一种凸轮轴用孕育剂的制备方法及其应用技术领域
本发明属于孕育剂技术领域，特别涉及一种制备凸轮轴时专用的孕育剂的
制备方法，以及该孕育剂在制备凸轮轴方面的应用。
背景技术
孕育剂是一种可促进石墨形成、减少白口倾向、改善石墨形态和分布状况，
增加共晶团数量、细化基体组织的添加剂。目前使用最广泛的75硅铁孕育剂。
激冷球铁凸轮轴是汽车发动机的关键部件之一。随着汽车工业的发展，其
发动机功率越来越高，对凸轮轴性能要求也越来越高。由于凸轮表面与挺杆之
间有很高的接触应力和较快的相对滑动速度，并且在机械运动过程中产生高
温，所以在凸轮表面经常出现擦伤、点蚀、磨损、边缘龟裂和剥落等缺陷。激
冷球铁凸轮轴要求凸轮(激冷区)具有非常高的耐磨性和抗剥落性，而非加工
轴颈(非激冷区)具有一定的韧性、支撑轴颈具有较好的加工性能，因此凸轮
轴的生产工艺复杂、难度大。
采用现有铸造业采用的75硅铁孕育剂生产出来的凸轮轴在金相组织、硬
度、耐磨性、加工性能等方面都有很多不足之处，造成产品不稳定。为了改善
上述不足，部分厂家开始在硅铁孕育剂中增加其它材料制备复合孕育剂，如铬、
稀土等。然而，在添加上述材料时，会引入新的问题，不能同时提高凸轮轴的
综合性能。如添加铬虽然可以有利于凸轮轴白口组织形成，但其会使凸轮轴的
心部产生渗碳体，进而导致凸轮轴硬度下降。
发明内容
本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种同时适用于激冷
区和非激冷区，并能够同时改善凸轮轴多方面性能的凸轮轴用孕育剂的制备方
法。
本发明的另一目的在于提供上述凸轮轴孕育剂在凸轮轴铸造方面的应用。
为达到上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种凸轮轴用孕育剂的制备方法，包括以下步骤：按重量百分比计，将
Si：60～75％，Al：0.01～1.0％，Ca：0.05～0.5％，Ba：0.1～1.0％，Cr：3～5％，V：
0.03～0.05％，Nd：5～8％，0～1％的Mn，增碳剂：0.5～1％，余量为Fe混合均匀
后放入真空电炉中，用氩气置换炉内空气，升温至1300℃至1500℃，熔炼
5～10min，熔融的过程中不停搅拌，使原料混合均匀；在容器中浇注，并将容
器置于液氮中，使合金原料迅速冷却至室温，形成块体，将块体粉碎成平均粒
径为50～100μm的合金粉末；
将得到的上述合金粉末以及平均粒径在50～100μm的重量百分比为
0.5～1.5％的Fe3O4粉末加入到混合容器中，混合均匀后与合金粉末和Fe3O4粉
末总重量3～5％的硅酸钠溶液一起加入到碾压装置中压制成团，最后粉碎成平
均粒径为200～500μm。
进一步，所述增碳剂为铸造用增碳剂，其组分按质量百分比包括：C：99％、
S：0.4、水分：0.2％，粒度为0.2～1mm。
进一步，所述原料中Mn的重量百分比为0.5～1％。
一种凸轮轴用孕育剂的应用，通过三次孕育处理得到铸件；
将相对于铁水质量分数0.05～0.1％的孕育剂均匀分成三份，并分别包入铝
箔中，预热至300～400℃；
第一次孕育处理：在容器内加入第一份孕育剂；
第二次孕育处理：当进入容器的铁水高度达到二分之一时，加入第二份孕
育剂；
第三次孕育处理：继续浇注铁水，随铁水加入第三份孕育剂，对其进行第
三次孕育处理。
进一步，首次向容器中加入铁水到容器中盛满铁水的时间控制在10min之
内。
进一步，所述铁水的温度为1800～2000℃。
进一步，铁水经过第三次孕育处理后，搅拌均匀，孕育1～2个小时，温度
保持在1400～1600℃。
进一步，孕育好的铁水浇入凸轮轴铸件模型，在液氮环境下迅速冷却至
500～600℃，取出铸件，空冷至室温，即为凸轮轴毛坯。
本发明提供的上述凸轮轴用孕育剂技术方案具有以下有益效果：通过添加
Fe3O4能够增加共晶核数，可以在孕育剂添加量低的情况下获得较好的抑制碳
化铁的能力，并改善了重现率及稳定性，延长了孕育时间；添加的Cr、V能够
降低稳定系共晶温度和介稳定性共晶温度之差，在激冷部位形成致密、均匀、
清晰的白口组织，获得更均匀的白口深度；Nd不仅具有防止磷等偏析的现象，
还能够阻止异性石墨的产生，获得A型石墨；添加的Al、Ca、Ba、Si等协同
作用，可以提高凸轮轴的力学性能，使凸轮轴具有良好的抗拉强度和耐磨性；
添加的Al、Ba、Mn改善了凸轮轴的可加工性能和使用性能；添加的Ba能够
促进珠光体形成元素，能够增加珠光体量，细化珠光体，提高铸铁强度；通过
添加增碳剂可以使铸件达到较高的抗拉强度；迅速冷却的孕育剂，其晶粒较易
细化；细化的孕育剂结构(200～500μm)能够均匀分散在铁水中，增大其余钢
水的接触面积，提高孕育效率；用铝箔包裹孕育剂可以使孕育剂分散均匀，预
防孕育衰退，铝箔中的Al也能减小白口和针孔形成的可能性；孕育时间过长，
会降低形核能力，为防止孕育剂的衰退，孕育的时间控制在2h之内。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1(制备孕育剂)
按重量百分比计60％的Si，1.0％的Al，0.5％的Ca，1.0％的Ba，5.0％
的Cr，0.05％的V，8％的Nd，1％的Mn，0.5％的增碳剂以及22.95％的Fe混
合均匀后放入真空电炉中，用氩气置换炉内空气，升温至1300℃，熔炼5min，
熔融的过程中不停搅拌，使原料混合均匀；在容器中浇注，并将容器置于液氮
中，使合金原料迅速冷却至室温，形成块体，将块体粉碎成平均粒径为50μm
的合金粉末；将得到的上述合金粉末以及平均粒径在50μm的重量百分比为
1.5％的Fe3O4粉末加入到混合容器中，混合均匀后与合金粉末和Fe3O4粉末总
重量5％的硅酸钠溶液一起加入到碾压装置中压制成团，最后粉碎成平均粒径
为200μm。其中，增碳剂的组分包括：C：99％、S：0.4、水分：0.2％，粒度
为0.2～1mm。
实施例2(制备孕育剂)
按重量百分比计75％的Si，0.01％的Al，0.05％的Ca，0.1％的Ba，3.0％
的Cr，0.03％的V，5％的Nd，1％的增碳剂以及15.81％的Fe混合均匀后放
入真空电炉中，用氩气置换炉内空气，升温至1500℃，熔炼10min，熔融的
过程中不停搅拌，使原料混合均匀；在容器中浇注，并将容器置于液氮中，使
合金原料迅速冷却至室温，形成块体，将块体粉碎成平均粒径为100μm的合
金粉末；将得到的上述合金粉末以及平均粒径在100μm的重量百分比为0.5％
的Fe3O4粉末加入到混合容器中，混合均匀后与合金粉末和Fe3O4粉末总重量
3％的硅酸钠溶液一起加入到碾压装置中压制成团，最后粉碎成平均粒径为
500μm。其中，增碳剂的组分包括：C：99％、S：0.4、水分：0.2％，粒度为
0.2～1mm。
实施例3(制备孕育剂)
按重量百分比计65％的Si，0.05％的Al，0.3％的Ca，0.5％的Ba，4.5％
的Cr，0.05％的V，7.5％的Nd、1％的Mn，0.6％的增碳剂以及20.5％的Fe
混合均匀后放入真空电炉中，用氩气置换炉内空气，升温至1400℃，熔炼
6min，熔融的过程中不停搅拌，使原料混合均匀；在容器中浇注，并将容器置
于液氮中，使合金原料迅速冷却至室温，形成块体，将块体粉碎成平均粒径为
80μm的合金粉末；将得到的上述合金粉末以及平均粒径在80μm的重量百分
比为1％的Fe3O4粉末加入到混合容器中，混合均匀后与合金粉末和Fe3O4粉末
总重量3％的硅酸钠溶液一起加入到碾压装置中压制成团，最后粉碎成平均粒
径为300μm。其中，增碳剂的组分包括：C：99％、S：0.4、水分：0.2％，粒
度为0.2～1mm。
实施例4(制备孕育剂)
按重量百分比计70％的Si，0.03％的Al，0.1％的Ca，0.2％的Ba，3.5％
的Cr，0.03％的V，5.5％的Nd、0.5％的Mn，0.8％的增碳剂以及19.34％的
Fe混合均匀后放入真空电炉中，用氩气置换炉内空气，升温至1400℃，熔炼
8min，熔融的过程中不停搅拌，使原料混合均匀；在容器中浇注，并将容器置
于液氮中，使合金原料迅速冷却至室温，形成块体，将块体粉碎成平均粒径为
60μm的合金粉末；将得到的上述合金粉末以及平均粒径在100μm的重量百分
比为0.5％的Fe3O4粉末加入到混合容器中，混合均匀后与合金粉末和Fe3O4粉
末总重量5％的硅酸钠溶液一起加入到碾压装置中压制成团，最后粉碎成平均
粒径为250μm。其中，增碳剂的组分包括：C：99％、S：0.4、水分：0.2％，
粒度为0.2～1mm。
实施例5(孕育剂的应用)
在凸轮轴铸造过程中，将相对于铁水质量分数0.05％的孕育剂均匀分成三
份，并分别包入铝箔中，预热至350℃；
先在容器内加入第一份孕育剂，然后注入铁水；当进入容器的铁水高度达
到容器的二分之一时，加入第二份孕育剂；继续浇注铁水，随铁水加入第三份
孕育剂，对其进行第三次孕育处理。首次向容器中加入铁水到容器中盛满铁水
的时间控制在10min之内，铁水的温度为1800℃；
铁水经过第三次孕育处理后，搅拌均匀，孕育1个小时，温度保持在1400
℃，孕育好的铁水浇入凸轮轴铸件模型，在液氮环境下迅速冷却至500℃，取
出铸件，空冷至室温，即为凸轮轴毛坯。
实施例6(孕育剂的应用)
在凸轮轴铸造过程中，将相对于铁水质量分数0.1％的孕育剂均匀分成三
份，并分别包入铝箔中，预热至300℃；
先在容器内加入第一份孕育剂，然后注入铁水；当进入容器的铁水高度达
到容器的二分之一时，加入第二份孕育剂；继续浇注铁水，随铁水加入第三份
孕育剂，对其进行第三次孕育处理。首次向容器中加入铁水到容器中盛满铁水
的时间控制在10min之内，铁水的温度为000℃；
铁水经过第三次孕育处理后，搅拌均匀，孕育2个小时，温度保持在1600
℃，孕育好的铁水浇入凸轮轴铸件模型，在液氮环境下迅速冷却至600℃，取
出铸件，空冷至室温，即为凸轮轴毛坯。
实施例7(孕育剂的应用)
在凸轮轴铸造过程中，将相对于铁水质量分数0.075％的孕育剂均匀分成
三份，并分别包入铝箔中，预热至400℃；
先在容器内加入第一份孕育剂，然后注入铁水；当进入容器的铁水高度达
到容器的二分之一时，加入第二份孕育剂；继续浇注铁水，随铁水加入第三份
孕育剂，对其进行第三次孕育处理。首次向容器中加入铁水到容器中盛满铁水
的时间控制在10min之内，铁水的温度为1900℃；
铁水经过第三次孕育处理后，搅拌均匀，孕育1.5个小时，温度保持在1500
℃，孕育好的铁水浇入凸轮轴铸件模型，在液氮环境下迅速冷却至550℃，取
出铸件，空冷至室温，即为凸轮轴毛坯。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理
解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和
实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种
不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明
的保护范围内。