球铁曲轴制造技术及国内外发展动态

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曲轴是汽车发动机的关键部件之一，其性能的好坏直接影响汽车寿命。曲轴在发动机中承受着大负荷和不断变化的弯矩及扭矩作用。其常见的失效形式为弯曲疲劳断裂及轴颈磨损。因此，要求曲轴材质具有较高的刚性和疲劳强度以及良好的耐磨性能。随着球墨铸铁的发展、性能的不断提高，球铁已成为取代锻钢制造曲轴的首选材料。
1　球铁材质在曲轴生产中的应用
　　国内外常用的曲轴材质分为两大类，锻钢和球铁。随著球铁合金化及等温淬火球铁(ADI球铁)的发展，球铁性能逐渐提高，与锻钢比较，球铁具有重量轻、铸造性能好、可设计性强及成本低等优点，使得当前在 轻型发动机中普遍采用铸态珠光体球铁〔1，2〕，在大功率发动机中采用等温淬火球铁〔3，4〕。
1.1　铁液的熔炼及炉前处理
　　球铁的铁液基本要求是“高温低硫”，国内外铁液熔炼采用冲天炉+工频炉双联熔炼的较多〔5〕。铁液一般要经过脱硫处理，当前比较流行的脱硫工艺是多孔塞吹N2气加入CaC2搅拌脱硫〔5，6〕。
　　球化处理是球铁件生产中至关重要的环节。各种球化剂均是以Mg为中心再辅加其它元素，稀土添加元素一般为铈、钇等，文献〔7〕显示，铈的加入有利于基体组织的细化。另可根据铸态基体组织的需要，使用含有Ca、Ba、Bi、Al等元素的复合球化剂。
　　球化时采用哪种球化工艺，主要考虑吸收率的高低、反应是否平稳。国外大多数工厂采用盖包冲入法〔5〕，其优点是吸收率较高。型内球化法是为了防止球化衰退、球化不良而采取的一种补救措施，常与其它方法联用，即复合球化工艺。喂丝法〔5，8〕是最近发展的一种球化新工艺，其优点是反应平稳、温度损失少，正在逐步推广。
　　孕育处理是球化后的铁液必不可少的工序。目前，国内普遍采用含硅75%的硅铁合金，国外球铁孕育剂较多地应用硅铁—锆、硅铁—锰—锆及含钙的复合孕育剂，其中锆能延迟衰退时间，锰能降低熔点，使孕育均匀。
　　采用何种孕育工艺主要考虑孕育是否均匀、是否能有效防止孕育衰退。当前随流孕育法在美国广泛被采用〔5〕，可以有效地控制孕育剂在铁液中分布的均匀性。型内孕育法常与其它孕育方法联合使用，是一种复合强化孕育工艺。另外新近发展的喂丝法孕育工艺，是与喂丝法球化同时进行的一种孕育方法。
　　球铁的基体组织可以根据工业生产中对材料性能的要求而设计。为了获得所需组织并提高性能，目前采用两种工艺方法加以控制，即合金化及热处理。根据是否热处理，球铁组织分为铸态组织和热处理组织两种。其中铸态珠光体球铁和等温淬火球铁是球铁曲轴件生产中的常用组织。
1.2　铸态珠光体球铁
　　铸态球铁由于省去了随后的热处理工艺，使生产周期缩短，可节省大量能源，降低成本。
　　珠光体球铁具有较高的强度和适当的韧性，其基体组织中珠光体含量大于75%，其抗拉强度为600～800MPa，伸长率＞2%〔9〕，根据需要，强度与伸长率之间的匹配关系可以调节，一般情况是，强度提高则伸长率降低。
　　目前，生产铸态珠光体球铁曲轴，主要是利用合金元素影响球铁的二次结晶，采用合金化的途径得到珠光体组织。在选用合金元素时，一般根据合金元素作用特点、工艺需要、资源和成本情况而定，如采用单一合金元素Cu、Sn、Cr等。但单一合金元素往往不能满足较高综合性能要求，所以采用二种乃至多种元素复合合金化，如Cu-Sb〔10〕、Cu-Sn〔11〕、Cu-Mn〔12〕等。
　　加入合金元素一般均有一个共同的目的，即促进珠光体的形成。从以上可以看，在生产中以Cu辅以其它合金元素较为普遍。清华大学王冬生等人〔11〕研究认为，合金元素促进球铁基体珠光体的途径有二，其一为促进珠光体的形核和长大；其二为阻碍铁素体主要是石墨球周围牛眼状铁素体的形成。
1.3　等温淬火球铁
　　对于球铁件可以根据需要而采取不同的热处理工艺得到不同的基体组织。等温淬火球铁即ADI(Austempering Ductile Iron)球铁。于70年代末，在中国、美国和芬兰几乎同时研究成功〔13〕，但中国研制的是下贝氏体ADI，美国是下贝氏体+马氏体ADI，芬兰是上贝氏体+奥氏体ADI。
　　等温淬火的工艺是将球铁加热到一定的温度保温进行奥氏体化，其温度范围在840～950℃，一般取900℃，保温1～2h，然后快冷到一定温度，其范围大致为220～400℃，在硝酸盐浴中保温1～2h〔3，4〕。通过控制等温淬火温度和保温时间，从而获得所需组织，温度越高，残留奥氏体量越多。
　　ADI球铁兼备高强度、高韧性、高耐磨性及高的低温冲击韧性，其强度范围大致为950～1300MPa、伸长率3%～12%。基体中存在残留奥氏体，由于形变诱发马氏体相变，使得ADI球铁具有更为优异的耐磨性能〔4，14〕。
　　以上叙述了当前球铁曲轴件的常见基体组织。在材质确定后，铸件组织及性能、尺寸及形状精度取决于铸造工艺，下面将针对球铁曲轴件的铸造工艺进行论述。
2　球铁曲轴铸造工艺现状
2.1　普通粘土砂型铸造
2.1.1　震(实)压造型
　　震(实)压造型曾是国内曲轴的生产中应用较为广泛的造型方法。这些造型手段与手工造型相比，虽有技术先进和较高生产率等优点，但从满足大批量生产、铸铁石墨化膨胀对砂型硬度及刚性等工艺要求看，则有些不足。
　　首先，型面硬度不够高，是一点不足，因为象球铁曲轴这样的件需要砂型有足够高的硬度及刚性，这样在浇注后石墨化膨胀时不致使型壁产生位移从而达到自补缩的目的。其次，该方法造型后其硬度分布不均匀，一般是型面较高、中间低、背面高，砂型的硬度分布不利于排气；再次，这种造型方法起模机构不够平稳，砂型精度低，从而导致铸件的尺寸及形状精度低；此外，该方法噪音大，型面利用率低，故近几年在工业发达国家和我国主要汽车生产基地已趋于淘汰。
2.1.2　高压造型
　　高压造型的特点是，砂型硬度高，有利于铸铁石墨化膨胀的自补缩，对防止铁液凝固过程中石墨化膨胀而产生的型壁位移是很有利的，可以提高曲轴内在质量；另一方面，高压造型的铸型精度高，这对于动平衡要求较高轴类件是一个较大的优点。
　　采用高压造型除具有上述优点外，也存在一些不足，其一是砂型高度方向上的硬度分布为型面低、背面高，不利于型腔中气体的排除，即砂型的透气性差；其二是型腔中型面上水平面与侧立面的硬度差大，型面中心与砂箱边缘的硬度差也较大，影响了铸件材质的均匀性；其三是设备一次性投资大。除此之外，高压造型还存在对砂箱要求高、模具寿命较短、型砂再生性差及设备维修费用高等缺点。
　　在发动机曲轴的普通粘土砂造型方法中，高压造型仍是目前较好的造型方法之一，若能提高砂型的排气性，或采取工艺措施加强型腔的排气，则高压造型对于发动机曲轴等轴类铸件的生产效果将更为理想。
2.1.3　气冲造型
　　气冲造型方法是利用气流冲击型砂造型的一种方法。瑞士GF公司已向全世界提供了气冲造型线200余条，国内一汽铸造厂就有GF公司提供的气冲造型线。
　　生产实践表明，气流冲击造型工艺方法与其它粘土砂型工艺相比，具有紧实度高、噪声低、机器结构简单、铸造工艺性好等优点，但也存在铸型硬度不均匀，在铸型上层，紧实度较低，当砂型很矮时，则有砂型紧实度低的缺点〔15〕。如将气冲造型与高压型结合起来便可克服气冲造型铸型硬度分布不均的不足，但目前用此方法生产曲轴类铸件的单位较为少见。
2.2　特种铸造
　　在发动机球铁曲轴的铸造生产中，国内外广泛研究并在生产中实际应用的特种铸造方法有铁型覆砂铸造、壳型添铁丸铸造。从本质上讲，两种工艺均属于壳型铸造，壳型铸造生产的铸件具有表面光洁度好、尺寸精度高、可有效地防止气体缺陷等优点，至今已得到广泛应用〔16〕。
2.2.1　铁型覆砂铸造
　　在国内，铁型覆砂铸造是浙江省机电设计研究院于1974年开发研制的一种新型铸造工艺，其方法〔17〕是在铁型内腔和曲轴模样表面之间留有3～7mm的间隙。用制芯机射入型砂，在180～250℃下热固1～2min，使一薄层用酚醛树脂作粘结剂混制的覆膜砂覆在铁型内表面，然后合箱、紧固、浇注成型。自1979年试生产S195球铁曲轴成功以来，至今已在全国建成了50多条铁覆生产线，主要生产曲轴、平衡轴、凸轮轴等轴类件〔17，18，19〕。
　　山东莒南曲轴厂〔17〕自60年代起开始生产曲轴，长期以来采用砂型铸造，该工艺生产率低，且经常产生缩孔、缩松、皮下气孔、夹渣、砂眼和灰斑等缺陷，铸件废品率高达30%左右，基体中珠光体含量少，球化质量不稳定。为了解决这些问题，该厂于1996年1月新上了铁型覆砂铸造生产线，实现了无冒口铸造，铸件成品率明显提高，产品质量有了很大改善。
　　无锡永新合金球铁厂〔19〕利用铁型覆砂铸造工艺生产了六缸球铁曲轴，实现了无冒口铸造工艺，使工艺出品率由65.3%提高到83.2%；铸件内、外废品率由砂型铸造的26.5%下降以12.1%；铸件毛坯加工余量减少到4.5mm，从而提高了产品的竞争力，取得了明显的经济效益。
　　通过以上介绍，可以看出利用铁型覆砂铸造生产球铁曲轴具有以下优点。
　　(1)铸型硬度高，易于实现自补缩，缩孔缩松缺陷减少，组织致密；(2)金属液冷却速度快，使铸件晶粒细小，基体中珠光体的含量高，铸件内在质量高、性能好；(3)实现无冒口铸造工艺，尺寸及形状精度高，加工余量小，工艺出品率高；(4)适于大批量生产，劳动生产率高，覆膜砂用量少，劳动条件好，经济效益高。
　　铁型覆砂铸型不足之处〔18〕，透气性差，易于产生气缩孔、夹渣等缺陷。且其设备投资大，因此只能在专业化和产品定型化的生产中应用。
2.2.2　壳型填铁丸铸造
　　壳型填铁丸铸造方法是在壳型的外围填充铁丸以固定壳型，然后浇注铁液的一种先进的铸造方法。该工艺的第一步是造壳型，传统的壳型制造工艺是采用翻斗法〔20〕，先将固定于模板上的模样预热到250～300℃，喷涂分模剂；将模板置于翻斗上并紧固好，翻斗转动180度使覆膜砂落到模板上，保持15～50s(常称为结壳时间)，砂中树脂软化重熔，将砂粒粘在一起，并沿模板形成一定厚度的壳；翻斗复位，未起反应的覆膜砂仍旧落回翻斗内；对薄壳继续加热30～90s(常称为烘烤时间)；顶出，即得到壳厚为5～15mm壳型。目前，壳型制造工艺仍在继续发展，传统的壳型制造工艺是将模样水平放置，制得的壳型强度不是太高，文献〔21〕报道，将模样垂直放置，在壳型制造过程中覆膜砂受到侧面挤压力，使得壳型的紧实度提高，因此，可得到强度更高的壳型。
　　在欧洲一些国家还利用CO2激光烧结的办法制造壳型，利用激光加热均匀的特点，克服了传统的烧结办法所带来的受热不均的问题，用于生产结构复杂的铸件〔22〕。在壳型填铁丸铸造流水线生产中主要采用四工位射砂制壳机〔23〕。将两部分壳型放入砂箱后填充铁丸，适当震实，防止浇注过程中的裂壁移动；浇注成型。其生产线铸造工艺流程如图1所示。

图1　壳型填铁丸铸造生产线工艺流程图
　　尽管酚醛树脂覆膜砂价格较贵，制壳耗能高，但在要求铸件表面光洁和尺寸精度高的行业仍得到应用。壳型填充铁丸工艺目前在美国GM公司、日本丰田和德国大众汽车公司、法国白莺和雪铁龙公司〔24〕均采用这种先进的铸造工艺流水线生产汽车发动机曲轴和凸轮轴等件。在国内，仅上海汽车铸造总厂在90年代初从德国大众沃尔夫斯堡铸造厂引进了生产线，并形成规模生产〔23〕。一汽集团公司也正在上马该生产线，今后将在国内进一步推广。
　　该工艺与铁型覆砂的区别在于壳型填铁丸是用铁丸来加固，铁丸直径在2.8～3mm之间，填充铁丸是为了提高铸型刚度、防止型壁移动，加快冷却速度。但铁型覆砂的一次性投入太大；模具的消耗量大，当生产的铸件变化时，模具的更改难度大，即模具的通用性差；在流水线大批量生产铸件时，铁模的冷却难度大。与铁型覆砂相比，壳型填铁丸具有与其同样的优点，且透气性更好，其成本低，铁丸的回收性好，可以反复使用；模具的更改容易，通用性好；铁丸的冷却容易，该工艺适于大批量生产，是一种很有发展前景的工艺方法。
3　结语
　　根据以上综述可以看出，国内外发动机球铁曲轴的生产有如下发展趋势。
　　(1)随球铁合金化及等温淬火球铁的发展，球铁性能的不断提高，为节约成本，采用球铁取代锻钢生产发动机曲轴，是曲轴生产的发展趋势。对中小功率发动机曲轴采用铸态珠光体球铁，对大功率发动机曲轴采用等温淬火球铁。
　　(2)随工业生产的发展，机械自动化及集约化程度的提高，为提高曲轴件的形状及尺寸精度，减少加工余量，保证球铁基体的珠光体含量、珠光体片间距细小、组织致密，提高曲轴的内在质量和性能，铁型覆砂和壳型填铁丸铸造是生产曲轴等轴类件的发展方向。