球墨鑄鐵曲軸的鑄造與發展
2015-11-13
1、前言
曲軸是汽車發動機的關鍵部件之一，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，因此要求曲軸材質具有較高的剛性和疲勞強度以及良好的耐磨性能。隨著球墨鑄鐵技術的發展，其性能也在不斷提高，優質廉價的球鐵已成為制造曲軸的重要材料之一。
自1947年球墨鑄鐵發明以來，經過不長時間的努力，其抗拉強度提高到了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50年代后期，國內南京汽車制造廠率先批量生產躍進牌汽車球鐵曲軸。60年代，二汽首先成為國內按照球鐵曲軸生產工藝進行設計和投產的汽車廠。到了70、80年代，中小型柴油機在我國迅速發展，由于球鐵制造和經濟方面的優勢，大多數中小型柴油機都采用球鐵曲軸，極大地推動了我國球鐵曲軸的應用與發展，出現了一批球鐵曲軸專業生產廠。近十多年在汽車工業的快速發展過程中，又新建了一批現代化的球鐵曲軸生產廠（或分廠、車間），球鐵曲軸在國內得到了普遍應用。
國外球鐵曲軸的應用也十分廣泛，早在上世紀50年代，國外就開始將球墨鑄鐵應用于曲軸的生產，如美國的福特公司首先應用，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用于曲軸的生產。在德國，排氣量2000ml 以下的柴油機中球鐵曲軸占50％，排氣量1500ml 以下的汽油機中球鐵曲軸占80％；在美國汽車行業中，球鐵曲軸占80％。由于制造技術和經濟上的優勢，球鐵曲軸在汽車工業中廣泛應用的總體狀況今后不會發生太大的變化。
2、球鐵曲軸的熔煉
對于球鐵的熔煉，國內外采用沖天爐，工頻爐雙聯熔煉的較多。鐵液一般要經過脫硫處理，鐵液脫硫方式現在多采用多孔塞脫硫方法，即吹N2氣加入CaC2或復合脫硫劑攪拌脫硫。脫硫的穩定性對于熔煉曲軸鐵液具有重要意義，如采用感應電爐熔煉可以更好地控制合金成分范圍，穩定球化，易于保證鐵液質量。
球化處理是球鐵曲軸生產的重要環節，石墨的形態不僅影響曲軸本體強度性能，而且會影響到曲軸疲勞強度與抗沖擊性能。球化劑的選用對于球化處理結果具有重要意義。
國內球化劑主要采用稀土鎂硅鐵復合球化劑。
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，穩定生產，但起主導球化作用的仍然是鎂。鑒于國內鑄造廠脫硫水平的提高，球化劑有向低稀土方向發展的趨勢。另外，可根據鑄態基體組織的需要，使用含Ca、Ba、Bi、Sb 等元素的復合球化劑。
球化時采用哪種球化工藝，主要考慮吸收率的高低、反應是否平穩。國外很多工廠采用蓋包沖入法,其優點是吸收率較高，煙塵少，投資小，適應面廣泛。國內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展起來的一種球化新工藝，其優點是反應平穩、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，國內普遍采用含硅75％的硅鐵合金，國外球鐵孕育劑較多地應用硅鐵/鋯、硅鐵/錳/鋯及含鈣、鋇的復合孕育劑，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，細化晶粒，延緩孕育衰退時間。當前，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。型內孕育法常與其他孕育方法聯合使用，是一種復合強化孕育工藝。另外，新近發展的喂絲法孕育工藝，是與喂絲法球化同時進行的一種孕育方法。
3、鑄態球鐵曲軸合金化
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度和耐磨性。故在球鐵曲軸的生產中，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，采用鑄態生產即可以穩定地達到性能要求；而對于QT800、QT900 等較高牌號的生產，很多工廠是通過熱處理來實現的，這無疑會增加曲軸制造成本，而實現鑄態的相關曲軸牌號具有很大的成本優勢。
對于促進基體為珠光體組織，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具有很好的促進珠光體形成的性能，有利于共晶階段的石墨化和細化、圓整石墨球，并不會促進碳化物的生成。采用Cu-Mn、Cu-Mo、Cu-Ni、Cu-Cr 等二元合金均可以實現QT600、QT700 鑄態牌號的生產，但對于易產生碳化物的元素如Mn、Cr 等應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，鑄態穩定生產往往需要多種工藝綜合進行，當然合金化是保障牌號性能實現的重要因素。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，可以實現牌號性能要求。如采用Cu-Sb 合金化，甚至可以達到QT900-2 牌號，其中起主導作用的是微量元素Sb。Sb元素是一種微量元素，國外一般不應用于生產，因其加入量較少，范圍很窄，不利于生產控制。但Sb 卻具有很好的提高基體組織珠光體含量的特性，在合適的范圍內不會促進碳化物產生，并提高石墨球數量，改善圓整度，尤其在大斷面鑄件中應用具有很好的效果，可以顯著提高強度性能。Sn效果與Sb類似，是一種強烈穩定珠光體的元素，在高牌號灰鐵、蠕鐵和球鐵鑄造生產中廣泛應用，其加入量通常維持在0.02％~0.05％，不會促進碳化物產生，可以顯著提高強度、硬度，但如果Sn加入量過多，將會引起鑄件韌性下降。
4、鑄態球鐵曲軸的生產工藝
鑄態生產QT800、QT900 等較高牌號曲軸的鑄件，很多生產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，而這些造型工藝在生產QT600、QT700 牌號的曲軸、凸輪軸時也大量應用，并成為一種成型的發展趨勢。
曲軸是汽車發動機的關鍵部件之一，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，因此要求曲軸材質具有較高的剛性和疲勞強度以及良好的耐磨性能。隨著球墨鑄鐵技術的發展，其性能也在不斷提高，優質廉價的球鐵已成為制造曲軸的重要材料之一。
自1947年球墨鑄鐵發明以來，經過不長時間的努力，其抗拉強度提高到了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50年代后期，國內南京汽車制造廠率先批量生產躍進牌汽車球鐵曲軸。60年代，二汽首先成為國內按照球鐵曲軸生產工藝進行設計和投產的汽車廠。到了70、80年代，中小型柴油機在我國迅速發展，由于球鐵制造和經濟方面的優勢，大多數中小型柴油機都采用球鐵曲軸，極大地推動了我國球鐵曲軸的應用與發展，出現了一批球鐵曲軸專業生產廠。近十多年在汽車工業的快速發展過程中，又新建了一批現代化的球鐵曲軸生產廠（或分廠、車間），球鐵曲軸在國內得到了普遍應用。
國外球鐵曲軸的應用也十分廣泛，早在上世紀50年代，國外就開始將球墨鑄鐵應用于曲軸的生產，如美國的福特公司首先應用，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用于曲軸的生產。在德國，排氣量2000ml 以下的柴油機中球鐵曲軸占50％，排氣量1500ml 以下的汽油機中球鐵曲軸占80％；在美國汽車行業中，球鐵曲軸占80％。由于制造技術和經濟上的優勢，球鐵曲軸在汽車工業中廣泛應用的總體狀況今后不會發生太大的變化。
2、球鐵曲軸的熔煉
對于球鐵的熔煉，國內外采用沖天爐，工頻爐雙聯熔煉的較多。鐵液一般要經過脫硫處理，鐵液脫硫方式現在多采用多孔塞脫硫方法，即吹N2氣加入CaC2或復合脫硫劑攪拌脫硫。脫硫的穩定性對于熔煉曲軸鐵液具有重要意義，如采用感應電爐熔煉可以更好地控制合金成分范圍，穩定球化，易于保證鐵液質量。
球化處理是球鐵曲軸生產的重要環節，石墨的形態不僅影響曲軸本體強度性能，而且會影響到曲軸疲勞強度與抗沖擊性能。球化劑的選用對于球化處理結果具有重要意義。
國內球化劑主要采用稀土鎂硅鐵復合球化劑。
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，穩定生產，但起主導球化作用的仍然是鎂。鑒于國內鑄造廠脫硫水平的提高，球化劑有向低稀土方向發展的趨勢。另外，可根據鑄態基體組織的需要，使用含Ca、Ba、Bi、Sb 等元素的復合球化劑。
球化時采用哪種球化工藝，主要考慮吸收率的高低、反應是否平穩。國外很多工廠采用蓋包沖入法,其優點是吸收率較高，煙塵少，投資小，適應面廣泛。國內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展起來的一種球化新工藝，其優點是反應平穩、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，國內普遍采用含硅75％的硅鐵合金，國外球鐵孕育劑較多地應用硅鐵/鋯、硅鐵/錳/鋯及含鈣、鋇的復合孕育劑，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，細化晶粒，延緩孕育衰退時間。當前，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。型內孕育法常與其他孕育方法聯合使用，是一種復合強化孕育工藝。另外，新近發展的喂絲法孕育工藝，是與喂絲法球化同時進行的一種孕育方法。
3、鑄態球鐵曲軸合金化
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度和耐磨性。故在球鐵曲軸的生產中，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，采用鑄態生產即可以穩定地達到性能要求；而對于QT800、QT900 等較高牌號的生產，很多工廠是通過熱處理來實現的，這無疑會增加曲軸制造成本，而實現鑄態的相關曲軸牌號具有很大的成本優勢。
對于促進基體為珠光體組織，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具有很好的促進珠光體形成的性能，有利于共晶階段的石墨化和細化、圓整石墨球，并不會促進碳化物的生成。采用Cu-Mn、Cu-Mo、Cu-Ni、Cu-Cr 等二元合金均可以實現QT600、QT700 鑄態牌號的生產，但對于易產生碳化物的元素如Mn、Cr 等應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，鑄態穩定生產往往需要多種工藝綜合進行，當然合金化是保障牌號性能實現的重要因素。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，可以實現牌號性能要求。如采用Cu-Sb 合金化，甚至可以達到QT900-2 牌號，其中起主導作用的是微量元素Sb。Sb元素是一種微量元素，國外一般不應用于生產，因其加入量較少，范圍很窄，不利于生產控制。但Sb 卻具有很好的提高基體組織珠光體含量的特性，在合適的范圍內不會促進碳化物產生，并提高石墨球數量，改善圓整度，尤其在大斷面鑄件中應用具有很好的效果，可以顯著提高強度性能。Sn效果與Sb類似，是一種強烈穩定珠光體的元素，在高牌號灰鐵、蠕鐵和球鐵鑄造生產中廣泛應用，其加入量通常維持在0.02％~0.05％，不會促進碳化物產生，可以顯著提高強度、硬度，但如果Sn加入量過多，將會引起鑄件韌性下降。
4、鑄態球鐵曲軸的生產工藝
鑄態生產QT800、QT900 等較高牌號曲軸的鑄件，很多生產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，而這些造型工藝在生產QT600、QT700 牌號的曲軸、凸輪軸時也大量應用，并成為一種成型的發展趨勢。