如何徹底消除激冷鑄鐵凸輪軸的“黑線”

李 莉，沈保羅，，岳昌林

（1.四川大學材料科學與工程學院，成都 610064；2.成都金頂凸輪軸鑄造有限公司，四川郫縣 611732)

如何徹底消除激冷鑄鐵凸輪軸的“黑線”

李 莉1，沈保羅1，2，岳昌林2

（1.四川大學材料科學與工程學院，成都 610064；2.成都金頂凸輪軸鑄造有限公司，四川郫縣 611732)

激冷鑄鐵的白口層常常出現“黑線”缺陷，本文討論了黑線的形成機理并提出了如何徹底消除黑線的方法。

激冷灰鑄鐵；凸輪軸；黑線；對策

凸輪軸是汽車發動機的關鍵零件之一。用激冷鑄造方法在球墨鑄鐵或灰鑄鐵凸輪軸的凸輪表面形成激冷層（由珠光體和萊氏體組成），該激冷層具有較高的硬度（>50HRC）因而具有很高的耐磨性。用這種工藝方法制造的凸輪軸成本低，耐磨性好，使用可靠，已經廣泛用于各種乘用車發動機的凸輪軸制造。

“黑線”是激冷鑄鐵凸輪軸生產中常見的一種組織缺陷，是夾在白口區內的一層由低倍點狀石墨和珠光體組成的軟帶，在凸輪側面上為一條明顯可見的黑線，其硬度比兩側的白口低約35～40HRC[1]，“黑線”部位的磨損量是正常白口區的1.5～3倍[2]，大大降低了凸輪的耐磨性。國內外鑄造工作者對“黑線”的形成機理、影響因素以及預防措施已經進行了有益的探索[1-10]。

在我們原來的生產實踐中發現[11]，黑線是激冷凸輪軸上既難以完全根除又難以完全發現（生產中常常采用抽查的方法來判定某批凸輪軸是否合格，而黑線的產生又具有偶發性和多發性的特點）的組織缺陷，一旦產生，就會嚴重危害凸輪軸的耐磨性。下面就結合我們的最近的生產實踐結果，介紹徹底消除凸輪軸黑線的工藝方法。

1 對黑線認識的過程

1.1 國內外的研究結果

宋洪燁和徐興春[3]是我國最先報道激冷凸輪軸產生黑線、影響黑線的工藝因素以及提出防止黑線產生的方法的科技工作者。他們報道的國營120廠在上世紀80年代初期就開始采用樹脂砂造型、凸輪桃尖安置成型冷鐵以及立澆底注的方法生產激冷凸輪軸。在生產中他們首先發現[3]，在激冷的白口區內往往會出現一條黑線。分析表明，該黑線處的硬度在33HRC左右，大大低于激冷形成的白口區的硬度；金相分析證明，黑線處有大量點狀石墨和片狀石墨，在黑線兩側為激冷的白口區。從冷鐵激冷的凸輪表面到凸輪芯部的正常組織應該為：白口區→麻口區→灰口區。然而，一旦出現黑線，組織變化的順序卻變成：白口區→灰口區（黑線）→白口區→麻口區→灰口區。他們還發現，出現黑線與下列因素有關：①立澆底注凸輪軸的8個凸輪都有黑線，而距離下端內澆口最近的凸輪，黑線最嚴重；隨著距離增加，黑線出現的程度減輕，最上端凸輪上的黑線變成不連續的點狀。②澆注溫度高，黑線變輕；澆注溫度低，黑線變嚴重。③澆注速度慢，容易產生黑線，快速澆注可以減輕黑線出現的程度。④直澆道與內澆道之比越大，越容易產生黑線。他們認為，澆注時，鐵液在鑄型中出現紊流是導致黑線的原因。為了防止凸輪軸產生黑線，他們提出:一是必須使鐵液在鑄型中盡快平穩下來，讓鐵液平穩后再結晶，為此，澆注速度要快，讓鐵液盡快充滿鑄型，縮短平穩時間，還要適當加大內澆道截面積，增設出氣冒口，促使鐵液流動趨于平穩，最大限度消除紊流；二是適當提高澆注溫度，盡量使鐵液平穩后再結晶。

1980年代末，日本的宇佐美正[4]用自己設計的試驗方法巧妙地證實，黑線產生的過程是：鐵液先在冷鐵上形成薄薄的激冷層（白口），隨后鐵液再次在激冷的白口層上凝固結晶造成的，他的實驗加深了鑄造工作者對黑線形成過程的認識。

1990年代初，天津內燃機廠的李同毅[5]在水平分型臥澆的激冷凸輪軸上也發現了黑線。四川大學的汪熹等人[1]發現，無論是采用垂直分型立澆底注，還是水平分型臥澆或垂直分型側澆等工藝方法生產激冷凸輪軸，都會在凸輪軸上產生黑線。他們還用大量的統計數據，闡述了用不同工藝方法生產激冷凸輪軸時，凸輪上出現黑線的概率。他們發現，盡管鑄造工藝各不相同，但是黑線出現的規律卻具有相同的特點：①黑線僅僅出現在凸輪軸澆注時的上部；②距內澆口越近，越容易產生黑線；③黑線僅僅位于激冷區的淺表部位，與等凝固線對應。他們又用水力學原理以及鑄鐵存在穩態凝固和介穩態凝固的觀點描述了黑線的形成過程以及黑線形態與凸輪澆注位置的關系。他們針對文獻[3]提出的“適當提高澆注溫度，盡量使鐵液平穩后再結晶”的方法提出了質疑。他們認為，實際上，鐵液的凝固幾乎在接觸冷鐵時即已開始。工藝允許的澆往溫度，不可能高到所有的凸輪都在鐵液停止流動后才開始結晶的程度。相反，澆注溫度越高，正常的激冷順序受干擾的時間越長。由于冷鐵吸熱量增加，激冷能力下降，枝晶生長減慢，黑線趨于淺表層。他們對22個爐次的凸輪軸，隨機抽樣檢查，得到的結果是：1310℃澆注的激冷凸輪軸比1370℃澆注的黑線要少得多。因此，不同的激冷凸輪軸有一個適宜的澆注溫度。他們還提出了一條有效防止黑線產生在凸輪最關鍵部位（凸輪桃尖）的方法，即：將越近內澆口的凸輪桃尖放在澆注位置的下面或水平方向的好方法。

1990年代中期，二汽的鑄造工作者也對黑線產生的原因和防止黑線出現的方法進行了報道[6，7]。裴炎奎[6]注意到，跑火、碳當量過高以及冷鐵使用過久（導致激冷效果減?。┒既菀状偈购诰€產生。他提出了新的防止黑線產生的措施：①適當降低碳當量，硅含量不宜超過1.9%；②定期檢查冷鐵塊的質量；③增設出氣冒口；④防止澆注過程中跑火。二汽的王曉沛等人[7]，用能譜分析了激冷鑄鐵凸輪軸中“黑線”的成分分布，發現黑線區硅含量較高，于是他們認為，“黑線”的產生是由于鐵液在結晶過程中發生硅偏析和成分過冷所導致的結果。首次提出，采用開放式澆注系統以及在鐵液中加入阻礙石墨化的合金元素有利于消除黑線。

21世紀初，哈爾濱東安汽車動力股份有限公司的李樹春等人[8]分析了半激冷凸輪軸DA462“黑線”產生的機理并提出了解決措施。他們在砂型上設置防跑火槽可以防止跑火，從而減少黑線。天津理工大學的劉訓東[2]針對夏利汽油發動機用凸輪軸出現的黑線問題，采用斷續澆注和制造“跑火”的方法驗證了宇佐美正的研究結果。他還用MMW-1型快速磨損試驗機對比研究了黑線與正常激冷白口組織的耐磨性；其研究結果充分證明，黑線是危害凸輪耐磨性的組織缺陷，必須徹底根除。

唐山北內唐齒機械有限公司的盧勤杰等人[10]，在文章中詳細地闡述了凸輪形成黑線的機理和過程。他們還利用鐵碳合金同時具有穩定系共晶（1154℃）反應以及介穩定系共晶（1148℃）反應的現象以及向鐵碳合金中加入某些第三組元會引起穩定系共晶溫度和介穩定系共晶溫度之間的間隔發生變化的觀點，建議針對不同的凸輪軸以及不同的工藝方法，合理地調節硅和鉻的加入量，就能夠生產出沒有“黑線”缺陷的健全鑄件。在文章中，他還引用英國學者Oldfield的觀點（硅元素的加入，使得穩定系共晶溫度升高，介穩定系共晶溫度下降;而鉻元素正好相反，它的加入使得穩定系共晶溫度降低，介穩定系共晶溫度升高。硅加入量越大，兩種共晶溫度間隔越大，“黑線”出現的幾率也就越大;鉻加入量越大，兩種共晶溫度間隔越小，“黑線”出現的幾率也就越小）深入說明調節鐵液中硅和鉻含量的重要性，無疑給避免黑線產生指出了一條具有可操作性的方法。

1.2 我們的生產實踐

成都金頂凸輪軸鑄造有限責任公司是生產鑄造凸輪軸的專業廠家，20余年來一直生產可淬硬凸輪軸（球鐵與合金灰鑄鐵）、半激冷（僅僅在凸輪桃尖及其兩側形成激冷組織）凸輪軸以及全激冷（在凸輪的四周都形成激冷組織）凸輪軸。在生產過程中我們發現，激冷凸輪粗加工面(生產中用于檢查白口深度)的亞表層時?？梢砸姷叫螒B各異的黑線（圖1～3）。這些黑線的共同特點是：黑線都出現在型腔的上方，即：凸輪桃尖在型腔的位置處于水平方向時，黑線出現在凸輪的基圓與凸輪兩腰的連接處（圖1）；凸輪在型腔的位置處于桃尖向上時，黑線出現在凸輪的兩腰且黑線具有對稱的特點（圖2）；當凸輪在型腔的位置處于桃尖向下時，黑線出現在凸輪的基圓處（圖3）。在放大100倍的情況下，黑線區域的石墨形態主要為D型過冷石墨和點狀石墨（圖4）；在放大800倍的情況下，D型石墨為細小的短片狀石墨（圖5）。

2 “黑線”產生的原因和機理

總結前人的研究結果，我們可以認為，“黑線”產生的原因和機理如下：

（1）具有共晶反應的鐵碳合金同時具有穩定系共晶（1154℃，L→G+γ）以及介穩定系共晶（1148℃，L→Fe3C+γ）兩個共晶反應（前者導致形成灰口組織，后者導致形成白口組織。在冷卻速度較慢時，不容易過冷到較低的共晶反應溫度（1148℃），從而會首先在較高的溫度（1154℃）發生共晶反應，形成灰口組織；在冷卻速度較快時，鐵液容易過冷到較低的介穩定共晶反應溫度（1148℃），從而形成白口組織），且兩個共晶反應溫度不同（使鐵液難以完全按照介穩定系共晶反應的形式結晶，形成白口，或完全按照穩定系共晶反應的形式結晶，形成灰口）是導致黑線產生的根本原因。

通過改變鐵碳合金的硅（增大穩定系共晶反應溫度和介穩定系共晶反應溫度之差）和鉻（減小穩定系共晶反應溫度和介穩定系共晶反應溫度之差）含量從而調節共晶反應溫度可以減少甚至消除黑線的原因也在于此。工業鑄鐵是含有各種微量元素，比如V、Ti、As、Pb、Sb、Te、Sn、B、Bi等的復雜合金體系，它們之中有的元素哪怕是含量很微小，也會顯著影響穩定系共晶反應溫度和介穩定系共晶反應溫度；因而對于這樣復雜的合金體系更要仔細了解它們的作用機理，以便有效地控制激冷鑄鐵的質量。冷鐵使用過久，部分失去激冷效果，使同樣的合金更不容易發生介穩定共晶反應，因而更容易產生黑線也可以用上述分析來解釋。

（2）由于凸輪軸的外形結構特點（棒狀結構，在長度方向時大時小而且尺寸、形狀不規則），鐵液無論是從凸輪軸的軸頸分散進入還是從凸輪軸的一端進入，無論是采用立澆底注（鐵液進入相對平穩）還是采用水平分型臥澆，黑線的產生都有共同的規律[1]。因而我們有理由相信，鐵液在凸輪軸中的流動都不會是平穩的（除非鐵液的流動極其緩慢，而這又是工藝不允許的）。在正常的澆注速度下，鐵液在凸輪軸砂型中總是以紊流（有漩渦，有波浪，流速時大時小）的方式流動，這是我們認識黑線產生原因的基本出發點。我們可以設想，鐵液在凸輪軸砂型中的流動，就好比河水在蜿蜒曲折、時寬時窄、時深時淺的河道中流動一樣，河水在流動過程中，會產生漩渦，會掀起波浪，流速會時大時小，流速越大，產生的漩渦以及掀起的波浪也會更大。鐵液在凸輪軸砂型中的這種流動形式也是凸輪軸容易產生黑線的最重要原因。由于冷鐵的激冷作用，難以實現所澆注的鐵液在完全平穩（澆注結束）后才開始在冷鐵的界面凝固，而往往在鐵液接觸冷鐵的瞬間，鐵液的凝固即已經開始[1]。因此，通過提高澆注溫度以及提高澆注速度（一些人認為，用這兩種方法可以使鐵液在澆注完成后再開始凝固）的方法來消除黑線缺陷往往是行不通的，我們的長期實踐已經證明了這一點。

為什么距內澆口越近，越容易產生黑線?因為，距內澆口越近，鐵液的流速越快，鐵液流動產生的波浪也越高，鐵液越容易接觸上方的冷鐵。由于鐵液產生的波浪的波動的不確定性，鐵液在未完全充滿時，鐵液與上方冷鐵的接觸是時斷時續的。最先接觸在上方冷鐵上的鐵液由于冷鐵的激冷作用，極容易馬上凝固成固態或者半固態而粘在上方冷鐵上并依次（從冷鐵表面到凸輪芯部）發生介穩定共晶反應和穩定共晶反應。距離冷鐵近的地方，由于冷鐵的激冷作用較強，會首先形成白口組織；而距離冷鐵稍遠的地方，由于冷鐵的激冷效果減小，會形成灰口組織。先形成的凝固層將把結晶過程中放出的結晶潛熱傳給上方的冷鐵而導致凝固層的溫度下降，這時，如果鐵液波浪再一次與上方的冷鐵接觸或鐵液充型結束。那么，同樣道理，帶有凝固層的冷鐵會使鐵液依次發生介穩定共晶反應和穩定共晶反應，即依次生成白口組織和灰口組織，這就是形成白口區→灰口區（黑線）→白口區→麻口區→灰口區的過程。上述描述說明，黑線的產生過程既具有必然性、復雜性也具有不確定性的特點。不難看出，距離內澆口的距離越遠，鐵的流速越慢，產生的波浪也越小，很自然，凸輪產生黑線的概率也就越低。立澆底注的凸輪軸形成黑線，則與鐵液流動產生的漩渦有關，這里就不再贅述。

為什么黑線僅僅出現在凸輪軸澆注位置的凸輪上部？因為，只有處于澆注位置上方的冷鐵才會受到鐵液波浪不穩定的、時斷時續的沖擊，而與下方冷鐵接觸的鐵液（鐵液進入型腔首先接觸的是下方冷鐵）一直處于型腔的凹陷處，在鐵液的充型過程中，與冷鐵接觸的鐵液幾乎不會再流動，從而會依次按照介穩定共晶反應（受冷鐵的激冷作用大）和穩定共晶反應（受冷鐵的激冷作用減?。┑哪谭绞浇Y晶，從冷鐵表面到凸輪的芯部依次形成白口區→麻口區→灰口區，因而也就不會產生黑線。

為什么黑線僅僅位于激冷區的淺表部位，與等凝固線對應？這是因為：①冷鐵的激冷作用有限，不會使大量的鐵液在瞬間馬上凝固；②由于重力作用，受冷鐵激冷作用生成的激冷層不可能很厚；③凝固始終受溫度場控制，一般而言，等凝固線會與等溫線（與凸輪的外形有關）相對應。因此，黑線僅僅位于激冷區的淺表部位并與等凝固線對應就不難理解了。

3 防止黑線產生的對策

根據上述分析，結合我們20年的工作實踐，我們曾經提出以下防止黑線產生的措施[11]：

（1）合理選擇澆注位置，確保重要部位不產生黑線。具體方法是：采用臥澆一端進水的工藝方法生產凸輪軸，將桃尖朝上的凸輪放在遠離內澆口的地方。

（2）根據積累的經驗，設計合理的冷鐵大小，保證冷鐵有足夠的激冷效果。

（3）根據使用爐料的性質特點（特別要注意微量元素有利或有害的作用），合理搭配爐料，避免有害微量元素的累積作用。

（4）合理調節化學成分，縮小穩定系和介穩定系共晶反應溫度間隔。具體方法是適當降低硅含量提高鉻含量。

（5）適當提高鐵液的過熱溫度或延長保熱時間，提高鐵液發生介穩定共晶反應的能力。

（6）根據用戶對凸輪激冷深度的要求，降低孕育硅的加入量，適當提高爐前三角試片的白口深度（增大激冷傾向），增加凸輪的激冷深度(保證凸輪芯部直徑10mm的圓內沒有明顯白口組織即可）。

（7）為了降低三角試片的白口深度，爐前在鐵液包中再次補充孕育硅時，補后應該設法使孕育硅均勻地溶解在鐵液中，減小硅的偏析。

（8）在殼型上設置凹凸結構，防止澆注時鐵液跑火。

（9）冷鐵表面的氧化層較厚時必須淘汰，確保冷鐵的激冷能力。

（10）在殼型上設置排氣冒口，使鐵液流動順暢，盡量減小鐵液流動產生紊流。

（11）澆注時，適當抬高殼型的尾端，有利于減小鐵液產生的紊流。

4 進一步的試驗結果

最近，我們對上述對策進行了認真的分析，對能夠有效消除激冷凸輪軸黑線的措施進行了確認，發現消除黑線最有效的措施是：增加爐前三角試片的白口深度（增大激冷傾向），將凸輪桃尖的激冷深度（以50HRC分界）控制在10～15mm可以保證沒有黑線出現。激冷深度控制在10～15mm后，出現的問題是：打中心孔的凸輪軸會導致鉆中心孔出現困難，此時，只要保證凸輪中心直徑10mm內沒有麻口即可。

[1]汪熹，楊屹，胡建國.冷激鑄鐵凸輪軸“黑線”的研究[J].成都科技大學學報，1992（5）：43-50，58.

[2]劉訓東.鑄鐵凸輪軸白口區中的石墨異常析出[J].現代鑄鐵，2007（5）：36-38.

[3]宋洪燁，徐興春.凸輪軸激冷鑄造中若干問題的探討[J].鑄造技術，1985（1）:11-15.

[4]宇佐美正.鑄鐵制カムミセフトのチル硬化領域にわけゐ黑鉛層の生成にフレて[J].鑄物，1989（1）：37-42.

[5]李同毅.冷激鑄鐵凸輪軸加工性能的改善和“黑線”缺陷的研究[J].汽車工藝與材料，1990（5）:57-60.

[6]裴炎奎.凸輪軸石墨帶形成及防止方法的探討[J].汽車科技，1996（6）：17-19.

[7]王曉沛，唐孝杰，夏建元，等.激冷鑄鐵凸輪軸“黑線”的成因分析[J].理化檢驗：物理分冊，1996（6）：52-53.

[8]李樹春，葛建國，李平.DA462凸輪軸石墨析出黑線析及解決措施[J].新技術新工藝，2001（9）：34.

[9]Yang Y，Rosochowski A，Wang X et al.Mechanism of“black line”formation in chilled cast iron camshafts.Journal of Materials Processing Technology 2004，145：264－267.

[10]盧勤杰，張德成，盧金鐸.冷激鑄鐵凸輪軸“黑線”缺陷的產生原因和消除措施[J].現代鑄鐵，2007（6）：59－63.

[11]沈保羅，李莉，岳昌林，等.激冷鑄鐵凸輪軸“黑線”的形成機理及對策[J].現代鑄鐵，2009（5）：64－67.

How to Elim inate Com p letely“Black Line”on the Chilled Cast Iron Cam shaft

LI Li1，SHEN BaoLuo1，2，YUE Chang Lin1
（1.College of Material Science and Engineering,Sichuan University，Chengdu 610064，Sichuan China；2.Chengdu Jind ing Camshaft Found ry Co.Ltd，Pixian County 611732，Sichuan China）

The“b lack line”appears often in the chilled layer of the chilled cast iron.In this paper,the p roducing mechanism of b lack line has been d iscussed and methods to elim inate comp letely b lack line have been put forward.

Chilled grey cast iron；Cam shaft；Black line；Countermeasures

TG256;

A；

1006－9658（2010）03－5

2009－12－28

2009－168

李莉（1973-），女，經濟師，成都金頂凸輪軸鑄造有限公司經理