赵恩普 赵子恒
河北省发动机摇臂总成制造技术创新中心 河北磁县 056500
摘要：球墨铸铁以其成本低、力学性能高，已广泛应用于工程机械、汽车等领域。随着汽车向轻量化、低成本、高性能方向发展，对汽车结构件（底盘支架、平衡梁悬架）的性能要求越来越高。目前，高强度高韧性球墨铸铁的制备主要是通过热处理来实现的，但生产过程控制非常严格，产品废品率和生产成本过高。因此，在铸态下制备高强度、高韧性的球墨铸铁具有重要的现实意义。汽车发动机摇臂是汽车发动机最重要的零部件之一，汽车发动机摇臂在使用过程中需要非常高的可靠性，因此对发动机摇臂的材料要求就很高，要求有很高的强度和韧性，我国过去设计的发动机摇臂的材料一般是45＃钢或低合金的钢锻件，随着汽车行业的发展，国外汽车发动机的引进，汽车摇臂要求既要满足轻量化，同时要有很高的强度和韧性，我们生产的康明斯发动机摇臂的单件重量为0.16~0.36公斤，薄壁仅为3mm，材料为球磨铸铁，我们根据多年生产球墨铸铁件的生产经验，我们研制和生产了满足用户要求的汽车发动机球墨铸铁摇臂.
关键词：球墨铸铁；生产工艺；摇臂
(一）化学成分的选择
铸铁中5大元素对球磨铸铁的组织和性能影响较大，C和Si是强烈促进石墨化的元素，如果生产中，C和Si含量控制太低，我们生产的摇臂铸件属于薄壁件，极易形成自由渗碳体，若C含量过高，浇铸温度稍高，便会出现石墨开花,影响球墨铸铁件的强度，我们生产的球墨铸铁件摇臂要求球化率为85%以上，球铁的牌号为 QT550-6，牛眼状铁素体小于50%，珠光体50%~80%，自由渗碳体<2%，我们经过多次反复的试验，把碳硅当量控制在4.4~4.6之间，C控制在3.4~3.7 Si控制在2.4~2.9之间，锰是阻碍石墨化元素，在球墨铸铁件中Mm高于0.5以上，有强烈促进形成珠光体的倾向。同时薄壁处形成白口组织，在铸件中最后凝固部位易形成反白口，即形成游离渗碳体，为了保证铸件有足够的韧性和较大的冲击值，我们把锰控制在0.3以下。P 、S是生产球墨铸铁中有害元素，根据生产的实践，我们控制在P<0.04，S<0.02。
通过实验证明镍的加入能够提高球墨铸铁的强度，同时对提高球墨铸铁的韧性更加明显，铜的加入能够细化基本组织，增加基本的珠光体含量，使球墨铸铁的强度有很大提高，球墨铸铁熔炼中加入铜能够增加珠光体，细化基本组织。特别是热处理正火以后，能形成稳定的珠光体使球墨铸铁件的安全系数有很大的提升，由于镍和铜合金在我国都是稀缺材料，价格较贵铜的价格相应较低，同时也能起到合金化作用，我们以铜代镍把球墨铸铁摇臂的铜含量控制在0.4~0.6。
生铁中微量元素对球墨铸件的球化变量也有一定的影响，特别是Ti元素严重干扰球化作用,使石墨形态恶化，我们选用优质生铁把Ti控制在0.02以下。
1.1Mn、S、P的选择
对于球墨铸铁件，应限制这三种元素，尤其是厚面和大面球墨铸铁件。即使在珠光体球铁中，由于Mn具有严重的正偏析倾向，它集中在共晶晶界，促进了晶界碳化物的形成，韧性低，很少用于促进珠光体的形成。特别是对于有低温性能要求的大断面球墨铸铁，由于球墨铸铁的低温转变温度会提高1℃ ~ 20℃ 随着锰含量增加0.1%，应严格控制锰含量，选择锰含量<0.3%的品种。
在球墨铸铁中，P和s是严格限制的元素。磷在球墨铸铁中有严重的偏析倾向。容易在晶界产生磷共晶，降低韧性。特别是对有低温性能要求的球墨铸铁，应严格控制，一般P<0.05%。众所周知，s是一种抗石墨化元素，它不仅消耗球化剂，导致球化不稳定，而且增加夹杂物，导致球化迅速下降。因此，有必要尽可能减少硫的含量。这样，由于硫含量的降低，可以减少球化剂的加入，减少稀土的残留，避免稀土的危害。严格控制硫的含量，一般小于0.02%。
二、熔炼工艺的确定
生产球墨铸铁摇臂的铁水熔炼，我们使用0.5吨中频炉熔炼中频炉的炉衬为石英砂酸性炉衬，中频炉熔炼合金元素烧损小，熔炼温度容易控制，为了获得优质满足工艺要求的铁水，我们对原材料严格控制，使用的生铁为龙凤山铸业有限公司生产的球墨铸铁专用生铁，生铁的化学成分范围为C 4.2~4.5, Si 0.4~0.8 ,Mm 0.1~0.2,P<0.03 ,S<0.025，Ti<0.025，球化剂使用了3-8稀土镁合金。
球墨铸铁的熔炼配料为生铁260公斤废钢40公斤球墨铸铁件回炉料200公斤，把炉料放入炉内融化，待铁水融化均匀后，铁水温度约1350度左右，取样做炉前分析，根据炉前分析结果，把铁水成分调整到要求的范围内，升温至1500度至1540度，把铁水冲到球化包进行球化处理，铁水包的下部做成堤坝状，把球化剂放在堤坝的一边用铁屑压时充入铁水时，要把铁水冲到堤坝的另一边，不能直接冲到球化剂上，球化反应时间约为40~80秒，反应时间太长或太短都会影响球化质量利用，压在球化剂上面的铁屑的紧实度和铁屑的多少来控制反应时间，球化反应结束后，快速加入集渣剂搅拌，并快速把浮渣打干净，然后把孕育剂加入茶壶组式的浇注包内，把球化好的铁水转入浇注包快速进行浇铸，浇铸温度不低于1300度。
2.1熔化及炉前处理
熔炼设备为3T无芯工频感应炉。当交流电通过电感器产生交变磁场时，在金属电荷中产生感应电动势，从而在电荷表面产生感应电流（涡流），加热和熔化金属电荷。具有铁水温度稳定、自动搅拌、化学成分均匀、合金元素熔化损失小、操作简单方便等优点。一般采用低硅生铁、废钢（含边角料的碳钢）和返料（类似材料的浇注系统和废钢铸件）作为进料方式。剩余铁水为炉子生产后保留的灰铁水，便于熔化。生铁密度高，熔化快。熔化时，先加入生铁、废料和再生材料。调整成分的合金是在各种炉料完全熔化并除去浮渣后加入的。
三、球磨铸铁摇臂的热处理工艺
我们生产的球磨铸铁采用叠箱浇铸，浇铸壁厚也不均匀，浇铸口附近的铸件部位，冷却速度较慢，这样造成离浇口较近的部位的组织，铁素体较高，远离交口的部位，珠光体较高，整个摇臂组织不均匀，汽车发动机摇臂是运动件承受运动载荷较大，为了满足汽车发动机摇臂的强度，韧度和安全性，汽车发动机摇臂采用了正回火处理工艺，热处理工艺设备使用，连续正回火网带炉，正火工艺为920度以上，保持四小时，出炉风冷，再用500-600度，保温两小时回火，把铸件的组织控制在图纸要求范围内。
铁水温度越高越好，应避免高温过热。根据球墨铸铁的冶金特性，高温会引起化学元素的熔化损失，增加冷缩倾向。据了解，球墨铸铁的最低球化温度为1420y，高于此温度，反应剧烈。在实际生产中，由于高温比低温消耗球化剂、吸附率高、流动性好等原因，小片球墨铸铁仍在努力提高炉温。
4 结语：
综上所述，球墨铸铁凭借自身拥有的独特优点，在众多工业行业有着广泛的应用。因此，为了工业的生产，我们必须要保障球墨铸铁的生产质量，采取先进有效的生产工艺，确保球墨铸铁的产出能有质的保证。摇臂是汽车发动机内不可缺少的高韧性、抗疲 劳铸件.通过以上一系列措施，控制炉前成分，掌 握铁液温度，选择优良球化剂，加强孕育处理及科 学的操作方法，才能满足材质要求，生产出优质合格的铸态摇臂铸件。
参考文献：
[1]王振国.球墨铸铁磨球的生产实践[J].金属世界,2011,(1):61-62,76.doi:10.3969/j.issn.1000-6826.2011.01.017.
[2]球墨铸铁的发展[J].龚文邦,白新社,刘金城.现代铸铁.2019(04)
[3]球墨铸铁机体缩孔分析和防止[J].何辉,王建荣,杨俭.中国铸造装备与技术.2020(06)
[4]材料淬透性对摇臂轴渗碳淬火后机械性能的影响[J].马卫东.汽车零部件.2009(05)