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曾藝成1 鞏濟(jì)民2 丁建中3 (1. 北京機(jī)械科學(xué)研究總院 2.中國一拖集團(tuán)有限公司 3.常州華德機(jī)械有限公司)
工程設(shè)計(jì)人員在討論交通運(yùn)輸裝備輕量化時(shí)，往往首先考慮的是用鋁、鎂等低密度材料替代鋼、鐵材料，然而低密度材料并不總能勝任某些需要足夠強(qiáng)度和剛度零件或部件的要求。 球墨鑄鐵（以下簡稱球鐵）雖然比鋁、鎂等低密度材料重很多，但卻比鋼輕8%-10%，加之有良好的鑄造性能、優(yōu)異的力學(xué)性能，且成本又低，是鑄鋼、鍛鋼和焊接件輕量化很好的代用材料。據(jù)美國統(tǒng)計(jì)，其球鐵總產(chǎn)量中，40%是代替鍛鋼件、沖壓件、焊接件，25%是代替可鍛鑄鐵件，20%是代替灰鐵件，15%是代替鑄鋼件［1］。 西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家由于球鐵生產(chǎn)的原、輔材料質(zhì)量好而且穩(wěn)定、工藝裝備先進(jìn)、檢測技術(shù)完善，能夠保證球鐵質(zhì)量，所以他們很早就把其用于汽車和軌道交通裝備的重要零件及部件上，以代替鍛鋼、鑄鋼件。1964年-1965年美國通用汽車公司采用球鐵整體轉(zhuǎn)向節(jié)代替了原來用13個(gè)鍛件、沖壓件組裝起來的轉(zhuǎn)向節(jié)，是球鐵件在汽車底盤保安件應(yīng)用的突破，從此，球鐵產(chǎn)量發(fā)展很快。2010年全世界球鐵產(chǎn)量已達(dá)2345萬噸，約占鑄件總產(chǎn)量的25.6%。人們常把球鐵產(chǎn)量占鑄件總產(chǎn)量的比例和球鐵與鑄鋼件的比例作為衡量一個(gè)國家工業(yè)化水平高低的重要指標(biāo)（表1—表2）。國外有學(xué)者稱，球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和等溫淬火球鐵的發(fā)展已讓世界進(jìn)入了“新鐵器時(shí)代”。 從表1、表2可以看出，我國球鐵產(chǎn)量雖然很高（2010年占世界球鐵產(chǎn)量的42.2%，世界第一），但球鐵產(chǎn)量占鑄件總產(chǎn)量的比例和與鑄鋼的比例還比較低，低于世界平均水平，與德國、法國、日本相比差距更大，說明我國球鐵還有很大的發(fā)展空間［2］。
一、球墨鑄鐵的特點(diǎn)及其與鋼（鑄鋼、鍛鋼）的比較 球墨鑄鐵與鋼相比具有以下特點(diǎn)： 1、 力學(xué)性能很廣 國家標(biāo)準(zhǔn)“球墨鑄鐵件”（GB/T1348-2009）規(guī)定了12種球鐵牌號，抗拉強(qiáng)度（Rm）從350MPa-900MPa，伸長率從2%-22%。球鐵經(jīng)等溫淬火后，其強(qiáng)、韌性得到了很大的改善，國家標(biāo)準(zhǔn)“等溫淬火球墨鑄鐵件”（GB/T24733-2009）——國際上通稱ADI——規(guī)定了6種牌號，抗拉強(qiáng)度（Rm）從800MPa-1600MPa，伸長率最高為10%，彎曲疲勞強(qiáng)度可達(dá)500MPa，接觸疲勞強(qiáng)度可達(dá)2100MPa（表3）。
另外，球鐵的力學(xué)性能可以通過調(diào)整化學(xué)成分、加入合金元素來獲得，也可以通過不同的熱處理工藝來獲得。由于有石墨的存在，它就像一個(gè)碳庫，通過不同的奧氏體化溫度，不同的冷卻速度，可以改變其最終產(chǎn)物的含碳量，可以得到低碳鋼、中碳鋼及高碳鋼的力學(xué)性能。 1、 屈服強(qiáng)度高、比強(qiáng)度低［3］ 鋼的屈服強(qiáng)度/抗拉強(qiáng)度之比一般為0.5-0.6，而一般球鐵的屈服強(qiáng)度/抗拉強(qiáng)度之比為0.6-0.7，等溫淬火球鐵則更高，為0.7-0.8，即同樣抗拉強(qiáng)度的球鐵比鋼可承受更高的應(yīng)力。 在考慮材料比重的同時(shí)，還必須考慮材料的強(qiáng)度。人們希望選用比重（W）與屈服強(qiáng)度（YS）的比值［即單位屈服強(qiáng)度的零件重量——“比強(qiáng)度”（W/YS）］較低的材料。比強(qiáng)度低，材料輕而堅(jiān)固，就能夠滿足產(chǎn)品輕量化的要求。表4為一些材料的比強(qiáng)度（W/YS）。
從表中可以看出，ADI的比強(qiáng)度與高強(qiáng)度鋁合金和低合金高強(qiáng)度鋼大致相同，是一種優(yōu)異的輕量化結(jié)構(gòu)材料。 3、（在沖擊功小于臨界沖擊功時(shí)）沖擊疲勞性能優(yōu)于鋼 球鐵的一次沖擊韌度不如鋼，特別是珠光體球鐵。但一般物件承受的動(dòng)載荷不是一次大的沖擊，而是小能量多次沖擊。在上世紀(jì)50-60年代用球鐵曲軸代替鍛鋼曲軸試驗(yàn)過程中，做過兩種材料的小能量多沖試驗(yàn)，結(jié)果見圖1［4］。
圖1 正火稀土鎂球墨鑄鐵和正火45鋼的A-N曲線 從圖1 可以看出，存在一個(gè)臨界沖擊功（24kg.cm）,大于此沖擊功，球鐵的疲勞不如鋼，而小于此沖擊功，則球鐵的沖擊疲勞優(yōu)于鋼。有必要強(qiáng)調(diào)的是，在實(shí)際應(yīng)用中一般物件承受的沖擊功遠(yuǎn)小于臨界沖擊功。 4、鑄造性能好 由于球鐵的碳當(dāng)量高，接近共晶成分，故其流動(dòng)性、成形性非常好，可以澆注壁厚為2-3mm的薄壁、形狀復(fù)雜的大型鑄件，為零件的薄壁化、輕量化創(chuàng)造了良好的條件。圖2是球鐵的流動(dòng)性。
圖2 球墨鑄鐵、灰鑄鐵流動(dòng)性與碳當(dāng)量的關(guān)系 球鐵的收縮傾向比鋼小，表5為球鐵與鑄鋼的自由線收縮比較。鋼的液態(tài)收縮和凝固收縮均比球鐵大，在冷卻過程中內(nèi)應(yīng)力大，變形大且易形成裂紋等缺陷。
由于鑄鋼熔煉、澆注溫度比球鐵高很多，故對耐火材料及涂料等材料的要求也比較嚴(yán)，生產(chǎn)成本一般要高20%左右。 5、由于有石墨的存在，吸震性好，可以降低零件工作時(shí)的噪音。例如，無錫柴油機(jī)廠K系列滾齒加工的ADI和40Cr正時(shí)齒輪在AK型機(jī)上的噪音對比試驗(yàn)，ADI齒輪的噪音比40Cr齒輪降低1.92dB,齒輪側(cè)噪音降低5.3dB。AKI系列磨齒加工的ADI齒輪比滾剃加工的38CrMnAl和40Cr氮化鋼齒輪噪音低2.5dB。由于石墨本身具有自潤滑能力，可以提高零件的耐磨性。 6、比重比鋼輕10%左右，可以減輕零件重量。 從上述性能對比可以看出，用球鐵來代替某些鋼件是可行的、經(jīng)濟(jì)的、合理的。設(shè)計(jì)和使用部門擔(dān)心的是如何保證球鐵的質(zhì)量和質(zhì)量的穩(wěn)定性、一致性的問題。鑄件質(zhì)量及其穩(wěn)定性的問題也是鑄造行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展由鑄造大國變?yōu)殍T造強(qiáng)國需要解決的關(guān)鍵問題，已引起全行業(yè)的高度重視。經(jīng)過十多年的努力，提高球鐵質(zhì)量及其穩(wěn)定性的工作已取得了很大的進(jìn)展。由于原輔材料質(zhì)量有了保證，特別是優(yōu)質(zhì)鑄造生鐵和高純生鐵的充分供應(yīng)、先進(jìn)工藝裝備的引進(jìn)、消化吸收、數(shù)值模擬技術(shù)及先進(jìn)、可靠檢測技術(shù)的應(yīng)用以及嚴(yán)格的科學(xué)管理制度的建立，使球鐵件的質(zhì)量及穩(wěn)定性大為提高。常州華德公司生產(chǎn)的CRH380轉(zhuǎn)向架軸箱［QT400-18（-40℃）］600多爐的成分控制、工藝控制、加工性能指標(biāo)等數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性就是一個(gè)很好的證明［20］。目前，全國已有幾十家能供應(yīng)優(yōu)質(zhì)球鐵件的廠家。
二、應(yīng)用實(shí)例 1. 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸是球鐵在我國應(yīng)用最典型的零件，研究開發(fā)最早，應(yīng)用范圍最廣，產(chǎn)量最多。汽車、拖拉機(jī)、船用及工程機(jī)械上的許多發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸以及空壓機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)上的曲軸都是球墨鑄鐵的。我國2007年生產(chǎn)的800多萬臺車用發(fā)動(dòng)機(jī)中，汽油機(jī)約占76％，柴油機(jī)占24％。汽油機(jī)多用球鐵曲軸，柴油機(jī)中360千瓦以下、爆發(fā)壓力在16MPa以下的均可用球鐵曲軸，其牌號為QT600-3、QT700-2、QT800-2、QT800-5、QT800-6、QT900-5等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國共有30多家具有一定規(guī)模的球鐵曲軸生產(chǎn)廠，年產(chǎn)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的各類球鐵曲軸約45萬噸，1000萬根以上。球鐵曲軸都是代替鍛鋼曲軸的，曲軸常用調(diào)質(zhì)鋼的牌號及性能見表6。根據(jù)不同鋼種的鋼軸采用不同牌號球鐵或ADI曲軸代替。表7、表8為某廠鍛鋼與球鐵曲軸疲勞試驗(yàn)彎矩對比及球鐵曲軸裝機(jī)應(yīng)用情況［5］。
2. 底盤零件 汽車底盤零件常用材料及性能見表9［7］。
球鐵在轎車和輕型卡車底盤零件上已得到廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一汽集團(tuán)卡車上的球鐵件占鑄鐵件60%以上，東風(fēng)集團(tuán)約占50%以上，這些球鐵件主要是底盤上的零件。雖然已經(jīng)采用了球鐵，但如按照球鐵性能的特點(diǎn)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，仍有很大的潛力，如朝陽飛馬集團(tuán)車輛設(shè)備有限公司對某輪轂重新進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，原最小壁厚11.16㎜改為6.75㎜，單重由17.8kg降為14.7kg，材質(zhì)為QT450-12（鑄態(tài)），已批量投產(chǎn)。 在重型卡車上，普通球鐵已不能滿足底盤零件的性能要求，國外近來越來越多采用ADI來制造。而國內(nèi)許多車型仍采用鋼件，據(jù)介紹，在美國20噸以上的重型卡車中，每輛至少有500kgADI件，圖3、4、5、6為國外部分ADI底盤零件。表10為一汽集團(tuán)8~16噸卡車用ADI后鋼板彈簧支架代替ZG270-50支架破壞性試驗(yàn)情況［8］。圖7為目前國內(nèi)為國外車型生產(chǎn)的重型卡車鋼板彈簧支架。
圖4 重型卡車懸掛件支架
圖5 轉(zhuǎn)向節(jié)
圖6 重型卡車多功能支架
用ADI制造重卡底盤零件，近幾年已引起一汽、東風(fēng)集團(tuán)設(shè)計(jì)部門的重視，開展實(shí)驗(yàn)、研發(fā)工作，如一汽已在60噸大型礦用車前梁、越野車820轉(zhuǎn)向節(jié)（羊角）、控制臂等開展了采用ADI的研發(fā)工作（見圖8、圖9），已取得很好的效果，據(jù)估計(jì)，每輛車ADI件可達(dá)340~680kg［9］。
原為40Cr或42CrMo，260kg，長2.2米 圖8 60噸自卸車ADI前梁 圖9 前驅(qū)橋越野車轉(zhuǎn)向節(jié) 東風(fēng)集團(tuán)在5噸越野車底盤上有14種鑄鋼件用ADI代替，他們不是簡單的代用，而是按ADI性能特點(diǎn)和受力狀況用有限元方法重新設(shè)計(jì)的，故取得39.6%的輕量化效果，其成本和減重情況見圖10~15和表10~11［10］［11］。
圖10 前懸架上橫梁臂（左為鑄鋼件，右為ADI件）
圖11 前懸架下橫梁臂（左為鑄鋼件，右為ADI件）
圖12 前懸架上彈簧支架（左為鑄鋼件，右為ADI件）
圖13 中、后懸架下橫梁（左為鑄鋼件，右為ADI件）
圖14 中、后懸架下彈簧支架（左為鑄鋼件，右為ADI件）
圖15 中、后懸架上橫梁（左為鑄鋼件，右為ADI件）
3、齒輪 ADI齒輪具有抗彎曲疲勞強(qiáng)度高、抗點(diǎn)蝕能力強(qiáng)、噪音小、重量比同尺寸鋼齒輪輕10%、熱處理變形小、加工性能好、刀具壽命長和成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，首先在齒輪行業(yè)中得到開發(fā)應(yīng)用。美國、中國、芬蘭是三個(gè)最早宣布開發(fā)成功ADI的國家，其產(chǎn)品均是齒輪。部分鋼齒輪牌號、性能及其與球鐵、ADI對比見表13。
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