95.高强韧性球墨铸铁曲轴铸造技术研究及应用

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1、2010中国铸造活动周论文集高强韧性球墨铸铁曲轴铸造技术研究及应用122322杨思一，丛建臣，孙海涛，李端玲，于海明，慈惟红（1.山东理工大学机械工程学院，山东淄博255049；2.天润曲轴股份有限公司，山东文登264400；3.北京邮电大学自动化学院，北京100876）摘要：为了提高球墨铸铁曲轴的强韧性和铸造质量，降低铸造废品率，研究了曲轴的微合金化技术、铁液共晶点控制技术、球化处理技术、曲轴无型芯铸造技术和组织均匀化正火处理技术，成功研制出高强韧性球墨铸铁曲轴。提出了锡以孕育形式加入铁水中进行合金化的方法，既增强了合金化作用，又促进了孕育效果，发现了锡

2、对铜在基体中分布的作用规律，提高了材料的强度和韧性。提出了铁液共晶点控制技术，曲轴铸件缩松缺陷由原来的1.44%降到0.19%，远低于日本10%、德国15%的废品率指标。该技术节能、减排、降耗，在铸造行业具有重要推广价值。关键词：曲轴；球墨铸铁；微合金化；共晶点；球化处理1前言发动机广泛应用于汽车、工程机械、农业机械和国防装备等领域中。曲轴作为发动机核心部件在能量转换和功率输出过程中起关键性作用，球墨铸铁曲轴具有良好的耐磨性、减震性、加工性以及性价比高等优点，在国内被广泛应用。为满足节能减排的更高要求，新型中等功率发动机向着高速、增压、高功率密度方向发展，

3、曲轴所承受的载荷增加，要求曲轴具有更优良的综合机械性能。[1-2][3]高性能球铁通常有两类，一是铜钼球铁；二是等温淬火球铁（ADI）。铜钼合金、镍铜合金及镍钼合金铜钼球铁具有高的抗拉强度，铜含量为0.5%左右，钼含量为0.35%左右，其熔点非常高，只能在电炉中加入，仅起到合金化的作用。钼是一种强碳化物形成元素，并易在晶界偏析，如图1（a）所示，经热处理也不能消除，随着钼的增多，虽然材料强度上升，但韧性下降，如图2（a）所示，满足不了新型发动机曲轴服役的要求。ADI的性能虽然可以和锻钢相媲美，但其工艺复杂，技术难点至今无法克服，且需要加入大量贵重合金元素，

4、国内外虽有研究但很少应用在曲轴上。传统球铁曲轴存在两大问题，不能在保证高强度的同时具备高韧性，其次，无法实现曲轴的高质量一致性，满足不了新型发动机的需求，成为制约发动机发展的瓶颈。因此，必须通过技术创新与科学实验，在保证高强度的情况下获得高韧性，开发出性能稳定的球墨铸铁曲轴。本研究以实现球墨铸铁曲轴在新型发动机方面的大规模应用为目标，以自主创新研究为手段，围绕球墨铸铁曲轴的材质和铸造工艺技术方面进行了大量的试验研究，取得了重大突破，开发出了的高强韧性球墨铸铁生产关键技术。2研究过程2.1微合金化技术分析研究了铜、镍、锡、铬、铌等合金元素的优缺点，采用正交试

5、验法，按不同配比进行了近百次试验，获得了大量技术数据。最终确定铜锡合金代替铜钼合金。-1--1-2010中国铸造活动周论文集基于锡的熔点只有230℃，在铁水中能够即时熔化并完全扩散的特征。通过将锡配制到孕育剂中，不仅充分发挥了锡的合金化作用，又强化了孕育效果。铁水凝固时，锡原子被吸附在共晶团和石墨球周围，形成壳型状态，阻碍原子扩散，破坏了晶粒长大条件，使晶粒得到细化。包围在石墨球周围的锡原子，减缓了碳从基体向石墨球的扩散，从而促进珠光体形成，增加珠光体稳定性，使石墨球细小均匀，如图1（b）所示，提高了材料的强度和韧性，如图2（b）所示。碳化物（a）加钼（b

6、）加锡图1正火后金相组织对比（500×）（a）（b）图2合金元素对球铁机械性能的影响借助于扫描电镜和电子探针进一步研究发现，由于锡的加入，改变了铜的组织偏析状态，铜元素在材料基体内的分布变得很均匀，如图3所示。改善了组织的均匀性，提高了曲轴的力学性能。试验确定，锡的含量控制在0.02%左右，铜含量仍控制在0.5%左右，取消0.6%钼铁的加入，每年节约钼铁80余吨，曲轴吨成本下降15%。-2--2-2010中国铸造活动周论文集图3铜元素在铸件内的分布从表1可以看出，与国内铜钼球铁球铁曲轴相比，本项目球铁曲轴的抗拉强度、延伸率和冲击韧性明显提高。提高了曲轴的承

7、载能力和可靠性，使用寿命延长。本项目生产的微锡合金化球铁性能超过了铜钼合金球铁的水平，达到了锻钢曲轴水平。表1机械性能比较材质铜锡球铁曲轴铜钼球铁曲轴指标（本项目）抗拉强度（MPa）872927延伸率（%）2.63.62冲击值（J/cm）26372.2铁液共晶点控制技术具有共晶成分的铁液，结晶范围窄，易补缩，工艺性最好。生产过程中通常将铁液碳当量（C+1/3Si）控制在共晶点附近，以获得优质铸件。生产过程中，在碳当量、浇注温度等条件相同的条件下，不同来源的炉料（生铁厂家变换或加入比例改变等），其缩松的废品率相差很大，有时缩松废品率在1%以下，有时却高达30

8、%。经过研究发现，铁厂无论是矿粉改变还是炉料加进废旧钢渣，铁水五大