鑄態高強韌球鐵曲軸材質的研究與開發

　　[摘要]文章對球鐵曲軸生產中普遍存在的兩個關鍵技術難點進行了深入分析探討，找到了切實可行的解決辦法。同時強調提高工藝控制精度，建立質量體系的重要性。

　　l 前言

　　江鈴4JBl曲軸是一種QT800—2鑄態高強韌球鐵曲軸，我廠於2000年夏開始研究開發，經近兩年的努力，完成了曲軸「磁痕」缺陷和提高塑、韌性兩大難點的研究。並學習國外先進管理模式，不斷提高生產控制精度，建立一整套質量管理體系，目前已投入小批量試產。

　　2 國內外概況

　　國外義大利Firt汽車公司開發的高強韌性球鐵曲軸，在熱處理狀態下，曲軸本體達QT850—4性能指標，反映了當今國際先進水平。國內由武漢理工大學及東風汽車公司鑄一廠共同承擔的國家「九五」重點科技攻關項目「富康轎車QT740—3曲軸的研製開發」成功，表明國內鑄態球鐵的性能水平達到了一個新的高度。近幾年一汽、上汽、南汽等一些國內著名的汽車公司，都在進行鑄態高強韌球鐵曲軸國產化的研究開發。在我國加入WTO之際，汽車工業必須儘快提高自身水平，以接受世界汽車強國的挑戰，必須十分重視鑄造材料的研究，提高球鐵材質水平。江鈴4JBl球鐵曲軸的技術要求是：

　　本體機械性能σ_b≥800Mpa，δ≥2％，σ_0.2≥480Mpa，a_K≥20J／cm²，HB240—290，微觀組織球化等級1—3級，石墨5—7級，珠光體量75—95％，滲碳體+磷共晶≤3％。曲軸內部質量經超聲波探傷不允許有縮孔縮松，曲軸加工後表面質量經磁粉探傷不允許有「磁痕」。

　　3 試驗條件及方法

　　經過綜合考察，我廠選用「鐵型復砂」新工藝開發試驗。本溪生鐵為主要金屬爐料，配以球鐵回爐料和廢鋼，採用酸性中頻感應電爐熔煉。鐵水溫度為1520—1550℃；球化劑為Mg5—6，Re2—3，用量1.3-1.4％採用沖入法球化；澆注溫度1430—1360％；，澆注時進行二次隨流孕育，孕育量為0.2％。採用纖維過濾片過濾，型內冷卻開箱時間20—40min。機械性能及金相試樣均取白鑄態下的曲軸本體。

　　4 「磁痕」的研究

　　曲軸加工後經磁粉探傷發現：主軸頸和連桿頸存在較多的「磁痕」，嚴重時高達50％以上，一般正常情況下也有12％左右。據了解，其它單位也存在類似情況，普遍的最大問題就是「磁痕」造成報廢。 曲軸是發動機的重要件，而「磁痕」是斷裂源，易使曲軸產生斷裂失效。因此「磁痕」缺陷是球鐵曲軸生產中需著力解決的問題。

　　4.1 「磁痕」的宏觀形態

　　切取典型試樣Tl和T4(見圖1)，在放大100倍的金相顯微鏡下觀察(見圖2、圖3)。表明微線型「磁痕」實際上是厚度約0.03mm的破碎薄膜物；微孔洞型「磁痕」實際上是直徑約為0．25ram的小微粒。

　　4.2「磁痕」的性質

　　用EPM電子探針對兩種「磁痕」進行掃描，將探測到的特徵x射線波長計數轉換成重量百分比。掃描的結果如表1所示。

　　由探針分析結果可知：

　　(1)微線型「磁痕」是Cu、Mg局部富集並氧化產生CU₂O、MgO的薄膜夾雜物。

　　(2)微孔洞型磁痕是未熔化的硅鐵微粒造成局部富硅氧化生成SiO₂，並伴有MgS、點狀夾雜物。

　　4.3 「磁痕」——夾雜物形成原因

　　(1)Mg是強氧化元素，球化處理時，大量的Mg逸到鐵水表面被氧化成MgO，在靜立、澆注、充型過程中，這種氧化膜不斷生成、破碎，捲入鑄型。

　　(2)富Si夾雜物的產生主要來自隨流孕育劑，目前廣泛採用的隨流孕育方式一方面提高了孕育效果，同時也帶來值得十分注意的表面缺陷危害。如孕育劑未完全熔化或在型內混合不均勻，這都將造成富Si夾雜。

　　(3)鐵液中的夾雜物有高熔點的固態夾雜物和低熔點的液態夾雜物，有薄膜狀也有顆粒狀。液態渣和微細顆粒渣用纖維過濾網是過濾不掉的。

　　4.4 懸浮過濾除渣器的原理及效果

　　根據以上分析，我們自行設計了一套定量過濾澆注裝置，應用到曲軸生產中。

　　(1)原理：(a)懸浮(b)過濾(c)吸附示意圖

　　(2)效果：採用浮懸過濾器後5批388件無一發現磁痕。

　　5 提高塑、韌性的研究

　　在球鐵生產中，世界上先進的工業國家十分強調和重視強度和韌性的匹配，這也是他們球鐵生產水平高的體現。球鐵的韌性是其σb和δ的綜合表現，一般而言，球鐵要做出高強度容易，而在高強度的基礎上還要做到高塑性和高韌性實屬不易。義大利Firt汽車公司曲軸本體達QT850—4，比我國球鐵QT800—2標準在強韌匹配上確實高出一截。

　　5．1 提高韌性的途徑

　　(1)組織細化——分散晶內、晶界雜質，有害相及微觀缺陷，對鑄態尤為重要。

　　(2)鐵水凈化——消除各種夾雜物對性能的破壞。

　　(3)球化——不園整的石墨是斷裂源。

　　(4)微量合金化——從合金的種類和用量上進行優化，達到強化、細化基體的目的。

　　5．2合金化對塑、韌性的影響

　　(1)Mo對塑、韌性的影響試驗方案：Mo加入量選定為0.2％，通過4爐8包次對比試驗，每爐第一包不加Mo。第二包加Mo，結果為表2。

　　試驗說明在Mn<0.3的低量時加Mo起到了提高塑、韌性的作用，究其原因我們認為主要是因為Mo使整個基體形成了一個很好的韌性骨架所至。Mo在奧氏體中為正偏析，富集於奧氏體結晶前沿的熔體中，形成較大的成分過冷，使奧氏體以樹枝狀方式生長，因此促進了奧氏體的分枝，形成發達的一、二次枝晶，使整個基體形成一個很好的韌性骨架。Mo使珠光體細化，微量加入Mo，Mo的碳化物均勻細小彌散分布在基體中，對珠光體起著強化作用。

　　從理論上由於Mo與c的親和力很強，當Mo超過一定量時，將會形成較多的碳化物，聚集反而破壞韌性。故用量不能過多，試驗證明本試驗的成分中加入0．2％左右的Mo是恰當可行的。

　　(2)sb量的優化

　　Sb是強烈促進珠光體化的元素，為了對其有個全面的認識，我們分別試用了幾種不同的Sb含量，統計結果如下表3。

　　將以上105組數據分類可以看出，隨著Sb含量的降低：

①HB>290的比例迅速降低，如圖5

②δ≥4的比例迅速增加，如圖6

③aK_max不斷提高，如圖7

　　究其原因我們認為：一方面Sb在共析轉變階段石墨化能力係數為一16，強烈促進和細化珠光體，有效提高強度。另一方面Sb熔點為630％，在結晶凝固時有強烈的晶界偏析傾向，很容易生成金屬間化合物硬質相。如Mg₃Re₂墨色塊狀化合物等存在於晶界，嚴重削弱了塑、韌性。J．Gugot④在研究中通過X射線面掃描分析表明，夾雜物富集有Sb和Mg。堀江皓⑤等研究了含Sb球鐵中加Ce，與Sb的中和產物大多分布在奧氏體晶界。有XMA分析證明，夾雜物富集有Ce、Sb和O。我們認為Sb的偏析特性和易生成硬質相存在於晶界的特性，制約了其用量——即用量過大造成的負面影響就大，這也是造成塑、韌性差、離散度大的重要原因。

　　分別將a_K=50、Sb=0.0064的A衝擊試樣和a_K=14、Sb=0.036的B衝擊試樣，採用EPM電子探針設置加速電壓20KW，樣品電流0.04nA及10nA，對樣品進行掃描圖像觀察及分析。試樣A經背散射電子圖象放大600倍觀察到，石墨大小，分布均勻，球的周圍白亮區是鐵素體，球的直徑約30um如圖8所示。球形園整說明微量Sb不會惡化石墨球人園整性。微量元素Sb以特徵x射線波長為3.437A，對試樣進行線掃描及面掃描(理論波長為3．437a)發現該微量元素均勻分布於基體中，無聚集現象。說明微量的Sb硬質相均勻細小彌散分布在基體中，對珠光體基體起著強化作用。試樣B經二次電子圖象放大600倍觀察到，斷口表面為解理和局部沿晶界混合撕裂。如圖9所示，表明由於Sb含量比A高出5倍以上，沿晶界處顯示脆裂特徵。

　　(3)再驗證試驗

　　總結上述經驗，我們感到每個合金化元素都有其正面影響和負面影響。為了儘可能克服和防止合金的負面影響，我們按照多元微量合金複合強化的原則對合金元素及其用量重新調整為Mn<0.3、Cu<0.3、M0<0.2、sb<0.014—0.006，採用特制定量過濾澆注裝置，15—20Ppi泡沫陶瓷過濾塊過濾，確保鐵水凈化。用250Kg電爐試驗了IO爐次，用1000Kg電爐試驗了7爐次，結果見下表4、表5、表6、表7。

　　值得一提的是：在硬度方面普遍較前期使用高Sb量時降低了10-15HB，而強度仍維持在較高水平。試樣經探針掃描顯示，採用Sb<0.014-0.06，Sb化合物硬質相成點狀均勻細小彌散分布在基體中，珠光體基體已能得到足夠的強化。但如果Sb量過高，硬質相過多堆積，對提高基體強度作用已不大，而硬度卻明顯上升。

　　6 質量體系

　　生產高強韌鑄態球鐵曲軸，要以選用適當的工藝設備、原材料、採用先進的工藝方法和先進的檢測手段為基礎，以先進的質量體系作保證。

　　6.1 提高工藝控制精度

　　(1)採用電爐熔煉，原材料及配方相對穩定

C波動範圍±0.1S原<0.03—0.02，S終<0.02一0.01Mg殘0.035—0.045，Re殘0.02—0.03

　　(2)原材料是基礎，孕育瞬時、量准、均勻、充分熔解是關鍵

　　隨流孕育改為瞬時定量澆杯孕育，做到瞬時、量准、均勻，克服了原來由於澆注速度快慢造成孕育量不準，孕育不均勻的缺點。更好的是孕育劑在澆杯中能完全均勻熔化，防止了因直接隨流造成未熔富Si夾雜點問題。

　　(3)鐵水凈化

　　根據懸浮、過濾、吸附的除渣原理，設計了一套「定量過濾澆注裝置」。液態渣和大顆粒渣可懸浮撇除，懸混在鐵水中間的顆粒渣可過濾撇除。微細渣則由陶瓷過濾塊吸附撇除，鐵水得到了很好的凈化。

　　(4)恆定澆速

　　鐵型復砂工藝由於排氣條件相對較差，對澆注速度要求較為嚴格，過慢易造成冷隔，過快易產生氣孔。採用定量過濾澆注裝置後，克服了人為操作的影響，使澆速相對恆定，杜絕了因澆注不當產生的廢品。

　　6．2建立質量體系

　　我廠在1996年通過IS09002質量體系認證後，於1998年通過法國萊茵公司QS9000審查認證。在研究開發4JBl的過程中，我們採用國外的先進質量管理模式，做了產品質量先期策劃(APQP)，進行了各種潛在失效模式及其後果分析(FMEA)，制訂了質量控制計劃(QCP)，並進行了PPAP生產件批准程序。在成分控制方面，除直讀光譜儀以外，我們增加了爐前熱分析儀。在金相檢測方面，除常規金相顯微鏡外，增加定量金相分析儀及數碼攝像，分析檢測結果客觀，減少人為判斷誤差。在鑄件檢測方面，新增加了超聲波檢驗球化率，無損探傷，可對曲軸進行100％的檢查。

　　7 結論

　　(1)自行設計的「定量過濾澆注裝置」不但能有效凈化鐵水，解決曲軸生產普遍存在的「磁痕」難症為題，而且給生產控制帶來了諸多好處。

　　(2)本文實踐的「多元微量合金複合強化」的方法是生產鑄態高強韌球鐵的有效途徑。生產的4JBl球鐵曲軸在鑄態下可以接近Firt汽車公司的先進水平。

　　(3)設備工藝是基礎，質量體系是保證。進入WTO後，要接受世界汽車強國的挑戰，必須十分重視質量體系的建立

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