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冷激铸铁材料凸轮轴具有良好的耐磨性，但是工艺适用性差，这在一定程度上影响了它在汽车市场的应用。而通过合理控制其化学成分，进行型砂控制，则可以获得稳定合格的冷激铸铁凸轮轴毛坯。

凸轮轴的材质主要可分为冷激铸铁、钢质、合金铸铁（可淬硬和亚弧重熔）、球墨铸铁、组合式等。各种材质的凸轮轴的工艺性、重量、耐久性、市场应用情况等各不相同（详见表）。

冷激铸铁材料凸轮轴具有良好的耐磨性，逐渐被轿车市场大量应用，但是其工艺适用性差，这在一定程度上影响了它的进一步发展。在实际生产中，材料的化学成份、型砂的控制、过程温度控制、炉前铁水孕育和球化的控制、模具及工艺设计等因素都会影响冷激铸铁凸轮轴的工艺使用性。下面从化学成份和型砂控制这两方面谈谈对冷激铸铁凸轮轴铸造的影响。

表 不同材质凸轮轴的性能比较

化学成分

1、合适的碳当量

决定冷激铸铁性能的主要因素是：冷激层碳化物的数量和形态以及石墨数量和金属基体的性能。当碳当量（CE=C+1/3Si）较高时易于形成冷激层，且冷激层中的碳化物量增加，这对于获得较高的冷激层硬度非常有利；但同时也带来石墨数量的增加、石墨形态恶化、基体组织变得粗大等不利影响。特别是当孕育条件不好或存在微量有害元素时，粗大石墨使金属基体能够承受载荷的有效面积减少，使金属基体的强度不能正常发挥，从而降低铸铁的强度。

图1：基体里的珠光体

在铸铁材料中，珠光体具有较好的强度和硬度，而铁素体则较软，强度也较低。随着C、Si数量的提高，会使珠光体数量减少（见图1），形态变得更为粗大，同时铁素体数量增加（见图2），这些都会降低材料的抗拉强度。因此，在确保获得足够的冷激层后，要将碳当量控制在一个较低的水平，以获得较高的产品机械性能。但是，当碳当量过低时，除了不利于获得好的冷激层以外，还会增加缩孔倾向，造成产品报废（见图3）。所以，在熔炼过程中，控制碳当量是解决冷激铸铁凸轮轴材料性能的一个非常重要的因素。经过实践，笔者认为将CE值控制在3.9~4.2通常是比较合适的。

图2：基体里含较多铁素体

2、合金元素对材料性能的影响

在冷激铸铁凸轮轴中，常用的合金元素主要有Cr、Cu、Ni、Mo等，这些元素在铁水中的作用各不相同。Cr的主要作用是促进白口的形成，与C、Fe形成复合碳化物，以提高冷激层的硬度和耐磨性。但是，Cr的加入会使非冷激区中的碳化物量增多，使材料脆性增加，铁素体的数量减少甚至消失。同时，由于合金元素的加入，在一定程度上也细化了石墨，而且其中的铁素体由于有一定量的合金元素而得到固溶强化，使铸铁具有较高的强度性能。

(CE<3.9)心部缩孔

3、炉料配比对材料的影响

过去我们一直认为只要化学成分符合规范要求，就应该能够获得符合标准机械性能的材料，实际上这种观点所看到的只是常规化学成分，而忽略了一些微量元素和有害元素在其中所起的作用。如生铁是Ti的主要来源，因此生铁使用量的多少会直接影响材料中Ti的含量，对材料的机械性能产生很大的影响；废钢是许多合金元素的来源，因此废钢用量对冷激铸铁机械性能的影响是非常直接的。因此，炉料配比对冷激铸铁材料的机械性能有着直接的影响，是熔炼控制的重点。另外，为了减少炉料遗传性对材料的影响，建议炉料应分批管理，做到先进先出。

(CE>4.2)心部缩松

型砂控制

良好的型砂性能是生产出合格毛坯的必要条件，现在这种观点正在被越来越多的生产厂家所接受。由于在生产冷激铸铁凸轮轴的过程中需要安放大量的冷铁，这些冷铁在起模、转运和合箱过程中非常容易掉落，并且冷铁表面不利于排气，且易于凝结水汽，故所需的型砂要在湿压强度、水份、透气性等方面进行严格控制。

而要想获得良好稳定的型砂性能，至少应具备以下几个条件：第一，有一套完备的砂处理系统和一套在线检测系统；第二，应尽量选用性能稳定的原辅材料；第三，确定合理的混砂参数和原辅材料配比；第四，在管理上有一套对型砂性能进行分析跟踪的程序。

图4：型砂图

对于型砂性能的分析跟踪程序包括：

1、数据的采集

现场检测的数据和型砂检测的数据应按规定的表格进行收集，不能把这些数据仅仅作为判断型砂好坏的标准，而是用来分析、预测未来的质量趋势。

2、数据的处理、分析

对采集的数据要定期专人利用目前先进的统计分析工具进行分析，找出规律，根据特性控制的要求，对潜在的不合格因素进行预警，以便及时采取措施，将潜在的不合格因素加以消除。

3、跟踪

对采取措施后的型砂质量应进行跟踪检测记录，并将获得的经验教训保留下来，为日后的改进提供依据。

小结

想要获得稳定合格的冷激铸铁凸轮轴毛坯，对化学成分、型砂加以控制是不容忽视的。通过控制好铁水的CE值，根据金相组织和材料性能要求调整好合金的含量，同时注意对微量元素的控制，就能够控制好铁水的化学成份；对型砂的控制要建立一套科学的控制体系，这样才能保证型砂的稳定性，满足生产冷激铸铁凸轮轴的要求。另外，再加上对过程温度控制、炉前铁水孕育和球化的控制、模具及工艺设计等其它因素的控制，一定能生产出稳定合格的冷激铸铁凸轮轴毛坯。 (end)