高强 度高韧性球墨铸铁曲轴铸造技术 杨思一１，丛建臣２，孙海涛２，于海明２，慈惟红２ （１．山东理工大学机械工程学院，山东淄博２５５０４９；２．天润曲轴股份有限公司，山东文登２６４４００） 摘要：为了提高球墨铸铁曲轴的强韧性和铸造质量、降低铸造废品率，研究了曲轴的微合金化技术、铁液共晶点控制技 术、球化处理技术、曲面分型方法和组织均匀化正火工艺，成功生产出高强韧性球墨铸铁曲轴。球铁曲轴抗拉强度由原 来的８７２ ＭＰａ提高到９２７ ＭＰａ，冲击韧度由２６＿ｌ／ｃｍ 提高到４０＿ｌ／ｃｍｚ，缩松缺陷由原来的１．４４％降低到０．１９％。 关键词：球墨铸铁曲轴；高强度；高韧性；铸造技术 中图分类号：ＴＧ２５５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３—８３４５（２０１１）０６—００３９—０５ ＤｏＩ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００３－８３４５．２０１ １．０６．００４ Ｃａｓｔｉｎｇ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ—Ｈｉｇｈ Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ Ｎｏｄｕｌａｒ Ｉｒｏｎ ＣｒａｎｋｓｈａＲ ＹＡＮＧ Ｓｉ—ｙｉ ，ＣＯＮＧ Ｊｉａｎ—ｃｈｅｎ ，ＳＵＮ Ｈａｉ—ｔａｏ２，ＹＵ Ｈａｉ－ｍｉｎｇ２，ＣＩ Ｗｅｉ—ｈｏｎｇ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｚｉｂｏ ２５５０４９，Ｃｈｉｎａ；２．Ｔｉａｎｒｕｎ Ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ Ｃｏ．Ｌｔｄ． Ｗｅｎｄｅｎｇ ２６４４００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｄｕｌａｒ ｉｒｏｎ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ，ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｃａ￣ｉｅｄ ｏｕｔ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｎｉ—ａｍｏｕｎｔ ａｌｌｏｙｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｉｒｏｎ ｍｅｌｔ ｅｕｔｅｅｔｉｅ ｐｏｉｎｔ， ｎｏｄｕｌａｒｉｚｉｎｇ ｔｒｅａｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｃｕｒｖｅｄ ｍｏｕｌｄ ｐａ￣ｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ—ｕｎｉｆｏｒｍｉｚｉｎｇ ｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ，ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅ ｈｉｇｈ—ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｎｏｄｕｌａｒ ｉｒｏｎ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ｗａｓ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ｗａｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ ｏｒｉｇｉｎａｌ ８７２ ＭＰａ ｔｏ ９２７ ＭＰａ，ｉｔｓ ｉｍｐａｃｔ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｗａｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ ２６ Ｊ／ｃｍ ｔｏ ４０ Ｊ／ｃｍ ， ｔｈｅ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ—ｃａｕｓｅｄ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｗａｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｒｆｏｍ １．４４％ｔｏ ０．１ ９％． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎｏｄｕｌａｒ ｉｒｏｎ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ；ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｈｉｇｈ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ；ｃａｓｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ 发动机主要应用于汽车、工程机械、农业机 械和国防装备等领域中。曲轴作为发动机核心部 Ｍｏ的熔点非常高，只能在电炉中加入。Ｍｏ是一 种碳化物形成元素，易在晶界偏析，如图１（ａ）所 示，经热处理也不能消除，随着 （Ｍｏ）量的增多， 件，在能量转换和功率输出过程中起着关键性作 用。球墨铸铁曲轴具有良好的耐磨性、减震性、加 工性以及高的性价比等优点被广泛应用。为满足 节能减排的更高要求，新型中等功率发动机向着 高速、增压、高功率方向发展；随着曲轴所承受的 载荷增加，要求曲轴具有更优良的综合力学性 能。 高性能球铁通常有两类：一是Ｃｕ—Ｍｏ球 铁＿ｌ＾２１；二是等温淬火球铁（ＡＤＩ）ｌ ３ｌ。ｃｕ—Ｍ０球铁、 Ｎｉ—ｃｕ球铁及Ｎｉ—Ｍｏ球铁具有高的抗拉强度， （Ｃｕ）量为０．５％左右、 （Ｍｏ）量为０．３５％左右， 收稿日期：２０１１－０２—０５ 修定日期：２０１１－０８—０４ 作者简介：杨思一（１９６２一），男，汉族，山东冠县人，教授，主要从 事铸造技术研究工作。 ２【）ｌ１／６现代铸铁ｌ ３９ 虽然材料强度上升，但韧性下降，如图２（ａ）所 示，满足不了新型发动机曲轴服役的要求。ＡＤＩ 的性能虽然可以和锻钢相媲美，但工艺复杂，技 术难点难以克服，国内外虽有研究但很少应用在 曲轴上。传统球铁曲轴存在两大问题：不能在保 证高强度的同时具备高韧性；其次，无法实现曲 轴的高质量一致性，成为制约发动机发展的瓶 颈。 笔者围绕球墨铸铁曲轴的材料和铸造工艺 方面进行研究，开发出了高强度、高韧性球墨铸 铁曲轴的生产技术。 １试验方法 １．１微合金化技术 分析了ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｎｂ等合金元素的优 缺点，采用正交试验法，按不同配比进行了反复 试验，获得了大量技术数据，最终确定用Ｃｕ—Ｓｎ 合金代替ｃｕ—Ｍｏ合金。 Ｓｎ的熔点只有２３０ ｏ【＝，在铁液中能够即时 熔化并完全扩散。通过将Ｓｎ配制到孕育剂中，不 仅充分发挥了Ｓｎ的合金化作用，又强化了孕育 效果。铁液凝固时，Ｓｎ原子被吸附在共晶团和石 墨球周围，阻碍原子扩散，破坏了晶粒长大条件， 使晶粒得到细化；包围在石墨球周围的Ｓｎ原子， 减缓了Ｃ从基体向石墨球的扩散，从而促进形成 珠光体，提高珠光体稳定性，使石墨球细小、均匀 （如图１ｂ所示），提高了材料的强度和韧性（如图 ２ｂ所示）。 采用扫描电镜和电子探针进一步研究发现， Ｆ｝１于Ｓｎ的加入，改变了Ｃｕ的组织偏析状态，Ｃｕ ４０ １现代铸铁２０１１／６ 元素在材料基体内的分布变得很均匀（如图３）， 从而改善了组织的均匀性，提高了曲轴的力学性 能。试验确定， （Ｓｎ）量控制在Ｏ．０２％左右， （ｃｕ）量仍控制在０．５％左右，取消０．６％的Ｍｏ— Ｆｅ加入，每年可节约Ｍｏ—Ｆｅ ８０余ｔ，曲轴每吨成 本下降１５％。 从表１中可以看出，与国内Ｃｕ—Ｍｏ球铁曲 轴相比 ，Ｃｕ—Ｓｎ球铁曲轴的抗拉强度、伸长率和 冲击韧度明显提高，曲轴的承载能力和可靠性得 到提升，使用寿命延长，达到了４２ＣｒＭｏＡ锻钢曲 轴水平。 表１力学性能 Ｔａｂ．１ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｉｅｓ【 】 １．２铁液共晶点控制技术 具有共晶成分的铁液，结晶范围窄、易补缩、 工艺性最好。生产过程中通常将铁液ＣＥ控制在 共晶点附近，以获得优质铸件。生产过程中，在 ＣＥ、浇注温度等条件相同的情况下，不同来源的 炉料（生铁厂家变换或加入比例改变等），其缩松 的废品率相差很大，有时缩松废品率在１％以下， 有时却高达３０％。 经过研究发现，无论是改变矿粉还是炉料中 加入废旧钢渣，铁液五大元素ｃ、ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｐ都 会调整到要求的范围之内，而众多微量元素却没 有控制且根本无法控制。尤其是在国内矿粉紧 张、大量依赖进口的情况下，所用矿粉更是来自 “五湖四海”，造成生铁中微量元素呈多样性与多 高，环境污染严重，并且砂芯高温燃烧易产生气 孔等，下芯不当会造成曲轴夹砂缺陷，曲轴废品 率高。 为了解决上述问题，采取了曲面分型铸造技 术。工装设计时沿两端主轴与连杆轴中心线，对 于无法起模的连杆轴颈ｂ、ｃ、ｄ、ｅ部分，在连杆轴 颈中心与中间位置选择一个面，将连杆轴颈分成 两型，将拔模斜度由原来的直线型改为圆弧斜线 型。在造型过程中避免尖角的产生，不易掉砂，同 时圆弧面可以增加型砂强度，便于起模，这样原 先由芯子形成部分在造型时自动形成，取消了型 芯，改善了温度场，并在此基础上设计新的浇注 系统，实现控制凝固，省去了制芯、下芯、下冷铁 三道工序，实现无型芯铸造。 该项技术简化了操作工序，避免了夹砂等铸 造缺陷；节约原辅材料，铸造成本下降６％左右； 劳动强度降低，生产效率提高；根除了型芯产生 的有害气体，工作环境得到大幅度改善，保证了 工人的身心健康。 １＿５组织均匀化正火处理技术与装备 通常正火方式是工件采用箱式电炉加热，正 火出炉温度达８００℃以上，工件出炉后平放、风 雾冷却。风雾只能从一个方向吹向工件，工件正 对风雾方向和背对方向不能同时均匀冷却，存在 阴阳面。由于冷却条件不同，工件正火后各部位 珠光体体积分数、珠光体片间距和晶粒大小均存 在很大差异，导致工件不同部位力学性能差异极 大。同时，冷却条件不同，组织应力和热应力也存 在很大差异，造成工件变形较大。 笔者开发了自动旋转风雾冷却技术，如图７ 所示。工件垂直悬挂并旋转，采取侧向喷雾冷却， ４２ ｌ现代铸铁２０１１／６ 自动调整风雾量，使各部位冷却均匀一致，正火 后的组织一致性得到提高，本体硬度差由５０ ＨＢ 降低到２０ ＨＢ；同时，均匀冷却后工件的热应力 和组织应力分布均匀，减少了工件变形。 在此基础上研制了一条悬挂式连续自动生 产线，解决了原箱式炉存在的能耗高、效率低、环 境恶劣等问题，取代了１６台箱式炉，生产效率大 幅提高。采用自动控制系统，实现了工件自动入 炉、出炉、冷却，控制冷却至５００℃，自动进入回 火炉，利用余热进行回火处理，每年可节电１ ２００ 万度。 ２试验结果 ２．１性能、经济指标 通过以上研究，球铁曲轴抗拉强度由原来的 ８７２ ＭＰａ提高到９２７ ＭＰａ，冲击韧度由２６ Ｊ／ｃｍｚ 提高到４０ Ｊ／ｅｍ２ｏ从表２可以看出，本项目球铁曲 轴的疲劳弯矩分别提高了３８％、１４．３％，安全系数 提高，变异系数下降，性能优于锻钢曲轴，可靠性 提高，使用寿命延长。主机厂采购价格分别下降 ２８％、３５．７％。克服了锻钢曲轴设备投资大、加工 复杂、能耗高、成本高等缺点，实现了以铁代钢。 ２．２工艺指标 从表３可以看出，本项目的球化处理工艺与 国内外使用的工艺相比，Ｍｇ的吸收率提高，球化 表２ ＷＤ６１５曲轴指标比较 Ｔａｂ．２ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ＷＤ６１５ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ 指标 ＃４５ ４２ｃｒＭ。Ａ Ｃｕ－Ｓｎ球铁曲轴 （国内外）（国内外） （本项目） 注：锻钢曲轴数据由天润曲轴有限公司提供。 表３球化处理工艺对比 Ｔａｂ．３ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｎｏｄｕｌａｒｉｚｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ 厚大球铁铸件铸造工艺探讨 杭家友 （普什铸造有限公司，四川宜宾６４４０００） 摘要：介绍了风电产品铸件的技术要求，指出：设计合理的浇注系统可以有效地解决夹渣问题，还有利于铸件补缩；小冒 口生产成本低于一般的冒口工艺，工艺出品率大大提高，而工艺稳定性则高于无冒口铸造工艺；利用冷铁改变铸件冷却 速度则有利于解决石墨漂浮和碎块状石墨缺陷，但要慎用冷铁，尤其是高牌号球铁铸件。 关键词：厚大球铁件；浇注系统；冒口；冷铁印迹；石墨漂浮 中图分类号：ＴＧ２５５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—８３４５（２０１１）０６—００４３—０５ ＤＯＩ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００３—８３４５．２０１ １．０６．００５ Ａ Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ Ｃａｓｔｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｈｅａｖｙ Ｎｏｄｕｌａｒ Ｉｒｏｎ Ｃａｓｔｉｎｇｓ ＨＡＮＧ Ｊｉａ—ｙｏｕ （Ｐｕｓｈｉ Ｆｏｕｎｄｒｙ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｙｉｂｉｎ ６４４０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃａｓｔｉｎｇｓ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｔ ｗａｓ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｔｈａｔ ｒａｔｉｏｎａｌ ｇａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｄｅ ｉｔ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｔｏ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｈｅ ｄｒｏｓｓ ｄｅｆｅｃｔ ａｎｄ ａｌｓｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｆｅｅｄｉｎｇ．Ｔｈｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ｓｍａｌｌ ｒｉｓｅｒｓ ｃｏｕｌｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｅ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｙｉｅｌｄ ｒａｔｅ，ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｕｓｉｎｇ ｂｉｇ ｒｉｓｅｒ， ａｎｄ，ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｒｉｓｅｒ—ｌｅｓｓ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｕｓａｇｅ ｏｆ ｃｈｉｌｌｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃａｒｅｆｕｌ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｇｒａｄｅ ｎｏｄｕｌａｒ ｉｒｏｎ ｃａｓｔｉｎｇｓ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｕｓｉｎｇ ｃｈｉｌｌｓ ｔｏ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｃｏｏｌｉｎｇ ｒａｔｅ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｆｌｏａｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈｕｎｋ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｖｙ ｓｅｃｔｉｏｎ ｎｏｄｕｌａｒ ｉｒｏｎ ｃａｓｔｉｎｇ；ｇａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｒｉｓｅｒ；ｃｈｉｌｌ ｐｒｉｎｔ；ｇｒａｐｈｉｔｅ ｆｌｏａｔａｔｉｏｎ 风电机组运行环境恶劣，所以对其铸件的质 量要求很高。有的铸件要求低温（一２０℃或者一４０ 收稿日期：２０１１一（）ｌ一３Ｏ 修定日期：２０１１－０７—２７ ℃）冲击性能，有的要求高抗拉强度（ＱＴ７００— ２Ａ），几乎所有铸件都要求ｕＴ检测，甚至要求 ＭＴ检测、ＲＴ检测、ＰＴ检测等。 风电铸件多为球铁铸件，质量大（转子铸件 达到３０ ｔ），尺寸大（转子４，４ ５００ ｍｉｌｌ，机架高度 ３ ６００ ｍｍ），铸件壁厚尺寸大（最小壁厚大于４０ 作者简介：杭家友（１９８２．１０一），男，汉族，重庆南川人，中北大学工 学学士，从事砂型铸造Ｘ－作，主要研究铸造工艺理论并进行生产 实践应用。 剂的使用量下降，铁液温度损失减小，球化质量 好，劳动条件好。 参２００５，（５）：５４—５５． 考文献 …严水娟．铸态ＱＴ８５０—３球墨铸铁曲轴的生产 现在铸铁， 曲轴铸件缩松废品率仅为０．１９％，远低于日 本、德国指标。 【２］￣ｔｌ光华，张永秀，尹晓舜，等．球墨铸铁曲轴应用前景的评估【Ｊ】 ｌ现代铸铁，２００５，（１）：１－６． 『３１５￣１￣光华，王怀林．增压柴油机等温淬火球铁曲轴的开发与应用 ３ 结束语 球铁曲轴经过装机运行，各项技术质量指标 『Ｊｌ＿现代铸铁，２００７，（２）：１３—１８． ［４】吴德海，钱立，胡家骢．灰铸铁球墨铸铁及其熔炼［Ｍ］．北京：中 均达到了产品设计要求，实现了球铁曲轴在新型 发动机上的大规模应用。 国水利水电出版社，２００６：１４—１６．掣圈圈 （编辑：王峰，Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｄｚｔ ｗｆ＠ｆａｗｆｃ．ＣＯｉｎ； 编审：周 亘，Ｅ—ｉｎａｉｌ：ｚｈｏｕｇｅｎ ｅｍｂｘ＠１６３．ｃｏｎ） ２【）ｌｌ／６现代铸铁ｌ ４３