球墨铸铁代替钢的好处

球墨铸铁比钢轻约10%,无残留应力,加工时产生的缺陷少,而且球墨铸铁减振性、耐磨性、对缺口敏感性等优于锻钢。铸造曲轴与锻造曲轴相比,可使连杆轴径中空,减轻回转质量,且可减少轴拐角处的应力集中。球墨铸铁曲轴,尤其是铸态球墨铸铁曲轴,具有生产工艺简单、能源消耗少、生产成本低、生产效率高等优点。

锻钢曲轴价格是球墨铸铁曲轴的4～5倍,因此球墨铸铁成本优势很大,在激烈的市场竞争中极具潜力。在欧洲,球墨铸铁曲轴的使用率大于80%,锻钢曲轴小于20%;在日本,两者的比例为80∶20;美国3家大汽车厂(General Motors、Ford、Chrysler)生产的轿车和轻型车约99%使用铸造曲轴。而轿车用量直列四缸曲轴,全世界多已用铸铁代替了锻钢。对于六缸柴油机曲轴,国外多沿用锻钢件,而我国由于缺乏大型锻造设备,在重型柴油机的设计和制造中,早已采用球铁曲轴。例如重型汽车公司设计的6120、6130等发动机;东风汽车公司在原6100汽油机的基础上改造成6102柴油机时,开发曲轴圆角滚压工艺和其专用设备,实现了六缸柴油机曲轴的球铁化。球铁取代锻钢用于重要零件时,先进工业国家考核σ0.2和σ0.2/σb指标。

球铁要取代锻钢,重点是提高韧性,尤其是动态韧性,可采用如下方法:细化晶粒和显微组织;尽量降低有害杂质含量;球化或钝化、分散弱相(如石墨)以减小应力集中系数;生成或引入韧性好的不连续组织(如ADI球铁中的残余奥氏体)来提高性能。目前,球铁取代锻钢的大障碍就是强度和韧性有限。但是随着高强度、高韧性球铁,尤其是奥氏体等温淬火球铁(ADI)技术的日趋成熟,凭借其高强度、高韧性、成形性能好、成本低、综合机械性能优良等诸多优点,必将在更大范围内取代锻钢。

铸造热处理曲轴一般分为两类：

一 GH90-5球铁

意大利Fiat汽车公司开发的高强韧性球铁系列的综合性能指标为同类材料中高,反映了当今国际先进水平。牌号GH90-5的球铁用于发动机曲轴,需经正火处理。南京汽车厂从该公司引进的IVECO轻型系列卡车的发动机曲轴材料为GH90-5球铁。南汽采用高温低硫原铁水,通过严格控制Mn和P的含量,加入0.5%～0.8%的Cu,用含Ca和低镁低稀土球化剂处理及硅铁随流孕育,再经过正火和高温回火处理,得到细片状珠光体+破碎状牛眼铁素体组织。在实验室条件下,Y型试块性能可接近QT90-5的要求,曲轴本体解剖后,经测试达到QT85-4性能指标,基本满足生产的要求。

二 奥氏体等温淬火球铁(ADI)

ADI是近年来在铸铁冶金中的重大发现之一。将球铁加热到897℃附近,奥氏体化溶解碳,然后进入247℃～397℃盐浴中急冷,以防止出现珠光体,并保温1 h～2 h,后急冷到室温,获得基体为奥氏体加贝氏体混合组织的ADI材料。通常在其中加入少量Ni、Mo或Cu来提高硬度。富含碳的残余奥氏体比较稳定,韧性好且不连续,这极大地提高了材料的性能。它的另外一个突出特点是加工感应相变形成马氏体,且仅是加工部分产生硬化,提高了强度和耐磨性,此种硬化效果具有持续性。高强度ADI材

料抗拉强度为1274MPa～1470 MPa,延伸率为1%～3%,主要用作钢质零件的代用材料;高韧性ADI材料抗拉强度为882 MPa～1078 MPa,延伸率为6%～12%,主要用作铸铁零件的代用材料。ADI材料可被用来制造承受高负载的曲轴,通常条件下,普通球铁材料是达不到这么高的要求的。ADI材料的开发提高了球墨铸铁类材料的机械性能,拓展了球铁材料的应用空间。由于其价格低廉,设计自由度大,经不同温度等温淬火处理后,具有高强度、高韧性、耐疲劳和耐磨性能,因此是一种非常有发展前途的材料。ADI的生产对铸件质量要求高,需要严格控制等温淬火热处理工艺参数,为此要采用机械化、自动化程度较高的专用等温淬火热处理设备。在国,ADI已从理论及工艺研究进入到实际应用阶段,ADI球铁曲轴已有一定的产量。而我国尚处于试验研究阶段,在单缸发动机上有所采用,另外有少数关于在四缸发动机上的应用报道。

本文我们来介绍下铸态珠光体球铁曲轴。

球铁材料过去一直采用正火来提高强度,随着生产技术的成熟,铸态珠光体球墨铸铁曲轴逐步代替了正火球墨铸铁曲轴。

由于石墨球数增加,基体组织全为珠光体,因而铸态下就能获得较高的机械性能。铸态曲轴不须正火热处理,这样不仅简化生产工序、降低能源消耗和生产成本,还避免了人为因素产生的内应力,从而减少了曲轴在切削加工后进行表面淬火强化处理时的变形倾向。以EQ1092汽车曲轴的生产为例,只要铸态基体组织珠光体含量不少于75%,轴颈表面淬火硬度就高于46HRC,变形量小于0.3 mm,而原来采用正火球墨铸铁曲轴,表面淬火后,曲轴变形很大且不稳定,平均为1.5 mm,大达到3.5 mm。球铁向铸态发展是大势所趋,同时也是技术进步的表现。

为确保铸态曲轴的质量,需严格控制化学成分及球化、孕育、凝固等关键工序,以获得要求的金相织。在原材料、熔炼设备、工艺、化学成分检验、金相组织分析、球化率检验、缺陷检验等一系列生产环节上,要采取切实可行的技术措施,并制定严格的生产管理制度。铸态珠光体球铁与铸态混合基体球铁相比前者难于生成。其基体组织是通过调整原铁水化学成分来确保的,一般需通过调整终硅量,加入Cu、Sn等合金元素改善铸态组织,提高强度。铸态珠光体基体球铁在生产时应该注意合金元素的简化和少量化,这样既可确保冲击韧性,又可降低成本。