1、球墨铸铁曲轴的铸造与发展 1、前言曲轴是汽车发动机的关键部件之一，其性能好坏直接影响汽车的寿命。曲轴工作时承受着大负荷和不断变化的弯矩及扭矩作用，常见的失效形式为弯曲疲劳断裂及轴颈磨损，因此要求曲轴材质具有较高的刚性和疲劳强度以及良好的耐磨性能。随着球墨铸铁技术的发展，其性能也在不断提高，优质廉价的球铁已成为制造曲轴的重要材料之一。自 1947 年球墨铸铁发明以来，经过不长时间的努力，其抗拉强度提高到了600900MPa，接近或超过了碳素钢的水平。与锻钢材料比较，球墨铸铁曲轴既有制造简便、成本低廉，又有吸震、耐磨、对表面裂纹不敏感等锻钢材料所不具备的优良特性，因而球墨铸铁具备了代替锻钢制造曲轴
2、的可能性。20 世纪 50 年代后期，国内南京汽车制造厂率先批量生产跃进牌汽车球铁曲轴。60 年代，二汽首先成为国内按照球铁曲轴生产工艺进行设计和投产的汽车厂。到了70、80 年代，中小型柴油机在我国迅速发展，由于球铁制造和经济方面的优势，大多数中小型柴油机都采用球铁曲轴，极大地推动了我国球铁曲轴的应用与发展，出现了一批球铁曲轴专业生产厂。近十多年在汽车工业的快速发展过程中，又新建了一批现代化的球铁曲轴生产厂（或分厂、车间），球铁曲轴在国内得到了普遍应用。国外球铁曲轴的应用也十分广泛，早在上世纪 50 年代，国外就开始将球墨铸铁应用于曲轴的生产，如美国的福特公司首先应用，美国克莱斯勒公司、瑞士
3、的 GF 公司、法国的雷诺和雪铁龙公司、意大利的菲亚特公司、罗马尼亚的布拉索夫汽车厂等先后成功地将球墨铸铁应用于曲轴的生产。在德国，排气量 2000ml 以下的柴油机中球铁曲轴占 50%，排气量 1500ml 以下的汽油机中球铁曲轴占 80%；在美国汽车行业中，球铁曲轴占 80%。由于制造技术和经济上的优势，球铁曲轴在汽车工业中广泛应用的总体状况今后不会发生太大的变化。2、球铁曲轴的熔炼对于球铁的熔炼，国内外采用冲天炉,工频炉双联熔炼的较多。铁液一般要经过脱硫处理，铁液脱硫方式现在多采用多孔塞脱硫方法，即吹 N2气加入 CaC2或复合脱硫剂搅拌脱硫。脱硫的稳定性对于熔炼曲轴铁液具有重要意义，如
4、采用感应电炉熔炼可以更好地控制合金成分范围，稳定球化，易于保证铁液质量。球化处理是球铁曲轴生产的重要环节，石墨的形态不仅影响曲轴本体强度性能，而且会影响到曲轴疲劳强度与抗冲击性能。球化剂的选用对于球化处理结果具有重要意义。国内球化剂主要采用稀土镁硅铁复合球化剂。稀土具有较好的脱硫及平衡微量元素有害倾向的作用，净化铁液，稳定生产，但起主导球化作用的仍然是镁。鉴于国内铸造厂脱硫水平的提高，球化剂有向低稀土方向发展的趋势。另外，可根据铸态基体组织的需要，使用含 Ca、Ba、Bi、Sb 等元素的复合球化剂。球化时采用哪种球化工艺，主要考虑吸收率的高低、反应是否平稳。国外很多工厂采用盖包冲入法,其优点是
5、吸收率较高，烟尘少，投资小，适应面广泛。国内采用的更多为冲入法球化处理工艺，Mg 的吸收率偏低（通常 30%50%）。喂丝法球化是最近发展起来的一种球化新工艺，其优点是反应平稳、温度损失少，正在逐步推广。孕育处理是球化后的铁液必不可少的工序。目前，国内普遍采用含硅 75%的硅铁合金，国外球铁孕育剂较多地应用硅铁/锆、硅铁/锰/锆及含钙、钡的复合孕育剂，其中锆能延迟衰退时间，锰能降低熔点，使孕育均匀。采用高效孕育剂可以有效地增加石墨核心，细化晶粒，延缓孕育衰退时间。当前，随流孕育法在美国广泛被采用, 可以有效地控制孕育剂在铁液中分布的均匀性。型内孕育法常与其他孕育方法联合使用，是一种复合强化孕育
6、工艺。另外，新近发展的喂丝法孕育工艺，是与喂丝法球化同时进行的一种孕育方法。3、铸态球铁曲轴合金化研究资料表明，珠光体基体的组织较铁素体基体组织具有更好的疲劳强度性能，而这正是曲轴所需具有的重要使用性能之一。同时，珠光体基体组织具有更高的常温抗拉强度和耐磨性。故在球铁曲轴的生产中，其基体组织以珠光体基体为主，通常为QT600、QT700、QT800 甚至 QT900 牌号，一般要求伸长率在 2%以上。对于QT600、QT700 来说，采用铸态生产即可以稳定地达到性能要求；而对于QT800、QT900 等较高牌号的生产，很多工厂是通过热处理来实现的，这无疑会增加曲轴制造成本，而实现铸态的相关曲轴
7、牌号具有很大的成本优势。对于促进基体为珠光体组织，可采用的合金元素很多，如Cu、Mn、Cr、Mo、Ni、Sn 等常规合金元素，而诸如 Sb、Bi 等微量合金元素也同样具有很好的促进珠光体形成功能，但通常采用单一的合金元素不能很好地达到高的牌号与性能。研究表明，采用二元合金或多元合金往往较单一合金加入形式具有事半功倍的作用。对于上述牌号来说，通常采用以 Cu 为合金化的一个主要元素，Cu 具有很好的促进珠光体形成的性能，有利于共晶阶段的石墨化和细化、圆整石墨球，并不会促进碳化物的生成。采用 Cu-Mn、Cu-Mo、Cu-Ni、Cu-Cr 等二元合金均可以实现QT600、QT700 铸态牌号的生产
8、，但对于易产生碳化物的元素如 Mn、Cr 等应注意使用范围的控制，同时这些元素也会阻碍石墨化，影响最终的球化效果。对于 QT800-2 的牌号，铸态稳定生产往往需要多种工艺综合进行，当然合金化是保障牌号性能实现的重要因素。试验表明，以 Cu-Sb、Cu-Sn 为主的合金化，采用Mn、Mo、Ni 等作为附加元素，可以实现牌号性能要求。如采用 Cu-Sb 合金化，甚至可以达到 QT900-2 牌号，其中起主导作用的是微量元素 Sb。Sb 元素是一种微量元素，国外一般不应用于生产，因其加入量较少，范围很窄，不利于生产控制。但 Sb 却具有很好的提高基体组织珠光体含量的特性，在合适的范围内不会促进碳化
9、物产生，并提高石墨球数量，改善圆整度，尤其在大断面铸件中应用具有很好的效果，可以显著提高强度性能。Sn 效果与 Sb 类似，是一种强烈稳定珠光体的元素，在高牌号灰铁、蠕铁和球铁铸造生产中广泛应用，其加入量通常维持在 0.02%0.05%，不会促进碳化物产生，可以显著提高强度、硬度，但如果 Sn 加入量过多，将会引起铸件韧性下降。4、铸态球铁曲轴的生产工艺对于铸态生产 QT800、QT900 等较高牌号曲轴的铸件，很多生产厂家也做过大量的研究试验，其中合金化研究并不是全部，通常需要结合曲轴的大小而采用铁模覆砂、壳型填丸等铸造工艺来共同实现，而这些造型工艺在生产 QT600、QT700 牌号的曲轴
10、、凸轮轴时也大量应用，并成为一种成型的发展趋势。与传统的震压、气冲、高压等造型方式相比，铁模覆砂、壳型填丸生产工艺可以实现曲轴的迅速冷却，并能够根据曲轴形态通过壳型或铁型调整达到顺序凝固的目的，减小内部应力，有利于补缩，可有效提高珠光体含量，细化珠光体并减小层片间距，进而提高强度性能，同时还具有表面精度高、加工余量小、生产效率高、生产稳定等特性。铁模覆砂、壳型填丸生产工艺对于实现 QT800-2 等高牌号曲轴的稳定生产具有重要意义，其与合金化有机的结合，可以极大地提高曲轴力学性能。但对于要求本体取样，限于曲轴种类不同，大小不同，往往采用上述方案也不能稳定达到 QT800-2 要求，这需要在曲轴
11、的打箱时间与打箱后冷却方式上做工作，进一步提高曲轴基体内珠光体含量，细化珠光体片间距，进而提高性能，需要严密的生产控制。5、等温淬火球墨铸铁（ADI）在曲轴上的应用作为制造曲轴的材料，在性能方面要求高的疲劳强度（弯曲、扭转）、耐磨性和刚性。从等温淬火球墨铸铁材料特性的分析中可以看出，等温淬火球墨铸铁是制造曲轴的理想工程材料。普遍认为，如果球铁的抗拉强度为 800MPa 仍不能满足要求时，可采用等温淬火球墨铸铁代替锻钢。沃尔沃轿车曲轴、福特汽车公司的一些发动机曲轴、一些大功率柴油机曲轴均采用等温淬火球墨铸铁制造。自 20 世纪 60 年代以来，球铁曲轴由于材料和加工成本低廉，因此受到广大设计师的
12、青睐，并在轿车和低载荷汽车上得到大量应用，但限于普通球铁抗弯疲劳强度较锻钢低的限制，其在中等负荷尤其重载荷发动机汽车上很难达到性能要求。发动机曲轴服役条件非常复杂而苛刻，实际中大量的曲轴失效事故统计表明，弯曲和扭转疲劳断裂是曲轴的主要破坏形式，特别是弯曲疲劳强度失效最为常见。等温淬火球墨铸铁材料具有较高的弯曲疲劳强度和整体强度，同时由于其基体内存在奥氏体组织，具有显著的加工硬化效果，经圆角滚压后，发生马氏体转变，形成很高的残余压应力，提高曲轴的疲劳强度。因此，球铁曲轴替代某些锻钢曲轴具有很大的潜力，同时等温淬火球墨铸铁曲轴较锻钢可减轻自身质量 10%左右，制造成本亦可大大降低，作为一种新型的曲
13、轴材料具有很好的应用推广前景。在国内，南京理工大学对用等温淬火球墨铸铁制造轿车发动机 368Q 曲轴进行了试验。经台架试验、全速全负荷可靠性试验和 3 万 km 道路试验，通过了部级鉴定，安全系数 1.7，高于进口锻钢曲轴的安全系数（1.6），主轴颈和连杆轴颈磨损量也远低于机械部标准。等温淬火球墨铸铁曲轴的常规力学性能、疲劳强度、耐磨强度、工艺性、安全可靠性等均满足设计和使用要求，经济效益明显。据成本推算显示，进口锻钢曲轴:国产 40Cr 锻钢曲轴:等温淬火球墨铸铁曲轴=2.7:1.84:1。一汽铸造有限公司技术中心进行过 CA498 增压中冷柴油发动机曲轴的等温淬火球铁化试验研究，曲轴经圆角
14、滚压后进行疲劳强度测试，测试结果通过弯矩 200MPa。这表明，圆角滚压对曲轴疲劳强度的提高非常重要，而等温淬火球铁曲轴较珠光体具有更高的整体强度和硬度，故在更大的滚压压力作用下的效果更好。试验结果显示，对于 CA498 曲轴，采用等温淬火球墨铸铁制造，疲劳强度达到 700MPa 以上，曲轴使用安全系数达到 2.2，远高于 20CrMo（现制造曲轴材料，安全系数 1.3），故其应用在技术上是可行的。等温淬火球墨铸铁材料代替锻钢制造曲轴，从静强度和弯曲疲劳强度相比，等温淬火球铁曲轴可胜任大功率增压柴油机的服役条件，而其在成本上又具有显著优势，用等温淬火球铁生产大功率增压柴油机曲轴是一具有重大技术、经济效益的项目，应引起国内汽车界的关注。6、结束语球墨铸铁以其优良的物理和力学性能，在曲轴的生产制造中得到广泛应用。随球铁熔炼与合金化技术及等温淬火球铁的发展，球铁性能不断提高。为节约成本，采用球铁取代锻钢生产发动机曲轴，是曲轴生产的发展趋势。铁型覆砂和壳型填铁丸铸造方式可以保证球铁基体的珠光体含量，实现珠光体片间距细小化，组织致密，提高曲轴的内在质量和性能，适合于曲轴类铸件的生产。对中小功率发动机曲轴的生产可采用铸态珠光体球铁，或附加表面强化工艺；而等温淬火球铁以其优异的力学性能，在大功率发动机曲轴制造中将发挥更大的作用。
