王海泉， 王杰， 吳玉彬， 李樹(shù)春， 王旭陽(yáng)

（1.哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150040；2.哈爾濱東安動(dòng)力股份有限公司鍛鑄廠231車(chē)間，哈爾濱150066）

1 引言

凸輪軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零件，承受載荷和長(zhǎng)時(shí)間的磨損，它的性能好壞決定著汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命［1-3］。目前，ADI凸輪軸已被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域的承載及傳動(dòng)等零部件中［4］。要生產(chǎn)出合格的ADI凸輪軸，必須保證是優(yōu)質(zhì)的球墨鑄鐵、合理的等溫淬火工藝、專(zhuān)用等溫淬火設(shè)備。

2 材料制備

熔煉設(shè)備為5t中頻感應(yīng)電爐，喂線法用50%的廢鋼、回爐料、銅進(jìn)行配料，增碳劑是粒度為1～5mm碎石墨電極。當(dāng)鐵水溫度為1570℃，停止送電，靜止15min后出爐，打鐵水量為：800kg，包芯線采用鎂的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為30%的球化線。喂線速度25m/min，球化包芯線加入10～40m；沖入法也用5t中頻電爐熔煉，以Q12生鐵、回爐料、廢鋼、銅進(jìn)行配料，使用堤壩式鐵水包，容量為500kg，出鐵溫度為 1520℃～1570℃，澆注溫度：1390℃～1410℃，球化孕育處理結(jié)束后，將鐵水倒入氣壓澆注機(jī)，球化劑為含鎂量5%～8%的稀土鎂硅鐵合金。喂線法與沖入法孕育采用0.6%～1.0%包內(nèi)孕育＋0.15%隨流孕育，孕育劑為75硅鐵。試驗(yàn)采用箱式電阻爐對(duì)本體取樣的試樣進(jìn)行奧氏體化，試樣放入自制的鐵盒中，并用鑄鐵屑覆蓋，防止氧化脫碳，淬火設(shè)備是自制的等溫鹽浴淬火槽，淬火介質(zhì)為55%NaNO3與45%KNO3的混合硝鹽。試驗(yàn)奧氏體化溫度為850℃并保溫15min，等溫淬火溫度為290℃；等溫淬火時(shí)間1h。凸輪軸化學(xué)成分見(jiàn)表1所示。

表1 球鐵凸輪軸化學(xué)成分 /Wt%

3 喂線法與沖入法對(duì)比分析

圖1 殘硫與殘鎂的波動(dòng)

試驗(yàn)結(jié)束，對(duì)凸輪軸本體取樣。喂線法生產(chǎn)的凸輪軸本體殘鎂量波動(dòng)為 0.005%（這與喂線法精準(zhǔn)的控制高鎂合金包芯線加入量有關(guān)），殘硫量波動(dòng)為0.003%，且殘硫量要低于沖入法。沖入法的殘鎂量波動(dòng)為0.014%，殘硫量波動(dòng)為0.008%，因而喂線技術(shù)可以更精確地控制殘鎂量與殘硫量。由殘硫量和殘鎂量可知，喂線法的鎂收得率明顯高于沖入法。喂線法和沖入法的殘硫量與殘鎂量的波動(dòng)見(jiàn)圖1。

基于喂線法與沖入法對(duì)比生產(chǎn)球墨鑄鐵凸輪軸，分別將兩種方法生產(chǎn)的凸輪軸進(jìn)行本體取樣。鑄態(tài)凸輪軸金相如圖1所示，金相檢測(cè)按GB/T9441-2009《球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)》評(píng)級(jí)。圖 2（a）、（b）為喂線法與沖入法生產(chǎn)的凸輪軸鑄態(tài)金相，我們對(duì)比了兩種工藝下的石墨球情況。

圖2 兩種工藝生產(chǎn)的凸輪軸鑄態(tài)金相組織

喂線法與沖入法生產(chǎn)凸輪軸本體取樣力學(xué)性能對(duì)比見(jiàn)表2所示。

表2 ADI凸輪軸鑄態(tài)本體力學(xué)性能及其它

與沖入法球化處理相比，利用喂線技術(shù)生產(chǎn)的球墨鑄鐵石墨球圓整度高、尺寸小、數(shù)量多；球化率等級(jí)為2級(jí)，沖入法球化率為3到4級(jí)。喂線法生產(chǎn)的凸輪軸抗拉強(qiáng)度平均為734MPa，延伸率平均為2.15%；沖入法抗拉強(qiáng)度平均為696.5MPa，延伸率平均為1.925%。與沖入法相比，喂線法生產(chǎn)的凸輪軸抗拉強(qiáng)度、延伸率要好。

4 等溫淬火兩種球鐵凸輪軸

試驗(yàn)將凸輪軸DC3（本次試驗(yàn)中，沖入法生產(chǎn)的ADI球鐵原件部分滿足ADI制造工藝要求，DC3為沖入法生產(chǎn)球化率滿足ADI生產(chǎn)制造工藝要求的凸輪軸）。和喂線法生產(chǎn)的球鐵凸輪軸WX1進(jìn)行等溫淬火試驗(yàn)。兩種球鐵凸輪軸經(jīng)等溫淬火后的抗拉強(qiáng)度見(jiàn)圖3。在相同等溫淬火工藝、等溫淬火設(shè)備下試樣經(jīng)等溫淬火試驗(yàn)的結(jié)果為：喂線法生產(chǎn)的球鐵等溫淬火后抗拉強(qiáng)度優(yōu)于沖入法。喂線法生產(chǎn)的球鐵的球化率高，石墨球圓整度高、石墨小且多，組織均勻，石墨球局部尖端減少，對(duì)基體的割裂程度減弱，應(yīng)力不容易在石墨球附近集中，故喂線法生產(chǎn)的球鐵等溫淬火后抗拉強(qiáng)度高于沖入法，同時(shí)可以說(shuō)明與沖入法比，喂線技術(shù)可以間接提高并穩(wěn)定ADI性能。

圖3 兩種球鐵凸輪軸等溫淬火力學(xué)性能

5 結(jié)論

本文采用喂線法和沖入法兩種方法對(duì)比生產(chǎn)凸輪軸，并在相同等溫淬火工藝及設(shè)備下等溫淬火兩種方法獲得的球鐵得出結(jié)論是：

（1）與沖入法對(duì)比，采用喂線法生產(chǎn)的凸輪軸球墨鑄鐵件球化效果好，石墨球數(shù)量多、圓整度高、球化率高；鑄件力學(xué)性能良好，且性能穩(wěn)定。喂線法生產(chǎn)的凸輪軸球化率等級(jí)為2級(jí)，鎂殘及硫殘波動(dòng)小，能穩(wěn)定地滿足生產(chǎn)ADI凸輪軸的要求，而沖入法則是部分滿足要求。

（2）相同等溫淬火工藝和相同等溫淬火設(shè)備，等溫淬火以后的喂線法生產(chǎn)的凸輪軸的抗拉強(qiáng)度優(yōu)于沖入法。

［1］ BAYRAKCEKEN H，et al.Fracture analysis of a camshaft made from nodular cast iron［J］.Engineering Fai-lure Aanlysis，2006（13）：1240-1245.

［2］ LEVENT C K.Mechanical and microstructure properties of chilled cast iron camshaft：Experimental and computer aided evaluation［J］.Materials and Design，2009（30）：927-940.

［3］ WANG G，TAYLOR D，BOUQUIN B，et al.Ciepalowicz.Prediction of fatigue failure in a camshaft using the crack modellin-g method［J］.Engineering Failure Analysis，2000（7）：189-197.

［4］ 曾藝成，李克銳，等.我國(guó)等溫淬火球鐵（ADI）的最新進(jìn)展［C］//2007年中國(guó)鑄造活動(dòng)周.武漢，2007：21-27.