CN109014138B - 具有可控表面硬化层的凸轮轴铸件 - Google Patents
具有可控表面硬化层的凸轮轴铸件 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种具有可控表面硬化层的凸轮轴铸件，所述凸轮轴铸件包括凸轮轴本体以及形成在所述凸轮轴本体上的凸轮，所述凸轮轴本体与凸轮一体铸造成型，所述凸轮轴本体与凸轮的材质为球墨铸铁，其特征在于：所述凸轮还形成有表面硬化层，所述表面硬化层由Mo2FeB2和Fe基固溶体组成，或由Mo2FeB2和Fe基固溶体组成，其中Y为Ni、Co、Cr中至少一种，所述表面硬化层的厚度为4.5～7.5mm，所述表面硬化层的硬度为55HRC～65HRC。本发明提供的凸轮轴铸件，使得加工完成后的表面硬化层精确控制在要求范围内，保证表面硬化的效果，提高凸轮的使用寿命。
Description
技术领域
本发明专利涉及汽油发动机、柴油发动机领域，特别涉及一种具有可控表面硬化层的凸轮轴铸件。
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。虽然在四冲程发动机里凸轮轴的转速是曲轴的一半(在二冲程发动机中凸轮轴的转速与曲轴相同)，不过通常它的转速依然很高，而且需要承受很大的扭矩。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，因此凸轮尤其是与挺住直接作用的凸轮突桃的工作表面的磨损比较严重。
目前，制备凸轮轴表面硬化层的方法主要是采用在砂型中安放冷铁，利用快速冷却，以形成冷激层(快速冷却层，或冷硬层)，该冷激层的硬度通常在53HRC左右，硬度虽然比铸铁内部高，但仍有所不足，且冷激层内应力较大，又无自润滑效果，因此，凸轮轴的使用寿命的提高较为困难。同时，对于特定成分的凸轮轴而言，由于冷激层的形成完全由铁液与冷铁之间的温度差，以及冷铁的热传导率控制。而在铸造的浇注过程中，浇注在具体某一砂型时，铁液的具体温度很难精准控制，且浇注时的环境因素(包括温度、湿度等因素)因气候、季节、地域等影响变化较大，因此很难精准控制，常常导致冷激层厚度和硬度不具可控性，这将直接导致后续加工困难，严重时甚至导致整批产品报废。
为此，有必要提供一种具有可控表面硬化层的凸轮轴铸件，所述汽车凸轮轴铸件具有高硬度、自润滑、高耐磨性、高寿命的特点。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种具有可控表面硬化层的凸轮轴铸件，所述汽车凸轮轴铸件具有高硬度、自润滑、高耐磨性、高寿命的特点。
本实发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
具有可控表面硬化层的凸轮轴铸件，所述凸轮轴铸件包括凸轮轴本体以及形成在所述凸轮轴本体上的凸轮，所述凸轮轴本体与凸轮一体铸造成型，所述凸轮轴本体与凸轮的材质为球墨铸铁，其关键在于：所述凸轮还形成有表面硬化层，所述表面硬化层由Mo2FeB2和Fe基固溶体组成，或由Mo2(Fe,Y)B2和Fe基固溶体组成，其中Y为Ni、Co、Cr中至少一种，所述Mo2(Fe,Y)B2表面硬化层的厚度为4.5～7.5mm，所述Mo2(Fe,Y)B2表面硬化层的硬度为55HRC～65HRC。
进一步的，所述凸轮轴铸件由以下方法制备：
S1.制备硬化层反应物片，
S11.配料，所采用的原料成分为：
1)M粉、X粉和Fe-B合金粉，其中，M粉为Mo粉和Fe-Mo合金粉中至少一种，X为Fe、Ni、Co、Cr、Cu、Mn、V、碳黑、石墨中至少一种，Fe-B合金粉为FeB2和FeB中至少一种，M粉的质量占比为40～90％，X粉的质量占比为0～30％，Fe-B合金粉的质量占比为10～60％；
2)或者M粉、Fe-X合金粉和Fe-B合金粉，其中，M粉为Mo粉和Fe-Mo合金粉中至少一种，Fe-X为Fe-Ni、Fe-Co、Fe-Cr、Fe-Cu、Fe-Mn、Fe-V中至少一种，Fe-B合金粉为FeB2和FeB中至少一种，其中M粉的质量占比为40～90％，Fe-X粉的质量占比为0～45％，Fe-B合金粉的质量占比为10～60％；
S12.球磨，将原料粉末球磨均匀后，取出沉淀、干燥，得到混合粉料；
S13.造粒，按混合粉料的1～3wt％掺入成型剂，充分混合均匀后进行造粒、干燥，得到流动性良好的混合粒料；
S14.模压成型，将混合粒料装入模具中进行机械模压形成胚料，制备的胚料为弧形片，且弧形片的曲率与凸轮模样的曲面曲率一致，厚度为2～5mm；
S15.烧结，将坯料置入真空脱胶炉或流动气氛脱胶炉中，使压坯中的成型剂脱出，烧结完成后，取出即得到硬化层反应物片，厚度为2～5mm；
S2.制备铸造砂型，
采用水平分型的上、下汽车凸轮轴铸造模具，将所述硬化层反应物片放置于凸轮模样的位置，再在所述硬化层反应物片上放置冷铁，填砂，保温，冷却后顶出，得到在凸轮位置的型腔内表面镶嵌所述硬化层反应物片的上砂型以及下砂型；
S3.熔炼及浇注，
将预先按一定比例配制好的主料和辅料投入中频感应电炉中进行加热、熔化，最终使铁液在1550～1700℃保温5～10min，然后将对铁液进行精炼、变质、除气、除渣处理，将净化后的铁液浇注到由上述上砂型以及下砂型合模的砂型中，浇注后，铁液在砂型中自然冷却40min～3h；
S4.取件，
取出浇铸件，清理、抛丸、打磨、成品检验、入库。
进一步的，S12.球磨步骤中，采用无水乙醇作为球磨介质，磨球为不锈钢球或硬质合金球，球料比为(10～4):1，球磨时间为10～90h。
进一步的，S13.造粒步骤中，所述成型剂为聚乙二醇或石蜡。
进一步的，S15.烧结步骤中，于250～350℃和450～600℃下各保温30～120min。
进一步的，S3.熔炼及浇注步骤中，所述主料的组成为：废钢10～60wt％、生铁10～40wt％、回炉料30～60wt％。
进一步的，S3.熔炼及浇注步骤中，所述辅料的添加量为：增碳剂0～30kg/T，硅铁15～34kg/T、锰铁8.5～15kg/T、铬铁2.5～9kg/T、镍铁3.4～13kg/T、钼铁3.4～8kg/T。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1、本发明通过预制硬化层反应物片，并通过调节其成分和厚度，实现铸件表面硬化层厚度和硬度的可控生产，提高了工艺成品率，达到95％以上。从而提高了生产效率和能效，起到高效节能的作用。
2、本发明的带有表面硬化层的凸轮轴铸件，比传统铸件具有更高的硬度、更好的自润滑性以及耐磨性和更长的使用寿命。
3、本发明所述方法工艺简单，所用设备为本领域常用设备，适用于工业化批量生产。
附图说明
图1是本发明的凸轮轴的结构示意图；
图2是本发明的凸轮的剖面示意图；
图3是本发明的安装位置示意图；
图4是本发明的表面硬化层的XRD图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说的详细描述，以便本领域技术人员理解。
如图1所示，具有可控表面硬化层的凸轮轴铸件，所述凸轮轴铸件包括凸轮轴本体1以及形成在所述凸轮轴本体1上的凸轮2，所述凸轮轴本体1与凸轮2一体铸造成型，所述凸轮轴本体1与凸轮2的材质为球墨铸铁，如图2所示所述凸轮2还形成有表面硬化层21，所述表面硬化层21由Mo2FeB2和Fe基固溶体组成，或由Mo2FeB2和Fe基固溶体组成，其中Y为Ni、Co、Cr中至少一种，所述表面硬化层的厚度为4.5～7.5mm，所述表面硬化层的硬度为55HRC～65HRC。所述凸轮轴铸件由以下方法制备：
本发明的可控表面硬化层形成机制如下：硬化层反应物片与Fe液(高温，一般高于1500℃)相互作用，可以促使硬化层反应物片与其接触的铁液反应生成Mo2FeB2或Mo2(Fe,Y)B2，其中Y为Ni、Co、Cr中至少一种。这种反应在1100℃左右即可发生剧烈的反应，而由于表面硬化层的厚度通常要求的厚度不大，一般在4.5～7.5mm之间，因此在1500℃的铁水作用下，采用薄形硬化层反应物片，例如厚度在2～5mm，很短时间内即可完成反应。同时，在硬化层反应物片外放置的U型冷铁会加快表层铁液的凝固，防止表面生成的Mo2FeB2或Mo2(Fe,Y)B2向心部铁液中扩散，防止扩散层的形成，进而使得Mo2FeB2或Mo2(Fe,Y)B2硬质相存留在表面硬化层中，保证表层硬化效果。在此种作用机制下，铸铁件表面形成的硬化层厚度与硬化层反应物片的厚度呈现出严格的正相关性。因此，能够通过控制硬化层反应物片的厚度来控制铸件表面硬化层的厚度，实现表面硬化层厚度的可控性，将表面硬化层的厚度控制为4.5～7.5mm，使得加工完成后的表面硬化层精确控制在要求范围内，保证表面硬化的效果，提高凸轮的使用寿命。相对而言，铸铁基体(主要成分为Fe)为软质相，而Mo2FeB2或Mo2(Fe,Y)B2为硬质相，具有很高的硬度、自润滑性和耐磨性，因此，可以通过调节硬化层反应物片的成分(Mo和B元素的相对含量)，实现调节铸件表层硬化层中生成的Mo2FeB2或Mo2(Fe,Y)B2硬质相的比例，从而达到调节铸件表层硬化层硬度的作用，控制所述的铸件表面硬化层硬度为55HRC～65HRC。同时，Mo2FeB2或Mo2(Fe,Y)B2硬化层在磨损过程中，在氧化作用下，会生成MoO3，该物质具有很好的润滑性，防止凸轮与挺柱在长时间的作用下发生粘结而造成损伤，减少凸轮的进一步磨损，提高汽车凸轮轴的使用的寿命。
实施例1
步骤一、硬化层反应物片的制备
1、配料，硬化层反应物片的成分
Mo粉质量占比40％，Fe-B合金粉(主要成分为FeB)质量占比60％。
2、球磨，按照上述配比的混合粉末置入球磨机中，加入无水乙醇作为球磨介质，磨球为不锈钢球，球料比为10:1，球磨90小时，然后取出充分混合的球磨浆料进行沉淀、干燥，得到混合粉料。
3、造粒，按混合粉料重量的1wt％掺入成型剂，充分混合均匀后进行造粒、干燥，得到流动性良好的混合粒料。
4、模压成型，将上述干燥后的混合粒料装入模具中进行机械模压成型成坯料，制备的胚料为弧形片，且弧形片的曲率与凸轮模样的曲面曲率一致，所述弧形片的厚度为2mm。其中所述成型剂为聚乙二醇。
5、烧结，将上述坯料置入真空脱胶炉中，于250℃和600℃下各保温120min和30min，使压坯中的成型剂脱出，并使压坯具有一定的强度，烧结完成后，取出压坯，即得到硬化层反应物片，硬化层反应物片的厚度为2mm。如图3所示，硬化层反应物片4与凸轮模样3的曲面完全贴合。
步骤二、砂型的制作
采用水平分型的上、下汽车凸轮轴铸造模具，如图3所示，将上述制得的硬化层反应物片4放在铸造模具的凸轮模样3上，然后在硬化层反应物片4上放上一U型铁块5，该U型铁块5的内表面的外形与硬化层反应物片4的外形一致，使得U型铁块5能与硬化层反应物片4完全贴合。再向模具中填入覆膜砂，盖上盖板，加热，保温，取出砂型，冷却，即可得到在凸轮位置的型腔内表面镶嵌所述硬化层反应物片的上砂型以及下砂型。
步骤三、熔炼及浇注
将预先按一定比例配制好的铸造用主料(废钢60wt％、生铁10wt％、回炉料wt30％)和辅料(增碳剂30kg/T，硅铁34kg/T、锰铁15kg/T，铬铁9kg/T，镍铁13kg/T，钼铁8kg/T)投入中频感应电炉中进行加热、熔化，最终使铁液在1550℃下保温10min，然后将对铁液进行精炼、变质、除气、出渣处理，净化铁液。再检测铁水温度，铁水温度在1550℃时，将净化后的铁液倒入铁水包中，然后通过自动浇注系统浇注到各个砂型中，浇注后，铁液在砂型中自然冷却3h。
步骤四、浇注后处理
沿水平分析面敲打砂型，使型砂、已凝固的浇注系统与铸件分离，并通过震动输送系统分离回收废砂，得到铸件。然后进行清理、抛丸、打磨、成品检验、入库等处理，即得到合格的含表面硬化层的凸轮轴，其表面硬化层厚度为4.5mm，铸件硬化层硬度为65HRC。所述表面硬化层的XRD图如图4所示，所形成的表面硬化层由Mo2FeB2相和Fe基固溶体相组成。
实施例2
步骤一、硬化层反应物片的制备
1、配料，硬化层反应物片的成分
Fe-Mo合金粉质量占比50％，Fe-B合金粉(主要成分为FeB2)质量占比10％，Fe粉20％，Ni粉5％，Cr粉2％，Cu粉1％，碳黑粉0.5％，Mn粉0.8％，Co粉0.6％，V粉0.1％。
2、球磨，按照上述配比的混合粉末置入球磨机中，加入无水乙醇作为球磨介质，磨球为硬质合金球，球料比为4:1，球磨10小时，然后取出充分混合的球磨浆料进行沉淀、干燥，得到混合粉料。
3、造粒，按混合粉料重量的3wt％掺入成型剂，充分混合均匀后进行造粒、干燥，得到流动性良好的混合粒料。
4、模压成型，将上述干燥后的混合粒料装入模具中进行机械模压成型成坯料，制备的胚料为弧形片，且弧形片的曲率与凸轮模样的曲面曲率一致，所述弧形片的厚度为3mm。其中所述成型剂为石蜡。
5、烧结，将上述坯料置入气氛脱胶炉中，保持1000Pa的流动Ar气，于350℃和450℃下各保温30min和120min，使压坯中的成型剂脱出，并使压坯具有一定的强度，烧结完成后，取出压坯，即得到硬化层反应物片，硬化层反应物片的厚度为3mm。如图3所示，硬化层反应物片4与凸轮模样3的曲面完全贴合。
步骤二、砂型的制作
采用水平分型的上、下汽车凸轮轴铸造模具，如图3所示，将上述制得的硬化层反应物片4放在铸造模具的凸轮模样3上，然后在硬化层反应物片4上放上一U型铁块5，该U型铁块5的内表面的外形与硬化层反应物片4的外形一致，使得U型铁块5能与硬化层反应物片4完全贴合。再向模具中填入覆膜砂，盖上盖板，加热，保温，取出砂型，冷却，即可得到在凸轮位置的型腔内表面镶嵌所述硬化层反应物片的上砂型以及下砂型。
步骤三、熔炼及浇注
将预先按一定比例配制好的铸造用铸造用主料(废钢10wt％、生铁40wt％、回炉料50wt％)和辅料(硅铁24kg/T、锰铁9kg/T，铬铁5kg/T，镍铁6kg/T，钼铁5kg/T)投入中频感应电炉中进行加热、熔化，最终使铁液在1700℃下保温5min，然后将对铁液进行精炼、变质、除气、出渣处理，净化铁液。再检测铁水温度，铁水温度在1700℃时，将净化后的铁液倒入铁水包中，然后将铁液转移到手包中，人工手动将铁液浇注如砂型中，浇注后，铁液在砂型中自然冷却40min。
步骤四、浇注后处理
沿水平分析面敲打砂型，使型砂、已凝固的浇注系统与铸件分离，并通过震动输送系统分离回收废砂，得到铸件。然后进行清理、抛丸、打磨、成品检验、入库等处理，即得到合格的含表面硬化层的凸轮轴，其表面硬化层厚度为5.5mm，铸件硬化层硬度为55HRC，所形成的表面硬化层由Mo2(Fe,Ni,Co,Cr)B2相和Fe基固溶体相组成。
实施例3
步骤一、硬化层反应物片的制备
1、配料，硬化层反应物片的成分
Fe-Mo合金粉质量占比90％，Fe-B合金粉(主要成分为FeB和FeB2)质量占比10％。
2、球磨，按照上述配比的混合粉末置入球磨机中，加入无水乙醇作为球磨介质，磨球为硬质合金球，球料比为5:1，球磨36小时，然后取出充分混合的球磨浆料进行沉淀、干燥，得到混合粉料。
3、造粒，按混合粉料重量的2wt％掺入成型剂，充分混合均匀后进行造粒、干燥，得到流动性良好的混合粒料，
4、模压成型，将上述干燥后的混合粒料装入模具中进行机械模压成型成坯料，制备的胚料为弧形片，且弧形片的曲率与凸轮模样的曲面曲率一致，弧形片的厚度为4mm。其中所述成型剂为石蜡。
5、烧结，将上述坯料置入气氛脱胶炉中，保持1000Pa的流动Ar气，于300℃和500℃下各保温45min和100min，使压坯中的成型剂脱出，并使压坯具有一定的强度，烧结完成后，取出压坯，即得到硬化层反应物片，所述硬化层反应物片的厚度为4mm。如图3所示，硬化层反应物片4与凸轮模样3的曲面完全贴合。
步骤二、砂型的制作
采用水平分型的上、下汽车凸轮轴铸造模具，如图3所示，将上述制得的硬化层反应物片4放在铸造模具的凸轮模样3上，然后在硬化层反应物片4上放上一U型铁块5，该U型铁块5的内表面的外形与硬化层反应物片4的外形一致，使得U型铁块5能与硬化层反应物片4完全贴合。再向模具中填入覆膜砂，盖上盖板，加热，保温，取出砂型，冷却，即可得到在凸轮位置的型腔内表面镶嵌所述硬化层反应物片的上砂型以及下砂型。
步骤三、熔炼及浇注
将预先按一定比例配制好的铸造用主料(废钢10wt％、生铁30wt％、回炉料60wt％)和辅料(硅铁15kg/T、锰铁8.5kg/T，铬铁2.5kg/T，镍铁3.4kg/T，钼铁3.4kg/T)投入中频感应电炉中进行加热、熔化，最终使铁液在1650℃下保温7min，然后将对铁液进行精炼、变质、除气、出渣处理，净化铁液。再检测铁水温度，铁水温度在1650℃时，将净化后的铁液倒入铁水包中，然后将铁液转移到手包中，人工手动将铁液浇注如砂型中，浇注后，铁液在砂型中自然冷却1h。
步骤四、浇注后处理
沿水平分析面敲打砂型，使型砂、已凝固的浇注系统与铸件分离，并通过震动输送系统分离回收废砂，得到铸件。然后进行清理、抛丸、打磨、成品检验、入库等处理，即得到合格的含表面硬化层的凸轮轴，其表面硬化层厚度为7.5mm，铸件层硬化层硬度为63.1HRC,所形成的表面硬化层由Mo2FeB2相和Fe基固溶体相组成。
实施例4
步骤一、硬化层反应物片的制备
1、配料，硬化层反应物片的成分
Mo粉质量占比5％，Fe-Mo合金粉质量占比40％，Fe-B合金粉(主要成分为FeB和FeB2)质量占比15％，Fe-Cr合金粉7％，Fe-Ni合金粉25％，Fe-Co合金粉3％，Fe-Mn合金粉4％，活性炭粉0.6％，Fe-V合金粉0.4％。
2、球磨，按照上述配比的混合粉末置入球磨机中，加入无水乙醇作为球磨介质，磨球为不锈钢球，球料比为8:1，球磨72小时，然后取出充分混合的球磨浆料进行沉淀、干燥，得到混合粉料。
3、造粒，按混合粉料重量的2.5wt％掺入成型剂，充分混合均匀后进行造粒、干燥，得到流动性良好的混合粒料。
4、模压成型，将上述干燥后的混合粒料装入模具中进行机械模压成型成坯料，制备的胚料为弧形片，且弧形片的曲率与凸轮模样的曲面曲率一致，弧形片的的厚度为5mm。其中成型剂为聚乙二醇。
5、烧结，将上述坯料置入气氛脱胶炉中，保持1000Pa的流动Ar气，于270℃和550℃下各保温80min和60min，使压坯中的成型剂脱出，并使压坯具有一定的强度，烧结完成后，取出压坯，即得到硬化层反应物片，硬化层反应物片的厚度为5mm。如图3所示，硬化层反应物片4与凸轮模样3的曲面完全贴合。
步骤二、砂型的制作
采用水平分型的上、下汽车凸轮轴铸造模具，如图3所示，将上述制得的硬化层反应物片4放在铸造模具的凸轮模样3上，然后在硬化层反应物片4上放上一U型铁块5，该U型铁块5的内表面的外形与硬化层反应物片4的外形一致，使得U型铁块5能与硬化层反应物片4完全贴合。再向模具中填入覆膜砂，盖上盖板，加热，保温，取出砂型，冷却，即可得到在凸轮位置的型腔内表面镶嵌所述硬化层反应物片的上砂型以及下砂型。
步骤三、熔炼及浇注
将预先按一定比例配制好的铸造用主料(废钢50wt％、生铁20wt％、回炉料30wt％)和辅料(增碳剂22kg/T，硅铁27kg/T、锰铁13kg/T，铬铁7.6kg/T，镍铁11kg/T，钼铁6.9kg/T)，投入中频感应电炉中进行加热、熔化，最终使铁液在1600℃下保温9min，然后将对铁液进行精炼、变质、除气、出渣处理，净化铁液。再检测铁水温度，铁水温度在1600℃时，将净化后的铁液倒入铁水包中，然后将铁液转移到手包中，人工手动将铁液浇注如砂型中，浇注后，铁液在砂型中自然冷却3h。
步骤四、浇注后处理
沿水平分析面敲打砂型，使型砂、已凝固的浇注系统与铸件分离，并通过震动输送系统分离回收废砂，得到铸件。然后进行清理、抛丸、打磨、成品检验、入库等处理，即得到合格的含表面硬化层的凸轮轴，其表面硬化层厚度为7.5mm，铸件层硬化层硬度为57.3HRC,所形成的表面硬化层由Mo2(Fe,Ni,Cr,Co)B2相和Fe基固溶体相组成。
实施例5
步骤一、硬化层反应物片的制备
1、配料，硬化层反应物片的成分
Mo粉质量占比10％，Fe-Mo合金粉质量占比30％，Fe-B合金粉(主要成分为FeB和FeB2)质量占比15％，Fe-Cr合金粉8％，Fe-Ni合金粉31％，Fe-Mn合金粉4％，Cu粉0.9％，活性炭粉0.7％，Fe-V合金粉0.4％。
2、球磨，按照上述配比的混合粉末置入球磨机中，加入无水乙醇作为球磨介质，磨球为硬质合金，球料比为4:1，球磨24小时，然后取出充分混合的球磨浆料进行沉淀、干燥，得到混合粉料。
3、造粒，按混合粉料重量的1.5wt％掺入成型剂，充分混合均匀后进行造粒、干燥，得到流动性良好的混合粒料，将上述干燥后的混合粒料装入模具中进行机械模压成型成坯料。
4、模压成型，将上述干燥后的混合粒料装入模具中进行机械模压成型成坯料，制备的胚料为弧形片，且弧形片的曲率与凸轮模样的曲面曲率一致，所述弧形片的厚度为5mm。其中成型剂为聚乙二醇。
5、烧结，将上述坯料置入气氛脱胶炉中，保持1000Pa的流动Ar气，于270℃和530℃下各保温50min和80min，使压坯中的成型剂脱出，并使压坯具有一定的强度，烧结完成后，取出压坯，即得到硬化层反应物片，硬化层反应物片的厚度为5mm。如图3所示，硬化层反应物片4与凸轮模样3的曲面完全贴合。
步骤二、砂型的制作
采用水平分型的上、下汽车凸轮轴铸造模具，如图3所示，将上述制得的硬化层反应物片4放在铸造模具的凸轮模样3上，然后在硬化层反应物片4上放上一U型铁块5，该U型铁块5的内表面的外形与硬化层反应物片4的外形一致，使得U型铁块5能与硬化层反应物片4完全贴合。再向模具中填入覆膜砂，盖上盖板，加热，保温，取出砂型，冷却，即可得到在凸轮位置的型腔内表面镶嵌所述硬化层反应物片的上砂型以及下砂型。
步骤三、熔炼及浇注
将预先按一定比例配制好的铸造用主料(废钢45wt％、生铁15wt％、回炉料40wt％)和辅料(增碳剂18kg/T，硅铁19.7kg/T、锰铁11.1kg/T，铬铁5.5kg/T，镍铁6.8kg/T，钼铁4.7kg/T)投入中频感应电炉中进行加热、熔化，最终使铁液在1620℃下保温10min，然后将对铁液进行精炼、变质、除气、出渣处理，净化铁液。再检测铁水温度，铁水温度在1620℃时，将净化后的铁液倒入铁水包中，然后将铁液转移到手包中，人工手动将铁液浇注如砂型中，浇注后，铁液在砂型中自然冷却3h。
步骤四、浇注后处理
沿水平分析面敲打砂型，使型砂、已凝固的浇注系统与铸件分离，并通过震动输送系统分离回收废砂，得到铸件。然后进行清理、抛丸、打磨、成品检验、入库等处理，即得到合格的含表面硬化层的凸轮轴，其表面硬化层厚度为7.5mm，铸件层硬化层硬度为59.4HRC，所形成的表面硬化层由Mo2(Fe,Ni,Cr)B2相和Fe基固溶体相组成。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (5)
1.具有可控表面硬化层的凸轮轴铸件，所述凸轮轴铸件包括凸轮轴本体以及形成在所述凸轮轴本体上的凸轮，所述凸轮轴本体与所述凸轮一体铸造成型，所述凸轮轴本体与所述凸轮的材质为球墨铸铁，其特征在于：所述凸轮还形成有表面硬化层，所述表面硬化层由Mo2FeB2和Fe基固溶体组成，或由Mo2(Fe,Y)B2和Fe基固溶体组成，其中Y为Ni、Co、Cr中至少一种，所述表面硬化层的厚度为4.5～7.5mm，所述表面硬化层的硬度为55HRC～65HRC，所述凸轮轴铸件由以下方法制备：
S1.制备硬化层反应物片，
S11.配料，所采用的原料成分为：
1)M粉、X粉和Fe-B合金粉，其中，M粉为Mo粉和Fe-Mo合金粉中至少一种，X为Fe、Ni、Co、Cr、Cu、Mn、V、碳黑、石墨中至少一种，Fe-B合金粉为FeB2和FeB中至少一种，M粉的质量占比为40～90％，X粉的质量占比为0～30％，Fe-B合金粉的质量占比为10～60％；
2)或者M粉、Fe-X合金粉和Fe-B合金粉，其中，M粉为Mo粉和Fe-Mo合金粉中至少一种，Fe-X为Fe-Ni、Fe-Co、Fe-Cr、Fe-Cu、Fe-Mn、Fe-V中至少一种，Fe-B合金粉为FeB2和FeB中至少一种，其中M粉的质量占比为40～90％，Fe-X粉的质量占比为0～45％，Fe-B合金粉的质量占比为10～60％；
S12.球磨，将原料粉末球磨均匀后，取出沉淀、干燥，得到混合粉料；
S13.造粒，按混合粉料的1～3wt％掺入成型剂，充分混合均匀后进行造粒、干燥，得到流动性良好的混合粒料；
S14.模压成型，将混合粒料装入模具中进行机械模压形成胚料，制备的胚料为弧形片，且弧形片的曲率与凸轮模样的曲面曲率一致，厚度为2～5mm；
S15.烧结，将坯料置入真空脱胶炉或流动气氛脱胶炉中，于250～350℃和450～600℃下各保温30～120min，使压坯中的成型剂脱出，烧结完成后，取出即得到硬化层反应物片，厚度为2～5mm；
S2.制备铸造砂型， 采用水平分型的上、下汽车凸轮轴铸造模具，将所述硬化层反应物片放置于凸轮模样的位置，再在所述硬化层反应物片上放置冷铁，填砂，保温，冷却后顶出，得到在凸轮位置的型腔内表面镶嵌所述硬化层反应物片的上砂型以及下砂型；
S3.熔炼及浇注， 将预先按一定比例配制好的主料和辅料投入中频感应电炉中进行加热、熔化，最终使铁液在1550～1700℃保温5～10min，然后将对铁液进行精炼、变质、除气、除渣处理，将净化后的铁液浇注到由所述上砂型以及下砂型合模的砂型中，浇注后，铁液在砂型中自然冷却40min～3h；
S4.取件， 取出浇铸件，清理、抛丸、打磨、成品检验、入库。
2.根据权利要求1所述的具有可控表面硬化层的凸轮轴铸件，其特征在于：S12.球磨步骤中，采用无水乙醇作为球磨介质，磨球为不锈钢球或硬质合金球，球料比为(10～4):1，球磨时间为10～90h。
3.根据权利要求1所述的具有可控表面硬化层的凸轮轴铸件，其特征在于：S13.造粒步骤中，所述成型剂为聚乙二醇或石蜡。
4.根据权利要求1所述的具有可控表面硬化层的凸轮轴铸件，其特征在于：S3.熔炼及浇注步骤中，所述主料的组成为：废钢10～60wt％、生铁10～40wt％、回炉料30～60wt％。
5.根据权利要求1所述的具有可控表面硬化层的凸轮轴铸件，其特征在于：S3.熔炼及浇注步骤中，所述辅料的添加量为：增碳剂0～30kg/T，硅铁15～34kg/T、锰铁8.5～15kg/T、铬铁2.5～9kg/T、镍铁3.4～13kg/T、钼铁3.4～8kg/T。
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