PDF《高强韧性球墨铸铁曲轴铸造技术研究及应用》

2010 中国铸造活动周论文集 -

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1 - 高强韧性球墨铸铁曲轴铸造技术研究及应用 杨思一

1 ,丛建臣

2 ,孙海涛

2 ,李端玲

3 ,于海明

2 ,慈惟红

2 (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,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. 高性能球铁通常有两类,一是铜钼球铁 [1-2] ;

二是等温淬火球铁(ADI) [3] .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,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.

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2 - 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. 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