|
曾艺成1 巩济民2 丁建中3 (1. 北京机械科学研究总院 2.中国一拖集团有限公司 3.常州华德机械有限公司)
工程设计人员在讨论交通运输装备轻量化时，往往首先考虑的是用铝、镁等低密度材料替代钢、铁材料，然而低密度材料并不总能胜任某些需要足够强度和刚度零件或部件的要求。 球墨铸铁（以下简称球铁）虽然比铝、镁等低密度材料重很多，但却比钢轻8%-10%，加之有良好的铸造性能、优异的力学性能，且成本又低，是铸钢、锻钢和焊接件轻量化很好的代用材料。据美国统计，其球铁总产量中，40%是代替锻钢件、冲压件、焊接件，25%是代替可锻铸铁件，20%是代替灰铁件，15%是代替铸钢件［1］。 西方工业发达国家由于球铁生产的原、辅材料质量好而且稳定、工艺装备先进、检测技术完善，能够保证球铁质量，所以他们很早就把其用于汽车和轨道交通装备的重要零件及部件上，以代替锻钢、铸钢件。1964年-1965年美国通用汽车公司采用球铁整体转向节代替了原来用13个锻件、冲压件组装起来的转向节，是球铁件在汽车底盘保安件应用的突破，从此，球铁产量发展很快。2010年全世界球铁产量已达2345万吨，约占铸件总产量的25.6%。人们常把球铁产量占铸件总产量的比例和球铁与铸钢件的比例作为衡量一个国家工业化水平高低的重要指标（表1—表2）。国外有学者称，球墨铸铁、蠕墨铸铁和等温淬火球铁的发展已让世界进入了“新铁器时代”。 从表1、表2可以看出，我国球铁产量虽然很高（2010年占世界球铁产量的42.2%，世界第一），但球铁产量占铸件总产量的比例和与铸钢的比例还比较低，低于世界平均水平，与德国、法国、日本相比差距更大，说明我国球铁还有很大的发展空间［2］。
一、球墨铸铁的特点及其与钢（铸钢、锻钢）的比较 球墨铸铁与钢相比具有以下特点： 1、 力学性能很广 国家标准“球墨铸铁件”（GB/T1348-2009）规定了12种球铁牌号，抗拉强度（Rm）从350MPa-900MPa，伸长率从2%-22%。球铁经等温淬火后，其强、韧性得到了很大的改善，国家标准“等温淬火球墨铸铁件”（GB/T24733-2009）——国际上通称ADI——规定了6种牌号，抗拉强度（Rm）从800MPa-1600MPa，伸长率最高为10%，弯曲疲劳强度可达500MPa，接触疲劳强度可达2100MPa（表3）。
另外，球铁的力学性能可以通过调整化学成分、加入合金元素来获得，也可以通过不同的热处理工艺来获得。由于有石墨的存在，它就像一个碳库，通过不同的奥氏体化温度，不同的冷却速度，可以改变其最终产物的含碳量，可以得到低碳钢、中碳钢及高碳钢的力学性能。 1、 屈服强度高、比强度低［3］ 钢的屈服强度/抗拉强度之比一般为0.5-0.6，而一般球铁的屈服强度/抗拉强度之比为0.6-0.7，等温淬火球铁则更高，为0.7-0.8，即同样抗拉强度的球铁比钢可承受更高的应力。 在考虑材料比重的同时，还必须考虑材料的强度。人们希望选用比重（W）与屈服强度（YS）的比值［即单位屈服强度的零件重量——“比强度”（W/YS）］较低的材料。比强度低，材料轻而坚固，就能够满足产品轻量化的要求。表4为一些材料的比强度（W/YS）。
从表中可以看出，ADI的比强度与高强度铝合金和低合金高强度钢大致相同，是一种优异的轻量化结构材料。 3、（在冲击功小于临界冲击功时）冲击疲劳性能优于钢 球铁的一次冲击韧度不如钢，特别是珠光体球铁。但一般物件承受的动载荷不是一次大的冲击，而是小能量多次冲击。在上世纪50-60年代用球铁曲轴代替锻钢曲轴试验过程中，做过两种材料的小能量多冲试验，结果见图1［4］。
图1 正火稀土镁球墨铸铁和正火45钢的A-N曲线 从图1 可以看出，存在一个临界冲击功（24kg.cm）,大于此冲击功，球铁的疲劳不如钢，而小于此冲击功，则球铁的冲击疲劳优于钢。有必要强调的是，在实际应用中一般物件承受的冲击功远小于临界冲击功。 4、铸造性能好 由于球铁的碳当量高，接近共晶成分，故其流动性、成形性非常好，可以浇注壁厚为2-3mm的薄壁、形状复杂的大型铸件，为零件的薄壁化、轻量化创造了良好的条件。图2是球铁的流动性。
图2 球墨铸铁、灰铸铁流动性与碳当量的关系 球铁的收缩倾向比钢小，表5为球铁与铸钢的自由线收缩比较。钢的液态收缩和凝固收缩均比球铁大，在冷却过程中内应力大，变形大且易形成裂纹等缺陷。
由于铸钢熔炼、浇注温度比球铁高很多，故对耐火材料及涂料等材料的要求也比较严，生产成本一般要高20%左右。 5、由于有石墨的存在，吸震性好，可以降低零件工作时的噪音。例如，无锡柴油机厂K系列滚齿加工的ADI和40Cr正时齿轮在AK型机上的噪音对比试验，ADI齿轮的噪音比40Cr齿轮降低1.92dB,齿轮侧噪音降低5.3dB。AKI系列磨齿加工的ADI齿轮比滚剃加工的38CrMnAl和40Cr氮化钢齿轮噪音低2.5dB。由于石墨本身具有自润滑能力，可以提高零件的耐磨性。 6、比重比钢轻10%左右，可以减轻零件重量。 从上述性能对比可以看出，用球铁来代替某些钢件是可行的、经济的、合理的。设计和使用部门担心的是如何保证球铁的质量和质量的稳定性、一致性的问题。铸件质量及其稳定性的问题也是铸造行业进一步发展由铸造大国变为铸造强国需要解决的关键问题，已引起全行业的高度重视。经过十多年的努力，提高球铁质量及其稳定性的工作已取得了很大的进展。由于原辅材料质量有了保证，特别是优质铸造生铁和高纯生铁的充分供应、先进工艺装备的引进、消化吸收、数值模拟技术及先进、可靠检测技术的应用以及严格的科学管理制度的建立，使球铁件的质量及稳定性大为提高。常州华德公司生产的CRH380转向架轴箱［QT400-18（-40℃）］600多炉的成分控制、工艺控制、加工性能指标等数据的稳定性就是一个很好的证明［20］。目前，全国已有几十家能供应优质球铁件的厂家。
二、应用实例 1. 发动机曲轴 发动机曲轴是球铁在我国应用最典型的零件，研究开发最早，应用范围最广，产量最多。汽车、拖拉机、船用及工程机械上的许多发动机曲轴以及空压机、空调压缩机上的曲轴都是球墨铸铁的。我国2007年生产的800多万台车用发动机中，汽油机约占76％，柴油机占24％。汽油机多用球铁曲轴，柴油机中360千瓦以下、爆发压力在16MPa以下的均可用球铁曲轴，其牌号为QT600-3、QT700-2、QT800-2、QT800-5、QT800-6、QT900-5等。据统计，我国共有30多家具有一定规模的球铁曲轴生产厂，年产用于发动机的各类球铁曲轴约45万吨，1000万根以上。球铁曲轴都是代替锻钢曲轴的，曲轴常用调质钢的牌号及性能见表6。根据不同钢种的钢轴采用不同牌号球铁或ADI曲轴代替。表7、表8为某厂锻钢与球铁曲轴疲劳试验弯矩对比及球铁曲轴装机应用情况［5］。
2. 底盘零件 汽车底盘零件常用材料及性能见表9［7］。
球铁在轿车和轻型卡车底盘零件上已得到广泛的应用。据统计，一汽集团卡车上的球铁件占铸铁件60%以上，东风集团约占50%以上，这些球铁件主要是底盘上的零件。虽然已经采用了球铁，但如按照球铁性能的特点进行轻量化设计，仍有很大的潜力，如朝阳飞马集团车辆设备有限公司对某轮毂重新进行轻量化设计，原最小壁厚11.16㎜改为6.75㎜，单重由17.8kg降为14.7kg，材质为QT450-12（铸态），已批量投产。 在重型卡车上，普通球铁已不能满足底盘零件的性能要求，国外近来越来越多采用ADI来制造。而国内许多车型仍采用钢件，据介绍，在美国20吨以上的重型卡车中，每辆至少有500kgADI件，图3、4、5、6为国外部分ADI底盘零件。表10为一汽集团8~16吨卡车用ADI后钢板弹簧支架代替ZG270-50支架破坏性试验情况［8］。图7为目前国内为国外车型生产的重型卡车钢板弹簧支架。
图4 重型卡车悬挂件支架
图5 转向节
图6 重型卡车多功能支架
用ADI制造重卡底盘零件，近几年已引起一汽、东风集团设计部门的重视，开展实验、研发工作，如一汽已在60吨大型矿用车前梁、越野车820转向节（羊角）、控制臂等开展了采用ADI的研发工作（见图8、图9），已取得很好的效果，据估计，每辆车ADI件可达340~680kg［9］。
原为40Cr或42CrMo，260kg，长2.2米 图8 60吨自卸车ADI前梁 图9 前驱桥越野车转向节 东风集团在5吨越野车底盘上有14种铸钢件用ADI代替，他们不是简单的代用，而是按ADI性能特点和受力状况用有限元方法重新设计的，故取得39.6%的轻量化效果，其成本和减重情况见图10~15和表10~11［10］［11］。
图10 前悬架上横梁臂（左为铸钢件，右为ADI件）
图11 前悬架下横梁臂（左为铸钢件，右为ADI件）
图12 前悬架上弹簧支架（左为铸钢件，右为ADI件）
图13 中、后悬架下横梁（左为铸钢件，右为ADI件）
图14 中、后悬架下弹簧支架（左为铸钢件，右为ADI件）
图15 中、后悬架上横梁（左为铸钢件，右为ADI件）
3、齿轮 ADI齿轮具有抗弯曲疲劳强度高、抗点蚀能力强、噪音小、重量比同尺寸钢齿轮轻10%、热处理变形小、加工性能好、刀具寿命长和成本低等一系列优点，首先在齿轮行业中得到开发应用。美国、中国、芬兰是三个最早宣布开发成功ADI的国家，其产品均是齿轮。部分钢齿轮牌号、性能及其与球铁、ADI对比见表13。
|
|
|
