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[发动机] 化学成分对冷激铸铁凸轮轴铸铁的影响

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发表于 2011-7-15 01:14:08 | 显示全部楼层 |阅读模式
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图1 造型生产线

在用冷激方法生产凸轮轴时,为保证铸件质量的稳定,在铁水保温过程中分析各相关元素的成分和含碳量,找出碳随保温时间变化的规律,对炉前成分进行控制,可有效降低产品的废品率。
对于用冷激方法生产凸轮轴,在原材料、熔炼、浇注和造型工艺一定的情况下,在造型过程中通过在凸轮处放置冷铁,以使铸件在凝固过程中在凸轮的工作面形成垂直于工作面的莱氏体碳化物和少量致密的珠光体,该组织具有良好的耐磨性。所以冷激铸铁凸轮轴逐渐被轿车市场大量应用,但是其工艺适用性差,这在一定程度上影响了它的进一步发展。化学成分、型砂的控制、过程温度控制、炉前铁水孕育和球化的控制、模具及工艺设计等因素都会影响冷激铸铁凸轮轴的工艺使用性,特别是化学成分和型砂这两方面对冷激铸铁凸轮轴铸造的影响尤为重要。下面就我公司的情况谈谈化学成分的控制,以供大家参考。
炉前成分的控制
我公司熔炼设备有4台4t的应达感应中频炉,每台熔炼炉熔炼4t铁水只需要1h,而我们的造型生产线有3条,分别是B-Track、Auto1、Auto2(见图1),其中B-Track主要生产六缸机的大轴,造型能力为16型/h,消耗铁水的能力1.3t/h;而Auto1、Auto2主要生产四缸机的小轴,造型能力为60型/h,消耗铁水的能力1.8t/h。由于冷激凸轮轴毛坯生产的特点,生产线所需的铁水很难混用,势必导致熔炼能力远大于造型能力,铁水熔炼好后一边浇注一边造型,每炉铁水一般从开始浇注到浇注完毕需要2.5h。因此,这对铁水的成分提出了更高的要求。
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图2 直读光谱仪


为了保证铁水的成分,我们通过两方面进行控制:第一,出铁水前用直读光谱仪(见图2)分析铁水的硅、锰、磷、铬、钼和铜等元素,用CS分析仪(见图3)分析碳、硫元素;第二,铁水在保温过程中碳的含量烧损。至于第一步通过工艺试验确定合适的化学成分,在孕育处理前将铁水的化学成分调整到规定的成分范围,目前执行起来相对简单,而对于第二部就比较复杂。
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图3 CS分析仪


以我公司一款四缸柴油发动机凸轮轴毛坯为例,该产品图纸要求:凸轮桃尖5mm处硬度HRC≥45,凸轮桃尖两侧80°5mm处硬度HRC≥40,基圆不需要冷激处理;轴颈金相组织为:石墨为A型+少量D、E型,基体为珠光体+少量碳化物,心部(φ10mm)碳化物≤10%,基体硬度HB230~300。该产品的生产设备:熔炼是选用现有的4t应达感应中频炉,造型采用日本精工生产的TH-E制芯机,采用覆膜砂造型。由于浇注时间长,成分不容易控制,导致因缩孔和金相组织不合格报废,废品率一般达到15%。我们通过对废品的分布发现,后面浇注的产品缩孔和金相组织报废的比率明显偏高,我们估计是铁水在浇注过程中碳的烧损引起成分波动导致废品率增加。为此,我们决定首先采集碳随保温时间变化的曲线,然后通过炉内增碳以保证碳处在稳定的范围。
取样方案
为了采集碳随保温时间变化的曲线,我们确定取样方案为:
1.利用浇注冷铁的铁水,将冷铁的炉前化学成分、出铁水的温度调整成与目前我们试验的产品成分一致,以保证数据的可比性。
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图4 碳随保温时间变化曲线


2.在浇注过程中每4min浇注一试样块,用CS分析仪检测碳的量。
3.记录炉子的保温功率、每4min时的铁水温度、炉内铁水的重量等数据。我们对采集的数据分别进行处理,图4所示是碳随保温时间变化的曲线。
我们针对碳随保温时间变化的曲线,再结合炉内铁水的重量,算出需要补加碳的量,再考虑增碳剂的吸收率,得出实际增碳剂与保温时间的关系曲线(见图5)。
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图5 实际增碳剂与保温时间的关系曲线

我们把该数据运用到该产品炉前增碳上,在加入前把增碳剂量称量好,在增碳剂加入前浇注一试块检测碳量,观察碳量的变化趋势。目前该产品炉前的化学成分受控,产品的废品率降低到8%左右,特别是缩孔和金相组织报废的比例<2%。
结语
冷激铸铁凸轮轴化学成分客户虽然一般不做要求,但是要想获得稳定、质量好的铸件,化学成分特别是碳、硅含量必须严格控制。我们已把在该产品中积累的经验运用到其他的产品中。
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