王海泉， 王杰， 吳玉彬， 李樹春， 王旭陽

（1.哈爾濱理工大學材料科學與工程學院，哈爾濱150040；2.哈爾濱東安動力股份有限公司鍛鑄廠231車間，哈爾濱150066）

1 引言

凸輪軸是發(fā)動機的重要零件，承受載荷和長時間的磨損，它的性能好壞決定著汽車的發(fā)動機的壽命［1-3］。目前，ADI凸輪軸已被廣泛應用于汽車領(lǐng)域的承載及傳動等零部件中［4］。要生產(chǎn)出合格的ADI凸輪軸，必須保證是優(yōu)質(zhì)的球墨鑄鐵、合理的等溫淬火工藝、專用等溫淬火設備。

2 材料制備

熔煉設備為5t中頻感應電爐，喂線法用50%的廢鋼、回爐料、銅進行配料，增碳劑是粒度為1～5mm碎石墨電極。當鐵水溫度為1570℃，停止送電，靜止15min后出爐，打鐵水量為：800kg，包芯線采用鎂的質(zhì)量百分數(shù)為30%的球化線。喂線速度25m/min，球化包芯線加入10～40m；沖入法也用5t中頻電爐熔煉，以Q12生鐵、回爐料、廢鋼、銅進行配料，使用堤壩式鐵水包，容量為500kg，出鐵溫度為 1520℃～1570℃，澆注溫度：1390℃～1410℃，球化孕育處理結(jié)束后，將鐵水倒入氣壓澆注機，球化劑為含鎂量5%～8%的稀土鎂硅鐵合金。喂線法與沖入法孕育采用0.6%～1.0%包內(nèi)孕育＋0.15%隨流孕育，孕育劑為75硅鐵。試驗采用箱式電阻爐對本體取樣的試樣進行奧氏體化，試樣放入自制的鐵盒中，并用鑄鐵屑覆蓋，防止氧化脫碳，淬火設備是自制的等溫鹽浴淬火槽，淬火介質(zhì)為55%NaNO3與45%KNO3的混合硝鹽。試驗奧氏體化溫度為850℃并保溫15min，等溫淬火溫度為290℃；等溫淬火時間1h。凸輪軸化學成分見表1所示。

表1 球鐵凸輪軸化學成分 /Wt%

3 喂線法與沖入法對比分析

圖1 殘硫與殘鎂的波動

試驗結(jié)束，對凸輪軸本體取樣。喂線法生產(chǎn)的凸輪軸本體殘鎂量波動為 0.005%（這與喂線法精準的控制高鎂合金包芯線加入量有關(guān)），殘硫量波動為0.003%，且殘硫量要低于沖入法。沖入法的殘鎂量波動為0.014%，殘硫量波動為0.008%，因而喂線技術(shù)可以更精確地控制殘鎂量與殘硫量。由殘硫量和殘鎂量可知，喂線法的鎂收得率明顯高于沖入法。喂線法和沖入法的殘硫量與殘鎂量的波動見圖1。

基于喂線法與沖入法對比生產(chǎn)球墨鑄鐵凸輪軸，分別將兩種方法生產(chǎn)的凸輪軸進行本體取樣。鑄態(tài)凸輪軸金相如圖1所示，金相檢測按GB/T9441-2009《球墨鑄鐵金相檢驗》評級。圖 2（a）、（b）為喂線法與沖入法生產(chǎn)的凸輪軸鑄態(tài)金相，我們對比了兩種工藝下的石墨球情況。

圖2 兩種工藝生產(chǎn)的凸輪軸鑄態(tài)金相組織

喂線法與沖入法生產(chǎn)凸輪軸本體取樣力學性能對比見表2所示。

表2 ADI凸輪軸鑄態(tài)本體力學性能及其它

與沖入法球化處理相比，利用喂線技術(shù)生產(chǎn)的球墨鑄鐵石墨球圓整度高、尺寸小、數(shù)量多；球化率等級為2級，沖入法球化率為3到4級。喂線法生產(chǎn)的凸輪軸抗拉強度平均為734MPa，延伸率平均為2.15%；沖入法抗拉強度平均為696.5MPa，延伸率平均為1.925%。與沖入法相比，喂線法生產(chǎn)的凸輪軸抗拉強度、延伸率要好。

4 等溫淬火兩種球鐵凸輪軸

試驗將凸輪軸DC3（本次試驗中，沖入法生產(chǎn)的ADI球鐵原件部分滿足ADI制造工藝要求，DC3為沖入法生產(chǎn)球化率滿足ADI生產(chǎn)制造工藝要求的凸輪軸）。和喂線法生產(chǎn)的球鐵凸輪軸WX1進行等溫淬火試驗。兩種球鐵凸輪軸經(jīng)等溫淬火后的抗拉強度見圖3。在相同等溫淬火工藝、等溫淬火設備下試樣經(jīng)等溫淬火試驗的結(jié)果為：喂線法生產(chǎn)的球鐵等溫淬火后抗拉強度優(yōu)于沖入法。喂線法生產(chǎn)的球鐵的球化率高，石墨球圓整度高、石墨小且多，組織均勻，石墨球局部尖端減少，對基體的割裂程度減弱，應力不容易在石墨球附近集中，故喂線法生產(chǎn)的球鐵等溫淬火后抗拉強度高于沖入法，同時可以說明與沖入法比，喂線技術(shù)可以間接提高并穩(wěn)定ADI性能。

圖3 兩種球鐵凸輪軸等溫淬火力學性能

5 結(jié)論

本文采用喂線法和沖入法兩種方法對比生產(chǎn)凸輪軸，并在相同等溫淬火工藝及設備下等溫淬火兩種方法獲得的球鐵得出結(jié)論是：

（1）與沖入法對比，采用喂線法生產(chǎn)的凸輪軸球墨鑄鐵件球化效果好，石墨球數(shù)量多、圓整度高、球化率高；鑄件力學性能良好，且性能穩(wěn)定。喂線法生產(chǎn)的凸輪軸球化率等級為2級，鎂殘及硫殘波動小，能穩(wěn)定地滿足生產(chǎn)ADI凸輪軸的要求，而沖入法則是部分滿足要求。

（2）相同等溫淬火工藝和相同等溫淬火設備，等溫淬火以后的喂線法生產(chǎn)的凸輪軸的抗拉強度優(yōu)于沖入法。

［1］ BAYRAKCEKEN H，et al.Fracture analysis of a camshaft made from nodular cast iron［J］.Engineering Fai-lure Aanlysis，2006（13）：1240-1245.

［2］ LEVENT C K.Mechanical and microstructure properties of chilled cast iron camshaft：Experimental and computer aided evaluation［J］.Materials and Design，2009（30）：927-940.

［3］ WANG G，TAYLOR D，BOUQUIN B，et al.Ciepalowicz.Prediction of fatigue failure in a camshaft using the crack modellin-g method［J］.Engineering Failure Analysis，2000（7）：189-197.

［4］ 曾藝成，李克銳，等.我國等溫淬火球鐵（ADI）的最新進展［C］//2007年中國鑄造活動周.武漢，2007：21-27.