鑄造穩(wěn)定合格的冷激鑄鐵凸輪軸毛坯

         冷激鑄鐵材料凸輪軸具有良好的耐磨性，但是工藝適用性差，這在一定程度上影響了它在汽車市場的應(yīng)用。而通過合理控制其化學(xué)成分，進行型砂控制，則可以獲得穩(wěn)定合格的冷激鑄鐵凸輪軸毛坯。
        凸輪軸的材質(zhì)主要可分為冷激鑄鐵、鋼質(zhì)、合金鑄鐵（可淬硬和亞弧重熔）、球墨鑄鐵、組合式等。各種材質(zhì)的凸輪軸的工藝性、重量、耐久性、市場應(yīng)用情況等各不相同（詳見表）。
         冷激鑄鐵材料凸輪軸具有良好的耐磨性，逐漸被轎車市場大量應(yīng)用，但是其工藝適用性差，這在一定程度上影響了它的進一步發(fā)展。在實際生產(chǎn)中，材料的化學(xué)成份、型砂的控制、過程溫度控制、爐前鐵水孕育和球化的控制、模具及工藝設(shè)計等因素都會影響冷激鑄鐵凸輪軸的工藝使用性。下面從化學(xué)成份和型砂控制這兩方面談?wù)剬�冷激鑄鐵凸輪軸鑄造的影響。

表 不同材質(zhì)凸輪軸的性能比較

化學(xué)成分

1、合適的碳當量 
    決定冷激鑄鐵性能的主要因素是：冷激層碳化物的數(shù)量和形態(tài)以及石墨數(shù)量和金屬基體的性能。當碳當量（CE=C+1/3Si）較高時易于形成冷激層，且冷激層中的碳化物量增加，這對于獲得較高的冷激層硬度非常有利；但同時也帶來石墨數(shù)量的增加、石墨形態(tài)惡化、基體組織變得粗大等不利影響。特別是當孕育條件不好或存在微量有害元素時，粗大石墨使金屬基體能夠承受載荷的有效面積減少，使金屬基體的強度不能正常發(fā)揮，從而降低鑄鐵的強度。

圖1：基體里的珠光體

    在鑄鐵材料中，珠光體具有較好的強度和硬度，而鐵素體則較軟，強度也較低。隨著C、Si數(shù)量的提高，會使珠光體數(shù)量減少（見圖1），形態(tài)變得更為粗大，同時鐵素體數(shù)量增加（見圖2），這些都會降低材料的抗拉強度。因此，在確保獲得足夠的冷激層后，要將碳當量控制在一個較低的水平，以獲得較高的產(chǎn)品機械性能。但是，當碳當量過低時，除了不利于獲得好的冷激層以外，還會增加縮孔傾向，造成產(chǎn)品報廢（見圖3）。所以，在熔煉過程中，控制碳當量是解決冷激鑄鐵凸輪軸材料性能的一個非常重要的因素。經(jīng)過實踐，筆者認為將CE值控制在3.9~4.2通常是比較合適的。

圖2：基體里含較多鐵素體

2、合金元素對材料性能的影響
    在冷激鑄鐵凸輪軸中，常用的合金元素主要有Cr、Cu、Ni、Mo等，這些元素在鐵水中的作用各不相同。Cr的主要作用是促進白口的形成，與C、Fe形成復(fù)合碳化物，以提高冷激層的硬度和耐磨性。但是，Cr的加入會使非冷激區(qū)中的碳化物量增多，使材料脆性增加，鐵素體的數(shù)量減少甚至消失。同時，由于合金元素的加入，在一定程度上也細化了石墨，而且其中的鐵素體由于有一定量的合金元素而得到固溶強化，使鑄鐵具有較高的強度性能。

(CE<3.9)心部縮孔

3、爐料配比對材料的影響
    過去我們一直認為只要化學(xué)成分符合規(guī)范要求，就應(yīng)該能夠獲得符合標準機械性能的材料，實際上這種觀點所看到的只是常規(guī)化學(xué)成分，而忽略了一些微量元素和有害元素在其中所起的作用。如生鐵是Ti的主要來源，因此生鐵使用量的多少會直接影響材料中Ti的含量，對材料的機械性能產(chǎn)生很大的影響；廢鋼是許多合金元素的來源，因此廢鋼用量對冷激鑄鐵機械性能的影響是非常直接的。因此，爐料配比對冷激鑄鐵材料的機械性能有著直接的影響，是熔煉控制的重點。另外，為了減少爐料遺傳性對材料的影響，建議爐料應(yīng)分批管理，做到先進先出。

(CE>4.2)心部縮松

型砂控制
    良好的型砂性能是生產(chǎn)出合格毛坯的必要條件，現(xiàn)在這種觀點正在被越來越多的生產(chǎn)廠家所接受。由于在生產(chǎn)冷激鑄鐵凸輪軸的過程中需要安放大量的冷鐵，這些冷鐵在起模、轉(zhuǎn)運和合箱過程中非常容易掉落，并且冷鐵表面不利于排氣，且易于凝結(jié)水汽，故所需的型砂要在濕壓強度、水份、透氣性等方面進行嚴格控制。
    而要想獲得良好穩(wěn)定的型砂性能，至少應(yīng)具備以下幾個條件：第一，有一套完備的砂處理系統(tǒng)和一套在線檢測系統(tǒng)；第二，應(yīng)盡量選用性能穩(wěn)定的原輔材料；第三，確定合理的混砂參數(shù)和原輔材料配比；第四，在管理上有一套對型砂性能進行分析跟蹤的程序。

圖4：型砂圖

對于型砂性能的分析跟蹤程序包括：

1、數(shù)據(jù)的采集
    現(xiàn)場檢測的數(shù)據(jù)和型砂檢測的數(shù)據(jù)應(yīng)按規(guī)定的表格進行收集，不能把這些數(shù)據(jù)僅僅作為判斷型砂好壞的標準，而是用來分析、預(yù)測未來的質(zhì)量趨勢。

2、數(shù)據(jù)的處理、分析
    對采集的數(shù)據(jù)要定期專人利用目前先進的統(tǒng)計分析工具進行分析，找出規(guī)律，根據(jù)特性控制的要求，對潛在的不合格因素進行預(yù)警，以便及時采取措施，將潛在的不合格因素加以消除。

3、跟蹤
    對采取措施后的型砂質(zhì)量應(yīng)進行跟蹤檢測記錄，并將獲得的經(jīng)驗教訓(xùn)保留下來，為日后的改進提供依據(jù)。

小結(jié)
    想要獲得穩(wěn)定合格的冷激鑄鐵凸輪軸毛坯，對化學(xué)成分、型砂加以控制是不容忽視的。通過控制好鐵水的CE值，根據(jù)金相組織和材料性能要求調(diào)整好合金的含量，同時注意對微量元素的控制，就能夠控制好鐵水的化學(xué)成份；對型砂的控制要建立一套科學(xué)的控制體系，這樣才能保證型砂的穩(wěn)定性，滿足生產(chǎn)冷激鑄鐵凸輪軸的要求。另外，再加上對過程溫度控制、爐前鐵水孕育和球化的控制、模具及工藝設(shè)計等其它因素的控制，一定能生產(chǎn)出穩(wěn)定合格的冷激鑄鐵凸輪軸毛坯。