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冷激鑄鐵凸輪軸鑄造內(nèi)在質(zhì)量的控制

2021-04-03 14:59:52苗祥利朱幸幸
焦作大學(xué)學(xué)報(bào) 2021年1期
關(guān)鍵詞:冷鐵凸輪軸鑄鐵

盧 杉 苗祥利 朱幸幸

(1.焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河南 焦作 454000;2.河南中軸中匯汽車零部件有限公司,河南 焦作 454000)

冷激鑄鐵凸輪軸是利用成形冷鐵對(duì)高溫鐵水的激冷作用,使凸輪升程段表面至心部獲得一定厚度的白口層、過(guò)渡區(qū),其余部位保持灰鑄鐵組織。由于冷激鑄鐵凸輪軸具有凸輪表面耐磨性好、軸頸和心部保持灰鑄鐵的機(jī)械強(qiáng)度、凸輪經(jīng)鑄造成形后直接磨削、生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)勢(shì),所以,國(guó)內(nèi)外大多數(shù)轎車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸多采用這種材質(zhì)[1]。

冷激鑄鐵凸輪軸鑄造內(nèi)在質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)主要包括:化學(xué)成分、基體硬度、凸輪桃尖硬度、冷激層深度(以下簡(jiǎn)稱冷深)、金相組織、抗拉強(qiáng)度等??刂坪美浼よT鐵凸輪軸鑄造的內(nèi)在質(zhì)量,是保證成品凸輪軸產(chǎn)品質(zhì)量和使用性能的基礎(chǔ)。

1. 化學(xué)成分的控制

化學(xué)成分的控制是保證冷激鑄鐵凸輪軸鑄造內(nèi)在質(zhì)量的基礎(chǔ)。對(duì)于冷激鑄鐵凸輪軸,《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸技術(shù)條件》(QC/T 544—2000)中推薦了主要成分參考值,見表1[2]。

表1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸主要成分

具體到客戶和產(chǎn)品,化學(xué)成分又有更明確的要求,除C、Si、Mn、P、S指標(biāo)外,合金元素也有具體要求。

目前,隨著熔煉用原材料質(zhì)量的穩(wěn)定、熔煉爐的進(jìn)步、光譜儀及熱分析儀的使用,冷激鑄鐵凸輪軸在實(shí)際鑄造生產(chǎn)過(guò)程中,達(dá)到上述化學(xué)成分技術(shù)指標(biāo)要求并不難,但要實(shí)現(xiàn)鑄造內(nèi)在質(zhì)量穩(wěn)定、可控,特別是硬度、冷深、金相組織、抗拉強(qiáng)度合格率接近100%,并不容易。為此,各生產(chǎn)廠家要結(jié)合各自的生產(chǎn)工藝條件,制定各產(chǎn)品化學(xué)成分技術(shù)指標(biāo)的適宜范圍,這個(gè)范圍盡量收窄。收窄化學(xué)成分,不僅給內(nèi)在質(zhì)量控制提供了基礎(chǔ)保障,而且回爐料回用時(shí)成分好掌握。表2是某鑄造車間針對(duì)客戶A產(chǎn)品和客戶B產(chǎn)品制定的化學(xué)成分范圍。

表2 客戶產(chǎn)品制定的化學(xué)成分范圍

2. 基體硬度控制

對(duì)于冷激鑄鐵凸輪軸鑄造的內(nèi)在質(zhì)量,在控制好化學(xué)成分的基礎(chǔ)上,應(yīng)優(yōu)先控制基體硬度。基體硬度不僅要滿足客戶技術(shù)要求,還要為保證抗拉強(qiáng)度提供基礎(chǔ),而且得滿足后續(xù)機(jī)加工有良好的切削性能。

《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸技術(shù)條件》推薦:冷激凸輪軸非冷激區(qū)(即本文所述的基體硬度)硬度為180—285 HBS[2]。

圖1 凸輪軸結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示,凸輪軸產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)為一根細(xì)長(zhǎng)軸上套有若干個(gè)凸輪,粗細(xì)不均,再加上冷激凸輪軸的凸輪需用冷鐵激冷,因此,一根凸輪軸不同部位上的基體硬度有較大差異。為了滿足技術(shù)要求和良好的切削性能,同時(shí)避免鑄造過(guò)程大軸徑(a軸徑)部位出現(xiàn)縮松缺陷,通常情況從以下幾個(gè)方面來(lái)控制基體硬度。

⑴在凸輪軸的前端(左端)設(shè)置澆口;

⑵基體硬度檢驗(yàn)試樣:從凸輪軸前端大軸徑處(a軸徑)切取,即檢驗(yàn)基體硬度最軟處,其他部位抽樣檢驗(yàn);

⑶孕育量控制在3‰以上;

⑷開箱時(shí)間不早于澆注后40 min,避免產(chǎn)品澆注尾端(右端)小軸徑處基體硬度偏高而不好加工;

⑸基體硬度出現(xiàn)偏差時(shí),可微量調(diào)整鐵水C、Mn含量,必要時(shí),再微量調(diào)整鐵水中其他合金元素。

⑹有的熔煉原材料,如生鐵、廢鋼,會(huì)含有Ti元素,Ti對(duì)基體硬度影響較大,生產(chǎn)過(guò)程中可通過(guò)調(diào)整Mn、Cr含量來(lái)抵消Ti的干擾。

表3是某鑄造車間針對(duì)客戶A產(chǎn)品和客戶B產(chǎn)品制定的基體硬度內(nèi)控范圍。即通過(guò)控制檢驗(yàn)基體硬度最軟處,來(lái)保證凸輪軸非冷激區(qū)的硬度不僅合格,而且有良好的切削性能。

表3 客戶產(chǎn)品制定的基體硬度

3. 冷深及凸輪桃尖硬度的控制

鐵水化學(xué)成分、基體硬度控制在以上所述較小范圍后,決定冷深的因素主要有:冷鐵大小、孕育量多少、孕育溫度(或鐵水出爐溫度)、澆注溫度等;決定凸輪桃尖硬度(含升降段硬度)的因素主要有:冷鐵大小、冷深、白口純度(或過(guò)渡區(qū)麻口深度)等。

3.1 技術(shù)要求

3.1.1 《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸技術(shù)條件》推薦

《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸技術(shù)條件》推薦的要求見表

表4 冷激凸輪軸不同加工工藝要求

3.1.2 客戶要求實(shí)例

如圖2,客戶A產(chǎn)品毛坯(2 mm加工余量):凸輪型面頂部激冷層深度≥7 mm,桃尖硬度A、B、C點(diǎn)≥50 HRC;

升降段激冷層深≥4 mm,升降段硬度D、E點(diǎn)硬度≥

圖2 客戶A產(chǎn)品毛坯檢驗(yàn)示意圖

如圖3,客戶B產(chǎn)品毛坯(2 mm加工余量):凸輪型面頂部激冷層深度≥7 mm,桃尖硬度1、2、3點(diǎn)≥48 HRC;升降段激冷層深≥4 mm,升降段硬度4、5點(diǎn)硬度≥40 HRC(7點(diǎn)為基體硬度點(diǎn))。

圖3 客戶B產(chǎn)品毛坯檢驗(yàn)示意圖

3.2 控制要點(diǎn)

3.2.1 冷深控制要點(diǎn)

⑴冷鐵。在產(chǎn)品開發(fā)初期,凸輪軸鑄造車間根據(jù)自身生產(chǎn)工藝條件,要設(shè)計(jì)和制作好與產(chǎn)品凸輪型線相吻合的冷鐵,冷鐵投入使用后一般不再改變。凸輪桃尖上方冷鐵厚度越大,越有利于冷深的形成,反之,不利于冷深的形成。如,客戶A產(chǎn)品和客戶B產(chǎn)品,鑄造所用冷鐵厚度(圖4所示)設(shè)計(jì)在25—30 mm之間, 冷鐵厚度小于25 mm,產(chǎn)品批產(chǎn)后冷深合格率偏低;冷鐵厚度大于30 mm, 又不利于鑄造造型(造型時(shí)凸輪周邊會(huì)出現(xiàn)型虛)。

圖4 不同產(chǎn)品鑄造所用冷鐵厚度

⑵孕育量。冷鐵確定后,控制冷深主要是通過(guò)孕育量的增減來(lái)調(diào)整。孕育量增加,冷深減小,孕育量減少,冷深增大。同時(shí),爐前采用白口檢驗(yàn)試樣,測(cè)量白口深度,來(lái)檢驗(yàn)和把控產(chǎn)品的冷激層深度。孕育劑通常選用供應(yīng)質(zhì)量穩(wěn)定的FeSi75鑄造專用孕育劑,顆粒度3—8 mm。孕育量為鐵水重量的3.0%—4.5%(隨原材料批次、爐料配比、孕育劑批次、產(chǎn)品等變化而變化)。

⑶孕育溫度(或鐵水出爐溫度)。孕育時(shí)鐵水的溫度直接影響孕育劑的燒損量,也決定著所澆注凸輪軸毛坯凸輪冷深大小。孕育鐵水溫度高,孕育劑燒損量多,冷深會(huì)變大;反之,孕育鐵水溫度低,冷深會(huì)變小。鐵水出爐溫度通常控制在1560℃—1570℃,這個(gè)溫度的變差盡量小。

⑷澆注溫度。冷激鑄鐵凸輪軸澆注溫度通??刂圃?360℃—1450℃。鑄造生產(chǎn)過(guò)程中,開始鐵水澆注溫度高,所澆注凸輪軸毛坯的冷深偏小,隨著鐵水澆注溫度降低,冷深一般會(huì)變大。

⑸產(chǎn)品凸輪本身的寬度和頂高(圖5所示)也是影響冷深大小的因素。凸輪寬度大、頂高高,冷深易偏小。為了利于冷激層形成,毛坯設(shè)計(jì)時(shí),凸輪寬度可選下差;針對(duì)凸輪頂高高的毛坯,所配冷鐵的厚度應(yīng)大些。

圖5 凸輪結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 凸輪桃尖硬度控制要點(diǎn)

⑴冷鐵。冷鐵寬度大,有利于保證凸輪桃尖硬度的合格率。反之,產(chǎn)品批產(chǎn)后凸輪桃尖硬度質(zhì)量不穩(wěn)定,特別是像客戶A產(chǎn)品要求的“桃尖硬度A、B、C點(diǎn)≥50 HRC”時(shí)。

⑵冷深。通常情況下,凸輪桃尖硬度隨冷深增大而增大。如, 冷深7 mm, 凸輪桃尖硬度50 HRC; 冷深10 mm,凸輪桃尖硬度就增大為52 HRC。但有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)冷深很大, 而凸輪桃尖硬度升不上去的難題,如冷深已15 mm了,凸輪桃尖硬度反而為48 HRC或45—48 HRC。

⑶冷激白口純度(或過(guò)渡區(qū)麻口深度)。出現(xiàn)上述“難題”, 主要原因在于冷激白口純度不高或過(guò)渡區(qū)麻口深度過(guò)大。白口純度越高,越有利于保證凸輪桃尖硬度合格。提高白口純度主要從“提C降Si”、減少熔煉配料中回爐料的用量、提高澆注溫度、控制循環(huán)使用的冷鐵溫度不高于室溫等方面解決。

4. 金相組織控制

4.1 技術(shù)要求

對(duì)金相組織的技術(shù)要求,大多數(shù)客戶產(chǎn)品與《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸技術(shù)條件》推薦的基本一致。

圖6為全冷激凸輪金相切樣示意圖。凸輪的截面組織由表層至心部依次為外層冷激區(qū)、過(guò)渡區(qū)(外層與心部之間)和心部以及軸頸等非冷激區(qū)的組織。

圖6 全冷激凸輪金相切樣示意圖

⑴外層冷激區(qū)為白口組織,其金相組織為:萊氏體+細(xì)針狀碳狀物+細(xì)片狀(或粒狀)珠光體。允許有少量游離點(diǎn)狀石墨存在。

⑵過(guò)渡區(qū)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。

⑶凸輪心部(其心部直徑應(yīng)≥10 mm)或半冷激凸輪心部和基圓部分為珠光體灰口鑄鐵,其金相組織為:細(xì)片狀(或中等片狀)珠光體+石墨(石墨形狀A(yù)型或A+E型)。石墨長(zhǎng)度為4~7級(jí),碳化物數(shù)量為1~5級(jí),珠光體數(shù)量為1~2級(jí)。

⑷軸頸等非冷激部分為珠光體灰口鑄鐵,其金相組織為:細(xì)片狀(或中等片狀)珠光體+石墨(石墨形狀A(yù)型或A+E型)。石墨長(zhǎng)度為4~7級(jí),碳化物數(shù)量為1~4級(jí),珠光體數(shù)量為1~2級(jí)。

4.2 控制要點(diǎn)

在前述化學(xué)成分、基體硬度、冷激層深度、凸輪桃尖硬度等內(nèi)在質(zhì)量控制合格后,金相組織通常很容易達(dá)到技術(shù)要求。實(shí)際鑄造生產(chǎn)過(guò)程中,偶爾會(huì)出現(xiàn)非冷激部分的碳化物超標(biāo),影響機(jī)加工的切削。降低碳化物,可通過(guò)采取以下措施實(shí)現(xiàn):避免個(gè)別箱次開箱過(guò)早、避免后期澆注溫度偏低、提高孕育效果、避免孕育失效、控制Cr/Mn合金含量不超上限值等。

5. 抗拉強(qiáng)度控制

對(duì)冷激鑄鐵凸輪軸的抗拉強(qiáng)度,《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸技術(shù)條件》推薦:采用隨爐孕育后的鐵水澆注單鑄試棒,抗拉強(qiáng)度≥200 MPa。

目前,客戶對(duì)冷激鑄鐵凸輪軸抗拉強(qiáng)度的要求大多數(shù)高于《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸技術(shù)條件》推薦值。如前述客戶A產(chǎn)品、客戶B產(chǎn)品的要求分別是不小于250 MPa和300 MPa。

通常控制好毛坯的鐵水化學(xué)成分、孕育、基體硬度和金相組織,所鑄的隨爐單鑄試棒較容易達(dá)到客戶的技術(shù)要求。為了保證抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定合格,可添加Cu、Ni、Mo合金元素。如,某鑄造車間為保證客戶B產(chǎn)品300 MPa抗拉強(qiáng)度,除按客戶要求化學(xué)成分添加了Cu元素,還額外添加了Ni、Mo元素。

6. 結(jié)語(yǔ)

目前,國(guó)內(nèi)冷激鑄鐵凸輪軸毛坯的生產(chǎn)都是由專業(yè)鑄造公司或?qū)I(yè)鑄造車間來(lái)完成。生產(chǎn)出符合《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸技術(shù)條件》要求的毛坯并不太難,但要批量生產(chǎn)出100%合格的產(chǎn)品也不容易。特別是隨著轎車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)步,對(duì)作為發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件之一的凸輪軸提出了更高要求。如本文所述的客戶A產(chǎn)品、客戶B產(chǎn)品案例,其凸輪軸內(nèi)在質(zhì)量技術(shù)要求明顯高于《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸技術(shù)條件》中推薦的要求。本文所述某鑄造車間通過(guò)對(duì)化學(xué)成分、基體硬度、凸輪桃尖硬度、冷激層深度、金相組織、抗拉強(qiáng)度等嚴(yán)格控制,客戶A產(chǎn)品、客戶B產(chǎn)品毛坯內(nèi)在質(zhì)量合格率達(dá)99.7%以上。

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