一种合金球铁曲轴及其热处理工艺.pdf

本发明涉及一种合金球铁曲轴及其热处理工艺，其以碳素结构钢或工具钢为原料，在电炉熔炼过程中先加增碳剂再加硅铁，合金球铁曲轴的组成(重量％)是：C 3.50-4.00，Si 1.6-2.5，Mn 0.3-0.9，P＜0.040，S＜0.03，Cr 0.03-0.07，Cu 0.2-0.5，Mg＜0.08，Ti＜0.02，余量为Fe。奥氏体化处理温度为840-920℃，保温0.5-2.5小时，随炉冷至770-850℃进行三相区处理，三相区处理的时间为1-3小时。本发明改善了曲轴的球化效果和孕育质量，Ti的含量低，有效的抑制了铁水遗传性对铸件质量的影响。热处理增加了三相区处理。本发明合金球铁曲轴抗拉强度≥900MPa，屈服强度≥500MPa，延伸率≥5％，具有优异的综合性能，可以制作高牌号QT900-5曲轴。

1、  一种合金球铁曲轴，其抗拉强度≥900MPa，延伸率≥5％，其特征是：以碳素结构钢为原料，用电炉熔炼，在电炉熔炼过程中先加增碳剂再加硅铁，合金球铁曲轴的组成成分和含量(重量％)是：C 3.50-4.00，Si 1.6-2.5，Mn 0.3-0.9，P＜0.040，S＜0.03，Cr 0.03-0.07，Cu 0.2-0.5，Mg＜0.08，Ti＜0.02，余量为Fe。

2、  根据权利要求1所述合金球铁曲轴，其特征是：合金球铁曲轴的组成成分和含量(重量％)是：C 3.83，Si 2.14，Mn 0.45，P 0.020，S 0.0072，Cr 0.051，Cu 0.35，Mg 0.041，Ti 0.010，余量为Fe。

3、  一种权利要求1所述合金球铁曲轴的热处理工艺，其特征是：奥氏体化处理温度为840-920℃，保温0.5-2.5小时，随炉冷至770-850℃进行三相区处理，三相区处理的时间为1-3小时，出炉强风雾冷。

一种合金球铁曲轴及其热处理工艺
技术领域
本发明涉及冶金和铸铁合金领域，具体地说是一种合金球铁曲轴及其热处理工艺。
背景技术
我们知道，曲轴是重要的机器零件之一，其结构和受力复杂，工作负荷大，对内部冶金材料和铸造质量以及成型精度要求都很高。传统球墨铸铁曲轴与钢轴相比具有易切削、润滑效果好的特点，目前用于正火态曲轴最好的材料为球铁900-2，曲轴本体抗拉强度≥900Mpa，延伸率≥2％，整体硬度低，在HB300以下。而等温淬火球铁ADI材料的金相组织为奥贝球铁，抗拉强度≥900Mpa，延伸率≥2％，整体硬度在HB300以上，导致ADI曲轴加工困难且圆角滚压效果不是十分理想，且成本比较高，因此用等温淬火的方法生产高牌号球铁曲轴的工艺在我国一直难以推广。中国专利03111574.8公布了一种超高强度稀有金属合金球墨铸铁曲轴，其主要是为解决现有的曲轴抗拉强度低，延伸率小等问题。产品的化学元素组成以Fe为主，其它少量和微量元素包括：C、Si、Mn、P≤0.04、S≤0.28、Mg、Re、Cu、Ni、Ti。优点是：曲轴抗拉强度达到1000MPa，延伸率≥4％，抗拉强度比国产曲轴高20％以上，延伸率高一倍，并超过了国外同类产品的水平，耐磨损，使用寿命长。本申请人专利一种曲轴用铜锡球铁材料，专利号为99112243.7，其化学成分为C3.1-3.3％，Si 2.15-2.35％，S≤0.03％，P≤0.04％，Mn 0.25-0.45％，Cu 0.5-0.7％，Sn 0.03-0.05％，其余为Fe。其采用锡代替钼铸造球铁曲轴，其成本低，加入锡后石墨球趋于圆整，个数增加，球径变小，并能强烈的促进珠光体的形成，使曲轴的强度提高稳定达到或超过标准。
随着柴油机不断增压强化以及向大功率发展，对曲轴本体的机械性能提出了更高的要求。即在抗拉强度高的基础上延伸率也要提高。以便于曲轴的圆角滚压生产，提高抗疲劳性，用来代替45#、42CrMoAl、48MnV、38MnSiV等调质钢和非调质合金结构钢曲轴。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了克服上述现有技术的不足，提供一种抗拉强度达到900MPa，延伸率≥5％，具有优异的综合性能，可以达到良好的圆角滚压强化效果，使疲劳弯矩大幅提升，工艺成熟，成本低廉的合金球铁曲轴及其热处理工艺。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种合金球铁曲轴，其抗拉强度≥900MPa，延伸率≥5％，其特征是：以碳素结构钢为原料，用电炉熔炼，在电炉熔炼过程中先加增碳剂再加硅铁，合金球铁曲轴的组成成分和含量(重量％)是：C 3.50-4.00，Si 1.6-2.5，Mn 0.3-0.9，P＜0.040，S＜0.03，Cr 0.03-0.07，Cu 0.2-0.5，Mg＜0.08，Ti＜0.02，余量为Fe。
本发明增碳增硅起到了孕育细化晶粒的效果，改善曲轴的球化效果和孕育质量，减少了杂质，降低铁水遗传性，提高了铸件质量。特别是Ti的含量与传统工艺中Ti含量(0.05％左右)相比降低了很多，有效的抑制了铁水遗传性对铸件质量的影响。
本发明上述合金球铁曲轴的热处理工艺，其特征是：奥氏体化处理温度为840-920℃，保温0.5-2.5小时，随炉冷至770-850℃进行三相区处理，三相区处理的时间为1-3小时，出炉强风雾冷。
本发明首先在高温区进行充分奥氏体化转变，让组织充分扩散，均匀分布，然后在低温区进行曲轴的三相区的保温，让珠光体和铁素体充分进行转变，有利于获得更好的基体组织。
本发明由于合金球铁以废钢为原料，电炉熔炼过程增碳增硅，成分中Ti含量大大降低，热处理工艺增加了三相区处理保温，对照现有技术，本发明合金球铁曲轴其机械性能界于普通球铁和ADI材料之间。曲轴本体抗拉强度≥900Mpa，屈服强度≥500Mpa，延伸率≥5％，冲击值AK≥40J/cm2，硬度为250-300HB，其具有优异的综合性能，并且可以达到良好的圆角滚压强化效果，使疲劳弯矩大幅提升，可以制作高牌号QT900-5曲轴。其在继承传统球铁曲轴的优点下可替代钢轴，工艺成熟，生产成本低，生产效率大大提高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
本发明采用碳素结构钢，其可以是100％的废钢，在15t的美国应达电炉熔炼，在电炉熔炼过程中首先加入增碳剂，加入量在3.40％～3.90％，以15T的电炉计算大约在510-585Kg左右，分三批加入，这样有利于C的吸收；再加入1.4-2.3％左右的75硅铁进行孕育，以15T的电炉计算加入75硅铁量在21-34.5Kg左右；最后经过球化，浇注成型。浇注过程中进行二次随流孕育，加入球铁专用孕育剂为合金球铁重量的0.02％左右，便于进一步提高石墨球的圆整度，同时使组织更加细化。这里，球铁专用孕育剂为市购产品，其具体组成成分为现有技术。所获得合金球铁曲轴成分和含量(重量％)是：C3.50-4.00，Si 1.6-2.5，Mn 0.3-0.9，P＜0.040，S＜0.03，Cr 0.03-0.07，Cu 0.2-0.5，Mg＜0.08，Ti＜0.02，余量为Fe。
将完成浇铸成型后的曲轴按照以下条件进行热处理：奥氏体化处理温度为840-920℃，保温0.5-2.5小时，随炉冷至770-850℃进行三相区处理，三相区处理的时间为1-3小时，出炉强风雾冷。首先在高温区进行充分奥氏体化转变，让组织充分扩散，均匀分布，然后在低温区增加了曲轴的三相区的保温处理，让珠光体和铁素体充分进行转变，这样，更有利于获得更好的基体组织。热处理是为了更好的细化晶粒，获的更有利于提高性能的基体组织。基体组织珠光体含量90％以上，石墨球小而圆整，球化率在1～3级，石墨大小为6～8级，渗碳体和磷共晶总量不大于3。。
本发明生产曲轴中Ti的含量大幅降低，可以很大程度消除铁水遗传性对铸件质量的影响，在电炉熔炼过程中增碳增硅，孕育质量有了很大改善，在经过改进后的热处理工艺，可以使曲轴本体组织非常细化和均匀分布。曲轴本体抗拉强度≥900Mpa，屈服强度≥500Mpa，延伸率≥5％，冲击值AK≥40J/cm2，硬度250-300HB。
实施例1：采用100％的碳素结构钢，电炉熔炼，在电炉熔炼过程中首先加入增碳剂，加入量在3.4％，以15T的电炉计算大约在510Kg，分3批加入，这样有利于C的吸收，再加入1.4％的75硅铁进行孕育，以15T的电炉计算大约在21Kg，在经过球化处理，浇注成型。浇注过程中进行二次随流孕育。所获得合金球铁曲轴成分(重量％)是：C 3.50，Si 1.60，Mn 0.31，P 0.024，S 0.018，Cr 0.03，Cu 0.22，Mg 0.043，Ti 0.0093，余量为Fe。将完成浇铸成型后的曲轴按照以下条件进行热处理：840度保温2.5小时，随炉冷至770度保温3小时，出炉强风雾冷。
实施例2：采用100％的碳素结构钢，电炉熔炼，在电炉熔炼过程中首先加入增碳剂，加入量在3.7％，以15T的电炉计算大约在555Kg，分3批加入，这样有利于C的吸收，在加入1.8％的75硅铁进行孕育，以15T的电炉计算大约在27Kg，在经过球化处理，浇注成型。浇注过程中进行二次随流孕育。所获得合金球铁曲轴成分(重量％)是：C 3.83，Si 2.14，Mn 0.45，P 0.020，S 0.0072，Cr 0.051，Cu 0.35，Mg 0.041，Ti 0.010，余量为Fe。将完成浇铸成型后的曲轴按照以下条件进行热处理：880度保温1.5小时，随炉冷至810度度保温2小时，出炉强风雾冷。
实施例3：采用100％的碳素结构钢电炉熔炼，在电炉熔炼过程中首先加入增碳剂，加入量在3.9％左右，以15T的电炉计算大约在585Kg左右，分3批加入，这样有利于C的吸收，在加入2.3％左右的75硅铁进行孕育，以15T的电炉计算大约在34.5Kg左右，在经过球化处理，最后随流孕育浇注成型。所获得合金球铁曲轴成分(重量％)是：C 3.99，Si 2.48，Mn 0.9，P 0.039，S 0.012，Cr 0.068，Cu 0.48，Mg 0.074，Ti 0.017，余量为Fe。将完成浇铸成型后的曲轴按照以下条件进行热处理：920度保温2.5小时，随炉冷至850度保温2.5小时，出炉强风雾冷。得到合金球铁曲轴。
上述各实施例得到的合金球铁曲轴具体性能指标如下：

本发明合金球铁曲轴机械性能界于普通球铁和ADI材料之间。由于其具有优异的综合性能，并且可以达到良好的圆角滚压强化效果，使疲劳弯矩大幅提升，是制造曲轴的良好材料。同时由于工艺成熟，成本低廉，必将在更大范围内取代钢轴。合金球铁曲轴在继承传统球铁曲轴的优点下替代钢轴，节约生产成本，提高生产效率。适合于生产QT900-5曲轴。