铸态QT850-5 曲轴的生产技术

2021-10-17李发红

铸造设备与工艺 2021年4期

李发红

（山西东鑫衡隆机械制造股份有限公司，山西侯马 043000）

公司采用中频快速节能电炉熔炼，铁型覆砂成型、热处理强化的毛坯的复合生产工艺，可根据用户要求生产QT850-5、QT900-5 等高强度、高韧性球铁曲轴产品。年生产能力45 000 t，曲轴毛坯400万件，加工曲轴成品30 万件。本文主要介绍铸态生产QT850-5 球墨铸铁曲轴毛坯的经验，以供同行参考。

1 曲轴性能要求

QT850-5 球墨铸铁曲轴要求抗拉强度≥850MPa，延伸率≥5%，硬度HBW240～290.

金相组织：球化1～2 级，石墨5～8 级，珠光体≥85%，允许有1.5%渗碳体，允许有1.5%磷共晶，二者之和不大于3%.

曲轴结构及本体取样位置如图1 所示。

图1 曲轴结构及本体取样位置

2 生产条件

主要设备：1 t 中频电炉，盖包球化铁水包，铁型覆砂造型线，快速热分析仪，光谱分析仪，金相显微镜，便携式测温仪。

原材料：球铁用生铁Q10，稀土硅铁镁球化剂Mg8RE5，75SiFe 孕育剂，电解铜。

3 化学成分选择

含碳量选择：为了保证曲轴高强度、高延伸率，含碳量不易高，以防止液态石墨球过早析出，石墨球偏大，影响机械性能；含碳量低时会使收缩加大，增大缩孔、缩松倾向；因此确定含碳质量分数为3.68%～3.73%.

含硅量选择：为了保证炉前孕育、瞬时孕育量，预防渗碳体产生和晶粒粗大，球化孕育的原铁液含硅质量分数控制在0.9%～1.3%，终硅为2.1%～2.4%.

含锰量选择：锰为稳定珠光体元素，一般偏析于晶界，降低强度、韧性，含锰质量分数选择按≤0.3%控制。

含硫量选择：硫在球墨铸铁中是有害元素，与镁和稀土发生反应，生成硫化物，使铸件易发生球化衰退现象，为防止球化衰退，原铁液含硫质量分数应低于0.02%，球化后含硫量低于0.015%.

含磷量选择：含磷质量分数超过0.07%时，基体易出现磷共晶使延伸率急剧下降，磷共晶一般偏析于晶界，会削弱凝固外壳强度，三元磷共晶减少石墨化膨胀，含磷量高时，显著增大缩松倾向，因此含磷质量分数应控制在0.05%以下。

镁、稀土残余量：镁为主要球化元素，稀土为辅助球化元素在保证球化的前提下，尽量降低球化元素的加入量和残余量，残Mg 量一般为0.03%～0.05%，残余Re 含量0.02%～0.04%，大件取上限，小件取下限。

含铜量选择：铜是中等石墨化元素，石墨化能力是硅的1/10，共析转变时，显著稳定细化珠光体，促进珠光体能力为锰的3 倍，加入0.5%～1.0%质量分数Cu，可使直径12.5 mm～64 mm 试样全部得到珠光体组织。鉴于这些优良的特性和较高的价格，选取0.4%～0.7%.

合金元素选择：锑是强烈促进珠光体元素，促进珠光体能力约为铜的100 倍，可细化石墨、提高石墨圆整度，增加石墨球数，抑制大断面碎块状石墨，极限含量＜0.03%，为保证曲轴珠光体含量，Sb质量分数微调为0.005%～0.015%.

4 铸造工艺设计

4.1 造型方式选择

本公司是专业生产球墨铸铁曲轴毛坯的企业，有8 条铁型覆砂造型生产线，根据实际情况，利用现有设备、工艺条件，采用铁型覆砂造型工艺，其特点是由于铁型覆砂工艺使铸件在凝固时，冷却速度介于金属型与壳型之间，避免了因冷却速度过快，使铸件产生渗碳体的倾向；同时避免因壳型冷却速度慢，使铸件晶粒粗大，机械性能低的缺点。在铸件凝固时，由于铸件冷却速度较快，石墨球小而圆整，晶粒细化，提高了铸件的机械性能；在石墨化膨胀时，铁型外壳刚度大，使铸件尺寸精度高，能够抵消部分因温度降低造成的凝固收缩，易获得健全铸件。

4.2 浇注系统设计

由图1 可知，此曲轴包括8 个扇板平衡块，5 个φ50 主轴，4 个φ46 连杆，呈180°分布，总长421.75 mm.浇注系统分布关系到曲轴表面夹渣缺陷的多少，工艺出品率的高低，根据公司生产4 缸曲轴的经验浇注系统比例为∑F内∶∑F横∶∑F直=1∶2∶2.5，内浇口选择在4/5 扇板分型面的下方2道引入曲轴型腔，如图3 所示。浇注时，铁水通过直浇道流入下箱横浇道，翻到上箱横浇道，渣滓由于比重轻，有上浮力，同时由于横浇道下箱翻到上箱，给渣滓向上的推力，在这两种力的作用下，促使渣滓很快上浮，内浇道在下箱，防止渣滓进入型腔。每箱4 件，8 个内浇口，曲轴法兰头朝外，对称分布，在生产过程中，曲轴铁型循环使用，为了使铁型温度分布偏差小，所以将法兰朝外，4/5 扇板分型面下箱引入内浇道。曲轴单重10.5 kg，浇注时间t 为15 s，浇注系统重量G 为11 kg，平均压头高度Hp 为200 mm，内浇道流量因数μ 取0.41.

图3 曲轴和浇注系统布置

每个内浇口最小面积为620÷8=77.5 mm2，实际每个内浇口面积是（13+14）×6=81 mm2满足要求。

5 生产过程控制

根据化学成分选择要求原铁水见表1，球化后铁水化学成分见表2，在试制初期含铜量控制在0.3%左右，抗拉强度能满足要求，延伸率4%～5%不能达到图纸要求，只有通过热处理补救。随后将含铜量由03%提高到0.5%，延伸率稳标达到5%以上。在生产过程中要稳定达到性能要求首先要求化学成分稳定，这就要求所用材料要稳定，可以采取以下措施：1）严格区分不同成分回炉料，分类堆放使用；2 废钢一致性要好；3 铜质量分数按0.5%±0.1%控制；4 生铁按批次牌号分类使用；5 炉前原铁水管理仪对每炉提水碳、硅进行检测，不合格不出炉，浇注过程中瞬时孕育定量加入，从而保证铁水成分偏差小，金相组织稳定，为机械性能稳定打下坚实的基础，生产过程中每包进行金相检测，发现异常由跟班技术员及时进行微调。

表1 原铁水化学成分要求（质量分数，%）

5.1 配料熔化

炉前操作工必须按配料单对各中材料进行称量，加入中频电炉内熔化，熔炼温度1580℃～1550℃，第一包温度1 580 ℃，逐渐降到1 550 ℃，因为第一包是冷包、冷型，后续包次铁型温度逐渐升高，这样做是为了使进入型腔的铁水温度相对稳定而预防冷隔缺陷。在铁水温度熔化到1 450 ℃时，进行快速热分析检测，调控合格后，准备出炉球化。

图2 浇注系统简图

5.2 球化孕育

球化温度1 580 ℃～1 550 ℃，球化剂加入质量分数为0.8%～1.0%，粒度5 mm～15mm，置于包底，覆盖75SiFe 进行孕育，粒度10 mm～20 mm，加入量为0.8%～1.2%，置于球化剂上，球铁屑量0.9%，置于覆盖硅上，杵紧，加包盖球化处理，球化处理结束后，扒渣3 次，这时的球化铁水温度在1 450 ℃～1 480 ℃并将包嘴内渣子倒出，再覆盖保温聚渣剂保温，准备浇注。

5.3 造型、浇注、瞬时孕育

将覆砂约5 mm 的铁型合箱后运输到浇注位置，紧固防胀卡，安放浇口杯，进行浇注，首箱温度约1 470 ℃～1 445 ℃，舀取光谱分析试样，同时加入瞬时孕育，粒度0.2 mm～0.85 mm，孕育量约0.11%～0.15%，孕育的作用是降低白口倾向，增加石墨结晶核心，使石墨球小而圆整，提高机械性能，但粒度和孕育量不能过大，过大就形成夹渣缺陷，粒度过细，易结块，也形成夹渣所以使用时必须过筛，控制粒度，生产前检测孕育嘴大小，孕育量符合要求，浇注时间相对稳定来保证金相稳定，性能合格，无冷隔现象，夹渣缺陷较少。

5.4 箱内冷却、开箱

等浇口杯中铁水凝固，从开始浇注约8 min 去除浇口杯，15 min～20min 卸取防胀卡，开箱，这时铸件温度在600 ℃左右，按浇注先后顺序依次开箱出铸件，置于铸件料框内进一步冷却。浇口杯去除过早，会影响曲轴铸件凝固补缩，产生缩孔或缩松，过晚时浇口杯难以去除，影响正常生产节奏，所以8 min 去除浇口杯必须控制。开箱温度高时，在落铸件时，易产生弯曲变形，甚至曲轴断裂报废，因此在600 ℃左右，时间15 min 开箱就可以满足以上要求，检测铸件弯曲变形小于0.5 mm.

6 检测

为了实现产品金相、性能目标，首先检测铁水化学成分和出炉温度符合要求见表2，然后检测浇注温度、金相组织，最后测试机械性能、硬度见表3.

金相组织：球化2 级，石墨6 级，珠光体85%，无渗碳体，无磷共晶，如图4 所示。

图4 金相组织

从表2 化学成分中可知编号1＃～5＃含铜量在0.3%左右，对应表3 中金相组织和机械性能，抗拉强度无明显变化，延伸率小于5%，达不到图纸要求；表2 中6＃～10＃仅含铜量由0.3%提高到0.5%左右时，对应表3 中的金相组织石墨大小、球化级别、珠光体含量、抗拉强度、布氏硬度无明显变化，延伸率稳定达到5%以上，满足了图纸要求，在随后的批量生产过程中，将其纳入作业标准，严格控制，各项指标稳定达标。