QT850-5球墨鑄鐵的熱處理工藝

濱州海得曲軸有限責任公司 （山東 256600） 李永真 張立平 王守河 張 東

我公司生產(chǎn)的FH4105發(fā)動機曲軸原材質(zhì)是QT800-3，應(yīng)客戶配裝增壓機要求，曲軸材質(zhì)改為QT850-5。QT850-5是非標材料，屬高牌號珠光體球墨鑄鐵，力學性能優(yōu)良，是發(fā)動機曲軸進行復(fù)合強化的基礎(chǔ)。性能要求：抗拉強度≥850MPa，伸長率≥5%，相對的基體組織珠光體≥85%級。珠光體球墨鑄鐵是脆性材料，獲得高強度相對容易，但獲得好的韌性有一定難度。我公司充分利用鐵模覆砂鑄造以及流水線正火設(shè)備的資源優(yōu)勢，進行QT850-5熱處理工藝的開發(fā)，取得了滿意的效果。

一、毛坯的技術(shù)要求

產(chǎn)品外形尺寸總長700mm，主軸頸φ85mm，連桿頸φ72mm，重量49kg，8個配重，相對其他四缸曲軸外形尺寸及重量都要大些，如圖1所示。

圖1 FH4105曲軸的示意

鑄件基本成分控制范圍：wC=3.6%～3.9%、wSi=1.8%～2.2%、wS≤0.035%、wP≤0.055%、wMn=0.30%～0.65%、wCu=0.40%～0.70%、wRE=0.030%～0.070%、wMg=0.030%～0.070%。

我們通過電爐熔煉、鐵液中加銅、鐵模覆砂澆注生產(chǎn)鑄造毛坯。鑄態(tài)毛坯金相組織一般能達到：球化1～3級、石墨大小5～8級、珠光體65%級以上、牛眼狀鐵素體、滲碳體磷共晶小于2%；力學性能：抗拉強度大于750MPa，伸長率大于6%。金相組織如圖2、圖3所示。

圖2 鑄態(tài)腐蝕前

圖3 鑄態(tài)腐蝕后

二、正火設(shè)備狀況

公司引進了一條國內(nèi)先進的自動正火流水線，由計算機遠程控制，以燃氣作為加熱方式，由正火爐、冷卻室、懸掛鏈傳動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等四部分組成（見圖4、圖5）。

正火爐分8個加熱區(qū)，其中一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)、四區(qū)為升溫區(qū)，五區(qū)、六區(qū)、七區(qū)、八區(qū)為保溫區(qū)，每個區(qū)由一熱電偶控制溫度，總共有22個工位或22輛料車。冷卻室用于對加熱保溫后的工件進行風冷或霧冷，共有4個工位，配備噴霧水泵、送風風機、排風風機、電磁閥等。位于正火爐及冷卻室頂部的懸鏈傳動系統(tǒng)，經(jīng)拉動式運行，把每一工位的料車通過正火爐膛升溫保溫后，再送至冷卻室進行冷卻，最后到下料區(qū)下料。

圖4 懸掛式正火處理生產(chǎn)線（一）

圖5 懸掛式正火處理生產(chǎn)線（二）

輸送線路上共有30輛小車，31個車位，正火爐存放22輛。冷卻1工位暫時存放1輛，冷卻2工位、冷卻3工位、冷卻4工位各存放1輛，下料區(qū)2工位，其余在上料區(qū)及等待區(qū)。冷卻1工位設(shè)為空工位，料車只停留2min后就通過拉動運行到下工位。生產(chǎn)節(jié)拍的確定，就制約了升溫時間、保溫時間、冷卻時間，比如計算機程序設(shè)定生產(chǎn)節(jié)拍為6min，一個節(jié)拍的時間還應(yīng)加上料車運行到下工位的時間約0.5min，實際一個節(jié)拍時間是6.5min，那么升溫時間為71.5min，保溫時間為71.5min，總共冷卻時間約30min。

正火流水線的優(yōu)勢：①計算機遠程控制，避免人為因素對工藝效果的影響。②正火流水線加熱室密封性能好，相對比周期式正火設(shè)備要節(jié)能。③整個加熱、冷卻過程，曲軸一直處于垂直狀態(tài)，變形相對較小，且進入冷卻工位，料車處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此冷卻均勻。④冷卻1位、2位、3位、4位可根據(jù)需要選擇噴霧冷卻或風冷。⑤可組織大批量生產(chǎn)。

三、熱處理工藝設(shè)計

1. 工藝性分析

根據(jù)FH4105曲軸產(chǎn)品的特點，采用正火和回火處理來實現(xiàn)QT850-5材質(zhì)要求。

正火處理連續(xù)轉(zhuǎn)變，應(yīng)控制升溫速度、保溫溫度、保溫時間、冷卻速度、下料溫度。鐵素體完全溶于奧氏體的溫度為912℃，由于毛坯用鐵模覆砂鑄造，有效控制滲碳體磷共晶在2%以下，那么應(yīng)選擇略低于912℃的不完全奧氏體正火，獲得珠光體基體且保留小部分鐵素體，以提高材料的韌性；保溫階段，要確保充分奧氏體化，以避免熱處理不足所引起的材質(zhì)不符合要求；快速冷卻是為獲得細片狀珠光體，提高基體強度；保持一定的下料溫度，利用其余熱來實現(xiàn)自回火以消除一部分殘余應(yīng)力。這樣處理的曲軸毛坯本體，基體組織非常細化均勻，珠光體達到90%以上，少量破碎狀鐵素體。

2. 正火工藝的制訂

根據(jù)產(chǎn)品的要求以及正火流水線的特點，制訂工藝方案：生產(chǎn)節(jié)拍（7±1）min、（880±10）℃不完全奧氏體化正火、相變區(qū)采用霧冷或強力風冷，（300±50）℃下料。正火過程獲得大于90%的細片狀珠光體，少量殘留的破碎狀鐵素體，以達到抗拉強度要求的同時，保持較高的韌性，且利用自身余熱實現(xiàn)自回火。

按工藝參數(shù)生產(chǎn)節(jié)拍（7±1）min、保溫（880±10）℃制訂工藝曲線，如圖6所示。

圖6 正火流水線正火曲線

工藝流程：上料（每料車裝6支）→升溫（82±11）min→到（880±10）℃保溫（82±11）min→霧冷（10±5）min→強力風冷（15±2）min→（300±50）℃下料→堆放空冷到室溫。

3. 回火工藝的制訂

曲軸毛坯經(jīng)流水線正火處理后，在工件內(nèi)部殘存一定的內(nèi)應(yīng)力，殘余應(yīng)力的存在對工件尺寸穩(wěn)定性、變形、開裂以及曲軸的疲勞強度將產(chǎn)生巨大影響，它是影響機械零件質(zhì)量穩(wěn)定的重要因素。為此，經(jīng)流水線正火的毛坯，需進行高溫回火處理，消除或減少內(nèi)應(yīng)力，以穩(wěn)定工件尺寸。回火處理不改變正火組織，所以對靜拉強度影響不大。

回火工藝流程：裝爐→升溫→（580±10）℃保溫2h→出爐空冷。

設(shè)備用井式電阻爐，曲軸大盤朝下垂直放置，以減少變形。

四、過程控制

首先確保設(shè)備的正常運行，這是實現(xiàn)工藝效果的硬件要求。尤其是確保正火流水線的冷卻室出水噴頭無堵塞，這是改善組織和性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

正火工序要控制裝爐量，每料車只允許裝6支毛坯，這樣在生產(chǎn)節(jié)拍一定的情況下，有利于保溫充分、冷卻均勻。嚴格控制正火溫度、冷卻速度，從而控制相變區(qū)金相組織的轉(zhuǎn)變，增加珠光體的含量以及細化珠光體組織。冷卻室噴霧出水量、送風風速可通過手動閥門調(diào)節(jié)。噴霧以及風冷時間可根據(jù)具體情況而定，比如夏天噴霧時間相對長一些，冬天噴霧時間短一些；噴霧冷卻一定要在保溫出爐后立即進行，冷卻至450～500℃轉(zhuǎn)風冷。到下料區(qū)確保工件溫度（300±50）℃，下料堆放緩慢冷卻，以利用余熱實現(xiàn)自回火消除一部分殘余應(yīng)力，這樣既能使工件獲得高的強韌性，又可穩(wěn)定性能，避免早期的非疲勞破壞。

五、結(jié)果分析

在正火和回火后解剖3支曲軸毛坯，在一配重和八配重取樣作金相分析和力學性能試驗。附表為一次取樣的檢測結(jié)果。金相組織為細片狀珠光體與均勻分布的塊狀鐵素體，珠光體90%以上，少量破碎狀鐵素體，抗拉強度≥850MPa，伸長率≥5%，硬度250～290HBW。金相組織見圖7、圖8。

取樣檢測結(jié)果表

圖7 1#正火態(tài)腐蝕后

圖8 2#正火態(tài)腐蝕后

抗拉強度、伸長率試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，均滿足要求。由于取樣部位的偏差、鑄造過程的因素等造成的個體差異是合理的，也是不可避免的，通過熱處理過程可削弱這樣的差異。

通過不完全奧氏體正火和高溫回火處理，嚴格控制工藝過程，滿足了客戶要求，并且因流水線作業(yè)及自動化控制，又保證了內(nèi)在質(zhì)量的穩(wěn)定性。