沈保羅，李 莉，岳昌林，白維均，徐家富

（成都金頂凸輪軸鑄造有限公司，四川郫縣 611732）

兩種生鐵對(duì)可淬硬凸輪軸金相組織和硬度的影響

沈保羅，李 莉，岳昌林，白維均，徐家富

（成都金頂凸輪軸鑄造有限公司，四川郫縣 611732）

研究了四川釩鈦生鐵和河北球墨生鐵對(duì)491Q可淬硬凸輪軸金相組織和硬度的影響。研究表明：四川釩鈦生鐵的金相組織由細(xì)小點(diǎn)狀石墨+A型石墨+碳化物+珠光體組成；河北球墨生鐵的金相組織由A型石墨+C型石墨+珠光體組成。由Ⅰ組配料（230kg四川釩鈦生鐵+100kg廢鋼+220kg回爐料+其它合金）鑄造的凸輪軸的金相組織為4-6級(jí)A石墨+少量E型石墨+95%珠光體+5%滲碳體，基體硬度為252～255HB；由Ⅱ組配料（150kg河北球墨生鐵+80kg四川釩鈦生鐵+100kg廢鋼+220kg回爐料+其它合金）鑄造的凸輪軸的金相組織為4-6級(jí)A型+少量E型石墨+100%珠光體，基體硬度為210～229HB。作者初步分析了產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因。

凸輪軸；合金灰鑄鐵；生鐵；金相組織；硬度

1 前言

鑄鐵的組織在一定程度上受到爐料的影響，當(dāng)由一種爐料換成另一種爐料時(shí)，雖然鐵液的化學(xué)成分（碳，硅，錳，磷，硫等）并未改變，但鑄鐵的組織，包括石墨化程度、白口傾向以及石墨形態(tài)和基體組織等都發(fā)生了某種變化，鑄鐵冶金學(xué)上稱這種現(xiàn)象為爐料的“遺傳性”[1]。鑄鐵的遺傳是極為復(fù)雜的現(xiàn)象，是由組織、微量元素及缺陷三個(gè)方面綜合作用的結(jié)果。許多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的材料專家從1927年開始對(duì)冶金遺傳性進(jìn)行了比較深入的研究[2-51]，增加了對(duì)冶金遺傳性的了解。本文對(duì)比研究?jī)煞N生鐵對(duì)可淬硬凸輪軸金相組織和硬度的影響。

2 試驗(yàn)方法及結(jié)果

2.1 合金熔煉及凸輪軸鑄造

熔煉在GW型500kg無(wú)芯中頻感應(yīng)電爐中進(jìn)行，爐襯材料為硅砂。用四川釩鈦生鐵、河北Q10球墨生鐵、廢鋼、75硅鐵、錳鐵、鉻鐵、鉬鐵、電解鎳、回爐料和石墨增碳劑等調(diào)整化學(xué)成分，用德國(guó)OBLF光譜分析化學(xué)成分。熔煉溫度為1560～1580℃，鐵液出爐溫度為1520～1540℃。用75硅鐵合金作孕育劑。爐前三角試片白口寬度控制在4～4.5mm之間。孕育處理后，鐵液轉(zhuǎn)入150kg的澆包進(jìn)行二次孕育處理，隨后澆入殼型之中，起始澆注溫度為1360～1380℃，澆注后約60min打箱。

2.2 生鐵的化學(xué)成分及金相組織

兩種生鐵的化學(xué)成分見表1。由表1可見，四川釩鈦生鐵中的碳較低、硅較高，此外還含有較高的Cr和Ti;河北球墨生鐵中的碳較高，硅較低，Cr和Ti的含量都較低。

表1 兩種生鐵的化學(xué)成分（%）

用日本4610型Olympus光學(xué)顯微鏡觀察到的兩種生鐵的金相組織見圖1～6。由圖1～3可見，四川釩鈦生鐵的金相組織有：石墨為大量點(diǎn)狀和少量A型石墨，基體組織中還含有30%左右的滲碳體；由圖4～6可見，河北球墨生鐵的金相組織有：A型石墨+C型石墨+珠光體。

2.3 兩組配料的凸輪軸的化學(xué)成分及金相組織

兩組配料（表2）分別為：Ⅰ組配料，230kg四川釩鈦生鐵+100kg廢鋼+220kg回爐料+其它合金；Ⅱ組配料，150kg河北球墨生鐵+80kg四川釩鈦生鐵+100kg廢鋼+220kg回爐料+其它合金。

用兩組配料生產(chǎn)的凸輪軸的化學(xué)成分見表3。由表3可見，兩種配料凸輪軸的化學(xué)成分沒(méi)有顯著差別。

用兩組配料生產(chǎn)的凸輪軸的金相組織見圖7～10。由圖7～8可見，用配料Ⅰ生產(chǎn)的凸輪軸的石墨為4-6級(jí)A型+少量E型，基體組織為珠光體+5%滲碳體；用配料Ⅱ生產(chǎn)的凸輪軸的石墨為4-6級(jí)A型+少量E型，基體組織為100%珠光體。前者的硬度為252～255HB，后者的硬度為 210～229HB。

表2 配料方案與凸輪軸硬度的關(guān)系

表3 兩種配料凸輪軸的化學(xué)成分（%）

3 討論

金屬材料遺傳性的提出比生命科學(xué)中遺傳性問(wèn)題的提出晚100多年，法國(guó)學(xué)者Levi成為研究金屬材料遺傳性的先驅(qū)[2]。他提出假設(shè)：原料生鐵中粗大的片狀石墨在某種條件下保留至鐵液中，沒(méi)有足夠的時(shí)間充分溶解，長(zhǎng)時(shí)間維持其凝固狀態(tài)，最后仍以大的顆粒存在于已經(jīng)凝固的固體中，這可以說(shuō)是金屬材料遺傳性的雛形。到本世紀(jì)30年代，機(jī)械制造行業(yè)日益發(fā)展起來(lái)，使得前蘇聯(lián)的研究者們對(duì)金屬遺傳性問(wèn)題產(chǎn)生濃厚興趣，并開始了這方面的研究。與此同時(shí)，H.W.Gillett也發(fā)表了題為“Heredity in cast iron，Metals and Alloy”的論文[3]，而魯勃佐夫等研究者認(rèn)為：鑄鐵的組織特性

經(jīng)受重熔后能在鑄件中重現(xiàn)是鑄鐵遺傳性的表現(xiàn)。那時(shí)，人們便推薦根據(jù)石墨析出物的種類和數(shù)量評(píng)價(jià)生鐵錠的質(zhì)量并認(rèn)為：生鐵錠原料中的粗大直片狀石墨在通常條件下仍保留在以后的鑄件中，當(dāng)時(shí)的冶金學(xué)家及高爐工作者曾試圖使生鐵錠在冷卻時(shí)得到對(duì)鑄造最適宜的組織，他們建議考慮鑄鐵爐料的熱過(guò)程，考慮遺傳性和最大限度地利用這些性質(zhì)。20世紀(jì)30～50年代，關(guān)于液態(tài)鋼和液態(tài)金屬與已凝固金屬性能間的聯(lián)系的學(xué)說(shuō)已經(jīng)開始在冶金學(xué)者和鑄造工作者們的一些著作中形成。70年代，法國(guó)的冶金學(xué)者在鑄鐵生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，使用不同原料鑄造成的相同成分鑄件，其顯微組織和力學(xué)性能差別很大并發(fā)現(xiàn)鑄造生產(chǎn)中的某些缺陷，如白口、熱裂與收縮傾向、氣孔等都具有遺傳性[5]。

此后，人們對(duì)金屬材料的遺傳性問(wèn)題開始密切關(guān)注，尤其是俄羅斯的專家學(xué)者對(duì)此問(wèn)題表現(xiàn)出更大的熱情。在1987年5月和9月召開的“鑄造合金遺傳性”兩次學(xué)術(shù)研討會(huì)上，與會(huì)專家提出要把鑄件的使用性能再提高10%～30%，金屬消耗量降低10%～20%，只能依靠在液體金屬結(jié)構(gòu)方面取得新的研究成果，利用金屬的組織遺傳性和采取對(duì)熔體有影響的各種工藝措施等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。1993年5月召開的第五次“鑄造合金的遺傳性”學(xué)術(shù)研討會(huì)上發(fā)表的100多篇文章中涉及到液態(tài)黑色和有色金屬的結(jié)構(gòu)理論、爐料和熔體組織遺傳性問(wèn)題，介紹了有關(guān)“固-液-固”系統(tǒng)中組織遺傳的規(guī)律、機(jī)理及應(yīng)用方面的成果。

科學(xué)工作者認(rèn)為，金屬在熔化過(guò)程中是以原子集團(tuán)為單位采取逐漸分裂的方式進(jìn)行的；即在熔化過(guò)程中，原子集團(tuán)由大到小逐漸分裂，當(dāng)外部條件使分離終止并保留一部分較小的原子團(tuán)時(shí)，原始爐料中的一些結(jié)構(gòu)信息就有可能被保留下來(lái)并傳遞給后來(lái)的晶體。

在通常的過(guò)熱溫度范圍內(nèi)，F(xiàn)e-C系熔體存在與固態(tài)相近的近程有序結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)甚至隨成分和溫度而不同，發(fā)生體心立方和面心立方的相互轉(zhuǎn)化。任何合金被加熱時(shí)，即使各組元都已經(jīng)熔化，宏觀上是均勻的，但在熔體中仍然存在著由爐料組元不同類型的近程有序結(jié)構(gòu)向另一種有序性更強(qiáng)、更均勻的構(gòu)成合金的原子結(jié)構(gòu)去轉(zhuǎn)變。與此同時(shí)質(zhì)點(diǎn)間的相互作用和原子的分布發(fā)生變化，可以認(rèn)為合金處于非平衡狀態(tài)。熔體向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變的速度受溫度、擾動(dòng)和外界作用的影響[16]。

粗大石墨結(jié)的遺傳效應(yīng)與過(guò)熱溫度有關(guān)，熔體被加熱至1500℃以上，部分大尺寸的石墨結(jié)溶解到熔體中，在1510℃左右僅保持5min，這些石墨結(jié)不能完全溶解，它們?cè)谌垠w冷卻過(guò)程中仍遺留下來(lái)，隨后長(zhǎng)大，所以1510℃過(guò)熱的鑄鐵熔體中仍然存在石墨結(jié)[29]。

耿浩然等人發(fā)現(xiàn)[22]，低溫普通鐵合金液中的碳主要以石墨相的形式存在，碳含量較高時(shí)以較大的片狀形式存在；亞共晶和過(guò)共晶Fe-C合金，隨著過(guò)熱溫度升高，石墨相逐漸減少，向碳化物轉(zhuǎn)移的同時(shí)，所剩石墨相逐漸細(xì)化和球化。鑄件中的石墨減少且變細(xì)，碳化物的數(shù)量增多，白口傾向增大，造成合金的硬度升高，沖擊韌性下降。

綜上所述，過(guò)熱溫度超過(guò)1500℃，生鐵中的粗大石墨可能消失而生鐵的白口傾向可能加大。我們?nèi)刍倪^(guò)熱溫度高達(dá)1560～1580℃，因此河北球墨生鐵中粗大的石墨已經(jīng)在凸輪軸中消失并變成4-6級(jí)A型石墨；而四川釩鈦生鐵中的碳化物卻強(qiáng)烈地在凸輪軸中遺傳下來(lái)并導(dǎo)致用配料Ⅰ生產(chǎn)的凸輪軸含有較多的滲碳體。值得注意的是，如果將四川釩鈦生鐵和河北球墨生鐵混合使用（配料Ⅱ），則兩種生鐵的組織遺傳性都得到抑制。這種結(jié)果正是我們?cè)谏a(chǎn)中所希望的。

4 結(jié)論

由230kg四川釩鈦生鐵+100kg廢鋼+220kg回爐料+其它合金的配料鑄造的凸輪軸的金相組織為4-6級(jí)A石墨+少量E型石墨+95%珠光體+5%左右滲碳體，基體硬度為252～255HB；由150kg河北球墨生鐵+80kg四川釩鈦生鐵+100kg廢鋼+220kg回爐料+其它合金的配料鑄造的凸輪軸的金相組織為4-6級(jí)A型石墨+少量E型石墨+100%珠光體，基體硬度為210～229HB。

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Effect of Two Pig Irons on the Metallurgical Structure and Hardness of the Hardened Camshaft

SHEN BaoLuo,LI Li,YUE ChangLin,BAI WeiJun,XU JiaFu
（1.Chengdu Jinding Camshaft Foundry Co.Ltd.，Pixian County 611732，Sichuan China）

Sichuan V-Ti pig iron and Hebei ductile iron have been used to manufacture 491Q type hardened camshaft and the effect of both iron on the microstructure and hardness of the camshaft been researched.Studies have shown that the microstructure of Sichuan vanadium-titanium pig iron consists of as tiny dot graphite+A type graphite+carbide+pearlite while the microstructure of Hebei ductile iron consists of A-type graphite+C-type graphite+pearlite.The microstructure in the camshaft manufactured from the group-Ⅰingredient（230 kg Sichuan V-Ti pig iron+100 kg scrap steel+220kg back charge+other alloys）consists of the 4-6 grade A-type graphite+small amount E-type graphite+95%pearlite+about 5%cementite,and his matrix hardness is 252-255HB.The microstructure in the camshaft manufactured from the group-Ⅱingredient（150 kg Sichuan V-Ti pig iron+80 kg Hebei ductile iron+100 kg scrap steel+220 kg back charge+other alloys）consists of the 4-6 grade A-type graphite+small amount E-type graphite+100%pearlite,and its matrix hardness210-229HB.Theabove-mentionedphenomenonhasbeengivenpreliminaryanalysis.

Camshaft；Alloyed grey cast iron；Pig iron；Microstructure；Hardness

TG143.6;

A；

1006－9658（2011）03－4

2011－02－02

2011－011

沈保羅（1945-），教授，博士生導(dǎo)師，近年來(lái)一直從事鑄造凸輪軸生產(chǎn)與新產(chǎn)品開發(fā)