一种凸轮轴及其制造方法 |
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| 申请号 | CN201710569116.0 | 申请日 | 2017-07-13 | 公开(公告)号 | CN107365937A | 公开(公告)日 | 2017-11-21 |
| 申请人 | 浙江博星工贸有限公司; | 发明人 | 陈晖; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 凸轮 轴及其制造方法，包含以下重量份的成分：废 钢 15份-20份、生 铁 20份-25份、回 炉料 55份-60份、 石墨 电极 3.2份-3.4份、 硅 1.7份-2.1份、锰0.5-0.7份、铬0.4份-0.55份、钼0.15份-0.45份、镍0.3-0.45份、 铜 0.2份-0.45份、75SiFe 0.2份-0.4份。本发明的技术方案优化了 凸轮轴 的配方组成，具有良好的 耐磨性 ，通过孕育剂的加入量来调整白口深度和中心组织，保证铁液有足够的白口倾向，保证桃尖硬度，又保证了轴颈上有足够的强度，保证凸轮轴在 发动机 中使用寿命能够大于100万公里。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种凸轮轴，其特征在于，包含以下重量份的成分：废钢15份-20份、生铁20份-25份、回炉料55份-60份、石墨电极3.2份-3.4份、硅1.7份-2.1份、锰0.5-0.7份、铬0.4份-0.55份、钼0.15份-0.45份、镍0.3-0.45份、铜0.2份-0.45份、75SiFe 0.2份-0.4份。 |
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| 说明书全文 | 一种凸轮轴及其制造方法技术领域背景技术[0002] 凸轮轴是发动机的关键部件之一，是发动机中启闭气缸气门的重要零件，其凸轮部件的耐磨性直接影响发动机的性能。工作时，凸轮轴的凸轮工作面与气门挺柱顶面紧密接触，形成一对摩擦副。当凸轮轴高速转动时，凸轮的工作面会发生疲劳磨损，当磨损量超过某一值时，气门间隙过大，气门开启时间延后且不完全，发动机性能显著下降。由于磨损率与磨损表面硬度成反比，因此凸轮轴凸轮工作面的硬度至关重要。但是铸件材料配方和铸造过程中的各段温度及时间控制还不是十分合理，凸轮轴达不到耐磨的要求。 发明内容[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种耐磨性好的的凸轮轴及其制造方法。 [0004] 为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供以下技术方案：一种凸轮轴，包含以下重量份的成分：废钢15份-20份、生铁20份-25份、回炉料55份-60份、石墨电极3.2份-3.4份、硅1.7份-2.1份、锰0.5-0.7份、铬0.4份-0.55份、钼0.15份-0.45份、镍0.3-0.45份、铜0.2份-0.45份、75SiFe 0.2份-0.4份。碳元素通过石墨电极添加并优化了添加量，效果较为理想，能减少白口深度、缩短麻口层厚度，而凸轮轴其碳含量也不适宜过高，要考虑中心部灰口组织强度、容易促使中心产生石墨偏析造成组织粗松，硬度不再升高，加工难度大等因素；同时碳含量也不能过低，因为，碳含量过低形不成白口层，麻口区变厚达不到冷激要求。通过调整硅添加量来降低冷激白口深度和缩短麻口深度，并调整柱状晶粒组织长短。锰超过一定量则对白口及硬度起促进作用，并使白口发脆，不做合金元素使用。铬、钼、镍、铜作为合金元素为生产碳化物和合金元素复合共晶体，提高耐磨性能，细化石墨和共晶团，增加基体珠光体含量并使片距细化，经过试验配比，加入合适定量的合金元素能够达到预期设计效果，铬为增加白口层深度有效元素，使组织变粗、麻口区深度增加，钼也能扩大白口深度，能力约为铬的三分之一，但它能细化白口和麻口的晶粒，并使白口部分的石墨细化，镍能够起到缓和剂的作用，对白口深度及硬度影响不大，能使白口层中珠光体转变为索氏体基体，对凸轮中心部位也能起到细化晶粒提高强度的作用，铜元素加入可以提高灰铁的强度，但作用没有铬明显，所以我们在试验中同时使用，铜是一种促进石墨化的元素，可抵消铬的白口化倾向大的不利影响，有利于保证铁液的铸造工艺性能，同时铜也是一种稳定基体中珠光体组织的元素，可以强化基体。炉料配比主要是考虑生铁、废钢、回炉料的比例，如果炉料配比不同，即时铁液化学成分相同，凸轮的白口深度也有可能不同，如果炉料配比中生铁的比例过大，那么铁液石墨化核心就多，铁液凝固时石墨的形核率就大，碳就容易按石墨的方式凝固，从而使铁液的白口倾向变小。相反，如果废钢的比例大，那么铁液石墨化核心少，白口倾向大，增加了冷激效果。通过我们试验分析，炉料配比要求稳定，波动范围要小，否则容易引起材质的不稳定，炉料中白口铁的比例增加，白口层深度也会增加。 [0005] 优选的，包含以下重量份的成分：废钢17份、生铁23份、回炉料57份、石墨电极3.3份、硅1.8、锰0.6份、铬0.5份、钼0.25份、镍0.4份、铜0.3份、75SiFe 0.3份。 [0006] 一种凸轮轴的制造方法，包括以下步骤： [0007] 步骤一、造型：放置冷铁、过滤网，检查、清理覆膜砂，即将成型冷铁放置在凸轮冷激区，冷铁的大小，一般小于冷激面，其尺寸与凸轮冷激面相吻合，尺寸大小一般为基圆的1-1.2倍，桃尖是凸轮中心到桃尖高度的1.2-1.5倍，宽度小于凸轮后约1.5mm，呈马鞍形，冷铁高度设计为25-28mm，冷铁斜度10度左右，冷铁本体上设有与所制凸轮轴的凸轮形状相匹配的型腔，型腔的侧壁随对应凸轮的升程增加而变厚，基圆部位的外侧处设有斜切切角，以利于硬度呈规则降低；冷铁过大会形成过深的白口层和过宽的麻口层，影响凸轮轴的力学性能，如若化学成分C、Si在偏低或合金元素偏高时，会形成全白口，冷铁过小时白口层的深度和硬度很难达到要求，设计冷铁，即要考虑从达到凸轮硬度和白口层深度达到设计要求，同时又要避免产生过大的白口区和麻口区，过大过小的冷铁都不能保证凸轮轴的技术性能；厚度在不同区域平顺过渡；冷铁在造型时震动容易产生移位，因此在模板加装电磁铁定位装置来固定冷铁，很好消除了冷激凸轮轴铸造时冷铁移位的铸造缺陷，保证了毛坯的尺寸精度；采用壳型铸造，采用壳型浇铸工艺，设计浇道和冒口，水平分型，水平浇铸，采用1型 2件工艺；覆膜砂要求平整，型腔表面和分型面平滑，覆膜砂无缺失；待炉温升至700℃将准备好的模型放入炉内2-3min烤至覆膜砂表面发黑时将模型拉出；起模后，检查冷铁表面是否粘有砂子，并清理干净；用气枪将模型内面刮落的散砂、脏污清理干净；合模时砂箱要对齐，压模时两边螺栓固定均匀 [0008] 步骤二、配料：按照配方量配制废钢、生铁、回炉料、碳、硅、锰、铬、钼、镍、铜； [0009] 步骤三、熔炼：使用中频感应电炉，控制电压660V，功率≤600KW，冷却水导电率≤50μS/cm，包括如下分步：a.依次加入各组分；b.熔炼铁水；c.过热静置：将熔化的铁水加温至1500℃，然后断电静置至1450℃；d.孕育：加入所述75SiFe(硅铁)孕育，粒度粒度5-10mm，控制铁水温度在1400℃，保持30-35分钟； [0010] 过热温度对白口层深度有较大的影响，铁液温度的高低会引起白口深度的变化，过冷度愈大，则白口深度也大。下表为试验得出的熔化温度与白口深度及硬化带的对应关系： [0011]熔化温度/℃ 断面/mm 硬化带/mm 1220 全部麻口 17 1355 白口5 32 1465 白口12 45 [0012] 铁水温度过高，虽然有利于渗碳体分解为奥氏体+石墨，但温度高，铁水中杂质少、过冷度大，结晶温度低于Lc，铁水粘性增加，妨碍了原子的扩散，故有利于促进莱氏体的共晶，试验分析，控制铁水过热在1500℃。 [0013] 高温铁液保温时间延长，铸造缺陷增加，白口倾向增加，在试验过程中将原铁水碳当量减少，用孕育剂提高孕育效果，使其分析出石墨、石墨变细、莱氏体增加树枝状结晶、珠光体片距减小变细。 [0014] 经过试验分析，包内孕育过程对白口倾向有着非常明显的影响，它甚至比化学成分的影响还大，因为，孕育处理对铸铁的形核与长大发生影响，会增加共晶团的数量，因而改变铸铁的倾向，我们分析过热温度高非均质结晶少，白口倾向大，铁液共晶转变所需晶核多系孕育剂的加入供给，为得到基圆灰口组织，必须进行孕育处理，通过加入75SiFe孕育剂的加入量来调整白口深度和中心组织。 [0015] 步骤四、对步骤得三到的铁水进行浇注，采用一头浇一头设浇冒口工艺，浇铸时间控制在在11±2s，使铁液迅速注满、趋于平稳后开始结晶，如果铁液温度低或产生紊流，则接触冷铁表面的部分立即结晶形成冷激层，后流入的铁液会冲坏或重熔冷激层，打乱正常的结晶秩序，为防止出现冷激石墨带，浇注温度控制在1400℃-1420℃，浇铸温度不宜过高，浇铸温度太高，白口浅而麻口深； [0016] 步骤五、冷却开箱，冷却时间后开箱，冷却时间控制在55-75分钟； [0017] 步骤六、清砂； [0018] 步骤七、轴件检测：包括光谱分析仪检测成份。 [0019] 与现有技术相比较，本发明的技术方案优化了凸轮轴的配方组成，加入稀有金属元素铜、钼、镍、铬、锰，找到适合先进发动机性能要求的凸轮轴铸件最佳配方，通过孕育剂的加入量来调整白口深度和中心组织，保证铁液有足够的白口倾向，保证桃尖硬度，又保证了轴颈上有足够的强度，并优化铸造过程中的各段温度及时间控制，使凸轮轴具有良好的耐磨性，保证凸轮轴在发动机中使用寿命能够大于100万公里。附图说明 [0020] 图1为本发明凸轮轴各部位硬度检测示意图。 具体实施方式[0021] 以下通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。 [0022] 实施例1 [0023] 一种凸轮轴，包含以下重量份的成分：废钢15份、生铁20份、回炉料60份、石墨电极3.4份、硅1.7、锰0.7份、铬0.4份、钼0.45份、镍0.45份、铜0.2份、75SiFe 0.4份。 [0024] 一种凸轮轴的制造方法，包括以下步骤： [0025] 步骤一、造型：放置冷铁、过滤网，检查、清理覆膜砂，即将成型冷铁放置在凸轮冷激区，冷铁的大小，一般小于冷激面，其尺寸与凸轮冷激面相吻合，尺寸大小为基圆的1倍，桃尖是凸轮中心到桃尖高度的1.2倍，宽度小于凸轮后约1.5mm，呈马鞍形，冷铁高度设计为25mm，冷铁斜度10度左右，冷铁本体上设有与所制凸轮轴的凸轮形状相匹配的型腔，型腔的侧壁随对应凸轮的升程增加而变厚，基圆部位的外侧处设有斜切切角，以利于硬度呈规则降低；厚度在不同区域平顺过渡；在模板加装电磁铁定位装置来固定冷铁；采用壳型铸造，采用壳型浇铸工艺，设计浇道和冒口，水平分型，水平浇铸，采用1型2件工艺；覆膜砂要求平整，型腔表面和分型面平滑，覆膜砂无缺失；待炉温升至700℃将准备好的模型放入炉内 3min烤至覆膜砂表面发黑时将模型拉出；起模后，检查冷铁表面是否粘有砂子，并清理干净；用气枪将模型内面刮落的散砂、脏污清理干净；合模时砂箱要对齐，压模时两边螺栓固定均匀 [0026] 步骤二、配料：按照配方量配制废钢、生铁、回炉料、碳、硅、锰、铬、钼、镍、铜； [0027] 步骤三、熔炼：使用中频感应电炉，控制电压660V，功率≤600KW，冷却水导电率≤50μS/cm，包括如下分步：a.依次加入各组分；b.熔炼铁水；c.过热静置：将熔化的铁水加温至1500℃，然后断电静置至1450℃；d.孕育：加入所述75SiFe孕育，控制铁水温度在1400℃，保持30分钟； [0028] 步骤四、对步骤得三到的铁水进行浇注，采用一头浇一头设浇冒口工艺，浇铸时间控制在在9s，浇注温度控制在1400℃； [0029] 步骤五、冷却开箱，冷却时间后开箱，冷却时间控制在55分钟； [0030] 步骤六、清砂； [0031] 步骤七、轴件检测：包括光谱分析仪检测成份，测得C3.2％、Si2.4％、Mn0.9％、Cr0.4％、Ni0.5％、Mo0.2％、Cu0.3％、P≤0.20％、S≤0.10％。 [0032] 实施例2 [0033] 一种凸轮轴，包含以下重量份的成分：废钢17份、生铁23份、回炉料57份、石墨电极3.3份、硅1.8份、锰0.6份、铬0.5份、钼0.25份、镍0.4份、铜0.3份、75SiFe 0.3份。 [0034] 一种凸轮轴的制造方法，包括以下步骤： [0035] 步骤一、造型：放置冷铁、过滤网，检查、清理覆膜砂，即将成型冷铁放置在凸轮冷激区，冷铁的大小，一般小于冷激面，其尺寸与凸轮冷激面相吻合，尺寸大小一般为基圆的1.2倍，桃尖是凸轮中心到桃尖高度的1.3倍，宽度小于凸轮后约1.5mm，呈马鞍形，冷铁高度设计为28mm，冷铁斜度10度左右，冷铁本体上设有与所制凸轮轴的凸轮形状相匹配的型腔，型腔的侧壁随对应凸轮的升程增加而变厚，基圆部位的外侧处设有斜切切角，以利于硬度呈规则降低；厚度在不同区域平顺过渡；在模板加装电磁铁定位装置来固定冷铁；采用壳型铸造，采用壳型浇铸工艺，设计浇道和冒口，水平分型，水平浇铸，采用1型2件工艺；覆膜砂要求平整，型腔表面和分型面平滑，覆膜砂无缺失；待炉温升至700℃将准备好的模型放入炉内150秒烤至覆膜砂表面发黑时将模型拉出；起模后，检查冷铁表面是否粘有砂子，并清理干净；用气枪将模型内面刮落的散砂、脏污清理干净；合模时砂箱要对齐，压模时两边螺栓固定均匀 [0036] 步骤二、配料：按照配方量配制废钢、生铁、回炉料、碳、硅、锰、铬、钼、镍、铜； [0037] 步骤三、熔炼：使用中频感应电炉，控制电压660V，功率≤600KW，冷却水导电率≤50μS/cm，包括如下分步：a.依次加入各组分；b.熔炼铁水；c.过热静置：将熔化的铁水加温至1500℃，然后断电静置至1450℃；d.孕育：加入所述75SiFe孕育，控制铁水温度在1400℃，保持35分钟； [0038] 步骤四、对步骤得三到的铁水进行浇注，采用一头浇一头设浇冒口工艺，浇铸时间控制在在11s，浇注温度控制在1420℃； [0039] 步骤五、冷却开箱，冷却时间后开箱，冷却时间控制在70分钟； [0040] 步骤六、清砂； [0041] 步骤七、轴件检测：包括光谱分析仪检测成份，测得C3.3％、Si2.2％、Mn0.8％、Cr0.5％、Ni0.4％、Mo0.3％、Cu0.4％、P≤0.20％、S≤0.10％。 [0042] 实施例3 [0043] 一种凸轮轴，包含以下重量份的成分：废钢20份、生铁25份、回炉料55份、石墨电极3.2份、硅2.1份、锰0.5份、铬0.55份、钼0.15份、镍0.3份、铜0.45份、75SiFe0.2份。 [0044] 一种凸轮轴的制造方法，包括以下步骤： [0045] 步骤一、造型：放置冷铁、过滤网，检查、清理覆膜砂，即将成型冷铁放置在凸轮冷激区，冷铁的大小，一般小于冷激面，其尺寸与凸轮冷激面相吻合，尺寸大小一般为基圆的1.1倍，桃尖是凸轮中心到桃尖高度的1.5倍，宽度小于凸轮后约1.5mm，呈马鞍形，冷铁高度设计为27mm，冷铁斜度10度左右，冷铁本体上设有与所制凸轮轴的凸轮形状相匹配的型腔，型腔的侧壁随对应凸轮的升程增加而变厚，基圆部位的外侧处设有斜切切角，以利于硬度呈规则降低；厚度在不同区域平顺过渡；在模板加装电磁铁定位装置来固定冷铁；采用壳型铸造，采用壳型浇铸工艺，设计浇道和冒口，水平分型，水平浇铸，采用1型2件工艺；覆膜砂要求平整，型腔表面和分型面平滑，覆膜砂无缺失；待炉温升至700℃将准备好的模型放入炉内2min烤至覆膜砂表面发黑时将模型拉出；起模后，检查冷铁表面是否粘有砂子，并清理干净；用气枪将模型内面刮落的散砂、脏污清理干净；合模时砂箱要对齐，压模时两边螺栓固定均匀 [0046] 步骤二、配料：按照配方量配制废钢、生铁、回炉料、碳、硅、锰、铬、钼、镍、铜； [0047] 步骤三、熔炼：使用中频感应电炉，控制电压660V，功率≤600KW，冷却水导电率≤50μS/cm，包括如下分步：a.依次加入各组分；b.熔炼铁水；c.过热静置：将熔化的铁水加温至1500℃，然后断电静置至1450℃；d.孕育：加入所述75SiFe孕育，控制铁水温度在1400℃，保持33分钟； [0048] 步骤四、对步骤得三到的铁水进行浇注，采用一头浇一头设浇冒口工艺，浇铸时间控制在在13s，浇注温度控制在1410℃； [0049] 步骤五、冷却开箱，冷却时间后开箱，冷却时间控制在75分钟； [0050] 步骤六、清砂； [0051] 步骤七、轴件检测：包括光谱分析仪检测成份，测得C3.5％、Si2.0％、Mn0.6％、Cr0.6％、Ni0.3％、Mo0.4％、Cu0.5％、P≤0.20％、S≤0.10％。 [0052] 冷激铸铁凸轮轴在凸轮桃形部位纵剖面看成三个组织不同的区域：表面为硬化区即白口区：有40％的碳化物+珠光体+莱氏体，凸轮轴桃尖表面形成7～10mm深度的莱氏体(白口)组织，在摩擦中，碳化物起骨架作用，珠光体起储油作用，因而具有较好储油和油膜保持性，抗擦伤性、耐磨性均较好，它无需经过热处理来改善凸轮轴表面的硬度，而是用随形冷铁来保证凸轮表面铸态就能达到高硬度的白口硬化层，而达到耐磨的要求，省却了热处理工艺；过度区为麻口区：莱氏体+珠光体+少量碳化物；中心区为非硬化层，灰口区：珠光体+片状石墨，珠光体>80％，碳化物<5％，达到外硬内软的性能。本发明提高了凸轮部位的均匀度，减少热处理工艺，同时凸轮轴的耐磨层深度可以达到到7-10mm。冷铁的形状采用计算机有限元分析法，根据凸轮不同位置、形状设计不同形状的冷铁，以和凸轮不同部位硬度达到最佳匹配，通过这种模型冷铁的设置，造型、浇注，能使其硬度平稳变化，外硬内软，能够提高凸轮的耐磨性和使用寿命。改变传统凸轮加工需要凸轮粗磨、凸轮精磨两道工序的加工方法，本技术确保凸轮精磨一道工序即可达到设计精度要求。 [0053] 如图1所示，1-9分别为凸轮轴各个位置的测试点，通过下表来汇总检测结果： [0054] 表1凸轮轴各部位硬度检测表 [0055] [0056] 通过表1可以看出： [0057] 表2各部位硬度范围表 [0058]序号 各部位硬度 1 ≥25HRC 2 ≥38HRC 3 ≥50HRC 4 ≥50HRC 5 ≥50HRC 6 ≥38HRC 7 ≥25HRC 8 220-280HBS 9 220-280HBS [0059] 与现有技术相比较，本发明的技术方案优化了凸轮轴的配方组成，加入稀有金属元素铜、钼、镍、铬、锰，找到适合先进发动机性能要求的凸轮轴铸件最佳配方，通过孕育剂的加入量来调整白口深度和中心组织，保证铁液有足够的白口倾向，保证桃尖硬度，又保证了轴颈上有足够的强度，并优化铸造过程中的各段温度及时间控制，使凸轮轴具有良好的耐磨性，保证凸轮轴在发动机中使用寿命能够大于100万公里。 [0060] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。 |
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