碳含量对TU5JP4灰铸铁冷激凸轮轴铸造弯曲变形和气孔的影响

沈保罗，李 莉，张 昊

（1.四川大学，四川成都 610064；2.成都金顶凸轮轴铸造有限公司，四川郫县 611732）

1 前言

冷激凸轮轴是一种细长的杆状零件，铸造后常常出现弯曲变形。若弯曲变形超过1mm,则凸轮轴就要报废。卢勤杰等人[1]曾经就Cr-Ni-Cu合金灰铸铁凸轮轴的弯曲变形做过深入研究；他的研究表明，如果保证做到以下八点：

①从原材料开始控制，各种原材料均应符合要求。进入炉内的回炉料中Fe3C组织尽可能少，新生铁不允许含有白口组织；

②强化配料计算，强调计算准确，强化熔炼工操作技能，尽可能缩短熔炼时间，确保得到低应力铸铁；

③坚持高w(C)低w(Si)，采用高CE的近共晶亚共晶化学成分。CE在4.0%～4.2%为好，w(C)以3.5%左右为佳；

④密切注意w(S)的变化，坚持适当的w(S)量，确保孕育有效；

⑤坚持低硅孕育量，采用高效复合孕育剂。既要降低应力，又要保证孕育效果；

⑥合理设计浇注系统，尽量减小浇注系统凝固引起的应力；

⑦从覆膜砂进场开始控制，强化制壳操作，保证型壳自身变形量比较低；

⑧强化合箱组型工艺，采用铸铁夹板，将砂型的变形量降到最低。采取上述措施后，跳动超差超过1mm的凸轮轴数量可以降低到3%以下。

但是3%的跳动超差废品率对于竞争日益加剧的凸轮轴铸造毛坯生产厂家来说，也是不可接受的。

此外，凸轮磨削后常常可以见到皮下大气孔，对于这种冷激面下出现的皮下气孔，有人已经进行了分析和讨论并取得较好的效果[2-3]，下面就介绍我们降低凸轮轴弯曲变形率和皮下气孔的做法。

2 试验方法

2.1 制壳

采用覆膜砂和翻斗制壳机通过二次覆砂的方法制备覆膜砂壳型，壳型厚度10mm～20mm。采用水平分型和卧浇的方法浇注凸轮轴。

2.2 铸铁熔炼和浇注

铁液在GW型500kg无芯中频感应电炉中熔炼，炉衬材料为石英砂。用山西球铁生铁、废钢、75Si-Fe、锰铁、回炉料、电解铜、增硫剂和石墨增碳剂等原料调整铁液的化学成分，用德国OBLF光谱仪分析化学成分。该灰铸铁凸轮轴技术要求的化学成分见表1。熔炼温度为1560℃～1580℃，铁液出炉温度为1540℃～1560℃,用75SiFe作孕育剂，分别在600kg的中转包和150kg的浇包中进行孕育处理，75SiFe加入量为0.1%～0.3%（根据凸轮轴需要的白口深度进行调整）。用覆膜砂壳型浇注凸轮轴，浇注温度为1380℃～1400℃，浇注后约1h打箱取件，凸轮轴的温度约200℃左右。

表1 TU5JP4灰铸铁凸轮轴的化学成分（%）

2.3 改进思路

TU5JP4灰铸铁凸轮轴中除Si、Mn外几乎不含其它合金元素。为了使该凸轮轴有较高珠光体含量以便保证凸轮轴有较高的强度,在开发该凸轮轴的初期我们在其中加入0.3%～0.4%Cr，用户反映凸轮的磨削性能较差，为了改善磨削性能被迫取消了铬的加入。为了保证凸轮轴轴颈的硬度达到用户要求的170HB以上，在凸轮轴中加入了适量的铜和锡，经用户大批量试验发现，不但加工凸轮轴中间的识别轴颈时，偶尔有打刀的现象，而且料废达不到用户要求的0.8%以下，料废中激冷凸轮的皮下气孔占70%（图 1）。

图1 凸轮磨削后显现的气孔

分析认为，凸轮轴变形是由于凸轮轴中存在残余应力引起的。铸造残余应力是铸件在冷却过程中，当温度降至塑—弹性转变温度区间后，由于各部温度的差异导致收缩的不一致而产生的。在应力的形成过程中，同时进行着应力的增长与松弛，当各部温度达到一致，应力增加停止，但松弛仍在继续进行。在碳当量相同的情况下，弹性模量是影响残余应力的重要因素，而残余应力和抗拉强度并无直接的对应关系。弹性模量主要取决于石墨的数量和形态，而基体是不敏感因素，合金元素对弹性模量的影响也不大。因此，通过降低塑—弹性转变温度，提高铸铁的导热性能，研究并改变线收缩状态，以及改变基体组织，是可以生产出高强度低应力铸铁的。一般认为，材料的线膨胀系数越小，在温度变化时，其收缩也越小。对于灰铸铁而言，碳含量是影响线膨胀系数的最主要因素。因为碳在凝固过程中主要转变成石墨，由于石墨的热膨胀系数仅2%左右，远低于基体的热膨胀系数，故石墨增多会使铸铁的凝固收缩大大减少，从而降低铸铁的弯曲变形。

碳的另一个特点是，碳含量增加会使铸铁的整体凝固时间延后，铁液中的气体就更容易在铁液凝固成固体前析出而不致于产生皮下气孔。这也就是高碳含量铸铁不容易产生皮下气孔的原因。

3 试验结果

我们将碳含量分成两组，一组含碳量控制在3.4%～3.6%（称为低碳含量组,见表2），另一组含碳量控制在3.6%～3.7%（称为高碳含量组,见表2），统计18万余只凸轮轴的结果见表3。由表3可见，高碳含量组凸轮轴的气孔率和过弯率都低于低碳含量组。这个事实说明，提高TU5JP4灰铸铁凸轮轴的碳含量具有明显作用。用户的考核也表明，高碳含量组凸轮轴的料废比例已经下降到0.8%以下。A班气孔降低35.1%，过弯率降低28.6%；B班气孔降低42.2%，过弯率降低27.9%。

表2 TU5JP4灰铸铁凸轮轴的化学成分（%）

表3 碳含量对TU5JP4灰铸铁凸轮轴质量的影响（%）

铸造残余应力的影响因素很多，诸如碳当量、石墨形状、合金元素、孕育情况、基体组织、线收缩状态、导热性能、弹性模量和塑弹性转变温度等，在这众多的因素中，有的在降低应力和提高强度方面的影响是一致的，有的仅对其中一方面影响较为明显，也有一些尚待进一步研究。这就为我们生产高强度低应力铸铁提供了可能。在碳当量相同的情况下，弹性模量是影响残余应力的重要因素，而残余应力和抗拉强度并无直接的对应关系。弹性模量主要取决于石墨的数量和形态，而基体是不敏感因素，合金元素对弹性模量的影响也不大。因此，通过降低塑—弹性转变温度，提高铸铁的导热性能，研究并改变线收缩状态，以及改变基体组织，是可以生产出高强度低应力铸铁的。

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