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用。而通過合理控制其化學成分，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。
        凸輪軸的材質主要可分為冷激鑄鐵、鋼質、合金鑄鐵（可淬硬和亞弧重熔）、球墨鑄鐵、組合式等。各種材質的凸輪軸的工藝性、重量、耐久性、市場應用情況等各不相同（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。在實際生產中，材料的化學成份、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。下面從化學成份和型砂控制這兩方面談談對冷激鑄鐵凸輪軸鑄造的影響。

表 不同材質凸輪軸的性能比較

化學成分

1、合適的碳當量 
    決定冷激鑄鐵性能的主要因素是：冷激層碳化物的數量和形態(tài)以及石墨數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數量的提高，會使珠光體數量減少（見圖1），形態(tài)變得更為粗大，同時鐵素體數量增加（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成分符合規(guī)范要求，就應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出合格毛坯的必要條件，現在這種觀點正在被越來越多的生產廠家所接受。由于在生產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、數據的采集
    現場檢測的數據和型砂檢測的數據應按規(guī)定的表格進行收集，不能把這些數據僅僅作為判斷型砂好壞的標準，而是用來分析、預測未來的質量趨勢。

2、數據的處理、分析
    對采集的數據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，根據特性控制的要求，對潛在的不合格因素進行預警，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量應進行跟蹤檢測記錄，并將獲得的經驗教訓保留下來，為日后的改進提供依據。

小結
    想要獲得穩(wěn)定合格的冷激鑄鐵凸輪軸毛坯，對化學成分、型砂加以控制是不容忽視的。通過控制好鐵水的CE值，根據金相組織和材料性能要求調整好合金的含量，同時注意對微量元素的控制，就能夠控制好鐵水的化學成份；對型砂的控制要建立一套科學的控制體系，這樣才能保證型砂的穩(wěn)定性，滿足生產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、模具及工藝設計等其它因素的控制，一定能生產出穩(wěn)定合格的冷激鑄鐵凸輪軸毛坯。