碳含量對TU5JP4灰鑄鐵冷激凸輪軸鑄造彎曲變形和氣孔的影響

沈保羅，李 莉，張 昊

（1.四川大學，四川成都 610064；2.成都金頂凸輪軸鑄造有限公司，四川郫縣 611732）

1 前言

冷激凸輪軸是一種細長的桿狀零件，鑄造后常常出現彎曲變形。若彎曲變形超過1mm,則凸輪軸就要報廢。盧勤杰等人[1]曾經就Cr-Ni-Cu合金灰鑄鐵凸輪軸的彎曲變形做過深入研究；他的研究表明，如果保證做到以下八點：

①從原材料開始控制，各種原材料均應符合要求。進入爐內的回爐料中Fe3C組織盡可能少，新生鐵不允許含有白口組織；

②強化配料計算，強調計算準確，強化熔煉工操作技能，盡可能縮短熔煉時間，確保得到低應力鑄鐵；

③堅持高w(C)低w(Si)，采用高CE的近共晶亞共晶化學成分。CE在4.0%～4.2%為好，w(C)以3.5%左右為佳；

④密切注意w(S)的變化，堅持適當的w(S)量，確保孕育有效；

⑤堅持低硅孕育量，采用高效復合孕育劑。既要降低應力，又要保證孕育效果；

⑥合理設計澆注系統，盡量減小澆注系統凝固引起的應力；

⑦從覆膜砂進場開始控制，強化制殼操作，保證型殼自身變形量比較低；

⑧強化合箱組型工藝，采用鑄鐵夾板，將砂型的變形量降到最低。采取上述措施后，跳動超差超過1mm的凸輪軸數量可以降低到3%以下。

但是3%的跳動超差廢品率對于競爭日益加劇的凸輪軸鑄造毛坯生產廠家來說，也是不可接受的。

此外，凸輪磨削后常常可以見到皮下大氣孔，對于這種冷激面下出現的皮下氣孔，有人已經進行了分析和討論并取得較好的效果[2-3]，下面就介紹我們降低凸輪軸彎曲變形率和皮下氣孔的做法。

2 試驗方法

2.1 制殼

采用覆膜砂和翻斗制殼機通過二次覆砂的方法制備覆膜砂殼型，殼型厚度10mm～20mm。采用水平分型和臥澆的方法澆注凸輪軸。

2.2 鑄鐵熔煉和澆注

鐵液在GW型500kg無芯中頻感應電爐中熔煉，爐襯材料為石英砂。用山西球鐵生鐵、廢鋼、75Si-Fe、錳鐵、回爐料、電解銅、增硫劑和石墨增碳劑等原料調整鐵液的化學成分，用德國OBLF光譜儀分析化學成分。該灰鑄鐵凸輪軸技術要求的化學成分見表1。熔煉溫度為1560℃～1580℃，鐵液出爐溫度為1540℃～1560℃,用75SiFe作孕育劑，分別在600kg的中轉包和150kg的澆包中進行孕育處理，75SiFe加入量為0.1%～0.3%（根據凸輪軸需要的白口深度進行調整）。用覆膜砂殼型澆注凸輪軸，澆注溫度為1380℃～1400℃，澆注后約1h打箱取件，凸輪軸的溫度約200℃左右。

表1 TU5JP4灰鑄鐵凸輪軸的化學成分（%）

2.3 改進思路

TU5JP4灰鑄鐵凸輪軸中除Si、Mn外幾乎不含其它合金元素。為了使該凸輪軸有較高珠光體含量以便保證凸輪軸有較高的強度,在開發該凸輪軸的初期我們在其中加入0.3%～0.4%Cr，用戶反映凸輪的磨削性能較差，為了改善磨削性能被迫取消了鉻的加入。為了保證凸輪軸軸頸的硬度達到用戶要求的170HB以上，在凸輪軸中加入了適量的銅和錫，經用戶大批量試驗發現，不但加工凸輪軸中間的識別軸頸時，偶爾有打刀的現象，而且料廢達不到用戶要求的0.8%以下，料廢中激冷凸輪的皮下氣孔占70%（圖 1）。

圖1 凸輪磨削后顯現的氣孔

分析認為，凸輪軸變形是由于凸輪軸中存在殘余應力引起的。鑄造殘余應力是鑄件在冷卻過程中，當溫度降至塑—彈性轉變溫度區間后，由于各部溫度的差異導致收縮的不一致而產生的。在應力的形成過程中，同時進行著應力的增長與松弛，當各部溫度達到一致，應力增加停止，但松弛仍在繼續進行。在碳當量相同的情況下，彈性模量是影響殘余應力的重要因素，而殘余應力和抗拉強度并無直接的對應關系。彈性模量主要取決于石墨的數量和形態，而基體是不敏感因素，合金元素對彈性模量的影響也不大。因此，通過降低塑—彈性轉變溫度，提高鑄鐵的導熱性能，研究并改變線收縮狀態，以及改變基體組織，是可以生產出高強度低應力鑄鐵的。一般認為，材料的線膨脹系數越小，在溫度變化時，其收縮也越小。對于灰鑄鐵而言，碳含量是影響線膨脹系數的最主要因素。因為碳在凝固過程中主要轉變成石墨，由于石墨的熱膨脹系數僅2%左右，遠低于基體的熱膨脹系數，故石墨增多會使鑄鐵的凝固收縮大大減少，從而降低鑄鐵的彎曲變形。

碳的另一個特點是，碳含量增加會使鑄鐵的整體凝固時間延后，鐵液中的氣體就更容易在鐵液凝固成固體前析出而不致于產生皮下氣孔。這也就是高碳含量鑄鐵不容易產生皮下氣孔的原因。

3 試驗結果

我們將碳含量分成兩組，一組含碳量控制在3.4%～3.6%（稱為低碳含量組,見表2），另一組含碳量控制在3.6%～3.7%（稱為高碳含量組,見表2），統計18萬余只凸輪軸的結果見表3。由表3可見，高碳含量組凸輪軸的氣孔率和過彎率都低于低碳含量組。這個事實說明，提高TU5JP4灰鑄鐵凸輪軸的碳含量具有明顯作用。用戶的考核也表明，高碳含量組凸輪軸的料廢比例已經下降到0.8%以下。A班氣孔降低35.1%，過彎率降低28.6%；B班氣孔降低42.2%，過彎率降低27.9%。

表2 TU5JP4灰鑄鐵凸輪軸的化學成分（%）

表3 碳含量對TU5JP4灰鑄鐵凸輪軸質量的影響（%）

鑄造殘余應力的影響因素很多，諸如碳當量、石墨形狀、合金元素、孕育情況、基體組織、線收縮狀態、導熱性能、彈性模量和塑彈性轉變溫度等，在這眾多的因素中，有的在降低應力和提高強度方面的影響是一致的，有的僅對其中一方面影響較為明顯，也有一些尚待進一步研究。這就為我們生產高強度低應力鑄鐵提供了可能。在碳當量相同的情況下，彈性模量是影響殘余應力的重要因素，而殘余應力和抗拉強度并無直接的對應關系。彈性模量主要取決于石墨的數量和形態，而基體是不敏感因素，合金元素對彈性模量的影響也不大。因此，通過降低塑—彈性轉變溫度，提高鑄鐵的導熱性能，研究并改變線收縮狀態，以及改變基體組織，是可以生產出高強度低應力鑄鐵的。

[1]盧勤杰，葛輝，寧葆長.冷激鑄鐵凸輪軸變形的原因和消除方法[J].現代鑄鐵，2008，(4)：65-69.

[2]盧勤杰，盧金鐸，葛輝.冷激鑄鐵凸輪軸激冷層氣孔缺陷及對策[J].現代鑄鐵，2008，(3):69-73.

[3]李平，蔡啟舟，魏伯康，等.凸輪軸激冷面氣孔成因及防止方法的探討[J].現代鑄鐵，2002，(4)：35-38.

[4]李龍城,高瑛,張鍵.提高鑄鐵性能的新途徑—介紹高強度低應力鑄鐵[J]. 制造技術與機床,1984,(10)：20-24，30.

[5]北京機床研究所，北京鋼鐵學院冶金系，寧江機床廠.機床用低應力鑄鐵[J].北京科技大學學報,1987,(S3):32.

[6]北京鋼鐵學院冶金系,北京第一機床廠.低應力灰鑄鐵的研究和應用[J].北京科技大學學報,1987,(S3):33.

[7]北京市低應力鑄鐵聯合研制組,北京重型機器廠鑄造車間.低應力鑄鐵在重型鑄件上的應用[J].機械工人.熱加工,1987,(10):19-34.

[8]鐘雪友,鐘偉珍.低應力高強度優質灰鑄鐵[J].機械工人.熱加工,1987,(11)-1988,(2).

[9]趙維民,朱述曾,孫克成,等.低應力鑄鐵機械性能與機加工性能改善機理的探討[J].現代鑄鐵,1991,(4)：17-20.

[10]趙西平.高強度低應力鑄鐵及其形成機理的研究[J].鑄造技術,1993,(5)：8-11.

[11]高恒森.高強度低應力耐磨鑄鐵的研制與應用 [J].鑄造,1994,(7)：34-36.

[12]孫宇寧.低應力高強度鑄鐵生產機床床身件[J].現代鑄鐵,1995,(4)：51-52.

[13]李升，徐掌印，王軍,等.用低應力鑄鐵生產鋁錠模[J].中國鑄造裝備與技術,1996,(4)：42-43.

[14]梁純之，趙西平.關于高強度低應力鑄鐵[J].紡織機械,1996,(6):51-53.

[15]趙西平,梁純之.低應力灰鑄鐵[J].現代鑄鐵,1996,(4);29-30.

[16]馬韶興，胡玲海，陳貴庭.高強度低應力鑄鐵的研究及應用[J].汽車工藝與材料,1997,(5):28-31.

[17]馮英宇.高強度低應力鑄鐵在壓縮機鑄件上的應用[J].職大學報,2000,(2):34-41.

[18]卓榮明.“高強度、高剛度、低應力”鑄鐵的應用[J].鑄造技術,2001,(6):38-40.

[19]楊同進,杜俊東,林克光.高碳當量低應力灰鑄鐵的生產[J].現代鑄鐵,2001,(3):59-60.

[20]郭秀樓,白紅梅.高錳、高強度、低應力灰鑄鐵在大型烘缸上的應用[J].鑄造技術,2002,(5):310.