CN104550838B - 一种径向锻造应变诱发法制备半固态钢铁凸轮轴的工艺 - Google Patents

Abstract

一种径向锻造应变诱发法制备半固态钢铁凸轮轴的工艺，先预热钢铁棒料并保温，然后对钢铁棒料进行径向锻造，再进行径向锻造后坯料的二次重熔，然后进行钢铁凸轮轴的挤压铸造，最后进行钢铁凸轮轴的后续处理，通过该工艺可以批量制备均匀的、无微观缺陷的钢铁半固态坯料并成形出微观组织缺陷少、机械性能好、耐磨性能好的钢铁凸轮轴，工艺过程简单，容易操作。

Description

一种径向锻造应变诱发法制备半固态钢铁凸轮轴的工艺

技术领域

本发明属于半固态加工与成形技术领域，特别涉及一种径向锻造应变诱发法制备半固态钢铁凸轮轴的工艺。

背景技术

凸轮轴是发动机配气机构中重要的零件，专门负责驱动气门按时开启和关闭，保证发动机在工作中定时为汽缸吸入新鲜的可燃混合气并及时将燃烧后的废气排出汽缸。而传统式凸轮轴大多是铸造或锻造生产，组合式凸轮轴也有部分应用。铸造式凸轮轴主要有冷硬铸铁、淬火铸铁等。铸造工艺成形的凸轮轴的加工余量较大，尺寸粗糙，后续机加工量加大，成本较高。近年开发了重融冷硬铸铁、淬火球墨铸铁等多种形式的凸轮轴，但因成本等原因其应用范围有限。为了减轻凸轮轴的重量，铸造凸轮轴采用型芯铸造工艺将凸轮轴芯铸成中空圆柱或者中空异型状。而锻造式凸轮轴以碳钢为主进行热锻，凸轮部分采用高频淬火处理，主要应用于大中型发动机上。但是锻造式凸轮轴的生产效率低、材料利用率低，设备负荷大，模具损耗严重。组合式凸轮轴由精密钢管和装配于其上的凸轮节组成，但是在装配过程中存在问题较多。焊接连接式凸轮轴由于焊接时容易产生热变形，使凸轮轴的尺寸精度降低，激烈的热变化也容易使焊接部位产生裂纹，质量难以保证；烧结连接式凸轮轴在进行粉末烧结成型凸轮的同时，凸轮又要在1000℃以上大型烧结炉内与钢管扩散连接，在高温下凸轮轴容易产生弯曲，造成尺寸精度误差，热效率不高；扩管法需要凸轮与钢管配合，然后从管内侧加液压或机械扩管，由于高压作业的特殊要求，也使其设备大型化；凸轮与轴热套连接时，凸轮被加热，产生软化现象，难以保证摩擦时的耐磨性，在工作时凸轮摩擦发热使得凸轮节与轴的过盈量发生变化，各个凸轮节不能保持一致；

半固态加工成形技术即采用微观组织为球状晶粒悬浮在共晶液相的半固态坯料进行成形的工艺。利用在半固态温度下制备的浆料直接进行成形加工称之为流变成形；将浆料凝固成坯锭，根据需要对其切分并重新加热至半固态温度区在进行成形加工，称之为触变成形。具体成形技术涉及到半固态压铸、半固态挤压铸造、半固态模锻等方法。球形或者近球形的半固态浆料具有明显的触变特性：即随着剪切速率的增加，表观粘度呈指数下降，使得成形过程中浆料具有流动性好、成形力低的特征。并且在充型过程中，半固态浆料以层流运动的方式顺序充填模具型腔，减少了缩松缩孔等微观组织缺陷。半固态成形技术的关键在于制备具有球状晶悬浮在共晶液相的半固态坯料。但是对于黑色金属而言，常规的机械搅拌法以及电磁搅拌法制备铝合金半固态浆料的工艺具有以下缺点：高温对机械搅拌器存在严重的腐蚀作用，腐蚀的残渣与半固态浆料混合从而导致获得的浆料不纯。半固态或者液态的浆料在电磁搅拌过程中对电磁搅拌器有强烈的热辐射作用，导致电磁搅拌器需要增加额外的隔热冷却装置，设备复杂。此外不论电磁搅拌还是机械搅拌制备的半固态坯料均存在成分偏析现象，坯料中心位置的微观组织较差，并且不可避免的存在微观孔洞，不能够获得均匀的、无缺陷的半固态坯料。

虽然也有采用重熔大塑性变形坯料的工艺获得具有球状晶粒，即应变诱发激活法的工艺，但是所采用的塑性变形方法多采用等径角挤压、轧制、压缩、多向锻造等方法，涉及的材料主要集中在铝合金、镁合金等低熔点合金上。上述方法都存在变形材料的体积的限制，若变形材料的体积过大，则变形力过大，难以在现有设备上成批大量制备出所需的半固态坯料。而且目前为止并没有涉及到钢铁等高熔点黑色金属。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种径向锻造应变诱发法制备半固态钢铁凸轮轴的工艺，通过该工艺可以批量制备均匀的、无微观缺陷的钢铁半固态坯料并成形出微观组织缺陷少、机械性能好、耐磨性能好的钢铁凸轮轴。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种径向锻造应变诱发法制备半固态钢铁凸轮轴的工艺，包括以下步骤：

1)预热钢铁棒料并保温，将钢铁棒料随电炉加热至950～970℃并保温，对于不同直径的棒料具体的保温时间为0.5D～0.7D分钟，D为棒材的直径；

2)对钢铁棒料进行径向锻造，即通过机械手夹持预热钢铁棒料并旋转轴向送进，径向锻机在坯料周围对称分布四个锤头，沿坯料径向进行高频率往复锻打，同时机械手带动坯料边做旋转运动边做轴向进给运动，使坯料在多头螺旋式延伸变形情况下拔长变细，在每一次锻造过程中，坯料均承受三向压应力，保证材料具有最好的塑性变形能力，并且能够避免棒料的心部产生纵向裂纹，坯料断面收缩率达到60％以上，对于不同尺寸的零件，按照其零件所需的坯料直径，锻打至所需的直径；

3)径向锻造后坯料的二次重熔，将径向锻造后的坯料放回电炉或者中频感应加热炉中进行二次重熔，即加热至1250～1300℃并保温15～20min，获得具有球状晶悬浮在共晶液相的半固态坯料，此时钢铁棒料对应的固相率为38.5～52.5％；

4)钢铁凸轮轴的挤压铸造，按照凸轮轴毛坯所需的体积分段切割二次重熔后的半固态钢铁坯料，并放入到预热的模具型腔中合模，预热温度为300～400℃，同时两侧的芯轴向内侧挤压，挤压到位后，芯轴和上模持续保压，保证其比压为80-100Mpa；

5)钢铁凸轮轴的后续处理，将半固态挤压铸造获得的凸轮轴进行调质热处理，并对凸轮节进行化学气相沉积处理，保证沉积层厚度达到5mm，硬度达到50HRC，最后磨削凸轮节保证其型线。

相对于现有技术，本发明将径向锻造技术用于制备半固态钢铁凸轮轴具有以下优点：

1.本发明通过径向锻造技术实现45#钢棒的大塑性变形，并通过二次重熔制备出成分均匀、微观缺陷少，成形性能好的半固态钢铁浆料，工艺过程简单，容易操作，避免了机械搅拌法和电磁搅拌法存在的成分偏析，微观组织不均匀，缩松缩孔多的缺陷。并且本发明所采用的径向锻造技术是多次小变形连续锻造工艺实现坯料的大塑性变形，能够在较小吨位的设备上连续大批量制造钢铁半固态坯料，具有成本低、连续生产能力强及性能高的特点，从而可取代或部分取代采用其他塑性变形方式制备的铝合金，镁合金，以及钢铁材料的半固态坯料，有效的解决了其他塑性变形方法存在的体积限制的困难。

2.本发明采用半固态挤压铸造工艺成形钢铁凸轮轴的过程中，半固态浆料以层流运动的方式顺序充填模具型腔。层流运动有利于排出模具型腔内的空气，能够有效避免液态模锻时液态金属的紊流和喷射现象带来的气孔以及缩松缩孔等微观组织缺陷，芯轴和上模同时保压至零件凝固，能够最大限度的消除气孔以及缩松缩孔等微观组织缺陷，增强了零件的机械性能。成形后的零件由于其金相组织为独立细小的球状晶分布在低熔点共晶体上，避免了液态模锻件或者铸造中传统枝晶组织而出现的微观应力集中，并且通过化学气相沉积技术进一步增强凸轮节表面的硬度和耐磨性。

附图说明

图1是本发明采用的径向锻造示意图，其中图1(a)为主视图，图1(b)为侧视图。

图2是本发明的工艺原理图。

图3是本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

参照图1、图2及图3，以Φ120mm的45#钢棒举例，一种径向锻造应变诱发法制备半固态钢铁凸轮轴的工艺，包括以下步骤：

1)预热钢铁棒料并保温，将Φ120mm的45#钢铁棒料随电炉加热至950～970℃并保温60～80分钟，保证整个坯料热透；对于不同直径的棒料具体的保温时间为0.5D～0.7D分钟，D为棒材的直径；

2)对钢铁棒料进行径向锻造，即通过机械手夹持预热的Φ120mm的45#钢铁棒料并旋转轴向送进，径向锻机在坯料周围对称分布四个锤头，沿坯料径向进行高频率往复锻打，同时机械手带动坯料边做旋转运动边做轴向进给运动，使坯料在多头螺旋式延伸变形情况下拔长变细，在每一次锻造过程中，坯料均承受三向压应力，保证材料具有最好的塑性变形能力，并且能够避免棒料的心部产生纵向裂纹，坯料断面收缩率达到60％以上，对于不同尺寸的零件，按照其零件所需的坯料直径，锻打至所需的直径；

3)径向锻造后坯料的二次重熔，将径向锻造后的坯料放回电炉或者中频感应加热炉中进行二次重熔，即加热至1250～1300℃并保温15～20min，获得具有球状晶悬浮在共晶液相的半固态坯料，此时钢铁棒料对应的固相率为38.5～52.5％；

4)钢铁凸轮轴的挤压铸造，按照凸轮轴毛坯所需的体积分段切割二次重熔后的半固态钢铁坯料，并放入到预热的模具型腔中合模，预热温度为300～400℃，同时两侧的芯轴向内侧挤压，挤压到位后，芯轴和上模持续保压，保证其比压为80-100Mpa；

5)钢铁凸轮轴的后续处理，将半固态挤压铸造获得的凸轮轴进行调质热处理，并对凸轮节进行化学气相沉积处理，保证沉积层厚度达到5mm，硬度达到50HRC，以增强表面的耐磨性，最后磨削凸轮节保证其型线。

通过以上步骤，能够制备出球状晶粒均匀分布在共晶基体中的钢铁半固态坯料，球状晶尺寸约为80～100um，显著的减少了坯料的成分偏析、缩松缩孔等微观缺陷，。通过半固态触变挤压铸造成形出的45号钢凸轮轴，有效的消除气孔以及缩松缩孔等微观组织缺陷并通过化学气相沉积技术进一步增强了凸轮节表面的硬度以及耐磨性。

Claims (1)

1.一种径向锻造应变诱发法制备半固态钢铁凸轮轴的工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)预热钢铁棒料并保温，将钢铁棒料随电炉加热至950～970℃并保温，对于不同直径的棒料具体的保温时间为0.5D～0.7D分钟，D为棒材的直径；

2)对钢铁棒料进行径向锻造，即通过机械手夹持预热钢铁棒料并旋转轴向送进，径向锻机在坯料周围对称分布四个锤头，沿坯料径向进行高频率往复锻打，同时机械手带动坯料边做旋转运动边做轴向进给运动，使坯料在多头螺旋式延伸变形情况下拔长变细，在每一次锻造过程中，坯料均承受三向压应力，保证材料具有最好的塑性变形能力，并且能够避免棒料的心部产生纵向裂纹，坯料断面收缩率达到60％以上，对于不同尺寸的零件，按照其零件所需的坯料直径，锻打至所需的直径；

3)径向锻造后坯料的二次重熔，将径向锻造后的坯料放回电炉或者中频感应加热炉中进行二次重熔，即加热至1250～1300℃并保温15～20min，获得具有球状晶悬浮在共晶液相的半固态坯料，此时钢铁棒料对应的固相率为38.5～52.5％；

4)钢铁凸轮轴的挤压铸造，按照凸轮轴毛坯所需的体积分段切割二次重熔后的半固态钢铁坯料，并放入到预热的模具型腔中合模，预热温度为300～400℃，同时两侧的芯轴向内侧挤压，挤压到位后，芯轴和上模持续保压，保证其比压为80-100Mpa；

5)钢铁凸轮轴的后续处理，将半固态挤压铸造获得的凸轮轴进行调质热处理，并对凸轮节进行化学气相沉积处理，保证沉积层厚度达到5mm，硬度达到50HRC，最后磨削凸轮节保证其型线。