CN107377902B - 发动机凸轮轴的熔炼孕育工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发动机凸轮轴的熔炼孕育工艺，包括包内孕育和随流孕育，并使用孕育剂进行孕育，所述孕育剂包括第一孕育剂、第二孕育剂和第三孕育剂；所述第一孕育剂包括，按重量份数Si：50‑60份、Ca：10‑20份、Al：2‑3份、Ba：8‑15份、RE：6‑10份、Sr：5‑9份；所述第二孕育剂包括，按重量份数Si：10‑25份、Ca：4‑8份、Al：5‑8份、Zr：2‑4份、Mn：2‑4份；所述第三孕育剂包括，按重量份数：Si：50‑60份、Ca：10‑20份、Al：2‑3份，孕育工艺包括铁水熔化、包内孕育、模具处理、随流孕育和轴颈孕育。本发明既能够保证铁液有足够的白口倾向来保证桃尖硬度，又能够保证轴颈上有足够的强度，满足高性能发动机的需求。
Description
技术领域
本发明涉及发动机零部件制造技术领域，尤其涉及一种发动机凸轮轴的熔炼孕育工艺。
背景技术
凸轮轴是活塞发动机里的一个部件，它的作用是控制气门的开启和闭合动作。凸轮轴在发动机内的转速一般很高，而且需要承受很大的扭矩，因此对凸轮轴在强度和支撑方面的要求很高；并且凸轮轴承受周期性的冲击载荷，凸轮与挺柱之间的接触应力很大，相对滑动速度也很高，因此凸轮工作表面的磨损比较严重。因此，凸轮轴轴颈和凸轮工作表面除应该有的较高尺寸精度、较小的表面粗糙度和足够的刚度外，还应有较高的耐磨性和良好的润滑性。
目前的凸轮轴通常由合金铸铁或球墨铸铁铸造；在凸轮轴的铸造过程中，为了增加凸轮轴的强度和韧性，从而提高凸轮轴的耐磨性，一般会在浇铸前向铁液中加入少量孕育剂，形成大量的、高度弥散的难熔质点，成为石墨的结晶核心，促进石墨的形核，得到细珠光体基体和细小均匀分布的球状石墨。
目前最常用的铸铁孕育是采用75#硅铁作为孕育剂，孕育时将孕育剂直接加入到铁水中，通过75#硅铁的孕育以提高铸铁的硬度；但是随着汽车工业的发展，其发动机功率越来越高，对凸轮轴性能要求也越来越高，目前的凸轮轴产品在金相组织、硬度、耐磨性、加工性能等方面均有很多不足之处，主要表现为在浇铸时，凸轮部位轴颈受冷铁的影响，一般冷却速度快，石墨析出困难，易出现D、 E型石墨，甚至会出现自有渗碳体和白口，降低整个轴强度，无法达到高功率发动机的性能要求，同时，孕育又不能过大，还要适当照顾凸轮桃尖部位的白口层深度和硬度，因此，既要保证铁液有足够的白口倾向来保证桃尖硬度，又要保证轴颈上有足够的强度，就成了目前急需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种发动机凸轮轴的熔炼孕育工艺，既能够保证铁液有足够的白口倾向来保证桃尖硬度，又能够保证轴颈上有足够的强度，还能提高整个凸轮轴的强度，满足高性能发动机的需求。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
发动机凸轮轴的熔炼孕育工艺，包括包内孕育和随流孕育，并使用孕育剂进行孕育，其特征在于：所述孕育剂包括第一孕育剂、第二孕育剂和第三孕育剂；所述第一孕育剂包括，按重量份数Si：50-60份、Ca：10-20份、Al：2-3份、Ba：8-15份、RE：6-10份、Sr：5-9份；所述第二孕育剂包括，按重量份数Si： 10-25份、Ca：4-8份、Al：5-8份、Zr：2-4份、Mn：2-4份：1-2份、ZnO： 1-2份；所述第三孕育剂包括，按重量份数：Si：50-60份、Ca：10-20份、Al： 2-3份、ZnO-TiO2复合材料：2-3 份 ；
孕育工艺如下：
a、铁水熔化：选用中频感应电炉熔炼铁液，熔炼时，铁液过热到1500-1550℃后，立即停电降温，温度降到1460-1480℃后进行保温；
b、包内孕育：将铁水倒入铁水包，当铁水包内有1/4铁水时，加入铁水总重量0.03-0.07％的第一孕育剂到铁水中，当铁水包内有1/2铁水时，加入铁水总重量0.07-0.13％的第一孕育剂到铁水中，当铁水包内有3/4铁水时，加入铁水总重量0.03-0.07％的第一孕育剂到铁水中，浇注完后，在1430-1450℃进行保温，保温时，对铁水施加1500W超声波振动；
c、模具处理：在凸轮轴浇铸模具的轴颈内壁处喷涂第三孕育剂粉末，喷涂量0.02-0.05g/cm2；
d、随流孕育：待铁水温度降低至1380-1420℃后，将铁水浇注到凸轮轴铸件模具，在浇注时，加入铁水重量0.15-0.25％的第二孕育剂对铁水进行随流孕育；
e、轴颈孕育：随流孕育后，对铁水进行保温6-10min，温度控制在 1340-1380℃，利用第三孕育剂对轴颈处进行轴颈孕育。
本方案的原理：
第一孕育剂中，Si、Ca和Al的加入,会与铁水中的氧、氮等反应，形成高熔点的化合物，成为石墨结晶的核心，可以有效的促进碳的石墨化，并且在加入Si、Ca和Al后，会在铁液中可形成局部的富硅、富钙和富铝微区，有利于石墨析出，其中Ba的加入能够有效的抑制孕育的衰退，保证孕育的效果，RE 的加入可以提高铸铁的抗拉强度，抑制铸铁的白口化，Sr的加入能够对Si、Ca 和Al对铁水的石墨化提供辅助，抑制铸铁的白口化，具有较强的石墨化能力；第二孕育剂中，Si、Ca和Al的加入,同样会与铁水中的氧、氮等反应，形成高熔点的化合物，成为石墨结晶的核心，可以有效的促进碳的石墨化，Zr在孕育时，能助长石墨核的生存，促进石墨化，Mn的加入具有稳定珠光体的作用，与 Zr配合使用，可以降低Zr的熔点，增加孕育的效果；第三孕育剂中Si、Ca和 Al的加入,同样会与铁水中的氧、氮等反应，形成高熔点的化合物，成为石墨结晶的核心，可以有效的促进碳的石墨化。
包内孕育时，1340-1380℃孕育，有利于碳的石墨化，在石墨化的过程中，对铁水施加1500W超声波振动，可以使得初生石墨片长度变短，尖端变得圆钝，有类似蠕虫状石墨的外貌特征，另外共晶石墨的长度也变短，呈细丝状分布，且石墨数量明显增加，还能出现球形石墨，从而提高铸铁的强度。
因为从包内孕育到浇注的时间一般间隔长，随流孕育的目的是防止在包内孕育后孕育的衰退，克服因孕育衰退导致的孕育效果随时间减弱的问题。
凸轮部位轴颈受冷铁的影响，一般冷却速度快，石墨析出困难，易出现D、 E型石墨，甚至会出现自有渗碳体和白口，降低整个轴强度，无法满足高性能发动机的性能要求，同时，孕育又不能过大，还要适当照顾凸轮桃尖部位的白口层深度和硬度，既要保证铁液有足够的白口倾向，保证桃尖硬度，又要保证轴颈上有足够的强度，因此在模具处理和轴颈孕育时，对凸轮轴浇铸模具的轴颈处喷涂第三孕育剂粉末，对凸轮轴的轴颈处进行局部孕育，以提高凸轮轴轴颈部位的局部强度。
纳米ZnO本身就是一种高熔点化合物，能够成为石墨结晶的核心，并且其具有极强的分散性，在随流孕育时，能够均匀的分散到铁水中，提高孕育均匀性；ZnO-TiO2的粘附力很强，能够将Si、Ca、Al和自身较好的粘附在模具轴颈处的内壁上，可以避免在铁水浇注时，第三孕育剂被铁水冲散，并且ZnO-TiO2也是一直高熔点化合物，能够成为石墨结晶的核心，促进碳的石墨化。
进一步，第一孕育剂包括，按重量份数Si：55份、Ca：15份、Al：2.5 份、Ba：12份、RE：8份、Sr：7份；所述第二孕育剂包括，按重量份数Si： 55份、Ca：15份、Al：2.5份、Ba：12份、RE：8份、Sr：7份、纳米ZnO： 1.5份；所述第三孕育剂包括，按重量份数：Si：55份、Ca：15份、Al：2.5 份、ZnO-TiO2复合材料：2.5份。试验证明，此比例的配方，对铁水的孕育效果更好。
进一步，所述包内孕育中，将铁水倒入铁水包，当铁水包内有1/4铁水时，加入铁水总重量0.05％的第一孕育剂到铁水中，当铁水包内有1/2铁水时，加入铁水总重量0.1％的第一孕育剂到铁水中，当铁水包内有3/4铁水时，加入铁水总重量0.05％的第一孕育剂到铁水中。
进一步，所述第一孕育剂、第二孕育剂和第三孕育剂中Si、Ca、Al、Ba、 RE、Sr、Zr、Mn、ZnO和ZnO-TiO2复合材料的粒径均为120-200nm。纳米级的孕育剂粉末，在加入到铁水中时，部分能够与Fe反应生成金属晶体，增强铸件的强度和耐磨性。
进一步，所述包内孕育的时间为20-30min。给予充分的孕育时间，但时间过长容易导致孕育的衰退。
进一步，所述包内孕育时，采用超声波振动6-10s，间歇40-50s的间歇式振动。
进一步，所述随流孕育时，浇注时间控制在8-14秒。控制浇注时间，可以防止浇注时出现跑火，避免铁液在铸形冷激面结晶时，由于后进入铁液的流进，产生结晶移动的现象；也为了防止铸型的个别部位铁液充满缓慢，使其部分铁液先期凝固，后续铁液的热作用抑制过冷造成凝固反应转变导致石墨析出，出现石墨带的发生。
进一步，所述模具处理中，对凸轮轴浇铸模具内壁喷涂脱模剂，喷涂量 0.01-0.02g/cm2。脱模剂的喷涂有利于后期凸轮轴的脱模，脱模效率更高。
本发明的有益效果：
本发明运用特制的孕育剂，对包内孕育、随流孕育和轴颈孕育采用不同的孕育剂，以适应不同阶段的孕育需求，加工出的凸轮轴的强度更高，耐磨性更好；并且在包内孕育时，将第一孕育剂分层的加入到铁水中，孕育效果更好，在孕育时，对铁水施加1500W超声波振动，增加石墨数量，并出现球形石墨，从而提高铸铁的强度；包内孕育后，再进行随流孕育，可以延长孕育效果，并在在模具处理和轴颈孕育时，对凸轮轴浇铸模具的轴颈处喷涂第三孕育剂粉末，对凸轮轴的轴颈处进行局部孕育，以提高凸轮轴轴颈部位的强度。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明进行详细说明：
下面针对本方案的发动机凸轮轴的熔炼孕育工艺，进行以下实施例实验，如表1所示：
表1实施例1-实施例11发动机凸轮轴的熔炼孕育工艺参数表
实施例1：
发动机凸轮轴的熔炼孕育工艺，包括包内孕育和随流孕育，其特征在于：使用孕育剂，所述孕育剂包括第一孕育剂、第二孕育剂和第三孕育剂，所述第一孕育剂包括，按重量Si：55g、Ca：15g、Al：2.5g、Ba：12g、RE：8g、Sr：7g；所述第二孕育剂包括，按重量Si：55g、Ca：15g、Al：2.5g、Ba：12g、RE：8g、Sr：7g、ZnO：1.5g；所述第三孕育剂包括，按重量：Si：55g、Ca：15g、Al： 2.5g、ZnO-TiO2复合材料：2.5g；第一孕育剂、第二孕育剂和第三孕育剂中Si、 Ca、Al、Ba、RE、Sr、Zr、Mn、ZnO、ZnO-TiO2复合材料的粒径均为120-200nm；
孕育工艺如下：
a、铁水熔化：选用中频感应电炉熔炼铁液，熔炼时，铁液过热到1530℃后，立即停电降温，温度降到1470℃后进行保温；
b、包内孕育：将铁水倒入铁水包，当铁水包内有1/4铁水时，加入铁水总重量0.05％的第一孕育剂到铁水中，当铁水包内有1/2铁水时，加入铁水总重量 0.1％的第一孕育剂到铁水中，当铁水包内有3/4铁水时，加入铁水总重量0.05％的第一孕育剂到铁水中，浇注完后，在1440℃进行保温，保温时，对铁水施加1500W超声波振动，采用超声波振动8s，间歇45s的间歇式振动，总孕育时间 25min；
c、模具处理：在凸轮轴浇铸模具的轴颈内壁处喷涂第三孕育剂粉末，喷涂量0.02-0.05g/cm2；
d、随流孕育：待铁水温度降低至1400℃后，将铁水浇注到凸轮轴铸件模具，在浇注时，加入铁水重量0.2％的第二孕育剂对铁水进行随流孕育，浇注时间控制在11s；
e、轴颈孕育：随流孕育后，对铁水进行保温8min，温度控制在1360℃。
实施例2-实施例12:
与实施例1相比，实施例2-实施例12的区别在于按照表1的参数进行发动机凸轮轴的熔炼孕育。
其中第一孕育剂的制备方法：包含以下步骤：
1、按比例取下列原料Si：55kg、Ca：15kg、Al：2.5kg、Ba：12kg、RE： 8kg、Sr：7kg，放入真空快淬炉的水冷铜坩埚内，调节电极位置，使之与坩埚内的原料之间的距离为0.5～1.2mm，关闭炉门、进出料口和放气阀；
2、将真空快淬炉抽真空后，用氩气洗炉，随后充入氩气至0.03Pa，起弧后调节弧电流逐步上升至500～600A，将坩埚内的原料熔化；
3、待原料全部熔化成液态时，倾斜坩埚，使得该原料液通过流道引至高速旋转的水冷钼轮上，钼轮边缘线速度为35m/秒，钼轮表面温度为8～12℃，该原料液与该钼轮接触后，迅速凝固并形成薄带状沿钼轮切线方向飞出，经挡板阻挡后落入炉体下部的收藏室，快淬得到晶粒粒径120-200nm的薄片状的第一孕育剂。
第二孕育剂的制备方法，包括以下步骤：
1、按比例取下列原料Si：55kg、Ca：15kg、Al：2.5kg、Ba：12kg、RE： 8kg、Sr：7kg、ZnO：1.5kg，放入真空快淬炉的水冷铜坩埚内，调节电极位置，使之与坩埚内的原料之间的距离为0.5～1.2mm，关闭炉门、进出料口和放气阀；
2、将真空快淬炉抽真空后，用氩气洗炉，随后充入氩气至0.03Pa，起弧后调节弧电流逐步上升至500～600A，将坩埚内的原料熔化；
3、待原料全部熔化成液态时，倾斜坩埚，使得该原料液通过流道引至高速旋转的水冷钼轮上，钼轮边缘线速度为35m/秒，钼轮表面温度为8～12℃，该原料液与该钼轮接触后，迅速凝固并形成薄带状沿钼轮切线方向飞出，经挡板阻挡后落入炉体下部的收藏室，快淬得到晶粒粒径120-200nm的薄片状的第一孕育剂。
第三孕育剂的制备方法，包括以下步骤：
1、按比例取下列原料Si：55kg、Ca：15kg、Al：2.5kg、ZnO-TiO2：2.5kg，放入真空快淬炉的水冷铜坩埚内，调节电极位置，使之与坩埚内的原料之间的距离为0.5～1.2mm，关闭炉门、进出料口和放气阀；
2、将真空快淬炉抽真空后，用氩气洗炉，随后充入氩气至0.03Pa，起弧后调节弧电流逐步上升至500～600A，将坩埚内的原料熔化；
3、待原料全部熔化成液态时，倾斜坩埚，使得该原料液通过流道引至高速旋转的水冷钼轮上，钼轮边缘线速度为35m/秒，钼轮表面温度为8～12℃，该原料液与该钼轮接触后，迅速凝固并形成薄带状沿钼轮切线方向飞出，经挡板阻挡后落入炉体下部的收藏室，快淬得到晶粒粒径120-200nm的薄片状的第一孕育剂。
其中ZnO-TiO2复合材料的合成方法，包括以下步骤：
1、预处理：按质量百分数取50％Zn(OH)2和50％Ti(OH)4在100-120℃的温度下搅拌混合10-15min，混合时充入氮气；
2、煅烧反应：将步骤1中预处理的混合物自然冷却至30-35℃后，将混合物快速加温至1800-1900℃温度，升温时间控制在1-2min，然后在 800-1900℃高温煅烧1-1.5小时，反应生成ZnO-TiO2复合材料；
3、煅烧后，对ZnO-TiO2复合材料使用液氮快速冷却，经粉碎和筛分后得到 ZnO-TiO2复合材料粉末。
根据以上实施例1-实施例12做出的凸轮轴，分别对凸轮轴使用恒仪HR-150B 加高硬度计进行硬度测定、使用浩诚NM-I耐磨试验机对各个实施例的凸轮轴合金材料进行耐磨试验；具体试验数据如下表2所示：
表2实施例1-实施例12的凸轮轴的测试数据表
其中，表2中传统凸轮轴是采用和实施例1-实施例12除了孕育工艺不相同，其他均相同材料、相同浇铸工艺加工而来。
从表2对凸轮轴合金的测试数据可以看出：
1、从实施例1-实施例12与传统凸轮轴的对比，可以看出，采用本方案的孕育工艺，能够显著的提高凸轮轴桃尖和轴颈的硬度，凸轮的耐磨层也更深，耐磨性也更好，凸轮轴的整体性能更好。
2、从实施例2-实施例3与实施例1对比，可以看出，第一孕育剂、第二孕育剂和第三孕育剂的各个材料配比对凸轮轴的性能有较大影响，采用实施例1 中的材料配比孕育加工出的凸轮轴性能更好。
3、从实施例4-实施例5与实施例1对比，可以看出，在包内孕育的过程中，通过调整第一孕育剂在每个环节的加量比例，对凸轮轴的性能有较大影响，采用实施例1中的第一孕育剂加量比例孕育加工出的凸轮轴性能更好。
4、从实施例6与实施例1对比，可以看出，采用纳米级的孕育剂材料来对铁水进行孕育，对凸轮轴的性能更好。
5、从实施例7-实施例11与实施例1对比，可以看出，孕育时间控制在25min，在包内孕育时，采用间歇性的超声波振动，并控制随流孕育的时间在11s,孕育加工出的凸轮轴的性能更好。
6、从实施例12与实施例1对比，可以看出，在第二孕育剂中加入ZnO，在第三孕育剂中加入ZnO-TiO2复核材料，能够提升凸轮轴的强度和耐磨性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (8)
1.发动机凸轮轴的熔炼孕育工艺，包括包内孕育和随流孕育，并使用孕育剂进行孕育，其特征在于：所述孕育剂包括第一孕育剂、第二孕育剂和第三孕育剂；所述第一孕育剂包括，按重量份数Si：50-60份、Ca：10-20份、Al：2-3份、Ba：8-15份、RE：6-10份、Sr：5-9份；所述第二孕育剂包括，按重量份数Si：10-25份、Ca：4-8份、Al：5-8份、Zr：2-4份、Mn：2-4份、ZnO：1-2份；所述第三孕育剂包括，按重量份数：Si：50-60份、Ca：10-20份、Al：2-3份、ZnO-TiO2复合材料：2-3份；
孕育工艺如下：
a、铁水熔化：选用中频感应电炉熔炼铁液，熔炼时，铁液过热到1500-1550℃后，立即停电降温，温度降到1460-1480℃后进行保温；
b、包内孕育：将铁水倒入铁水包，当铁水包内有1/4铁水时，加入铁水总重量0.03-0.07％的第一孕育剂到铁水中，当铁水包内有1/2铁水时，加入铁水总重量0.07-0.13％的第一孕育剂到铁水中，当铁水包内有3/4铁水时，加入铁水总重量0.03-0.07％的第一孕育剂到铁水中，浇注完后，在1430-1450℃进行保温，保温时，对铁水施加1500W超声波振动；
c、模具处理：在凸轮轴浇铸模具的轴颈内壁处喷涂第三孕育剂粉末，喷涂量0.02-0.05g/cm2；
d、随流孕育：待铁水温度降低至1380-1420℃后，将铁水浇注到凸轮轴铸件模具，在浇注时，加入铁水重量0.15-0.25％的第二孕育剂对铁水进行随流孕育；
e、轴颈孕育：随流孕育后，对铁水进行保温6-10min，温度控制在1340-1380℃，利用第三孕育剂对轴颈处进行轴颈孕育。
2.根据权利要求1所述的发动机凸轮轴的熔炼孕育工艺，其特征在于：所述第一孕育剂包括，按重量份数Si：55份、Ca：15份、Al：2.5份、Ba：12份、RE：8份、Sr：7份；所述第二孕育剂包括，按重量份数Si：55份、Ca：15份、Al：2.5份、Ba：12份、RE：8份、Sr：7份、纳米ZnO：1.5份；所述第三孕育剂包括，按重量份数：Si：55份、Ca：15份、Al：2.5份、ZnO-TiO2复合材料：2.5份。
3.根据权利要求2所述的发动机凸轮轴的熔炼孕育工艺，其特征在于：所述包内孕育中，将铁水倒入铁水包，当铁水包内有1/4铁水时，加入铁水总重量0.05％的第一孕育剂到铁水中，当铁水包内有1/2铁水时，加入铁水总重量0.1％的第一孕育剂到铁水中，当铁水包内有3/4铁水时，加入铁水总重量0.05％的第一孕育剂到铁水中。
4.根据权利要求3所述的发动机凸轮轴的熔炼孕育工艺，其特征在于：所述第一孕育剂、第二孕育剂和第三孕育剂中Si、Ca、Al、Ba、RE、Sr、Zr、Mn、ZnO和ZnO-TiO2复合材料的粒径均为120-200nm。
5.根据权利要求4所述的发动机凸轮轴的熔炼孕育工艺，其特征在于：所述包内孕育的时间为20-30min。
6.根据权利要求5所述的发动机凸轮轴的熔炼孕育工艺，其特征在于：所述包内孕育时，采用超声波振动6-10s，间歇40-50s的间歇式振动。
7.根据权利要求6所述的发动机凸轮轴的熔炼孕育工艺，其特征在于：所述随流孕育时，浇注时间控制在8-14秒。
8.根据权利要求1-7任一项所述的发动机凸轮轴的熔炼孕育工艺，其特征在于：所述模具处理中，对凸轮轴浇铸模具内壁喷涂脱模剂，喷涂量0.01-0.02g/cm2。
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