將會引起鑄件韌性下降。
4、鑄態(tài)球鐵曲軸的生產(chǎn)工藝
鑄態(tài)生產(chǎn)QT800、QT900 等較高牌號曲軸的鑄件，很多生產(chǎn)廠家也做過大量的研究試驗，其中合金化研究并不是全部，通常需要結(jié)合曲軸的大小而采用鐵模覆砂、殼型填丸等鑄造工藝來共同實現(xiàn)，而這些造型工藝在生產(chǎn)QT600、QT700 牌號的曲軸、凸輪軸時也大量應(yīng)用，并成為一種成型的發(fā)展趨勢。