兩種生鐵對可淬硬凸輪軸金相組織和硬度的影響

沈保羅，李 莉，岳昌林，白維均，徐家富

（成都金頂凸輪軸鑄造有限公司，四川郫縣 611732）

兩種生鐵對可淬硬凸輪軸金相組織和硬度的影響

沈保羅，李 莉，岳昌林，白維均，徐家富

（成都金頂凸輪軸鑄造有限公司，四川郫縣 611732）

研究了四川釩鈦生鐵和河北球墨生鐵對491Q可淬硬凸輪軸金相組織和硬度的影響。研究表明：四川釩鈦生鐵的金相組織由細小點狀石墨+A型石墨+碳化物+珠光體組成；河北球墨生鐵的金相組織由A型石墨+C型石墨+珠光體組成。由Ⅰ組配料（230kg四川釩鈦生鐵+100kg廢鋼+220kg回爐料+其它合金）鑄造的凸輪軸的金相組織為4-6級A石墨+少量E型石墨+95%珠光體+5%滲碳體，基體硬度為252～255HB；由Ⅱ組配料（150kg河北球墨生鐵+80kg四川釩鈦生鐵+100kg廢鋼+220kg回爐料+其它合金）鑄造的凸輪軸的金相組織為4-6級A型+少量E型石墨+100%珠光體，基體硬度為210～229HB。作者初步分析了產生上述現象的原因。

凸輪軸；合金灰鑄鐵；生鐵；金相組織；硬度

1 前言

鑄鐵的組織在一定程度上受到爐料的影響，當由一種爐料換成另一種爐料時，雖然鐵液的化學成分（碳，硅，錳，磷，硫等）并未改變，但鑄鐵的組織，包括石墨化程度、白口傾向以及石墨形態和基體組織等都發生了某種變化，鑄鐵冶金學上稱這種現象為爐料的“遺傳性”[1]。鑄鐵的遺傳是極為復雜的現象，是由組織、微量元素及缺陷三個方面綜合作用的結果。許多年來，國內外的材料專家從1927年開始對冶金遺傳性進行了比較深入的研究[2-51]，增加了對冶金遺傳性的了解。本文對比研究兩種生鐵對可淬硬凸輪軸金相組織和硬度的影響。

2 試驗方法及結果

2.1 合金熔煉及凸輪軸鑄造

熔煉在GW型500kg無芯中頻感應電爐中進行，爐襯材料為硅砂。用四川釩鈦生鐵、河北Q10球墨生鐵、廢鋼、75硅鐵、錳鐵、鉻鐵、鉬鐵、電解鎳、回爐料和石墨增碳劑等調整化學成分，用德國OBLF光譜分析化學成分。熔煉溫度為1560～1580℃，鐵液出爐溫度為1520～1540℃。用75硅鐵合金作孕育劑。爐前三角試片白口寬度控制在4～4.5mm之間。孕育處理后，鐵液轉入150kg的澆包進行二次孕育處理，隨后澆入殼型之中，起始澆注溫度為1360～1380℃，澆注后約60min打箱。

2.2 生鐵的化學成分及金相組織

兩種生鐵的化學成分見表1。由表1可見，四川釩鈦生鐵中的碳較低、硅較高，此外還含有較高的Cr和Ti;河北球墨生鐵中的碳較高，硅較低，Cr和Ti的含量都較低。

表1 兩種生鐵的化學成分（%）

用日本4610型Olympus光學顯微鏡觀察到的兩種生鐵的金相組織見圖1～6。由圖1～3可見，四川釩鈦生鐵的金相組織有：石墨為大量點狀和少量A型石墨，基體組織中還含有30%左右的滲碳體；由圖4～6可見，河北球墨生鐵的金相組織有：A型石墨+C型石墨+珠光體。

2.3 兩組配料的凸輪軸的化學成分及金相組織

兩組配料（表2）分別為：Ⅰ組配料，230kg四川釩鈦生鐵+100kg廢鋼+220kg回爐料+其它合金；Ⅱ組配料，150kg河北球墨生鐵+80kg四川釩鈦生鐵+100kg廢鋼+220kg回爐料+其它合金。

用兩組配料生產的凸輪軸的化學成分見表3。由表3可見，兩種配料凸輪軸的化學成分沒有顯著差別。

用兩組配料生產的凸輪軸的金相組織見圖7～10。由圖7～8可見，用配料Ⅰ生產的凸輪軸的石墨為4-6級A型+少量E型，基體組織為珠光體+5%滲碳體；用配料Ⅱ生產的凸輪軸的石墨為4-6級A型+少量E型，基體組織為100%珠光體。前者的硬度為252～255HB，后者的硬度為 210～229HB。

表2 配料方案與凸輪軸硬度的關系

表3 兩種配料凸輪軸的化學成分（%）

3 討論

金屬材料遺傳性的提出比生命科學中遺傳性問題的提出晚100多年，法國學者Levi成為研究金屬材料遺傳性的先驅[2]。他提出假設：原料生鐵中粗大的片狀石墨在某種條件下保留至鐵液中，沒有足夠的時間充分溶解，長時間維持其凝固狀態，最后仍以大的顆粒存在于已經凝固的固體中，這可以說是金屬材料遺傳性的雛形。到本世紀30年代，機械制造行業日益發展起來，使得前蘇聯的研究者們對金屬遺傳性問題產生濃厚興趣，并開始了這方面的研究。與此同時，H.W.Gillett也發表了題為“Heredity in cast iron，Metals and Alloy”的論文[3]，而魯勃佐夫等研究者認為：鑄鐵的組織特性

經受重熔后能在鑄件中重現是鑄鐵遺傳性的表現。那時，人們便推薦根據石墨析出物的種類和數量評價生鐵錠的質量并認為：生鐵錠原料中的粗大直片狀石墨在通常條件下仍保留在以后的鑄件中，當時的冶金學家及高爐工作者曾試圖使生鐵錠在冷卻時得到對鑄造最適宜的組織，他們建議考慮鑄鐵爐料的熱過程，考慮遺傳性和最大限度地利用這些性質。20世紀30～50年代，關于液態鋼和液態金屬與已凝固金屬性能間的聯系的學說已經開始在冶金學者和鑄造工作者們的一些著作中形成。70年代，法國的冶金學者在鑄鐵生產中發現，使用不同原料鑄造成的相同成分鑄件，其顯微組織和力學性能差別很大并發現鑄造生產中的某些缺陷，如白口、熱裂與收縮傾向、氣孔等都具有遺傳性[5]。

此后，人們對金屬材料的遺傳性問題開始密切關注，尤其是俄羅斯的專家學者對此問題表現出更大的熱情。在1987年5月和9月召開的“鑄造合金遺傳性”兩次學術研討會上，與會專家提出要把鑄件的使用性能再提高10%～30%，金屬消耗量降低10%～20%，只能依靠在液體金屬結構方面取得新的研究成果，利用金屬的組織遺傳性和采取對熔體有影響的各種工藝措施等手段來實現。1993年5月召開的第五次“鑄造合金的遺傳性”學術研討會上發表的100多篇文章中涉及到液態黑色和有色金屬的結構理論、爐料和熔體組織遺傳性問題，介紹了有關“固-液-固”系統中組織遺傳的規律、機理及應用方面的成果。

科學工作者認為，金屬在熔化過程中是以原子集團為單位采取逐漸分裂的方式進行的；即在熔化過程中，原子集團由大到小逐漸分裂，當外部條件使分離終止并保留一部分較小的原子團時，原始爐料中的一些結構信息就有可能被保留下來并傳遞給后來的晶體。

在通常的過熱溫度范圍內，Fe-C系熔體存在與固態相近的近程有序結構，這種結構甚至隨成分和溫度而不同，發生體心立方和面心立方的相互轉化。任何合金被加熱時，即使各組元都已經熔化，宏觀上是均勻的，但在熔體中仍然存在著由爐料組元不同類型的近程有序結構向另一種有序性更強、更均勻的構成合金的原子結構去轉變。與此同時質點間的相互作用和原子的分布發生變化，可以認為合金處于非平衡狀態。熔體向平衡狀態轉變的速度受溫度、擾動和外界作用的影響[16]。

粗大石墨結的遺傳效應與過熱溫度有關，熔體被加熱至1500℃以上，部分大尺寸的石墨結溶解到熔體中，在1510℃左右僅保持5min，這些石墨結不能完全溶解，它們在熔體冷卻過程中仍遺留下來，隨后長大，所以1510℃過熱的鑄鐵熔體中仍然存在石墨結[29]。

耿浩然等人發現[22]，低溫普通鐵合金液中的碳主要以石墨相的形式存在，碳含量較高時以較大的片狀形式存在；亞共晶和過共晶Fe-C合金，隨著過熱溫度升高，石墨相逐漸減少，向碳化物轉移的同時，所剩石墨相逐漸細化和球化。鑄件中的石墨減少且變細，碳化物的數量增多，白口傾向增大，造成合金的硬度升高，沖擊韌性下降。

綜上所述，過熱溫度超過1500℃，生鐵中的粗大石墨可能消失而生鐵的白口傾向可能加大。我們熔化的過熱溫度高達1560～1580℃，因此河北球墨生鐵中粗大的石墨已經在凸輪軸中消失并變成4-6級A型石墨；而四川釩鈦生鐵中的碳化物卻強烈地在凸輪軸中遺傳下來并導致用配料Ⅰ生產的凸輪軸含有較多的滲碳體。值得注意的是，如果將四川釩鈦生鐵和河北球墨生鐵混合使用（配料Ⅱ），則兩種生鐵的組織遺傳性都得到抑制。這種結果正是我們在生產中所希望的。

4 結論

由230kg四川釩鈦生鐵+100kg廢鋼+220kg回爐料+其它合金的配料鑄造的凸輪軸的金相組織為4-6級A石墨+少量E型石墨+95%珠光體+5%左右滲碳體，基體硬度為252～255HB；由150kg河北球墨生鐵+80kg四川釩鈦生鐵+100kg廢鋼+220kg回爐料+其它合金的配料鑄造的凸輪軸的金相組織為4-6級A型石墨+少量E型石墨+100%珠光體，基體硬度為210～229HB。

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Effect of Two Pig Irons on the Metallurgical Structure and Hardness of the Hardened Camshaft

SHEN BaoLuo,LI Li,YUE ChangLin,BAI WeiJun,XU JiaFu
（1.Chengdu Jinding Camshaft Foundry Co.Ltd.，Pixian County 611732，Sichuan China）

Sichuan V-Ti pig iron and Hebei ductile iron have been used to manufacture 491Q type hardened camshaft and the effect of both iron on the microstructure and hardness of the camshaft been researched.Studies have shown that the microstructure of Sichuan vanadium-titanium pig iron consists of as tiny dot graphite+A type graphite+carbide+pearlite while the microstructure of Hebei ductile iron consists of A-type graphite+C-type graphite+pearlite.The microstructure in the camshaft manufactured from the group-Ⅰingredient（230 kg Sichuan V-Ti pig iron+100 kg scrap steel+220kg back charge+other alloys）consists of the 4-6 grade A-type graphite+small amount E-type graphite+95%pearlite+about 5%cementite,and his matrix hardness is 252-255HB.The microstructure in the camshaft manufactured from the group-Ⅱingredient（150 kg Sichuan V-Ti pig iron+80 kg Hebei ductile iron+100 kg scrap steel+220 kg back charge+other alloys）consists of the 4-6 grade A-type graphite+small amount E-type graphite+100%pearlite,and its matrix hardness210-229HB.Theabove-mentionedphenomenonhasbeengivenpreliminaryanalysis.

Camshaft；Alloyed grey cast iron；Pig iron；Microstructure；Hardness

TG143.6;

A；

1006－9658（2011）03－4

2011－02－02

2011－011

沈保羅（1945-），教授，博士生導師，近年來一直從事鑄造凸輪軸生產與新產品開發