炉前碳硅合金元素补料对冷激铸铁凸轮轴金相组织的影响

刘振 罗颖洹 李海河

摘要：炉前补料时间对冷激铸铁凸轮轴的影响做了一些试验。试验发现，补料会在一定的时间内产生孕育作用，对产品的白口深度有抑制作用。

关键词：冷激铸铁；激冷层；白口深度；金相组织

1.概述

凸轮轴是汽车发动机的关键部件之一，因凸轮轴凸轮表面和挺杆之间有很高的接触应力和较快的相对滑动速度，并且在高速机械运动过程中产生高温，所以对凸轮轴的铸造质量要求相当高，特别是要求具备良好的耐接触疲劳和耐磨性能。

冷激铸铁凸轮轴以其低成本、高性能的显著特点，得到了广泛的应用[1-2]。影响冷激铸铁凸轮轴铸造质量的因素很多，如铁水浇注温度、原材料化学成分、炉料配比、浇注时间点等。其中化学成分的控制是一个非常重要的影响因素，主要是不同的合金元素对铸铁的组织形貌和产品性能有着不同的影响。碳是形成渗碳体的元素，碳量增加则渗碳体数量增加，因而硬度增加，但却使白口层减小，引起心部灰口区石墨粗大。而硅量增加时白口层深度、硬度均下降，在一定范围内适当增加硅，有利于减少凸轮心部游離碳化物，可改善整轴综合性能，过低硅量将导致白口层过深 [3-4]。由此可见添加碳和硅都会有抑制白口形成的孕育效果。在确保获得足够的冷激层后，要将碳当量控制在一个较低的水平，以获得较高的产品机械性能。但是，当碳当量过低时，除了不利于获得好的冷激层以外，还会增加缩孔倾向，造成产品报废[5]。

某凸轮轴铸造工厂考虑到铁水碳硅含量偏高导致成分调整困难，一般将炉前铁水碳硅含量控制在下限值，经炉前成分检验后再按技术要求进行补料，即添加增碳剂和硅铁来调整碳硅含量。但碳硅合金元素有孕育效果，存在孕育时效，抑制白口的形成，如孕育时间点选取不当则会影响到产品的机械性能。本文研究了补料时效对白口深度及凸轮轴桃尖金相的影响，经过数据分析确定补料后的出水时间点，从而保证产品机械性能质量。

2.产品技术要求

某冷激铸铁凸轮轴产品要求凸轮轴部位使用冷铁进行半激冷，其化学成分为：3.0%～3.4% C； 1.9%～2.4% Si；0.6%～0.9% Mn；<0.2% S；<0.12% P；<0.3%～<1% Cr；0.01%～0.05% Mo；0%～0.7%Cu；0%～0.05% Ni。外层冷激区为白口组织，其金相组织为：莱氏体+细针状碳化物+细片状（或颗粒状）珠光体；允许有少量游离点状石墨存在。过渡区为麻口组织，其金相组织为：莱氏体+珠光体+碳化物+少量片状石墨。凸轮轴的心部（其心部直径应≥φ10mm）和基圆部分为珠光体灰口铸铁，其金相组织为：细片状（或中等片状）珠光体+石墨（石墨形状：A型或+E型）。冷激层深度≥4mm，桃尖硬度≥48-56HRC，产品材料为HT300。

3.试验条件以及试验方法

3.1试验条件

熔炼设备为360kg的中频感应炉，用热电偶对铁水进行炉前和浇注时温度的测量，采用炉前铁水成分分析仪进行成分分析，从而确定合金成分并进行相应补料，使用金相显微镜观测试样的金相组织。

3.2试验方法

试验使用的原材料：回炉料、废钢、增碳剂、硅铁、锰铁、铬铁、铜、孕育剂（硅钡）。

熔炼过程：先加回炉料，后加废钢，待全部熔完后加入合金材料，并将铁水在1550-1580℃温度条件下保温约5min。使用铁水分析仪进行炉前成分分析，依据检测结果进行适当补料（增碳剂及硅铁），然后浇注炉前三角试样并检测确认白口深度，后出铁水（温度条件1520-1550℃、1熔炉铁水可分出7包同等重量铁水）至已加入定量孕育剂的孕育包进行孕育处理。，并重新浇注炉后三角试样检测白口深度，稍作静置使铁水温度降到1320-1420℃开始浇注。每包铁水要求5min内浇注完，要求铁水从熔炉转至孕育包的出水过程为连续循环进行，生产条件一致，过程稳定。

数据收集方法：（1）铁水补料3min后每分钟取样收集三角试样白口深度数据；（2）取第1包与第7包铁水相同浇注序号的产品进行金相组织对比分析。

4.试验结果和分析

4.1白口深度变化分析

铁水补料完成保温3min后，每分钟取样浇注三角试样进行检测白口深度。使用的三角试样如图1示。白口深度数据如表1示：

从表1数据可知随着补料后时间推移三角试样的白口深度呈明显递增趋势。这是因为补料添加增碳剂和硅铁起孕育作用，抑制白口组织的形成，随着时间推移，孕育作用慢慢减弱，所以铁水白口深度越来越深。其孕育作用时效约10min，即白口深度在10min后达到最深状态并保持基本稳定。

4.2金相组织分析

第1包与第7包铁水浇注的凸轮轴桃尖部位腐蚀前石墨形态如图2示。其中图a石墨形状主要为A型，长片状+少量点状石墨，孕育充分；图b石墨形状主要为A型，长片状+短片状+较多点状石墨，孕育较充分。

图3是凸轮轴桃尖部位腐蚀后金相形态，第7包铁水产品的珠光体明显较第1包含量高，即前者孕育效果较后者弱，存在孕育衰退现象。

从金相对比分析可知，铁水补料后先浇注产品孕育效果明显好于后浇注产品，但珠光体含量少于后浇注产品。碳、硅合金元素含量是影响孕育效果的主要因素，故从金相图的对比差异说明第1包铁水碳、硅合金元素含量较第7包铁水高。因每包铁水量及孕育剂加入量一致，同时其它生产条件一致，故认为碳、硅含量差异主要是由补料加入的增碳剂与硅铁时效作用影响。增碳剂与硅铁加入至熔炉的铁水中时，铁水中的碳、硅含量迅速增高起到孕育作用，同时对珠光体起抑制作用，随着时间推移此作用逐渐减弱。此现象与4.1中分析的白口深度变化趋势一致。

因铁水补料添加的增碳剂与硅铁对铁水存在一定的孕育时效，如在其孕育作用时效期出水进行孕育处理，则会存在孕育作用叠加。可能造成过度孕育，加大抑制珠光体产生，而铁素体增加，导致凸轮轴产品桃尖部位冷激层变浅，同时产品的机械性能下降。因此，铁水补料后出水时间点是一个关键的工艺参数。从试验数据上看，该HT300铁水补料孕育时效约为10min，即补料10min后再出水为宜。

5.结论

（1）铁水熔炼补料添加的增碳剂和硅铁对铁水具有一定的孕育作用，并存在一定的孕育时效，孕育作用随时间推移呈逐渐减弱趋势；

（2）铁水孕育处理应在补料孕育时效过后进行，避免发生孕育叠加，造成过度孕育；

参考文献：

[1]米发国，何斌锋.浇注温度对激冷铸铁凸轮轴组织性能的影响[J].热加工工艺，2008，（11）：40-42.

[2]李平，魏伯康，蔡启舟，段汉桥.原材料对激冷铸铁凸轮轴组织和性能的影响[J].中国铸造装备与技术，2004，（5）：7-11.

[3]李平，魏伯康，蔡启舟，段汉桥.工艺因素稳定性对激冷硬铸铁凸轮轴质量的影响[J].现代铸铁，2004，（1）：42-44.

[4]赵书城.冷激铸铁凸轮轴铸造技术[J].中国铸造装备与技术，2001，（3）：3-6.

[5]戴红星，徐中旺. 铸造稳定合格的冷激铸铁凸轮轴毛坯[OL].汽车制造业.

作者简介：

刘振（1992.07-），男，本科，材料成型及控制工程专业铸造方向；

罗颖洹（1987.08-），男，助理工程师，本科，主要研究方向为汽车动力总成零部件铸造及机加工。