高强度高韧性QT 900-5新材料及在大功率高速增压柴油机曲轴上的应用开发
丛建臣,孙海涛,邵诗波,于海明
(天润曲轴股份有限公司,山东文登 264400
摘要:通过优选生铁,使用特殊的复合预处理变质剂,优化生铁与废钢的配比及等温正火,研制了高强度高韧性QT900-5材料。
应用QT900-5材料,匹配适当的强化工艺,曲轴疲劳强度达到了钢轴的水平,成功配装大功率高速增压柴油机。
关键词:QT900-5;生铁遗传性;复合预处理变质;等温正火
1 前言
高强度高韧性球墨铸铁的研究和生产是球墨铸铁重要的发展方向之一。
意大利菲亚特汽车公司制订的高强度、高韧性的球铁标准,综合指标超过了我国颁布的国家标准(见表1,代表了当代国际先进水平。
表1 菲亚特汽车公司标准与国标GB1348材料标准对比表
Tab.1 Material standard of Fiat company and GB1348
牌号 Rm(MPa Rp0.2(MPa A(% HB 菲亚特汽车公司标准 GH90-52-05 880 510 5 250-300 中国国家标准GB1348 QT900-2 900 600 2 280-360
天润曲轴股份有限公司作为国内最大的曲轴专业制造厂,生产球墨铸铁曲轴已有三十多年的历史。
球墨铸铁材料牌号主要是QT800-2和QT900-2,应用于180马力以下柴油机曲轴制造。
然而随着经济的发展,大功率高速增压柴油机需求日益旺盛,曲轴承受的载荷增加了45%-67%[1]。
由于普通球铁材料综合性能不足,大功率高速增压柴油机曲轴制造全部采用锻钢材料。
天润曲轴股份有限公司经过试验及应用研究,成功研制出QT900-5高强度高韧性球墨铸铁,并应用于大功率高速增压柴油机曲轴制造,实现了大功率高速增压柴油机曲轴的“以铁代钢”,降低了柴油机制造成本。
2 试验条件
采用15T冲天炉和电炉进行双联熔炼,1.5T堤坝式茶壶包进行盖包球化处理。
采用悬挂式自动连续炉加热后出炉进行旋转风雾冷却,获得珠光体球墨铸铁组织。
3 试验结果与分析
3.1 生铁选择与炉料配比
在化学成份和铸造条件相同的情况下,不同产地的生铁其原始组织、微量元素、原始缺陷不同,而这
些不同的因素具有遗传性,对铸件组织及性能将产生较大的影响。
有些生铁厂家在资源日趋紧张的条件下开采低品质的铁矿[2]
,因此,必须优选生铁生产厂。
合金元素对石墨化也具有重要的影响。
铜元素在一次结晶时,属于中等石墨化元素,且可稳定奥氏体,使共晶阶段在石墨球外的奥氏体壳免受干扰,有利于石墨球的圆整。
在共析转变过程中,铜阻碍石墨化,使固溶在奥氏体中的碳以共析渗碳体析出,促进珠光体的形成,并能降低或消除游离碳化物。
因此,加入适量铜,有利于石墨球的圆整并促进珠光体的形成。
采用不同产地的生铁分别进行试验,优选了生铁产地与铁水化学成份,见表2。
在电炉内添加特殊的复合预处理变质剂,用以调整碳当量、加强还原性、提高球化率。
采用1.5T 的堤坝式茶壶包进行盖包球化,球化剂加入量1%左右。
加入废钢可减少生铁的遗传性[3]。
根据双联熔炼的特点,废钢加入量如果超过60%会引起铁水氧化,并且操作复杂难度很大。
因此选定生铁与废钢按2:3配比。
表2 铁水化学成份(% Tab.2 Chemical composition (%
C Si Mn P S Cr Cu Mg Ti 3.50-4.00
1.60-
2.50
0.30-0.50
<0.040
<0.030
0.02-0.05
0.30-0.50
<0.08
<0.05
3.1.1 石墨形态及大小
利用显微镜分别对普通生铁和优选生铁两种材料球化后的石墨球形态及大小进行对比。
普通生铁球化后石墨球大小不均匀,并且畸变石墨球数较多,见图1(a。
而优选生铁球化后石墨球数量尺寸及圆整度比较好,大部分集中在20~40μm,见图
1(b。
两种材料石墨球直径与数量见表3。
(a普通生铁 (b优选生铁
图1 不同来源的生铁球化后石墨形态 Fig.1 Graphite shape of vary origin pig iron 300
μ
300μ
表3 普通生铁与优选生铁球化后石墨球尺寸与数量对比表
Tab.3 Dimension and quantity of graphite
石墨球直径(μm
普通生铁球化后石墨球数量
优选生铁球化后石墨球数量
<20 20-40 40-70 >70
61 173 64 15
31 226 56 12
3.2 热处理
众所周知,细小的晶粒可增加材料的综合机械性能。
另外,据资料[4]
介绍在珠光体球铁中,铁素体为破碎状时无论是高能量还是低能量多次冲击,冲击性能都优于铁素体为牛眼状时的性能。
普通球铁材料正火一般是加热到Accm 以上全部奥氏体化,然后风冷或雾冷,获得珠光体和牛眼状铁素体。
由于材料中存在铜元素,碳原子容易向它们周围扩散形成富碳区或者形成合金碳化物。
因此,QT900-5材料热处理采用等温正火,加热温度Accm 以上30~50℃保温一定时间,使奥氏体成分均匀,然后随炉冷至Arcm 以下
20~40℃,保温一定时间,最后采用旋转冷却装置进行雾冷,获得细小的珠光体及破碎状铁素体。
利用扫描电镜对普通球铁材料和QT900-5材料基体显微组织中珠光体形态进行分析。
普通球铁材料的珠光体条纹比较细密,但是珠光体的晶粒比较粗大,影响其机械性能,见图2(a。
QT900-5材料的珠光体条纹略细于普通球铁材料,但其方向具有不一致性,表明其晶粒细小,有利于机械性能的提高,见图2(b。
(a普通球铁材料 (bQT900-5球铁材料
图2 珠光体形态(SEM Fig.2 Shape of pearlite (SEM 3.3 机械性能试验
对不同试验批共80支曲轴按图3所示取样检验机械性能。
检验结果表明抗拉强度大于900MPa,伸长率大于5%,冲击韧性很高且硬度适中,见表4。
另外,材料机械性能的各项指标离散性较小,说明了研
制及生产过程的稳定性,见图4。
Fig.3 Location of samples
表4 材料机械性能检验结果 Tab.4 Mechanical property
抗拉强度(MPa
伸长率(% 硬度(HBW 冲击功(J 范围均值
921~962 940
5.6~7.0
6.2
257~288 279
59~72 67
图4 机械性能各指标过程能力分析 Fig.4 Process capability of mechanical property
3.4 疲劳试验
疲劳试验是靠施加一定的弯曲力矩到曲轴节,并随设备在固定频率下振动。
通常情况下,振动频率降低0.5 Hz预示在圆角部位的裂纹接近10mm长,这可以通过随后的磁粉探伤确定。
如果曲轴节经过1千万次循环仍未失败,试验将被停止(超越。
对原设计为45#钢和42CrMo钢两种材质,装配230~350马力发动机曲轴。
应用QT900-5材料制作曲轴毛坯,采用圆角滚压强化措施。
分别进行45#钢曲轴、
42CrMo钢曲轴、QT900-5球铁曲轴疲劳试验,结果表明QT900-5新材料球铁曲轴强度超过了钢曲轴,并且曲轴疲劳强度离散性更好,见表5。
表5 不同材质的同型号曲轴疲劳强度及安全系数
Tab.5 Fatigue strength and safe ratio
材质疲劳强度N.m 标准差N.m 变异系数安全系数
45# 3986 195.2 0.049 1.72
42CrMo 4814 195.2 0.041 2.00
QT900-5 4810 89.4 0.019 1.96
4 QT900-5材料在大功率高速增压柴油机上的应用
应用QT900-5球墨铸铁材料制造的曲轴,其疲劳强度达到了合金钢曲轴的水平。
球铁曲轴价格低廉,与40Cr和42CrMo钢曲轴相比,QT900-5材料曲轴单支成本分别降低666元和956元,降低幅度达40%。
因此,高品质低价格的QT900-5球铁新材料曲轴得到了众多主机厂的青睐,已大批量应用于大功率高速增压柴油机曲轴的制造,成功代替了锻钢曲轴,创造了巨大的经济效益。
另外,以球铁代替锻钢生产曲轴可节约大量钢材和能源消耗,具有显著的社会效益。
5 结束语
(1根据铸造过程中原材料的遗传性特点,优选高强度高韧性球墨铸铁生产所需生铁,使生铁遗传性影响降到最低。
(2采用两阶段奥氏体化等温正火工艺,可获得细小的珠光体和破碎状铁素体,提高材料综合机械性能及稳定性。
(3采用高强度高韧性QT900-5球墨铸铁材料,匹配适当的强化工艺,球铁曲轴强度完全可以达到锻钢曲轴的水平,可成功实现以铁代钢,经济和社会效益显著,值得推广。
参考文献:
[1] 刘光华,张永秀.高强度高韧性球铁368Q曲轴.第三届全国等温淬火球铁(ADI 技术研讨会论文集.
[2] 于永来.突破铸造瓶颈探索铁液净化新途径[J].汽车工艺与材料,2008,(6:6-8.
[3] 刘金海,李国禄,曾艺成等.铁液纯净度对铸铁件质量的影响[J].现代铸
铁,2010,(3:64-70.
[4] 铸物.1969.VOL.41.No.4:P297.。
