爐前碳硅合金元素補料對冷激鑄鐵凸輪軸金相組織的影響

劉振 羅穎洹 李海河

摘要：爐前補料時間對冷激鑄鐵凸輪軸的影響做了一些試驗。試驗發現，補料會在一定的時間內產生孕育作用，對產品的白口深度有抑制作用。

關鍵詞：冷激鑄鐵；激冷層；白口深度；金相組織

1.概述

凸輪軸是汽車發動機的關鍵部件之一，因凸輪軸凸輪表面和挺桿之間有很高的接觸應力和較快的相對滑動速度，并且在高速機械運動過程中產生高溫，所以對凸輪軸的鑄造質量要求相當高，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，得到了廣泛的應用[1-2]。影響冷激鑄鐵凸輪軸鑄造質量的因素很多，如鐵水澆注溫度、原材料化學成分、爐料配比、澆注時間點等。其中化學成分的控制是一個非常重要的影響因素，主要是不同的合金元素對鑄鐵的組織形貌和產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量增加，因而硬度增加，但卻使白口層減小，引起心部灰口區石墨粗大。而硅量增加時白口層深度、硬度均下降，在一定范圍內適當增加硅，有利于減少凸輪心部游離碳化物，可改善整軸綜合性能，過低硅量將導致白口層過深 [3-4]。由此可見添加碳和硅都會有抑制白口形成的孕育效果。在確保獲得足夠的冷激層后，要將碳當量控制在一個較低的水平，以獲得較高的產品機械性能。但是，當碳當量過低時，除了不利于獲得好的冷激層以外，還會增加縮孔傾向，造成產品報廢[5]。

某凸輪軸鑄造工廠考慮到鐵水碳硅含量偏高導致成分調整困難，一般將爐前鐵水碳硅含量控制在下限值，經爐前成分檢驗后再按技術要求進行補料，即添加增碳劑和硅鐵來調整碳硅含量。但碳硅合金元素有孕育效果，存在孕育時效，抑制白口的形成，如孕育時間點選取不當則會影響到產品的機械性能。本文研究了補料時效對白口深度及凸輪軸桃尖金相的影響，經過數據分析確定補料后的出水時間點，從而保證產品機械性能質量。

2.產品技術要求

某冷激鑄鐵凸輪軸產品要求凸輪軸部位使用冷鐵進行半激冷，其化學成分為：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。外層冷激區為白口組織，其金相組織為：萊氏體+細針狀碳化物+細片狀（或顆粒狀）珠光體；允許有少量游離點狀石墨存在。過渡區為麻口組織，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≥φ10mm）和基圓部分為珠光體灰口鑄鐵，其金相組織為：細片狀（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，產品材料為HT300。

3.試驗條件以及試驗方法

3.1試驗條件

熔煉設備為360kg的中頻感應爐，用熱電偶對鐵水進行爐前和澆注時溫度的測量，采用爐前鐵水成分分析儀進行成分分析，從而確定合金成分并進行相應補料，使用金相顯微鏡觀測試樣的金相組織。

3.2試驗方法

試驗使用的原材料：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。使用鐵水分析儀進行爐前成分分析，依據檢測結果進行適當補料（增碳劑及硅鐵），然后澆注爐前三角試樣并檢測確認白口深度，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行孕育處理。，并重新澆注爐后三角試樣檢測白口深度，稍作靜置使鐵水溫度降到1320-1420℃開始澆注。每包鐵水要求5min內澆注完，要求鐵水從熔爐轉至孕育包的出水過程為連續循環進行，生產條件一致，過程穩定。

數據收集方法：（1）鐵水補料3min后每分鐘取樣收集三角試樣白口深度數據；（2）取第1包與第7包鐵水相同澆注序號的產品進行金相組織對比分析。

4.試驗結果和分析

4.1白口深度變化分析

鐵水補料完成保溫3min后，每分鐘取樣澆注三角試樣進行檢測白口深度。使用的三角試樣如圖1示。白口深度數據如表1示：

從表1數據可知隨著補料后時間推移三角試樣的白口深度呈明顯遞增趨勢。這是因為補料添加增碳劑和硅鐵起孕育作用，抑制白口組織的形成，隨著時間推移，孕育作用慢慢減弱，所以鐵水白口深度越來越深。其孕育作用時效約10min，即白口深度在10min后達到最深狀態并保持基本穩定。

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如圖2示。其中圖a石墨形狀主要為A型，長片狀+少量點狀石墨，孕育充分；圖b石墨形狀主要為A型，長片狀+短片狀+較多點狀石墨，孕育較充分。

圖3是凸輪軸桃尖部位腐蝕后金相形態，第7包鐵水產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，存在孕育衰退現象。

從金相對比分析可知，鐵水補料后先澆注產品孕育效果明顯好于后澆注產品，但珠光體含量少于后澆注產品。碳、硅合金元素含量是影響孕育效果的主要因素，故從金相圖的對比差異說明第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，同時其它生產條件一致，故認為碳、硅含量差異主要是由補料加入的增碳劑與硅鐵時效作用影響。增碳劑與硅鐵加入至熔爐的鐵水中時，鐵水中的碳、硅含量迅速增高起到孕育作用，同時對珠光體起抑制作用，隨著時間推移此作用逐漸減弱。此現象與4.1中分析的白口深度變化趨勢一致。

因鐵水補料添加的增碳劑與硅鐵對鐵水存在一定的孕育時效，如在其孕育作用時效期出水進行孕育處理，則會存在孕育作用疊加。可能造成過度孕育，加大抑制珠光體產生，而鐵素體增加，導致凸輪軸產品桃尖部位冷激層變淺，同時產品的機械性能下降。因此，鐵水補料后出水時間點是一個關鍵的工藝參數。從試驗數據上看，該HT300鐵水補料孕育時效約為10min，即補料10min后再出水為宜。

5.結論

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

（2）鐵水孕育處理應在補料孕育時效過后進行，避免發生孕育疊加，造成過度孕育；

參考文獻：

[1]米發國，何斌鋒.澆注溫度對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.原材料對激冷鑄鐵凸輪軸組織和性能的影響[J].中國鑄造裝備與技術，2004，（5）：7-11.

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

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

[5]戴紅星，徐中旺. 鑄造穩定合格的冷激鑄鐵凸輪軸毛坯[OL].汽車制造業.

作者簡介：

劉振（1992.07-），男，本科，材料成型及控制工程專業鑄造方向；

羅穎洹（1987.08-），男，助理工程師，本科，主要研究方向為汽車動力總成零部件鑄造及機加工。