茶壶包

高强度高韧性QT900-5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.1MaterialstandardofFiatcompanyandGB1348

牌号Rm(MPaRp0.2(MPaA(%HB菲亚特汽车公司标准GH90-52-058805105

250-300中国国家标准GB1348QT900-29006002280-360

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.2Chemicalcomposition(%

CSiMnPSCrCuMgTi3.50-4.00

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.1Graphiteshapeofvaryoriginpigiron

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.3Dimensionandquantityofgraphite

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

<2020-4040-70>70

611736415

312265612

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(SEMFig.2Shapeofpearlite(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.3Locationofsamples

表4材料机械性能检验结果Tab.4Mechanicalproperty

抗拉强度(MPa

伸长率(%硬度(HBW冲击功(J范围均值

921~962940

5.6~7.0

6.2

257~288279

59~7267

图4机械性能各指标过程能力分析Fig.4Processcapabilityofmechanical

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0.5Hz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.5Fatiguestrengthandsaferatio

材质疲劳强度N.m标准差N.m变异系数安全系数

45#3986195.20.0491.72

42CrMo4814195.20.0412.00

QT900-5481089.40.0191.96

4QT900-5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..4:P297.