劉振 羅穎洹 李海河

摘要：爐前補(bǔ)料時(shí)間對(duì)冷激鑄鐵凸輪軸的影響做了一些試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)料會(huì)在一定的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生孕育作用，對(duì)產(chǎn)品的白口深度有抑制作用。

關(guān)鍵詞：冷激鑄鐵；激冷層；白口深度；金相組織

1.概述

凸輪軸是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，因凸輪軸凸輪表面和挺桿之間有很高的接觸應(yīng)力和較快的相對(duì)滑動(dòng)速度，并且在高速機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生高溫，所以對(duì)凸輪軸的鑄造質(zhì)量要求相當(dāng)高，特別是要求具備良好的耐接觸疲勞和耐磨性能。

冷激鑄鐵凸輪軸以其低成本、高性能的顯著特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。影響冷激鑄鐵凸輪軸鑄造質(zhì)量的因素很多，如鐵水澆注溫度、原材料化學(xué)成分、爐料配比、澆注時(shí)間點(diǎn)等。其中化學(xué)成分的控制是一個(gè)非常重要的影響因素，主要是不同的合金元素對(duì)鑄鐵的組織形貌和產(chǎn)品性能有著不同的影響。碳是形成滲碳體的元素，碳量增加則滲碳體數(shù)量增加，因而硬度增加，但卻使白口層減小，引起心部灰口區(qū)石墨粗大。而硅量增加時(shí)白口層深度、硬度均下降，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)增加硅，有利于減少凸輪心部游離碳化物，可改善整軸綜合性能，過(guò)低硅量將導(dǎo)致白口層過(guò)深 [3-4]。由此可見(jiàn)添加碳和硅都會(huì)有抑制白口形成的孕育效果。在確保獲得足夠的冷激層后，要將碳當(dāng)量控制在一個(gè)較低的水平，以獲得較高的產(chǎn)品機(jī)械性能。但是，當(dāng)碳當(dāng)量過(guò)低時(shí)，除了不利于獲得好的冷激層以外，還會(huì)增加縮孔傾向，造成產(chǎn)品報(bào)廢[5]。

某凸輪軸鑄造工廠考慮到鐵水碳硅含量偏高導(dǎo)致成分調(diào)整困難，一般將爐前鐵水碳硅含量控制在下限值，經(jīng)爐前成分檢驗(yàn)后再按技術(shù)要求進(jìn)行補(bǔ)料，即添加增碳劑和硅鐵來(lái)調(diào)整碳硅含量。但碳硅合金元素有孕育效果，存在孕育時(shí)效，抑制白口的形成，如孕育時(shí)間點(diǎn)選取不當(dāng)則會(huì)影響到產(chǎn)品的機(jī)械性能。本文研究了補(bǔ)料時(shí)效對(duì)白口深度及凸輪軸桃尖金相的影響，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析確定補(bǔ)料后的出水時(shí)間點(diǎn)，從而保證產(chǎn)品機(jī)械性能質(zhì)量。

2.產(chǎn)品技術(shù)要求

某冷激鑄鐵凸輪軸產(chǎn)品要求凸輪軸部位使用冷鐵進(jìn)行半激冷，其化學(xué)成分為：3.0%～3.4% C； 1.9%～2.4% Si；0.6%～0.9% Mn；<0.2% S；<0.12% P；<0.3%～<1% Cr；0.01%～0.05% Mo；0%～0.7%Cu；0%～0.05% Ni。外層冷激區(qū)為白口組織，其金相組織為：萊氏體+細(xì)針狀碳化物+細(xì)片狀（或顆粒狀）珠光體；允許有少量游離點(diǎn)狀石墨存在。過(guò)渡區(qū)為麻口組織，其金相組織為：萊氏體+珠光體+碳化物+少量片狀石墨。凸輪軸的心部（其心部直徑應(yīng)≥φ10mm）和基圓部分為珠光體灰口鑄鐵，其金相組織為：細(xì)片狀（或中等片狀）珠光體+石墨（石墨形狀：A型或+E型）。冷激層深度≥4mm，桃尖硬度≥48-56HRC，產(chǎn)品材料為HT300。

3.試驗(yàn)條件以及試驗(yàn)方法

3.1試驗(yàn)條件

熔煉設(shè)備為360kg的中頻感應(yīng)爐，用熱電偶對(duì)鐵水進(jìn)行爐前和澆注時(shí)溫度的測(cè)量，采用爐前鐵水成分分析儀進(jìn)行成分分析，從而確定合金成分并進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)料，使用金相顯微鏡觀測(cè)試樣的金相組織。

3.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)使用的原材料：回爐料、廢鋼、增碳劑、硅鐵、錳鐵、鉻鐵、銅、孕育劑（硅鋇）。

熔煉過(guò)程：先加回爐料，后加廢鋼，待全部熔完后加入合金材料，并將鐵水在1550-1580℃溫度條件下保溫約5min。使用鐵水分析儀進(jìn)行爐前成分分析，依據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)料（增碳劑及硅鐵），然后澆注爐前三角試樣并檢測(cè)確認(rèn)白口深度，后出鐵水（溫度條件1520-1550℃、1熔爐鐵水可分出7包同等重量鐵水）至已加入定量孕育劑的孕育包進(jìn)行孕育處理。，并重新澆注爐后三角試樣檢測(cè)白口深度，稍作靜置使鐵水溫度降到1320-1420℃開(kāi)始澆注。每包鐵水要求5min內(nèi)澆注完，要求鐵水從熔爐轉(zhuǎn)至孕育包的出水過(guò)程為連續(xù)循環(huán)進(jìn)行，生產(chǎn)條件一致，過(guò)程穩(wěn)定。

數(shù)據(jù)收集方法：（1）鐵水補(bǔ)料3min后每分鐘取樣收集三角試樣白口深度數(shù)據(jù)；（2）取第1包與第7包鐵水相同澆注序號(hào)的產(chǎn)品進(jìn)行金相組織對(duì)比分析。

4.試驗(yàn)結(jié)果和分析

4.1白口深度變化分析

鐵水補(bǔ)料完成保溫3min后，每分鐘取樣澆注三角試樣進(jìn)行檢測(cè)白口深度。使用的三角試樣如圖1示。白口深度數(shù)據(jù)如表1示：

從表1數(shù)據(jù)可知隨著補(bǔ)料后時(shí)間推移三角試樣的白口深度呈明顯遞增趨勢(shì)。這是因?yàn)檠a(bǔ)料添加增碳劑和硅鐵起孕育作用，抑制白口組織的形成，隨著時(shí)間推移，孕育作用慢慢減弱，所以鐵水白口深度越來(lái)越深。其孕育作用時(shí)效約10min，即白口深度在10min后達(dá)到最深狀態(tài)并保持基本穩(wěn)定。

4.2金相組織分析

第1包與第7包鐵水澆注的凸輪軸桃尖部位腐蝕前石墨形態(tài)如圖2示。其中圖a石墨形狀主要為A型，長(zhǎng)片狀+少量點(diǎn)狀石墨，孕育充分；圖b石墨形狀主要為A型，長(zhǎng)片狀+短片狀+較多點(diǎn)狀石墨，孕育較充分。

圖3是凸輪軸桃尖部位腐蝕后金相形態(tài)，第7包鐵水產(chǎn)品的珠光體明顯較第1包含量高，即前者孕育效果較后者弱，存在孕育衰退現(xiàn)象。

從金相對(duì)比分析可知，鐵水補(bǔ)料后先澆注產(chǎn)品孕育效果明顯好于后澆注產(chǎn)品，但珠光體含量少于后澆注產(chǎn)品。碳、硅合金元素含量是影響孕育效果的主要因素，故從金相圖的對(duì)比差異說(shuō)明第1包鐵水碳、硅合金元素含量較第7包鐵水高。因每包鐵水量及孕育劑加入量一致，同時(shí)其它生產(chǎn)條件一致，故認(rèn)為碳、硅含量差異主要是由補(bǔ)料加入的增碳劑與硅鐵時(shí)效作用影響。增碳劑與硅鐵加入至熔爐的鐵水中時(shí)，鐵水中的碳、硅含量迅速增高起到孕育作用，同時(shí)對(duì)珠光體起抑制作用，隨著時(shí)間推移此作用逐漸減弱。此現(xiàn)象與4.1中分析的白口深度變化趨勢(shì)一致。

因鐵水補(bǔ)料添加的增碳劑與硅鐵對(duì)鐵水存在一定的孕育時(shí)效，如在其孕育作用時(shí)效期出水進(jìn)行孕育處理，則會(huì)存在孕育作用疊加?？赡茉斐蛇^(guò)度孕育，加大抑制珠光體產(chǎn)生，而鐵素體增加，導(dǎo)致凸輪軸產(chǎn)品桃尖部位冷激層變淺，同時(shí)產(chǎn)品的機(jī)械性能下降。因此，鐵水補(bǔ)料后出水時(shí)間點(diǎn)是一個(gè)關(guān)鍵的工藝參數(shù)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上看，該HT300鐵水補(bǔ)料孕育時(shí)效約為10min，即補(bǔ)料10min后再出水為宜。

5.結(jié)論

（1）鐵水熔煉補(bǔ)料添加的增碳劑和硅鐵對(duì)鐵水具有一定的孕育作用，并存在一定的孕育時(shí)效，孕育作用隨時(shí)間推移呈逐漸減弱趨勢(shì)；

（2）鐵水孕育處理應(yīng)在補(bǔ)料孕育時(shí)效過(guò)后進(jìn)行，避免發(fā)生孕育疊加，造成過(guò)度孕育；

參考文獻(xiàn)：

[1]米發(fā)國(guó)，何斌鋒.澆注溫度對(duì)激冷鑄鐵凸輪軸組織性能的影響[J].熱加工工藝，2008，（11）：40-42.

[2]李平，魏伯康，蔡啟舟，段漢橋.原材料對(duì)激冷鑄鐵凸輪軸組織和性能的影響[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2004，（5）：7-11.

[3]李平，魏伯康，蔡啟舟，段漢橋.工藝因素穩(wěn)定性對(duì)激冷硬鑄鐵凸輪軸質(zhì)量的影響[J].現(xiàn)代鑄鐵，2004，（1）：42-44.

[4]趙書(shū)城.冷激鑄鐵凸輪軸鑄造技術(shù)[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2001，（3）：3-6.

[5]戴紅星，徐中旺. 鑄造穩(wěn)定合格的冷激鑄鐵凸輪軸毛坯[OL].汽車(chē)制造業(yè).

作者簡(jiǎn)介：

劉振（1992.07-），男，本科，材料成型及控制工程專(zhuān)業(yè)鑄造方向；

羅穎洹（1987.08-），男，助理工程師，本科，主要研究方向?yàn)槠?chē)動(dòng)力總成零部件鑄造及機(jī)加工。