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1、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(大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
2、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GH90-52-058805105250-300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
3、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
4、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
5、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(%CSiMnPSCrCuMgTi3.50-4.001.602.500.30-0.500.0400.0300.02-0.050.30-0.500.080.053.1.1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
6、在2040仙m见图1(bo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.1Graphiteshapeofvaryoriginpigiron300300p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(pm普通生铁球化后石墨球数量优选生铁球化后石墨球数量706117364153122656123.2 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
7、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3050c保温一定时间，使奥氏体成分均匀，然后随炉冷至Arcm以下20-40C，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
8、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(b0(a普通球铁材料(bQT900-5球铁材料图2珠光体形态(SEMFig.2Shapeofpearlite(SEM3.3 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
9、均值9219629405.67.06.2257288279597267冲击功（J）的过程能力冲击功（J）的过程能力图4机械性能各指标过程能力分析Fig.4Processcapabilityofmechanicalproperty3.4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230350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
10、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#3986195.20.0491.7242CrMo4814195.20.0412.00QT900-5481089.40.0191.964QT900-5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4
11、0Cr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.
