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激冷铸铁凸轮轴铸造技术PDF

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  l娶日 ..笪 塑.I 栏目主持田文华 激冷铸铁凸轮轴铸造技术 河南理工大学材料科学与工程学院 (焦作 454000) 何斌锋 河南神火煤业股份有限公司 (永城 476600) 刘 凯 ■ 一 【摘要】 激冷铸铁是一种新技术工艺;材料,激冷铸铁凸轮轴是目前市场上最受欢迎的一种高性能产 舞 曩¨ 品,生产控制关键是冷激层的深浅和冷激层的硬度。影响冷激层深度和硬度的因素很多,本文主要从化学成 分和工艺两个方面综述了激冷铸铁凸轮轴的;影;响因素,对熔炼上艺及冷铁等进行了研究分析,并对凸轮轴生 产过程ee容易出现的缺 陷做 了介绍。 曩 。。 凸轮轴是汽车发动机的主要零部件之一,凸轮轴桃 部位要克服气门弹簧的压办,要求离桃尖2ram处的硬度 尖部位的硬度和白口层深度是决定凸轮轴使用寿命的关 达到45~60HRC,冷激层的深度为4~8ram,两侧 140。 键技术指标。在保证凸轮有足够硬度和相当的白口层深 ~ 160。距边缘2ram处的硬度要求达到40HRC以上。 度的前提下,还要考虑轴颈处不出现较高的碳化物,使 (2)基圆部分 指的是激冷区以外的部分,一般要 其具有较好的加工性能。目前,国内外生产凸轮轴的主 求硬度达25~35HRC,基体部分为J秣口过渡到灰 口组 要方法有以下几种: 织。中心轴的碳化物要求一般 15%,且硬度在220~ (1)采用钢质锻造毛坯经切削加 ,凸轮桃尖部分 300HBW 的灰几组织 。 经高频淬火形成马氏体层的工艺。 2.显微组织结构要求 (2)20世纪70年代末,德国和法国相继开发了凸 激冷铸铁凸轮轴表层为硬化区,即白口铸铁,显做 轮轴氩弧重熔工艺。 组织主要为莱氏体,其金相组织为:珠光体 +莱氏体。 (3)以美 为主的可淬硬铸铁凸轮轴。 在全激冷凸轮的心部 (其心部直径应lOmm)或半激冷 (4)以日本和法国为主的冷硬铸铁凸轮轴。 凸轮的心部和基圆部分为珠光体灰铸铁,其金相组织为: (5)n轮部位用 Cr—Mn—Mo合金涂料进行铸件表面 细片状珠光体+石墨 (石墨形状为A型或A+E型)。轴 合金化的生产T艺等。 颈等非激冷部分也为珠光体灰铸铁,其金相组织为:细 目前所使用 的激冷铸铁含有大量的细针状碳化物, 片状珠光体+石墨。过渡区为麻口组织,其金相组织为: 这些针状碳化物在摩擦过程中起到了耐磨骨架作用,而 珠光体+石墨+渗碳体。白151层组织具有明显的方向性, 珠光体组织较软,在摩擦过程巾磨损较快,在碳化物之 且越靠近表面组织越细小,硬度越高,耐磨性也越好。 间形成fLr】坑,有较好的储油能力,因此这种凸轮轴的抗 而由于凸轮轴颈在升降过程中要承受一定的压力,所以 摩擦性能和耐磨性特别好,是 目前世界各国摩托车 、汽 一 定要具有一定的强度、韧性,就是说在轴颈处渗碳体 车凸轮轴应用较多的一种。该材质除具有优异的抗磨性 的含量要少。 能外,还具有生产工艺简单,加工余量少等优点。 二、化学成分及孕育处理的影响 一 、 激冷铸铁凸轮轴技术要求 目前,国内外对激冷合金铸铁凸轮轴的化学成分要 1.硬度要求 求基本相 同,但波动范围较大,一般为 =3.2%~ (1)桃尖部分 凸轮顶角一般为 140。~160。,桃尖 3.8% 、 s=1.5% ~2.2% 、 M =0.5% ~0.8% 、 s i■2009年第5期 热处 锻膨铸造 参磊 工热加工 .com 0.12% 、 P0.12% 、 cr=0.5% ~1% 、 M。=0.2% ~ 三、铸造工艺的影响 0.5%、 c=0~1.2% 、彬Nj=0—0.5% 。 1.温度对铁液质量的影响 在激冷铸铁中,化学成分关系到白El倾向的大小和 主要是对铁液的过热温度和保温时间的控制。过热 耐磨性的优劣,因此在选择时既要兼顾冷激部位有较好 温度高可使铁液的成分更加均匀,增加化合碳含量,减 的抗磨性能,又要保证其余部分有相应的强度和良好的 少石墨含量,提高铸件的组织均匀性。过热温度高,保 机械加工性能。铸件中化学成分的变化对白口倾向的影 温时间长,可使铁液中粗大的石墨或渗碳体组织细化, 响非常明显,生产中通常是靠加入一定量的合金元素来 铁液中各种细小的杂质得到溶解 ,有利于提高铁液的净 调整白口深度,并使用三角试片及时观察和控制白口层 化程度,提高铁液的流动性,减少或消除由于炉料的 深度。 “遗传性”带来的影响,从而增加白口层的深度,有利 (1)c 碳是形成渗碳体的元素,碳量增加则渗碳 于提高硬度。但是,随之而来的是另外一个问题,即铁 体增加,对凸轮轴的白口深度和硬度有显著的影响,生 液纯度提高了,白15层及硬度增加了,而化学成分里的 产中可以通过控制碳含量来调整最终的铸件白口深度。 碳却由于过热温度的提高和保温时间的延长而烧损严重, 但是随着碳含量的增加,白口铸件减少,影响凸轮的硬 但其他元素几乎没有变化,从而使铁液的白口倾向增大, 度,使基体中石墨粗大,因此碳含量不宜过高。 铸件中D、E型石墨数量增多。为避免凸轮轴全部变成 (2)si硅是普遍用来调整白口深度的,增加Si含 白口组织,不得不进行强孕育处理。 量,白151层深度减少,反之白口层深度增加。但si量过 另外 ,浇注温度也是激冷铸铁凸轮轴生产中的一个 高也会影响冷激层的硬度,过低又会使基体中产生过多 很重要的工艺因素,它影响着冷铁的激冷能力,从而影 的渗碳体,影响凸轮轴的强度。 响凸轮 白口层的深度及硬度。由于温度对 白口层深度的 (3)Mn 锰是稳定珠光体的元素,中和硫的有害作 影响很大,所以在每包铁液浇注后都要浇注一个三角试 用,对白口层的深度影响较大,锰会增加白口深度,提 片,以便及时发现不合格的铸件。浇注温度太高,会导 高白口层硬度,提高白口组织中渗碳体的分散度,或形 致凸轮桃尖白151层深度 、硬度下降,并增加了铁液在共 成硬度最大的碳化物。因此锰含量可以稍高一点。 析转变时向铁素体转化的倾向,因此浇注温度不能太高, (4)s 一直以来,硫被认为是一种有害元素,直 一 般在 1360—1420~C;同时浇注温度太低,会导致冷却 到近代Wailace提出硫化物核心孕育理论后,人们才开 速度加快,容易出现游离渗碳体,甚至使整个凸轮都变 始注意硫所起作用的双重性。硫是一种阻碍石墨化较强 成 白口,轴颈处也被白151化。 的元素,当含量很小 ( =0.06%),会出现 D型石墨 2.孕育处理的影响 和非常小的蠕墨,随着硫含量的增加 ( 0.4%),A 孕育处理是改善铸铁性能的一种有效、简便而又经 型石墨取代了D型石墨。 济的方法,通过有效的孕育不仅可以细化基体组织,改 (5)cr 铬是生成白121和碳化物的促进剂,能有效 变石墨形态,还可以减少白151倾向,改善加工性能。大量 增加白口层深度,生产中多用来抵消Si减少白口的作 试验证明,在轴颈心部碳化物含量 (质量分数) 15% 用,且有严重的偏析倾向。有试验结果表明,在对轴颈 的条件下,降低孕育剂量可有效减少激冷层的石墨数量, 碳化物的影响上,cr比孕育显著,而在对激冷层硬度和 提高激冷层的硬度和深度 ;同时,降低孕育剂量,可增 深度的影响上,孕育比cr显著。 加铁液的激冷敏感性,有利于凸轮轴的生产控制。目前, (6)Mo 钼分布在碳化物和基体之间,稳定碳化 在国内生产中常用的孕育剂主要是75FeSi,且每炉都需 物,细化珠光体基体,使硬度 、强度有所增加,有利于 测原铁液白口深度,并根据白口情况确定孕育剂加入量, 改善疲劳特性,在热处理中可改善淬火性能。 一 般情况下75FeSi加入量为0.1%~0.4%。 (7)Ni、Cu 镍和铜起缓和剂的作用,能促进白口 3.冷铁 层中珠光体转变为索氏体基体,同时抑制共晶碳化物的 冷铁的激冷效应可使铸件在凝固时其局部组织得到 形成,对中心起细化晶粒并提高强度的作用。 调整,形成白口。冷铁材质对凸轮轴激冷效果有较大的 参磊 工热加工 塾丝 塑 壁堕 笪曼塑■ WWW.motalworking1950.com 影响,一般选择石墨呈片状的低牌号灰铸铁如HTI50、 四、凸轮轴生产过程中常出现的缺陷 HT200等,这种冷铁传热好,蓄热能力强。冷铁的大小 1.凸轮轴桃部产生气孔和针孔 取决于激冷面的尺寸,其尺寸与凸轮激冷面吻合,一般 铸件的皮下气孑L、针孔是凸轮轴生产中最常见且较 基圆上是其直径的1~1.2倍,桃尖是凸轮中心到桃尖高 难解决的缺陷,气孔的形状复杂。引起凸轮气孑L的因素 度的1.2~1.5倍,宽度一般小于凸轮厚度 1—2mm;还 很多,人们在长期的观察研究中发现,从气孑L的外观特 有资料介绍为:冷铁厚度 (径 向)为凸轮基圆直径的 征看,气孔主要为侵人性气孑L和少量的反应性气孔。国 1/2~1/3,或冷铁重量为凸轮重量的1.5倍。 内外有关资料对气孔缺陷鉴别显示:在黑色金属中,氢 冷铁对凸轮的影响较大,通常当冷铁设计确定后, 气孑L具有光亮内壁;CO气孔为浅蓝色,由于裹入空气而 冷铁的表面质量是影响其激冷效果的重要因素,若冷铁 形成的气孔则为灰色,并伴有轻微氧化;氮气孔呈裂纹 表面发生氧化和产生锈蚀都会降低冷铁的激冷效果,问 状。经观察分析,在凸轮轴中桃部针孔多为 CO气孔, 接影响凸轮的表面质量。因此,冷铁表面的锈蚀应及时 其次是裹人空气而形成的气孔。在生产中人们还发现, 清理,有时为保证冷铁的激冷效果,还规定了冷铁的使 反应性气孔主要是渣气孔和冷铁气孔。渣气孔主要是原 用频次 (如东风汽车厂生产的神龙凸轮轴冷铁的使用频 铁液中含渣量较高或原有的浇注系统不合理,阻碍了气 次为50次)。 体排出而形成的铁一渣反应气孔;冷铁气孑L则是由于冷铁 4.造型工艺 表面的铁锈和氧化层与铁液中的碳反应生成的气体,且 在凸轮轴生产中,经常选用的是普通粘土砂和低 不能及时排出而造成的气孔。 发气量的覆膜砂来造型。使用粘土砂造型时,其造型 侵入性气孑L产生侵入的条件如下式 : 方法主要有震 (实)压造型、高压造型和气冲造型三 P气 P阻 +P静 +P腔 种。这些造型方法各有其优点,如震实造型 比手工造 式中 P ——金属液和铸型界面的剩余气体压力; 型先进,但是却不能满足铁液在凝固过程 中石墨化膨 P ——气体进入金属液所需克服的阻力; 胀对砂型硬度和刚度的要求 ;高压造型虽然解决了凝 P ——金属静压力; 固过程中砂型强度低的问题,且铸型精度高,但在其 P ——金属液面上型腔内气体的压力。 砂型高度方向上硬度分布不均会导致砂型的透气性很 在长期的生产实践中人们发现,凸轮轴铸件侵入性 差 ;气冲造型法是利用气流冲击型砂造型。实践表 气孔产生的原因主要是壳型发气量大 (壳型没有充分固 明,这种造型方法工业性能更好 ,有利于提高凸轮轴 化,在高温铁液作用下内层壳型的发气量会增大)、型腔 的尺寸精度。 排气不畅、浇注温度与浇注速度过低等引起的。针对这 20世纪7O年代,浙江省机电研究院开始对铁型覆 些缺陷,人们提出了很多解决方案,从制型工艺到浇注 砂进行研究,并取得了成功。它是在金属型内部和凸轮 工艺控制,都很有效地解决了气孔、针孔这一缺陷。 轴模样之间有3~7mm间隙,然后射人型砂并在适当温 2.轴颈处铁素体 度下热固,这样形成 了铁型覆砂法。这种方法加速了金 激冷铸铁凸轮轴生产的关键是 白r丁层深度及硬度的 属液的冷却速度,使凸轮轴中石墨片细小,组织致密, 控制。同样,在生产过程中,由于轴颈处的铁素体含量 基体中珠光体含量增加且片间距小,铸型强度高,提高 高、D型石墨超标而引起了轴颈处硬度低,以及加工时 了铸件的尺寸精度。另外,壳型填铁丸铸造法是先在壳 表面粗糙度超差等问题。一般情况下,凸轮轴采用的是 型外围填充铁丸以固定型壳,然后浇注铁液的一种先进 壳型铸造,虽然壳型导热较慢,但为了保证凸轮部位有 的铸造方法,这种型壳是由覆膜砂制成,覆膜砂具有流 较深的白口层深度和较高的硬度,在凸轮部位设置冷铁, 动性好 、易成形、溃散性好及易出砂等特点,广泛应用 使凸轮处铁液结晶过冷度大,这必然会对轴颈处铁液的 于一些小而复杂的铸件。与铁型覆砂法相 比,壳型填铁 冷却速度有影响,使基体产生铁素体,最终导致凸轮轴 丸法同样具有透气性及铁丸回收性好的优点,在凸轮轴 表面硬度下降得非常厉害。这一问题的解决,人们也是 铸造中具有很大的发展前景。 从多方人手,如凋整化学成分、浇注温度及对铁液进行 翟■2009年第5期 热处 镄 锌造 参磊 工热加工 WWW.metalworkingI950.com 压射熔杯的质量控制 连云港江南压铸机械制造有限公司 (江苏 222000) 龚少琦 一 、 问题的提出 规格小批量或单件生产,公司每月生产各种规格形状的 压射熔杯 (也称料简、压射室、料缸,以下简称 熔杯300—400件,而因各种质量问题,每月客户退货 “熔杯”)是压铸行业中常用的易损工件,其力学性能的 2~3件,严重时4~5件,从 180T到 1250T压铸机熔杯 好坏,不但决定着 自身的使用寿命,也影响着压铸生产 都有,不但给企业造成极大的经济损失,且用户满意度 的正常进行。在通常情况下,生产使用中的熔杯最易出 下降,市场有所流失,严重制约着企业生产能力的提升 现的问题主要有以下几种:①纵向开裂。②横向断裂。 和对市场业务的拓展。 ③定位台阶脱落。④内孔拉伤。⑤内孔表面掉肉麻点。 ⑥浇料 口下方腐蚀成坑。见图l~图6。其中① ~③三种 情况对正常的压铸生产造成的影响最严重,工件不但彻 孵蠢≮一 ll ~ 底报废 ,常使按计划组织的压铸生产进度突然中断,造 成停工、停产,生产计划不能按期完成。 某公司以生产压铸机熔杯为主导产品,长期为压铸 图I 纵向开裂熔杯实物 机生产厂家和压铸件生产厂家按图加工各种型号、规格 为减少和彻底消除开裂、断裂和台阶脱落等严重质 的压铸机熔杯和其他易损件。熔杯的加工为多品种、多 量事故的发生,我们结合生产实际和设备状况,借助现 __¨… ’’_l¨… 。’’ 一 ’‘’ 1’l1.1- ’’ 一 。ll¨I … · “ - ·。 ’’_l¨ ’ I· __¨l 。‘ll¨It ‘ ·, 。 _--“ - -¨l 一。ll¨I 。· I ‘l I 孕育处理等都是解决该问题的关键。 五、结语 3.石墨带的形成 (1)激冷铸铁 凸轮轴以其优越的性能和低廉的成 在凸轮轴生产过程中经常出现这样一种现象,解剖 本,随着发动机功率及转速的不断提高,国内外在轿车 凸轮时会发现在接近冷铁的地方 (白1:3区)会出现一条 中采用合金铸铁制造凸轮轴已发展为主流。 “黑线”,这就是所谓的激冷层石墨带。其产生原因有以 (2)激冷铸铁凸轮轴生产的关键是白El层深度及硬 下几个方面: 度的控制,为此,通过加不同的合金成分及孕育处理来 (1)浇注时发生断流或跑火,使铁液在铸型激冷面 实现对白1:3深度的控制,并在实际生产过程中,依靠三 结晶时,由于后进铁液,产生了结晶移动现象。 角试片来及时观察和调整白口层深度。由于温度对白口 (2)浇注温度太低,铁液流动性差。 层深度的影响很大,所以在每包铁液浇注后都要浇注一 (3)冷铁使用次数太多,激冷作用变弱。 个三角试片,以便及时发现不合格的铸件。 (4)浇注系统不合理,铸型个别部位铁液充满慢, (3)激冷铸铁凸轮轴在生产过程 中还存在很多缺 其部分铁液先凝固,而后续铁液的热作用抑制过冷,造 陷,这些缺陷有的是由于人为原因产生的,有的则是由 成凝固反应转变,导致石墨析出。因此,在浇注过程中 于工艺问题,但是现在人们通过使用不同的方法,已能 要严格控制浇注温度和浇注时问;使用开放式浇注系统, 有效地避免这些缺陷发生,大幅度地提高凸轮轴的工艺 增大内浇道,消除紊流;冷铁要及时清理,若不合格应 出品率。MW 及时更换。 参磊 工热加工 垫 塑 箜堂呈!笪塑_ WWW.meta1working1950.COrn