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        ADI在發(fā)動機(jī)曲軸生產(chǎn)中的開發(fā)應(yīng)用

        2014-11-24 08:22:48濱州海得曲軸有限責(zé)任公司山東256600王守河屈厚余
        金屬加工(熱加工) 2014年5期
        關(guān)鍵詞:力學(xué)性能工藝

        濱州海得曲軸有限責(zé)任公司 (山東 256600)王守河 張 東 屈厚余

        奧鐵球鐵,國內(nèi)習(xí)慣稱奧貝球鐵,國外稱之為ADI(Austemperrd Ductile Iron),是球墨鑄鐵經(jīng)奧氏體等溫淬火處理后獲得的,強(qiáng)度和伸長率不僅遠(yuǎn)超過普通球墨鑄鐵,也超過調(diào)質(zhì)鋼和滲碳鋼。作為一新材料、新工藝,其獨(dú)特的工藝特點(diǎn)、良好的力學(xué)性能和可加工性及低廉的制造成本,用于內(nèi)燃機(jī)曲軸的生產(chǎn),具有非常廣闊的市場。

        一、ADI曲軸毛坯鑄件化學(xué)成分

        為保證ADI曲軸力學(xué)性能的穩(wěn)定性,對曲軸鑄造用原材料進(jìn)行適當(dāng)控制,在普通球墨鑄鐵曲軸所用原材料基礎(chǔ)上使鐵液S、P含量降低。有兩種方式:其一,全部優(yōu)質(zhì)廢鋼+合金配比+增碳劑;其二,50%優(yōu)質(zhì)生鐵+50%優(yōu)質(zhì)廢鋼+合金配比+增碳劑。所得鐵液化學(xué)成分按表1控制。

        表1 鐵液化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        嚴(yán)格控制S含量,以減少鑄件產(chǎn)生氣孔、縮松傾向;嚴(yán)格控制P含量,以減小鑄件低溫脆性之傾向。以是否在鐵液中加入Mo等合金元素,ADI可分為合金化型與非合金化型。為控制鑄件制造成本并經(jīng)多次對比試驗(yàn),綜合確定采用非合金化型。

        二、ADI曲軸毛坯鑄造工藝選擇及澆注過程質(zhì)量控制

        目前,比較常用的曲軸毛坯鑄造工藝有殼型鑄造、鐵模覆砂造型、樹脂砂造型、潮模砂造型等,其中殼型鑄造與鐵模覆砂造型工藝由于其工藝穩(wěn)定性好、冷卻速度快、鑄件外觀光滑細(xì)膩且缺陷少、球化穩(wěn)定性及石墨大小得到顯著改善,尤其是鑄件內(nèi)部產(chǎn)生縮松、氣孔、夾渣等常見鑄造缺陷的傾向大幅減少,從而可得到優(yōu)質(zhì)的曲軸毛坯鑄件。

        殼型鑄造與鐵模覆砂鑄造工藝均適于曲軸毛坯多品種大批量生產(chǎn)。單件曲軸毛坯重量在20kg以下時(shí)用殼型鑄造工藝優(yōu)勢較大,而在20kg以上時(shí)用鐵模覆砂造型工藝更容易控制毛坯質(zhì)量。

        這兩種鑄造工藝澆注過程質(zhì)量控制基本相同:生鐵、廢鋼、合金材料、增碳劑、球化劑等原料來源及質(zhì)量穩(wěn)定;殼型/鐵型需及時(shí)、定期更換;爐前工藝參數(shù)的嚴(yán)格控制;現(xiàn)場操作人員的綜合素質(zhì)保證;技術(shù)人員的跟蹤、分析、改進(jìn)等。在ADI曲軸開發(fā)研究過程中對該兩種鑄造工藝生產(chǎn)的毛坯都進(jìn)行了驗(yàn)證。

        目前國內(nèi)對這兩種鑄造工藝掌握較好的生產(chǎn)廠家,大批量生產(chǎn)的曲軸毛坯鑄造內(nèi)外綜合廢品率能夠控制在3%以內(nèi),曲軸毛坯鑄件的鑄態(tài)金相及力學(xué)性能可達(dá)到表2指標(biāo)。

        表2 殼型鑄造/鐵模覆砂造型鑄態(tài)金相及力學(xué)性能指標(biāo)

        三、ADI曲軸金相組織力學(xué)性能要求及等溫淬火工藝參數(shù)確定

        1.ADI曲軸金相組織及力學(xué)性能要求

        參照GB/T24733—2009《等溫淬火球墨鑄鐵件》標(biāo)準(zhǔn),適于用來生產(chǎn)曲軸的ADI牌號及相關(guān)的力學(xué)性能最小值見表3。其中,重點(diǎn)選擇QTD800-10和QTD1050-6兩個(gè)牌號進(jìn)行試驗(yàn)研究。

        表3 單鑄或附鑄試塊的力學(xué)性能

        2.曲軸毛坯等溫淬火工藝確定

        根據(jù)擬選ADI牌號QTD800-10和QTD1050-6金相組織及力學(xué)性能要求并經(jīng)過多次對比試驗(yàn)后,確定采用的等溫淬火工藝分兩個(gè)階段。第一階段,鑄件高溫石墨化退火:890~930℃,保溫2.5h,隨爐冷卻,得到95%以上鐵素體組織,這一階段的主要目的是消除鑄件鑄態(tài)組織中存在的滲碳體;第二階段,等溫淬火工藝:奧氏體化溫度880~920℃,保溫2h,等溫溫度370~390℃,保溫2h。

        隨著鐵模、殼型鑄造技術(shù)的推廣應(yīng)用以及鑄造工藝的日臻完善,鑄態(tài)游離滲碳體和磷共晶體完全可控制在3%以下,直接進(jìn)行高溫奧氏體化后等溫淬火,工藝曲線如圖1所示。

        將均勻奧氏體化保溫后的鑄件毛坯迅速轉(zhuǎn)入等溫轉(zhuǎn)變的鹽浴爐,以避免產(chǎn)生珠光體。在等溫轉(zhuǎn)變的過程中,使針狀鐵素體形成、長大,更多的碳擴(kuò)散到臨近的奧氏體中,獲得高碳(1.6%~2.4%)奧氏體和針狀鐵素體的混合組織,其具有高的強(qiáng)韌性及優(yōu)良的耐磨性,這是所期望的ADI組織,而不是奧氏體+貝氏體。

        圖1 球墨鑄鐵奧氏體等溫淬火工藝曲線

        3.等溫淬火工藝驗(yàn)證

        將經(jīng)等溫淬火處理的兩型號曲軸,從平衡鐵部位取樣作金相分析、力學(xué)性能檢測,結(jié)果見表4。其基體組織是類似貝氏體的針狀鐵素體和奧氏體。

        表4 Ⅰ型曲軸QTD800-10和Ⅱ型曲軸QTD1050-6試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        圖2 Ⅰ-1型曲軸QTD800-10

        圖3 Ⅰ-2型曲軸QTD800-10

        圖4 Ⅱ-1型曲軸QTD1050-6

        圖5 Ⅱ-2型曲軸QTD1050-6

        四、ADI曲軸基體硬度及機(jī)加工工藝特點(diǎn)

        1.ADI曲軸基體硬度特點(diǎn)

        ADI曲軸基體硬度可達(dá)30~35HRC,因此曲軸軸頸不需再進(jìn)行任何表面強(qiáng)化處理,其軸頸表面耐磨性較珠光體基體球墨鑄鐵曲軸的耐磨性有顯著提高,尤其是曲軸經(jīng)圓角滾壓后,軸頸表面與滾壓支撐輪在高接觸應(yīng)力作用下使其表面粗糙度及表層硬度得到進(jìn)一步改善,這對于經(jīng)過精加工以后再進(jìn)行圓角滾壓的曲軸效果特別好。資料表明,基體硬度30~35HRC的ADI曲軸軸頸表面耐磨性與經(jīng)軸頸表面中頻感應(yīng)淬火的珠光體球墨鑄鐵曲軸45~50HRC的軸頸表面耐磨性相當(dāng),該工藝已在美國聯(lián)合收割機(jī)增壓機(jī)型上得到應(yīng)用和推廣。

        2.ADI曲軸機(jī)加工工藝特點(diǎn)

        ADI曲軸基體硬度一般控制在30~35HRC,較普通珠光體球墨鑄鐵曲軸基體硬度高。開發(fā)中經(jīng)等溫淬火后曲軸基體硬度多集中在305~332HBW,較普通珠光體球墨鑄鐵曲軸基體硬度250~300HBW高出50HBW,加工中曲軸磨削過程與普通珠光體球墨鑄鐵曲軸區(qū)別不大,但是其車削、鉆削及攻螺紋等加工難度增大,尤其是曲軸油孔及法蘭盤攻螺紋工序表現(xiàn)更突出,當(dāng)使用普通高速鋼鉆頭、絲錐加工ADI曲軸油孔及螺紋孔時(shí),就會出現(xiàn)較頻繁的斷鉆頭、斷絲錐現(xiàn)象,且加工效率較低。

        經(jīng)對比分析,ADI曲軸屈服強(qiáng)度較普通珠光體球墨鑄鐵曲軸要高,熱導(dǎo)率要低,且加工硬化現(xiàn)象明顯,這樣對加工ADI曲軸所使用鉆頭和絲錐的強(qiáng)度及耐熱性提出更高要求。經(jīng)試用,采用硬質(zhì)合金鉆頭、絲錐加工ADI曲軸油孔、螺紋孔底孔和攻螺紋時(shí),加工效率及加工質(zhì)量得到改善。據(jù)資料介紹,使用硬質(zhì)合金涂層刀具加工超過305HBW的ADI曲軸效果較好。據(jù)國外最新研究,由氧化鋁和碳化硅組成的合金材料刀具能夠滿足高硬度ADI曲軸的粗、精加工??傊珹DI曲軸還沒有實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn),對其加工特性及刀具的研究、選用還需進(jìn)一步探索。

        五、ADI曲軸的圓角滾壓及系列試驗(yàn)

        對加工后的兩種型號ADI曲軸進(jìn)行圓角滾壓,滾壓前根據(jù)曲軸的結(jié)構(gòu)尺寸、名義工作彎矩及所要求的安全系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行具體分析與計(jì)算,分別采用相應(yīng)的滾壓力,圓角滾壓后對兩種曲軸進(jìn)行疲勞試驗(yàn),其中ADI-1曲軸名義工作彎矩為504N m,曲軸疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5、表6。

        表5 本公司對ADI-1曲軸疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        該試驗(yàn)結(jié)果表明,曲軸疲勞彎矩在1200N m左右,曲軸安全系數(shù)≥2.0。

        表6 發(fā)動機(jī)廠對同批次ADI-1曲軸疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        該曲軸彎曲中值疲勞極限為1120N m,曲軸名義工作彎矩為504N m,安全系數(shù)≥2.0,高于一般標(biāo)準(zhǔn)1.6~1.8的安全系數(shù)要求。對經(jīng)過疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證滿足要求的兩種ADI曲軸均進(jìn)行了臺架試驗(yàn),并將其中一種曲軸進(jìn)行了裝機(jī)試驗(yàn),試驗(yàn)過程正常。

        六、ADI曲軸應(yīng)用前景分析

        目前,發(fā)動機(jī)曲軸所用材質(zhì)分為鍛鋼曲軸和球墨鑄鐵曲軸,鍛鋼曲軸主要用于中高爆發(fā)壓力的增壓發(fā)動機(jī),球墨鑄鐵曲軸主要用于較低爆發(fā)壓力的自然吸氣發(fā)動機(jī)。從現(xiàn)階段產(chǎn)品價(jià)格看,相同規(guī)格型號的鍛鋼曲軸是球墨鑄鐵曲軸的兩倍甚至更高。

        ADI具有良好的強(qiáng)韌性,特別是具有很高的疲勞強(qiáng)度,與鍛鋼曲軸相比具有成本優(yōu)勢,是制造發(fā)動機(jī)曲軸的理想材料,汽車曲軸是最能發(fā)揮ADI性能潛力并最能體現(xiàn)ADI應(yīng)用價(jià)值的典型結(jié)構(gòu)件。福特公司及克萊斯勒公司前期開發(fā)認(rèn)為:ADI是一種新型工程材料,能夠替代鍛鋼用于發(fā)動機(jī)曲軸。

        隨著我國汽車工業(yè)的供求關(guān)系日漸平衡,市場競爭逐步加劇,汽車價(jià)格日趨下降;另外,原材料價(jià)格持續(xù)上漲,生產(chǎn)成本增加,利潤空間縮小,因此,零部件、發(fā)動機(jī)、整車降成本已成為現(xiàn)階段一個(gè)不容回避的問題,其中,科技降成本首當(dāng)其沖,這就為ADI在汽車特別是在發(fā)動機(jī)曲軸中的應(yīng)用帶來了一個(gè)難得的歷史機(jī)遇期;同時(shí),殼型鑄造、鐵模覆砂造型等鑄造工藝在曲軸鑄造毛坯生產(chǎn)中的成熟應(yīng)用也為此創(chuàng)造了前提條件,等溫淬火工藝及成套設(shè)備也已在全國有多家分布,從零部件廠、發(fā)動機(jī)廠到汽車廠技術(shù)開發(fā)人員對ADI都開始關(guān)注。ADI曲軸在一定范圍內(nèi)替代40Cr、42CrMo等合金鋼鍛造曲軸的可行性研究論證、開發(fā)、試驗(yàn)、推廣應(yīng)用等一系列工作將逐步展開。

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