球墨铸铁典型铸件工艺设计实例

球墨铸铁典型铸件工艺设计实例李魁盛于清华2009-08-273.1 球墨铸铁曲轴（湿砂型铸造、金属型复砂铸造）曲轴是发动机中重要机件之一，发动机全部功率都是通过曲轴输出。

曲轴的主要载荷是承受扭转疲劳、弯曲疲劳和连杆传递来的小能量多次冲击；曲轴轴径与轴瓦的配合，在较高的比压下高速运转，正常情况下为有机油润滑的滑动摩擦磨损。

依据国内外曲轴失效的统计数据，其主要失效方式是交变应力下的疲劳破坏(80％为弯曲疲劳断裂)和轴径的早期磨损烧伤。

根据曲轴服役的工况和主要失效方式，要求曲轴材料不但要有较高的强度、韧性，而且要有一定的硬度。

球墨铸铁曲轴与传统的锻钢曲轴比较，有制造简便、成本低廉、又有吸震耐磨、对表面刻痕不敏感等锻钢材料所不具备的优良特性、球铁与巴氏合金、铅青铜、钢背铝合金的轴瓦均有良好的匹配性。

石墨具有润滑作用和储存润滑油作用，其耐磨性比钢好；球墨铸铁在承受小能量多次冲击载荷条件下，其抗冲击性能也优于钢；球墨铸铁曲轴通过合金化、合理球化、孕育处理等，其在扭转、弯曲疲劳应力状态下的疲劳强度，可达到甚至超过锻钢曲轴。

3.1.1．铸态球墨铸铁曲轴1. 生产性质大量生产。

2. 材质研究和实践证明：球墨铸铁是中小型发动机曲轴的理想材料。

现在，铸态QT600-3、QT700-3牌号球墨铸铁已广泛应用于汽车曲轴；QT800-2、QT900-5牌号热处理球墨铸铁也成功地用于汽车曲轴的生产。

铸态球墨铸铁曲轴与热处理工艺比较，不仅可节约能源、降低成本、缩短生产周期；而且省去了因热处理而产生的曲轴变形所带来的清理和热校直工序。

在满足设计要求的前提下，工厂首先选择了铸态球墨铸铁曲轴这一操作简便，成本低廉的生产方式。

(1) 化学成分及合金元素的选择为了保证球墨铸铁曲轴具有良好的性能:1) 碳当量与C和Si 碳当量控制在4.3％～4.5％之间，可以得到健全的铸件，并具有较好的铸造性能。

碳当量过低易产生白口，过高则会产生石墨飘浮。

图3.1-1是4110型柴油机球铁曲轴的生产统计结果。

碳当量超过4.5％～4.6％，曲轴断面出现石墨漂浮，并且随着碳当量的增加，石墨漂浮层的厚度几乎直线加厚。

应该指出，碳当量不是产生石墨漂浮的惟一因素，曲轴尺寸的大小也是一个重要条件。

曲轴断面尺寸越小，碳当量可能选高一些，也不会出现石墨漂浮，相反，厚大断面曲轴的碳当量应该低一些。

图3.1-1 石墨漂浮层厚度与碳当量的关系w(C)应控制在3.6％～3.9％。

C含量低，石墨不易球化，易出现白口；C含量过高易产生石墨漂浮。

一般w(Si)控制在1.8％～2.2％为宜。

Si来自金属炉料、球化剂和孕育剂。

Si是石墨化元素，影响球墨铸铁的铸造性能和力学性能，通过以下3种途径表现出来：改变石墨大小、分布、圆整度；分解渗碳体，促进生成铁素体；溶解在α-Fe中，强化金属基体。

2) Mn和P Mn和P都是严重偏析元素。

Mn易导致晶界碳化物的形成，铸态球墨铸铁曲轴不采用高Mn来稳定珠光体为好；P易在晶界处形成磷共晶，会造成球铁塑、韧性下降，同时显著降低疲劳强度。

所以Mn和P的含量都应控制。

一般w(Mn)≤O.3％，w(P)≤O.06％为宜。

3) S S是反球化元素，属于有害杂质。

生产中根据原铁水含S量的高低决定球化剂的加入量，原铁水S量越高，加入量越多。

但是，S含量高，即使球化，曲轴内部易出现夹渣，球化衰退很快，不容易浇注出健全的铸件。

所以，希望原铁液的含S量越低越好，一般w(S)≤O.03％，有脱S条件的w(S)≤O.02％最好。

4) 合金元素添加稳定珠光体合金元素是生产铸态球墨铸铁曲轴行之有效的方法。

添加的元素主要有Cu、Sn、Ni、Sb、Cr、Mo、W、V等。

然而后4种元素虽能增加基体组织的珠光体含量，提高球铁的强度和耐磨性，但它们都是碳化物形成元素，容易使材料变脆，降低材料的疲劳强度。

Cu、Sn、Ni、Sb等合金元素共同特点是能促进形成珠光体并细化组织，提高球铁的强度、硬度和耐磨性。

但它们各自稳定珠光体的能力不同。

它们稳定珠光体的能力可以近似地用下式表示：Ni：Cu：Sn：Sb=1：3：30：90稳定珠光体的能力Cu是Ni的3倍，Sn是Cu的lO倍，Sb是Sn的3倍。

Cu能够明显地降低球铁断面敏感性，减少Mn的偏析程度，可使曲轴厚壁处也能达到高的珠光体含量，并可以提高球墨铁的疲劳强度。

Ni能强烈地细化珠光体，提高球铁的塑、韧性。

Mo能显著的稳定球铁奥氏体，促进生成针状组织，增强球墨铸铁的淬透性。

Sb对球化有强烈的干扰作用，加入过量时，不但使石墨畸变，而且与Mg反应生成富锑的脆性相，偏析在晶界，使铸件严重脆化，特别是大大降低了冲击韧性。

Sn加入量大于0.06％时，铸件产生脆性。

以上各元素均能不同程度的稳定珠光体，但Cu和Sn的组合合金化，不仅符合高质量、低成本要求，而且还可以加在球化包内，满足一种原铁水生产多种牌号球铁的需要。

(2) 金相组织球墨铸铁曲轴的疲劳强度与石墨和基体的形态、组成、尺寸大小、分布特征以及非金属夹杂物的类别、形状、大小、数量及分布均匀性有密切关系。

1) 石墨形态不仅影响球墨铸铁的静载荷性能，而且更显著地影响动载荷性能。

稀土镁球铁中，球状和团状石墨(球化级别1～3级)的动态性能相差较少，当出现团片状石墨时，性能明显下降，尤其是组织中有厚片状石墨聚集分布时(球化级别6级)，疲劳强度约下降20％，而小能量多次冲击韧性下降约5倍。

镁球铁中，球化率65％的球铁比球化率93％的球铁抗拉强度σb下降8.2％，而疲劳强度σ-1下降26％。

当石墨的体积一定时，石墨的平均球径越大，单位面积视场中球墨个数越少，疲劳强度越低。

石墨成行排列，促进疲劳断裂，降低疲劳强度。

实践证明：石墨球越细小，圆整、均布，球铁的疲劳强度就越高。

图3.1-2 w(珠光体)对HBS、σ、αk、δ的影响2) 基体组织随着珠光体量的增加，强度、硬度增加，塑性、韧性下降。

图3.1-2是w(珠光体)与硬度(HBS)、拉抗强度(σb)、冲击韧性(αk)、延伸率(δ)的关系图。

如图所示，当珠光体大于80％时，抗拉强度和布氏硬度值上升比率增加；珠光体大于50％时，延伸率下降梯度减缓，冲击韧性值变化比率变化较小。

图3.1-3是w(珠光体)与疲劳强度(σ-1)的关系图。

如图所示，基体组织中珠光体由O％增加到100％，疲劳强度从230 MPa增加到320 MPa；珠光体由20％增加到80％时，疲劳强度变化不大；当珠光体超过80％进一步增加时，疲劳强度明显增加。

基体组织中珠光体的层片间距越小，疲劳强度越高。

如图3.1-4(a)珠光体层片间距大的球铁疲劳强度小于图3.1-4(b)珠光体层片间距小的球铁疲劳强度。

图3.1-3 w(珠光体)与疲劳强度的关系铁素体的作用:当珠光体量一定，抗拉强度相近的条件下，牛眼状铁素体屈服强度最高，延伸率最低。

综上所述，球墨铸铁中较高的珠光体含量是获得高强度，特别是提高疲劳强度的有效途径。

随着珠光体含量的提高，要依赖基体组织的强化和细化来阻止疲劳裂纹的扩展。

图3.1-4 珠光体基体的二次电子像(a)大层片间距×3000；(b)小层片间距×30003) 夹杂物研究表明，非金属夹杂物的数量、尺寸大小、形状及其分布比石墨更加显著地影响球铁的疲劳强度。

夹杂物越少，形状粒化，颗粒越小，其疲劳强度越高。

所以，生产球墨铸铁曲轴，采用金属净化是必不可少的工艺措施。

通常采用在浇注系统中安放过滤网，净化铁液，图3.1-5是球铁曲轴立浇立冷的工艺方案，在浇注系统中放置了过滤网，起到了良好的净化铁液作用。

(3)力学性能图3.1-6是抗拉强度(σb)与疲劳强度(σ-1)的关系图。

如图所示，随着抗拉强度的提高，最初试棒的疲劳强度亦成正比例的提高；当抗拉强度上升到750 MPa时，疲劳强度不复增加，呈一水平线。

所以，中小球铁曲轴的抗拉强度控制在600～800 MPa为宜，没有必要追求过高的抗拉强度值，以提高疲劳强度比(σ-1／σb)，充分发挥材料的强度潜力。

图3.1-5 球铁曲轴立浇立冷工艺方案图3.1-6 抗拉强度与疲劳强度的关系为适应曲轴的服役工况，材料还应有一定的塑性和韧性，通常延伸率大于3％为宜。

同时曲轴材料还应有一定的硬度，一般200HBS～270HBS为宜，以适应曲轴耐磨性的要求。

3.1.2 湿型铸造球墨铸铁曲轴的工艺问题1. 湿型铸造工艺国内目前普遍采用湿砂型铸造，缩孔及缩松的体积约占铸件的4％～10％。

1) 冒口应设置控制压力冒口。

控制压力冒口适于在湿型中铸造模数MC=0.5～2.5cm的球墨铸铁件。

目的在于补给铁液体积收缩而避免缩孔；当曲轴内因凝固而出现石墨化体积膨胀时，让铸件内的多余铁液部分地回充冒口，以减轻型腔内壁承受的压力，避免型壁外移而导致曲轴铸件胀大变形。

又能在铸件内保留一定的压力用来消除缩松。

这种冒口又叫“释压冒口”。

众所周知，球铁具有糊状凝固的特性。

铸件内保留的压力越高，消除缩松的效果越好。

这就要求湿型有较高的、强度和刚度。

采用短冒口颈。

冒口颈的模数依下式确定M n=0.67M r冒口颈的形状可选用圆形、正方形或矩形。

冒口的补缩距离与传统冒口的补缩概念不同，控制压力冒口的补缩距离，不是表明由冒口把铁液输送到铸件的凝固部位，而是表明由凝固部位向冒口回填铁液，能输送多大距离。

该距离与铁液冶金质量和铸件模数密切相关。

冶金质量好，模数大，输送距离也大。

输送距离达不到的部位，铸件内膨胀压力过高，将导致型壁塑性变形，使铸件胀大变形，内部却可能存在缩松。

控制压力冒口的经验：尽量采用内浇道通过边冒口的引入方式；采用大气压力暗冒口为宜；采用扁薄内浇道。

要求浇注后迅速凝固，促使冒口中快速形成大缩孔，以便容纳回填铁液；要求快浇；宜高温浇注。

要求浇温在1371～1427℃±25℃；希望采用冶金质量好的铁液。

一般采用暗冒口。

暗冒口在铸件上的位置可分为顶冒口和侧冒口。

顶冒口放在铸件壁最厚处(即热节)的上面，侧冒口则设在热节的侧面。

工厂凭多年生产经验来确定冒口尺寸。

成批大量生产可以通过解剖铸件来验证。

图3.1-7给出了球墨铸铁曲轴常用侧冒口的尺寸比例范围。

图3.1-7 球墨铸铁曲轴侧暗冒口2．球墨铸铁浇注系统的特点球墨铸铁的铸造性能与普通灰铸铁不同，容易产生皮下气孔、二次氧化夹渣、球化衰退、浇不足和缩松等缺陷。

因此，铸件浇注系统必须保证铁液平稳、畅通、比灰铸铁稍快地充型。

为做到这点，许多工厂采用半封闭或开放式的浇注系统。

其特点是：直浇口小，内浇口、横浇口的截面积均要比直浇口大。

铁液进入型腔的速度低、平稳、无冲击。

但这种浇注系统挡渣效果差。

二次氧化夹渣是球铁曲轴疲劳失效的主要裂纹源，所以，球铁曲轴的浇注系统必须采取挡渣措施，如茶壶嘴式浇包，拔塞外浇口、闸门浇口、过滤网、集渣包等。