Production of nodular cast iron crankshaft with iron coated sand process

Issuing time:2017-03-21 16:02

摘要：介绍了铁型覆砂铸造工艺的优点；通过采用含Sb的专用球化剂、铁型覆砂铸造工艺，试制了铸态高强度、高伸长率球铁曲轴。结果表明：曲轴本体金相组织为球化等级2级、石墨大小6级、珠光体体积分数达到85%~95%，本体杭拉强度870~940Mpa、伸长率4.4%~6.0%，完全达到客户要求。

曲轴是发动机中最重要的零件之一，很大程度上影响着发动机的可靠性与寿命，它与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转动力，传给底盘上的传机构；同时，曲轴又是高速旋转件，因此要求它不但要有足够的刚度与强度，而且要有良好的承受小能量多次冲击载荷的能力，且耐磨损和有良好的润滑性。

自上世纪50年代球铁代替锻钢成为曲轴的材料以来，球铁曲轴的应用得到了飞速发展，材料牌号也由原来的QT600-3发展到现在的QT900-2，而且ADI曲轴也在研发应用之中，对于一般球铁曲轴铸件，为获得足够的珠光体体积分数，多采用正火处理或加入Cu、Cr/Mo、Ni等合金元素得到合格组织；近几年来，笔者公司在采用铁型覆砂和含Sb球化剂生产铸态高强度、高伸长率的球铁曲轴方面开展了一些研究工作，并取得了一定的进展。

1、铁型覆砂铸造工艺简介

铁型覆砂铸造是在粗成形金属铸型内壁覆上一层4~6mm厚的覆膜砂，覆膜砂在一定温度下固化，覆盖于铁型内表面，铁液注入覆膜砂的铁型之中形成铸件的工艺方法。此工艺是基于金属型铸造和砂型铸造基础上发展起来的，兼有两者的优点：铁型加快了铁液的冷却，使铸件石墨细小、组织致密、基体中珠光体体积分数增加；铸件尺寸精度高、加工余量小；造型材料需要量少；废品率低；以及铸件清理工作量小。其中最关键的是铸型强度高、硬度高，石墨膨胀作用于

铸型产生反作用力，使铸件得到良好的自补缩，有利于防止缩孔、缩松缺陷的产生。与砂型铸造相比，铁型覆砂铸造的铸件组织更致密，力学性能得到改善，并有利于消除球铁铸件的缩孔、缩松缺陷，实现无冒口铸造。

铁型覆砂用于铸态曲轴生产上，使铸件结晶和冷却速度加快，铸件晶粒得到细化，因而力学性能与使用性能也大大提高，可以取消正火工艺，大大降低成本、因此，铁型覆砂铸造工艺在各种铸态球铁曲轴生产中应用极其广泛，是获得非合金化铸态高强度、高伸长率球铁曲轴的一种有效方法。

2、工艺试验

2.1铸件技术要求

图1为曲轴铸件简图要求金相组织为：珠光体体积分数70%以上，游离渗碳体和磷共晶均不超过2%，渗碳体和磷共晶总量不超过3%；球化等级1~3级，石墨大小5~8级。要求力学性能为：曲轴本体抗拉强度≥800MPa，伸长率≥3%，布氏硬度240~320HB。

2.2试验方案

2.2.1 原材料的选择

选用优质低P、低S、低干扰元素的庚辰生铁Q12，优质无锈的碳素结构钢，ω(C)>90%、ω(S)<0.05%的增碳剂，以获得低S高纯净铁液。

2.2.2化学成分选择

(1)C的作用和影响：C是球墨铸铁的基本元素，在ω(Si)量相同的情况下，ω(C)量越高，CE量越高，有利于石墨化，增加石墨球数，减少白口倾向，改善铁液的流动性，在不产生石墨漂浮的情况下，尽量提高ω(C)量，一般控制在3.7%~3.9%。

(2)Si的作用和影响：在球墨铸铁中，Si不仅可以有效地减小白口倾向，增加铁素体体积分数，而且具有细化共晶团的作用；但是，Si提高铸铁的韧脆性转变温度，降低冲击韧性，因此在珠光体基体球铁中，ω(Si)量不宜过高，一般为1.8%~2.1%。

(3)S的作用和影响：s是一种反球化元素，它与Mg、RE等球化元素有很强的亲合力；S的存在会大量消耗铁液中的球化元素，形成Mg和RE的硫化物，引起夹渣、气孔等铸造缺陷球墨铸铁中S主要来自生铁和增碳剂，因此要求生铁中的ω(S)<0.02%，增碳剂中的ω(S)<0.05%。

(4)P的作用和影响：P是一种有害元素、它在铸铁中溶解度极低，当ω(P)<0.05%时，固溶于基体中，对力学性能几乎没有影响；当ω(P)>0.05%时，P极易偏析于共晶团边界，形成二元、三元或复合磷共晶，降低铸铁的韧性。一般要求ω(P)<0.05%。

(5)Mn的作用和影响：球墨铸铁中Mn的作用主要表现在提高珠光体的稳定性；但是Mn偏析于晶界上，造成球铁的韧性下降，同时Mn也会提高铁素体球墨铸铁的韧脆性转变温度。因此，即使是在珠光体球墨铸铁中，也要求ω(Mn)量尽可能低些，一般控制ω(Mn)量在0.3%~0.55%。

2.2.3球化剂的选择

2003~2012年4月份，一直使用Z-1球化剂，成分见表1，铸件力学性能总是达不到主机厂要求，见表2

经过多次工艺试制，2012年5月份以后，采用YY-1球化剂，ω(Mg残)量由原来的0.032%~0.033%变为0.034%-0.036%，其成分见表1。分析认为，在YY-1中起主要作用的元素为Sb。

Sb的作用：在Ce存在的前提下，Sb可显著提高石墨球圆整度，防止石墨畸变，并能明显增加石墨球数。Sb加入适量，有强烈的表面吸附作用，富集在石墨界面处，既可防止石墨球破碎，又可细化石墨。Sb还起到稳定珠光体的作用，同时Sb还可改善含Ba孕育剂的孕育效果，提高孕育剂的抗衰退性能。

2.2.4配料及熔炼工艺

炉料配比见表3。采用1t中频电炉熔炼铁液，熔炼温度控制在1540~ 1550℃采用1t带堤坝处理包，冲入法球化处理，球化剂加入量1.1%，球化反应时间为90~120S孕育剂为普通75SiFe，分两次孕育：一次为出铁2/3后加入0.3%~0.4%的孕育剂；第二次为球化处理后加入0.1%的孕育剂进行浮Si孕育。另外，浇注时进行瞬时孕育，瞬时孕育剂型号为BS-2，加入量为0.1%。浇注时间控制在8 min之内。打箱时间设定为最后一箱浇注结束后的10-15min。表4为铁液的最终化学成分。