（材料加工工程专业论文）球铁凸轮轴正火动力学数学模型研究及其工艺优化.pdf

球铁凸轮轴正火动力学数学模型研究 及其工艺优化 材料加工工程专业 研究生刘峰指导教师杨屹教授 在近十年来的世界范围内，球墨铸铁的生产量连年呈增长形势，而且由于 球墨铸铁具有好的强、塑性，在汽车工业中正得到广泛的推广应用，并显示出 了将取代部分钢和灰口铸铁的强大趋势。适合球墨铸铁铸造的成形工艺在近5 0 多年来也得到了飞快的发展，具有高刚度铸型及快速冷却等有利条件，能够确 保获得尺寸精确、内部组织致密、球化良好、石墨及晶粒细化的球墨铸铁铸件 的先进铸造工艺应运而生并不断得以发展和完善，并在球墨铸铁的生产中获得 了越来越广泛的应用如：水平连铸球铁型材、金属型覆砂铸造、水冷金属型铸 造、负压消失模铸造和喷射成形等。 本文就金属模覆砂球墨铸铁凸轮轴铸造生产线中存在的实际质量技术问题 及其产生的原因进行了全面、详细的分析和研究，并提出了合理的改进方案。 本研究通过球墨铸铁的连续冷却实验，就材料的连续冷却速度对其显微组 织的影响作用予以了评判和分析，对在不同的连续冷却速度下所产生的先共析 铁素体的体积百分含量进行了测定。在此基础上，建立了单位体积中先共析铁 索体含量与连续冷却速度之间关系的动力学数学模型。该动力学数学模型能很 好地量化在较大的冷却速度条件下，球墨铸铁内部组织中先共析铁素体含量的 变化；采用有限差分计算方法可以求出能获得全珠光体基体组织球墨铸铁的最 小连续冷却速度即5 s 。 为了实现可控制性冷却，本研究采用改变冷却方式的方法来调整球墨铸铁 凸轮轴在正火过程中的冷却速度，并在实际生产环境中进行了正火及回火工艺 的对比实验。通过在不同的正火及回火工艺条件下，对球墨铸铁凸轮轴的内部 组织、强度、硬度和塑性进行了大量的测定、评判、分析和研究，确定了能够 获得高强度、高塑性球墨铸铁的最佳生产工艺。该优化生产工艺经应用于球墨 铸铁凸轮轴的实际生产之中，共处理了7 0 多炉，历时约6 个月的时间，未出现 一例质量不合格的炉次，珠光体含量大于9 5 ，铁素体和碳化物含量都小于5 ， 石墨球化率在8 0 以上，最大石墨直径不超过0 0 8m i l l ，平均直径小于0 0 4i l l m ； 该凸轮轴本体的平均抗拉强度大于9 0 0m p ，延伸率大于4 。通过实际生产的验 证，该优化工艺具有易于控制，可操作性强，所生产的产品质量稳定，完全能 够满足球墨铸铁凸轮轴的技术要求和经济要求。 本项目的成功研究，一方面可为实际的球墨铸铁凸轮轴金属模覆砂铸造生 产提供最优化的生产工艺，提高凸轮轴的耐磨性和疲劳强度，增加球墨铸铁金 属模覆砂铸造生产线的直接经济效益和社会效益；另一方面，通过对球墨铸铁 显微组织与其机械力学性能间关系的量化研究，能为实际工艺设计提供可靠的 设计理论依据，为球墨铸铁在其它方面的应用打下扎实的应用理论基础。 关键词：球墨铸铁连续冷却固态相变动力学数学模型正火回火 i i s t u d yo nt h ek i n e t i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo f n o r m a l i z a t i o n i nd u c t i l ei r o na n do p t i m i z a t i o no fp r o c e s s m a j o r ：e n g i n e e r i n go f m a t e r i a lp r o c e s s i n g c a n d i d a t e ：l i uf e n g s u p e r v i s o r ：p r o f y a n gy i a b s 仃a c t d u r i n g t h el a t e r d e c a d e ，t h ep r o d u c t i o n o fd u c t i l ei r o nh a si n c r e a s e d c o n t i n u o u s l yi nt h ew h o l eo fw o r l d ，a n dt h ed u c t i l e i r o ni sa p p l y i n gt ot h e a u t o m o b i l ei n d u s t r yw i d e l yw i t ht h es t r o n gt e n d e n c yo fr e p l a c i n gc a s ts t e e la n dg r a y i r o nb e c a u s eo fi t sh i g hs t r e n g t ha n dp l a s t i cp r o p e r t y 功em o d e mc a s t i n gm e t h o d s a n dc r a f t so fd u c t i l ei r o n ，t h a tc a nb es u r eo ft h ed i m e n s i o na c c u r a c y , c o m p a c t t e x t u r e ，w e l ls p h e r o i d i s a t i o na n dr e f i n e dg r a p h i t ea n dg r a i no fc a s t sd u et ot h eh i g h s t i f f n e s so fm o d e la n dt h er a p i dc o o l i n g ，h a v ed e e p l yd e v e l o p e di nt h ep a s tf i f t y y e a r s ，a n dn o wa r ep u t t i n gi n t op r a c t i c e ，s u c ha s h o d z o nc o n t i n u o u sm e t a lc a s t p r o c e s s ，m e n t a lm o l dc o v e r e ds a n dp r o c e s s ，q u i t ec a s t i n gp r o c e s s ，s p r a yf o r m i n ge r e i nt h i sw o r k ，t h et e c h n o l o g i cq u e s t i o no nt h eq u a l i t yo fd u c t i l ei r o nc a m s h a f t ， e x i s t i n gi nt h ep r o d u c t i o no f m e n t a lm o l dc o v e r e ds a n dp r o c e s s ，h a sb e e ng e n e r a l l y a n dd e t m la n a l y z e da n dd i s c u s s e d i nt h ee n d ，t h ea p p r o p r i a t ei m p r o v e dp a r e mh a s b e e np u to u t t h ec o n t i n u o u s l yc o o l i n ge x p e r i m e n th a sb e e nc a r d e do u ti nt h i sw o r k t h e i n f l u e n c eo fc o n t i n u o u s l yc o o l i n gr a t eo nt h em i c r o s t r u c t u r eo fd u c f i l ei r o nh a sb e e n d i s c u s s e dw h i l et h ev o l u m ep e r c e n t a g eo fp r o - e u t e c t o i df e r r i t et h a tf o r m e du n d e r d i f f e r e n tc o o l i n gr a t eh a sb e e nd e t e r m i n e d o nt h i sb a s e ，t h ek i n e t i cm a t h e m a t i c m o d e lo fr e l a t i o nb e t w e e nt h ev o l u m ep e r c e n t a g eo fp r o e u t e c t o i df e r r i t ea n dt h e c o n t i n u o u s l yc o o l i n gr a t eh a sb e e ne s t a b l i s h e d u s i n gt h i sm o d e l ，i ti so b v i o u st h a t t h ep e r c e n t a g eo f p r o e u t e c t o i df e r r i t ec h a n g e sa st h ec o o l i n gr a t ec h a n g e s w l l e nt h e i i i c o o l i n gr a t ei sh i g h e rt h a nt h em i n i m u mc r i t i c a lr a t ew h i c hi s5 。c sc a l c u l a t e db y f m i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，t h ed u c t i l ei r o nw i t hp e a r l i t em a t r i xt e x t u r ec a nb eo b t a i n t h ec o n t r a c t i o ne x p e r i m e n tb e t w e e nn o r m a l i z a t i o na n dt e m p e r , i nw h i c ht h e c o o l i n gr a t eo f d u c t i l ei r o nc a m s h 啦w a sc o n t r o l l e db yc h a n g i n gt h ec o o l i n gm e t h o d ， h a sb e e na l s oc a r r i e do u ti nt h i sw o r k a f t e rd i f f e r e n tn o r m a l i z a t i o no rn o r m a l i z a t i o n a n dt e m p e r , t h em i c r o s t r u c t u r e ，s t r e n g t h ，h a r d n e s sa n de x t e n s i b i l i t yh a db e e n d e t e r m i n e da n da n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，t h eo p t i m i c a lp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo f d u c t i l ei r o nw i t h1 1 i g hs t r e n g t ha n dh i g hp l a s t i cp r o p e r t yh a db e e np r e s e n t e d d u r i n g t h ep a s ts i xm o n t h sw h e nt h eo p t i m i c a lt e c h n o l o g yh a db e e na p p l i e dt ot h ep r a c t i c a l p r o d u c t i o no fd u c t i l ei r o nc a ms h a f t ，t h eq u a l i t yo fc a ms h a f t ，t h a tt h ec o n t e n to f p e a r l i t ei sl a r g e rt h a n9 5 ，t h ec o n t e n to ff e r r i t ea n dc a r b i d ei sl i t t e rt h a n5 ，t h e u l t r as t r e n g t ho fd u c t i l ei r o ne x c e e d s9 0 0 m p aa n dt h ep e r c e n t a g eo fe l o n g a t i o ni s l a r g e rt h a n4 w a sc o m p l e t e l ys a t i s f i e dt ot h en e e d t h r o u g ht h es u c c e s s f u lr e s e a r c hi nt h i sp a p e r , t h eo p t i m i c a lt e c h n o l o g yh a s b e e nd e f m e d ，t h ew e a r i n gr e s i s t a n c ep r o p e r t ya n df a t i g u er e s i s t a n c eo fc a m s h a f t h a v eb e e ns t r e n g t h e n e d ，a n dt h ee c o n o m i cb e n e f i t sa n dt h es o c i a lb e n e f i t sh a v eb e e n i n c r e a s e d o t h e r w i s e ，q u a n t i f y i n gt h er e l a t i o nb e t w e e nm i c r o s t r u c t u r ea n dc o o l i n g r a t e ，t h el a wo ft e c h n o l o g i c a ld e s i g nh a sb e e ns u p p l e m e n ta n dt h ea p p l i c a t i o no f d u c t i l ei r o nh a s b e e np r o m o t e d ， k e yw o r d s ：d u c t i l ei r o n ，c o n t i n u o u s l yc o o l i n g ，s o l i d s t a t ep h a s et r a n s f o r m a t i o n ， k i n e t i c ，m a t h e m a t i cm o d e l ，n o r m a l i z a t i o n ，t e m p e r 四川大学硕士学位论文 1 序言 1 1 汽车工业的发展 近二十年来，我国汽车工业得到了翻天覆地的变化，在汽车工业经济的 各方面都取得了显著的成果。 首先，我国自从改革开放以来，国民经济得到了快速的发展，人民生活 水平得到了明显的提高，如今己进入了大信息、大贸易、大流通的现代化发 展阶段，汽车也已渗透到了我们工作、生活的各个方面，成为了一种必不可 少的交通工具；因而我国的汽车销售市场同时也急剧膨胀，全国各大中型城 市都相继建立发展了汽车销售、维护等专业市场，汽车保有量也连续增长。 强大的市场需求，有力地促进了我国汽车工业发展。 其次，我国生产、销售的汽车品种、型号结构已趋完善，包括重、中、 轻型载重车，各型客车，高、中、低档次的轿车、经济家用的微型车、农用 车和各种能满足特种需要的工程专用车等均能自行生产，而且所生产的各种 汽车中或为汽油车或为柴油车；不同的车型适合不同的使用环境，有的适用 于高原地区，有的适用于平原地区，有的适用于严寒地区，有的适用于炎热 地区，有的为全天候型，较好地满足了各种不同使用的特殊要求。 4 5 。 4 。 3 5 。 薜3 0 0 s 2 5 0 震z o o 1 5 。 l 。 5 。 0 _ 汽车总产量 4 0 0 ( 设计) 巴一轿车产量 3 2 5 2 0 6 82 3 4 2 i 莹 i 年公元 图1 1 中国汽车工业发展状况 芦 0 四川大学硕士学位论文 其次我国汽车工业的产量也突飞猛进。于1 9 9 2 年，我国汽车年产量突 破百万辆( 1 0 6 2 万辆) ；又历经8 年，到2 0 0 0 年，产量突破2 0 0 万辆 ( 2 0 6 8 万辆) ；以后发展更令人瞠目结舌，到2 0 0 2 年，年产量竞达到3 2 5 1 万辆，第三个百万辆台阶只用了2 年时间；随后于2 0 0 3 突破4 0 0 万辆，即 第四个百万辆台阶只用了1 年，如图1 1 和表1 1 所示：至此我国汽车生产 在世界上的排名也由2 0 0 0 年的第9 位升至2 0 0 2 年的第5 位【l 3 l 。 表1 11 9 9 6 2 0 0 3 年中国汽车产量( 10 4 ) 另外，我国汽车生产厂家也日益增加。到目前为至，己注册的汽车车厂 有1 1 8 家之多，全国有2 7 个省( 市) 生产汽车，1 7 个省( 市) 生产轿车，2 3 个省 ( 市) 己建成轿车生产线；即使这样，还有一些资金雄厚的家电企业( 如海尔、 美的等) 也想继春兰之后，插足汽车业。 最后，我国汽车零配件生产领域也得到了长足的发展。在1 9 9 0 年前，我 国的零部件生产几乎都包含在汽车制造厂或公司内，鲜有独立的零部件生产 企业，如一汽、东风这样的特大型企业，大到整车装配、发动机总成、车桥 总成，小到一个螺栓、垫圈( 标准件) 全部都在本公司内生产。而在1 9 9 0 年以 后，由于汽车产量的提高和汽车保有量的增长，配件市场也同时有了很大的 需求，一时间零部件制造业收益颇丰，引来更多的社会投资和资金投入，从此 中国开始有了一大批各种所有制形式的零部件生产企业，并且“八五”规划 将汽车工业列为国民经济支柱后，汽车业有了较快的发展，很多省、市都投 资于汽车零部件制造业，并主动找汽车公司或联营、或成为供应商。一些国 外汽车配件生产企业同时也看好中国市场，如德尔福、伊顿、伟世通等大 批卓越的零部件企业以更大的热情、更快的速度或独资或合资在华建厂，现 已有6 0 0 余家独资或合资的汽车零部件生产企业。 但是在汽车市场的急剧扩长、汽车工业快速发展的同时，市场对汽车设 计、制造的要求也越来越高、越来越苛刻。一方面由于世界能源紧张，迫切 需要汽车的耗油量佯低，使用经济性提高；另一方面因为汽车使用的地理分 婴型查兰堡主兰垡堡兰 布一般很集中，尾气的排放会严重恶化我们周围的大气污染，直接影响到每 个人的身体健康，因而需要有效地降低汽车尾气中有害气体的排放，提高汽 车的环保性能。还有由于现在汽车品牌众多，汽车市场的竞争激烈，迫使汽 车制造企业、公司必须从汽车设计、制造等多个方面去降低汽车的生产成本 和销售价格，同时提高汽车的质量和使用寿命。所以在我国的汽车生产行业 中，甚至在世界的汽车生产行业中，呈现出了一种“汽车轻量化设计和生产” 的必然趋势。 “汽车轻量化设计和生产”就是指在保证汽车动力、安全、舒适性能的 前提下，采取一定的有效、合理的措施减轻汽车的整体质量。有资料显示， 汽车质量每减少1 0 ，可降低6 8 的油耗。降低车体质量，即为轻量化设 计的核心问题，既能降低材料消耗，又能降低尾气排放量，这已为世界各国汽 车行业所共识，并已开始投入到实施之中，如美国p n g v 计划在2 0 1 0 年轿车将 使汽油的使用达至l j 3 4 k m l 的3 倍燃料效率；欧洲汽车行业也承诺将降低2 5 以 上的能源消耗。截止目前，在“汽车轻量化设计和生产”方面的工作也已取 得了较大的成果：一方面是大量地应用实用型的、高比强度、比刚度的金属 合金、工程塑料、复合材料等工程材料；另一方面，加强基础设计领域的科 学研究，推广汽车配件总成的可靠性和优化设计，发展仿真设计、虚拟制造、 虚拟实验技术，提高整体设计档次和水平。 汽车是一种集动力机、传动机和工作机三位一体的复杂机器，一般由 3 0 0 0 种以上的装配机构，上万个零件组成。各零件根据功能和制造工艺要求， 选用最合理的材料来制作。目前在汽车的构造中，实际占重量大头的只有4 种材料，分别是钢、铸铁、轻合金和塑料等，共约占汽车自重的9 0 【4 j 。按 重量计，钢居首位约占5 5 6 0 ，铸铁居第二位。在重、中型载货车上， 铸铁是发动机中的优势材料( 约占其3 4 的重量) ，加上底盘上也大量采用铁 素体韧性球铁铸件，因此铸铁件约占载货车重的2 0 份额；在多数轿车中， 铸铁占车重的1 0 1 2 份额，因此其第二位的位置比较牢固。另外我国生 产的汽车与国外相比，铸铁的用量，尤其是球墨铸铁的用量比国外爹”。 铸铁在汽车中能得到大量的应用，得益于其具有诸多优势。首先铁在地 球上的储量丰富，有开采价值的铁矿量远多于其它金属矿量，具有明显的资 源优势；其次铸铁具有绝对的价格优势，其成本、价格均低于钢和其它有色 金属；再次铸铁能铸出形状复杂的工件，甚至能获得空腔工件如气缸体、气 3 璺纠查兰堡主兰垡丝壅 缸盖等，且工件公差小，这些是锻造、滚轧、冲压、挤压或其它采用任何塑 性良好材料的成形技术都无法达到的，另外铸铁件的切削性能通常优于钢 件，所以铸铁还具有优秀的工艺优势；最后铸铁还具有其独特的性能优势， 其密度低于钢，有良好的耐磨性、吸振性，弹性模量高，表面氧化起皮温度 高，适用工作温度范围宽，一般为一5 0 5 0 0 。c 。通过提高铸造技术水平， 提升铸件的质量和精度，铸铁具有很大的替代钢材的潜力【6 】。 汽车制造中所采用的铸铁包括灰口铸铁、蠕墨铸铁和球墨铸铁，被用于 制造缸体、缸盖、飞轮、制动毂、制动盘、曲轴、排气歧管、转向节、制动 钳、连杆和凸轮轴等。目前，由于球墨铸铁具有好的强塑性，在汽车生产中 正得到广泛的推广应用，并显示出了将取代部分钢和灰口铸铁的强大趋势。 1 2 球墨铸铁的发展 球墨铸铁诞生于1 9 4 9 年，至今已有5 0 多年的发展历史，而且近十年来 其生产量在世界范围内连年呈增长势头【7 “j ，能替代铸钢件，使后者产量下降 至球铁件的5 0 以下；并基本取代了可锻铸铁件，使其产量降至球铁件的 1 0 以下。现在球铁铸件产量仅次于灰铸铁件【9 j 。 球墨铸铁是通过将铁液进行球化处理后制得，即将m g s i f e 合金或稀 土m g - s i f e 合金加入到铁液中，改变石墨的生长方式，使最后得到的石墨 以球状形态存在。其含c 量一般为3 6 3 9 ，含s i 的含量为2 2 2 8 ， 碳当量一般为4 2 4 6 左右，而其基体组织含碳量一般为0 5 5 左右【l0 1 。 根据其基体组织的不同，球墨铸铁可分为铁素体球墨铸铁、珠光体球墨铸铁、 铁素体与珠光体混合球墨铸铁和等温淬火球墨铸铁等多种。由于基体组织的 不同，球墨铸铁所表现出的机械力学性能也有所不刚“j 。铁素体球墨铸铁的 显微组织为以铁素体为基体并在其上均匀分布球状的石墨，因为铁素体是一 种韧性组织，硬度为h b 7 0 1 5 0 ，所以该球墨铸铁具有很好的冲击断裂韧性； 珠光体球墨铸铁的显微组织为以珠光体为基体并在其上分布着球状的石墨 颗粒，而珠光体是略有韧性的强度较高的组织，硬度为h b l 7 5 - - 3 3 0 ，所以 珠光体球墨铸铁是一种具有较高强度和一定韧性的铸铁材料，当珠光体球墨 铸铁中的珠光体很细小时，其抗拉强度可 一9 0 0 1 v f l a a ，同时延伸率仍可2 ； 铁索体与珠光体混合球墨铸铁的基体组织为以珠光体和铁索体为基体并在 其间均匀分布球状石墨，机械力学性能介予铁索体洙墨铸铁和珠光体球墨铸 d 四川大学硕士学位论文 铁之间；等温淬火球墨铸铁由于显微组织为以贝氏体或马氏体与残余奥氏体 为基体并在其上均匀分布球状石墨，因而能达到很高的强度并具有一定的韧 性【1 2 】。总之球墨铸铁品种繁多，性能各异，能满足许多不同特定工作环境的 服役要求，有些甚至是价格昂贵的其他材料所难以比拟的【l 卜“】。 正因为球墨铸铁具有优秀的综合力学性能，使其在工业中得到了广泛的 应用【” 17 1 。实际上，我国所生产的球墨铸铁大部分都应用于汽车制造业，换 言之，汽车工业不仅是钢和灰口铸铁的主要使用者，而且也是球墨铸铁的主 要消费者。球墨铸铁的强韧性较高，抗拉强度为8 0 0 1 2 0 0 m p a ，弹性模量达 1 5 0 1 7 0 g p a ，分别为合金铸铁的3 倍和1 0 5 倍，同时抗冲击值也较高，强烈 运动时也不会使其折断。所以金相组织中铁素体含量小于5 ，且其中均匀 分布着弥散的尺寸为3 3 1 0 0 1 u n 的球状石墨，渗碳体相间距为0 5 1 2 1 u n 的珠光体球墨铸铁很适合用来制造活塞环【l p l 9 】；曲轴是珠光体基体球铁的典 型零件，经过滚压后的球铁曲轴可应用到1 4 7 1 6 2 k w ( 2 0 0 2 2 0 马力) 的汽车 发动机( 或柴油机) 上，功率较小的汽车发动机使用球铁曲轴己十分普遍，目 前用球墨铸铁代替锻钢加工汽车发动机曲轴，是汽车轻量化设计最成功的案 例之一，而且现在所有的曲轴都已用球墨铸铁来制造【2 0 】；另外排气歧管是铁 素体球铁的典型零件，因担心高温下珠光体分解造成的相变应力引起排气岐 管变形甚至开裂，所以排气歧管本体铁素体量 9 5 ，且随着发动机功率的增 大，排气温度也越来越高，因而高硅铝球墨铸铁是制造排气岐管的道选材料； 转向节、制动钳、连杆、涡轮增压器壳、气门摇臂和桥壳等汽车保安件也同 样可用球墨铸铁来制造1 2 “。 随着球墨铸铁材料的不断发展，它的铸造成形工艺也得到了飞快的发 展，由于球铁的凝固结晶特点对其铸造工艺提出了独特的要求，高刚度铸型 及快速冷却是确保获得尺寸精确、内部致密、球化良好、石墨及晶粒细化的 铸件的有利条件，所以近5 0 多年来，具有上述特点的先进铸造工艺应运而生 并不断得以发展和完善，在球墨铸铁的生产中获得了越来越广的应用，如球 铁型材水平连铸、金属型覆砂铸造、水冷金属型铸造、负压消失模铸造和喷 射成形等哗j 。 球墨铸铁拥有良好的物理、力学性能和众多的优势，再通过合金化、热 处理等手段还能进一步挖掘球墨铸铁的性能潜力，以满足某些工作场所的特 殊要求，例如通过表面淬火可以使球墨铸铁件的表面硬度大大提高，抗磨性 5 些型奎堂堡圭堂堡垒兰 能增加，使其铸件的断面组织为：表层为马氏体及残余奥氏体，心部为珠光 体，进而能提高球墨铸铁件的使用寿命，所以球墨铸铁在汽车工业以及其它 领域内的应用必将不断地扩大。目前球墨铸铁也已开始用于发动机凸轮轴的 生产，并受到了学术界和汽车工业界的广泛关注瞄】。 1 3 凸轮轴的发展 众所周知，凸轮轴是汽车发动机的关键零件之一，专司控制内燃机进气 门和排气门开启和关闭的时间，是一种以曲轴转速之半运转，不断地加速和 减速的旋转质量，在怠速时旋转速度为几百转每分钟，而在加速或带负荷运 转时的旋转速度最高可达2 0 0 0 r m i n ，因而凸轮轴需要有较好的韧性，而且 内部不得有较严重、较多的冶金缺陷，如疏松、夹渣和内部裂纹等。凸轮轴 均由凸轮、轴颈和轴底三部分组成，形状复杂，存在大尺寸变化的台阶和数 量较多的热节。根据发动机气缸数的不同，凸轮数也不同，并与摇臂或辊子 直接刚性接触，将凸轮轴的圆周运动转换成气门挺杆的直线运动，并控制其 直线运动的时间以达到控制进气门和排气门的开启和关闭时间；轴颈与气缸 盖上的轴承座相配合，起到支承凸轮轴的作用。在现代发动机中，凸轮轴的 位鼍已经从下置式改成了上置式。上置式凸轮轴通过挺杆、圆柱齿轮、同步 带、摇臂或者辊子随动件驱动顶置式气门。所以凸轮轴与摇臂或辊子或挺杆 体这一对摩擦副承受着极高的接触压应力和高速滑动摩擦力，而且它们间的 润滑条件也较差，因此两零件都最易出现擦伤、剥落，甚至大面积磨损的早、 中期磨损现象。在这样的工作情况下，就要求凸轮的摩擦表面部分必须具有 很高的硬度和很好的抗磨、耐磨性能。总之，汽车发动机凸轮轴的心部必须 要有足够的韧性，凸轮工作表面必须具有很高的硬度、优良的抗磨性能和一 定的耐蚀性能，有稳定的内部组织和稳定的尺寸和精度，无内部冶金和组织 缺陷，高的抗疲劳强度和长的使用寿命，能很好地满足在不同的运转速度下 长时间的工作要求j 。 早期的发动机转速较低，功率也小，为提高耐磨性，两零件通常都采用 低碳钢渗碳淬火低温回火工艺；后来凸轮轴演进为中碳钢锻造毛坯经切削加 工后高频表面淬火工艺，凸轮桃尖部分经高频表面淬火后形成马氏体层，例 如美国的二手设备转让至前苏联，后又传递至一汽用于生产解放牌卡车的生 产技术，其凸轮轴系4 5 8 钢锻件，经机加工和高频表面感应淬硬，而气门挺杆 6 四川大学硕士学位论文 体则为1 5 c r 钢件，经渗碳淬硬和磷化后使用m j 。 由于凸轮轴的形状复杂，通过模锻而制得的凸轮轴成本较高，锻模磨损 严重，产品尺寸误差大，再现性差，切削加工量也大，所以凸轮轴后来就改 用合金铸铁通过铸造工艺来生产。凸轮轴与挺杆体这对摩擦副，采用铸铁来 制造是技术发展的趋势，早在3 0 年前，美国各种轿车和卡车发动机的凸轮轴 就已经全部采用铸铁材质，而不再采用钢轴了。以美国为主的几个国家开发 出了可淬硬铸铁凸轮轴，它是用合金铸铁凸轮轴毛坯通过高、中频淬火，在 凸轮周边获得回火马氏体、少量碳化物、少量残余奥氏体及细条状石墨混合 组织的耐磨层，其中细条状石墨有储油、自润滑作用；我国一汽在1 9 5 8 年试 制红旗轿车时便开始采用合金铸铁淬火凸轮轴；我国二汽采用合金铸铁离子 氮化工艺生产了4 9 1 汽油机，并在本厂成功开发了相应的铸造和热处理工艺。 在2 0 世纪7 0 年代末德国和法国又相继开发了合金铸铁凸轮轴氩弧重熔 新工艺，即在电弧高温作用下，利用氩气层流的保护，在凸轮表面形成微小 熔池，电弧转移后，靠工件自身吸热使熔池激冷而得到细小的莱氏体组织， 这种方法的优点是凸轮的晶粒细小、耐磨性高、易于实现机械化、质量稳定、 废品率低、成本低等。 后来又出现了以日本和法国为主的用冷激铸铁生产的冷硬铸铁凸轮轴， 我国也广泛发展了这种冷硬铸铁凸轮轴的生产。早先引进的康明期柴油机凸 轮轴就为冷硬铸铁件；二汽还生产了本田发动机的冷硬铸铁凸轮轴：江西凸 轮轴厂采用普通粘土砂造型生产4 9 3 q c r - m o n i 冷硬铸铁凸轮轴；国营1 0 2 厂 采用3 0 4 树脂自硬砂造型生产c r m o c u 冷硬铸铁凸轮轴；东风本田公司采用 壳型覆膜砂造型生产t c r m o n i t i 冷硬铸铁凸轮轴。冷硬铸铁凸轮轴生产 技术就是在铸造过程中采用冷铁对凸轮进行激冷，每个凸轮只需一个冷铁， 且仅凸轮桃尖1 8 0 。的范围内采用冷铁激冷，通过该技术生产的凸轮轴还可 充分利用铸铁与铸铁间良好的减摩、耐磨性能而省去钢凸轮轴所需的、装配 在缸体上的双金属衬套，从而简化了摩擦副结构和降低生产成本。 凸轮轴的发展经历了从采用碳钢锻造生产到用铸铁铸造生产的变化，铸 铁凸轮轴除了抗疲劳能力低于锻钢凸轮轴外，减摩耐磨性、搞擦伤能力、吸 震性、经济性和其它性能均优于锻钢凸轮轴，所以锻钢凸轮轴已完全被淘汰。 目前铸铁凸轮轴所采用的铸铁材质主要为合金铸铁、可淬硬铸铁和冷激铸铁 等三种，在物理力学性能表现方面各有长短，如表3 1 所示。首先就抗磨、 7 凹业查兰堡主堂垡笙壅 抗擦伤能力而言，冷激铸铁优于其它材料；在生产成本方面，冷激铸铁凸轮 轴的生产费用最低；但是在抗疲劳能力方面，冷激铸铁的最低，这是由于冷 激铸铁组织中存在一定的碳化物和大量的片状石墨，使其脆、硬性很高，韧、 塑性很低所导致。尽管当前冷激铸铁凸轮轴的市场占有率最高，但其低的抗 疲劳性能将会大大地限制了凸轮轴使用寿命的提高，是冷激铸铁凸轮轴推广 表3 1 三种主要铸铁凸轮轴工艺及性能特点对照表 ：燕糟耄冉爱鞭蠹轻鹅璺壁嚣话菊 壤鸯蠹* 麟礴艟抽蔫赶扭她嚣掏 采聍鬻= 瞎蒜酶储摆稚堪攫， 薯酎簿秘酶雠童蹲裴囊i 黉= i i _ 蕾鞲墓枣瓤祷j 骧蠡整担鹱鑫箨翱鬟 在鳖气詹越矬截睁节蕞椎每 监书善艺謇箍天垂照靖+ 莉商砖镬酗篱渣壤 马氏 l ：瓤少量蕞能铸椰簪垂鞲鲁巍毳。 德僻| 鞫_ 鹄撼羞盎甜蹙绷产生静 拳鸱蠢斡柞同懑播鞋麓爵袋再雒捷辞彝藕誊糕墨箍杏照霞耪融黯基 咕馥撵能钱麓封i 再瀑精攒 潦辗e 豇垂霸撵潮i 萋；| i 璺 凸诬黧磕由赢鬟酗赡搬律转尊 羹蘩盎襻瓣意詹 羁必耳琵姆娜尊量联嚣辫撕垂量嚣 _ 龋橙黼组爨饕螽傅漆囊丧t 麟拣穰匏曲) 掣豫辣j _ t 曩 系囊磊律聂豢女；i 磁警! ；_ =oi 抗薅船力 _ _ _ i 婚灌辩 i 较好。| - - 黼箨辩赣凸| 辘翱辐当? ：妻毫瓣街琏鼍 一 埒琴籍捷誓撼艚博凸势篝i 凇鼹羹酗 拳鞠翦|，。_ 蔓叠羚蓑嚣凸豫箱礴糟 蘸建劳雌赢： 菝基般翳匠窿钢籼艳蔫蒜 1 篝耳捧骚弗赣晶转篝蘑翥。 礁辅酋毫重。 一- 埒6 4 疆瓣2 d 斡蛐；_ ! ，：锵照舞疆熏糕鼙熟晦囊蝻， 谯轰童声警序少。耗懿参，班举董蕺 瓣造薹艺驶隽薯单 不筒董摊码话冀壤照魂点蟪 齄力譬碰j = 凸轾籀j | 彝菇 蠢磊越取赡i ：戚擎菇) 毒尝，雌精夫， 警壤翦藉荐酉齄辅蕉想；豫 馓矗捷疰舞瑟身敦摭 晓零盛辕煮 嚣调t ) _ _ ，警芑薹瓤成零崔 应用 氏苹6 携轼鬟鞲纛捶量f 援带，枣璺焉蓬萱弱瓤七，以舞嗣赣塞 l ：l 锚蔫戈矗身墼。 应用中的一大障碍和隐患。 随着球墨铸铁的发展，球墨铸铁兼具钢和铸铁的优良物理力学性能的事 实有目共睹，因而被广泛地应用于汽车工业。目前汽车发动机曲轴均用球墨 铸铁来制造，完全淘汰了过去的锻钢曲轴，并且己开始用于生产凸轮轴。球 墨铸铁凸轮轴具有合金铸铁的耐磨抗磨性和吸震性，同时也具有钢制凸轮轴 的韧性、抗疲劳能力和使用寿命。球墨铸铁凸轮轴的生产是汽车发动机凸轮 轴的发展方向之一。 1 4 球铁凸轮轴生产中存在的问题 根据凸轮轴的使用环境，通常用于生产凸轮轴的球墨铸铁牌号为 q t 7 0 0 2 ，化学成分要求为( w t ) ：c 3 2 3 9 ，s i l 7 3 0 ，m n o 3 o 9 ， p o 0 5 ，s 4 2 0 m p a ，抗拉强度瓯 一7 0 0 m p a ，延伸率 2 ，基体硬度为h b 2 2 9 3 0 2 ；基体金相显微组织要求为：石墨球化率8 0 以上，石墨直径最大0 0 8 m m ， 平均直径0 0 4 m m 以下，基体组织中铁素体含量5 以下，游离渗碳体含量小 于5 ，珠光体含量在9 5 以上；凸轮及偏心轮表面淬火后表面硬度为h r c 5 5 以上，淬硬层深度为2 m m 以上，并以h r c 5 0 为分界点检测有效硬化层深度， 淬火部分不得存在残存铁素体，允许未溶碳化物及残余奥氏体混合物存在： 整个铸件不加工表面不允许出现疏松、气孔和夹渣等缺陷，加工表面不允许 出现气孔、疏松、凹陷和皱纹等缺陷；各凸轮中心线对p 面角度误差o 。 1 5 ；未注明的铸造圆角为r 1 5 m m 。 研究用球墨铸铁凸轮轴是采用铁模覆砂铸造技术制得的。铁模覆砂铸造 是在金属型和壳型的基础上发展起来的一种近净成型( n e a rn e ts h a p e ) 铸 造工艺，在其工艺中铸件与铁型之间存在一层树脂覆砂层，导致其传热过程 与一般砂型铸造有所不同。铸造金属模具有传热效率高、冷却速度快的特点， 但不能与高熔点金属液直接接触，因而金属型铸造一般用于低熔点金属的液 态成形；树脂砂铸造模能经得住高熔点金属液的烧蚀但型模强度很低，当用 于铸铁液态成形时往往会因石墨析出膨胀而爆裂，从而得不到内部致密的铸 件，普遍存在疏松、缩松等缺陷；在金属模型腔表面附着一层树脂砂，不仅 可以避免金属模的烧蚀，提高金属模的使用寿命，而且还可保留金属型铸造 的种种优点，所以铁模覆砂铸造兼具金属型铸造的冷却速度较快、内部致密、 石墨及晶粒细化的优点和壳型铸造的表面粗糙度低、尺寸精确的特点，特别 适合于球墨铸铁的生产。近几年，铁模覆砂工艺得到了迅速发展和广泛应用， 尤其在浙江省机电院的不懈研究和努力推广下，已经成为具有我国特色的球 墨铸铁特种生产工艺。目前全国约有数十家企业采用了该铸造工艺技术，年 生产量约1 0 万吨，生产的铸件有3 0 多种，其中曲轴约占8 0 左右，另外还 有缸套、阀体、齿盘等等球墨铸铁铸件。 本论文所涉及的球墨铸铁凸轮轴乃是成都金顶汽车凸轮轴制造有限公 司于2 0 0 2 年下旬购进并于年终投产的一套球墨铸铁金属模覆砂铸造凸轮轴 生产线所生产，由于存在严重的质量问题而不得不于2 0 0 3 年1 0 月停产，其 质量技术问题可归结为两方面：部分铸件心部存在一定的疏松缺陷；基体组 织尤其是凸轮部位的组织不合要求，导致凸轮工作摩擦表面经淬火后表面硬 度不合格等。该套球墨铸铁金属模覆砂铸造凸轮轴生产线原有的生产制造工 g 四川大学硕士学位论文 艺为 熔炼一球化一孕育一专浇铸一脱模一专喷丸一j 较直 专车削斗磨削一高频表面淬火斗磁粉探伤_ 装箱 在实际生产过程中，有时会发现少部分球墨铸铁凸轮轴铸件心部存在一 定的疏松现象，产生缺陷的铸件占同批生产铸件总量的比例达3 0 。经大量 的跟踪观察后发现，存在疏松缺陷的凸轮轴铸坯都是后期浇注的，若在浇注 后期的铁液温度还较高，则所生产的铸件均无明显的疏松出现，反之则有明 显的疏松缺陷产生。这是由于一次球化处理的球墨铸铁液不能同时进行浇 注，且球化包无保温装置；球墨铸铁铁液需分批分期通过浇注包转运进行浇 注，其间有较大的温度、热量损失，因此在浇注过程不很顺畅、连贯时，后 期浇注的球墨铸铁铁液温度便会降低，使实际浇注温度降低；而球墨铸铁的 凝固方式为糊状凝固，不同于灰口铸铁的壳状凝固，因而其液态的流动性能 和充型能力稍低，最终就导致了在后期浇注的凸轮轴心部出现了一定的疏松 缺陷。 所生产的球墨铸铁凸轮轴除了疏松缺陷外，还有一个更为致命的质量问 题就是凸轮轴的凸轮部分经高频表面淬火后，表面硬度平均值均低于h r c 5 5 ， 并且在其淬火表面存在一定的软带、软区，使凸轮轴在以后的使用过程中， 凸轮摩擦工作表面易于产生严重的磨损、坑蚀和剥落等磨损现象，不能满足 凸轮轴的抗磨耐磨技术要求。通过对表面淬火前的凸轮轴坯的金相组织观测 得知，在凸轮表面层和凸轮轴内部的基体组织中有约1 0 左右的里等轴状的 游离铁素体存在。这是因为球墨铸铁凸轮轴铸件在铁模覆砂铸造过程中，随 着铁液温度的降低，铁液不断地凝固，直至凝固过程全部完成；在铸件温度 为9 5 0 。c 左右时脱模，此时其内部组织为奥氏体及球状石墨；并将铸件分散 放置空冷致室温，其内部的室温组织为珠光体、环状游离铁素体( 俗称牛眼 状) 及球状石墨：后球墨铸铁凸轮轴铸件又经去应力退火处理后，其内部组 织即成为粗片状珠光体、等轴状铁素体及球状石墨；由于一定量游离铁素体 的存在，致使球墨铸铁基体组织和成分很不均匀；而且高频淬火过程很短， 加热和冷却速度都很快，使球墨铸铁内部基体中不均匀分布的碳原子不能得 四i i 大学硕士学位论文 到充分的扩散和均匀化分布，最终导致表面淬火层的组织复杂，既有中碳马 氏体，也有低碳马氏体，还有铁素体和残余奥氏体存在，而残存的铁索体区 域即为硬度软区，并且使表面硬度平均值显著降低，这样就致使大批量的球 墨铸铁凸轮轴报废。因在球墨铸铁凸轮轴的原始组织中存在游离的铁素体， 使凸轮轴经高频表面淬火后凸轮轴表面性能质量严重不合格，其导致的废品 率竞高达9 0 以上，这是铁模覆砂铸造球墨铸铁凸轮轴所面临的最大的质量 问题，也正是该铁模覆砂铸造生产线停产的最根本的原因，所以这也是本研 究的主要对象和问题。 1 5 研究的意义 球墨铸铁是铸铁材料中性能最好的材料品种，不仅具备铸铁的优良物 理、经济特性，而且还具有与钢相当的强度和韧性，通过不同的热处理工艺， 可获得不同的基体组织，进而得到不同的机械力学性能，以满足不同工况下 工作的零件的技术要求，而且经过一定的表面处理后，球墨铸铁的耐磨、抗 磨性能优于灰口铸铁和钢【2 6 l ；发动机凸轮轴与气门挺杆组成一对摩擦副，承 受着极高的接触压应力和高速滑动摩擦力，而且它们间的润滑条件也较差， 擦伤、剥落和大面积磨损是至使凸轮轴和挺杆失效的主要原因，另外由于灰 口铸铁的塑、韧性较低，是凸轮轴产生疲劳断裂的主要因素；所以球墨铸铁 材料是很适于用来制造发动机凸轮轴，这也是凸轮轴生产的发展趋势和众多 汽车制造商所关注的热点之一。将价格低廉、性能优良的球墨铸铁材料应用 于汽车发动机凸轮轴的制造也正是本项目的研究目的之一。 但是由于该生产线的自动化程度不高，使所生产的球墨铸铁凸轮轴的质 量极不稳定，游离铁素体量常常超标，并致使经过表面淬火后，凸轮表面硬 度不够。自投产开始至2 0 0 3 年1 0 月，所生产的球墨铸铁凸轮轴中，仅有约 4 0 的产品合格，即成品合格率只有4 0 左右，该生产线处于严重亏损状态， 最终不得不停产下马。其质量合格率低下的原因就是该生产线的自动化程度 很低，不能确保球墨铸铁凸轮轴铸件的凝固冷却速度，不能满足原有工艺的 技术要求，使其基体组织中有大量的牛眼状或游离状的铁素体分布，使凸轮 轴铸件的基体强度和表淬后表面硬度均降低而报废。因此，从实际情况出发， 优化球墨铸铁凸轮轴的生产工艺，完善该金属模覆砂球墨铸铁凸轮轴生产 线，适应规模化生产，提高产品合格率及其经济效益是本项目的研究目的之 11 四川大学硕士学位论文 一。 目前，优良的球墨铸铁材料已应用于发动机凸轮轴制造的实例还不多， 如金属模覆砂铸件生产线这类的先进铸造技术在我国的应用也很少。本项目 的成功