球墨铸铁曲轴的铸造与发展

    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600~900MPa，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。 


    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。 


    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，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。 


    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、凸轮轴时也大量应用，并成为一种成型的发展趋势。