QT850-5球墨铸铁的热处理工艺

滨州海得曲轴有限责任公司 （山东 256600） 李永真 张立平 王守河 张 东

我公司生产的FH4105发动机曲轴原材质是QT800-3，应客户配装增压机要求，曲轴材质改为QT850-5。QT850-5是非标材料，属高牌号珠光体球墨铸铁，力学性能优良，是发动机曲轴进行复合强化的基础。性能要求：抗拉强度≥850MPa，伸长率≥5%，相对的基体组织珠光体≥85%级。珠光体球墨铸铁是脆性材料，获得高强度相对容易，但获得好的韧性有一定难度。我公司充分利用铁模覆砂铸造以及流水线正火设备的资源优势，进行QT850-5热处理工艺的开发，取得了满意的效果。

一、毛坯的技术要求

产品外形尺寸总长700mm，主轴颈φ85mm，连杆颈φ72mm，重量49kg，8个配重，相对其他四缸曲轴外形尺寸及重量都要大些，如图1所示。

图1 FH4105曲轴的示意

铸件基本成分控制范围：wC=3.6%～3.9%、wSi=1.8%～2.2%、wS≤0.035%、wP≤0.055%、wMn=0.30%～0.65%、wCu=0.40%～0.70%、wRE=0.030%～0.070%、wMg=0.030%～0.070%。

我们通过电炉熔炼、铁液中加铜、铁模覆砂浇注生产铸造毛坯。铸态毛坯金相组织一般能达到：球化1～3级、石墨大小5～8级、珠光体65%级以上、牛眼状铁素体、渗碳体磷共晶小于2%；力学性能：抗拉强度大于750MPa，伸长率大于6%。金相组织如图2、图3所示。

图2 铸态腐蚀前

图3 铸态腐蚀后

二、正火设备状况

公司引进了一条国内先进的自动正火流水线，由计算机远程控制，以燃气作为加热方式，由正火炉、冷却室、悬挂链传动系统、电气系统等四部分组成（见图4、图5）。

正火炉分8个加热区，其中一区、二区、三区、四区为升温区，五区、六区、七区、八区为保温区，每个区由一热电偶控制温度，总共有22个工位或22辆料车。冷却室用于对加热保温后的工件进行风冷或雾冷，共有4个工位，配备喷雾水泵、送风风机、排风风机、电磁阀等。位于正火炉及冷却室顶部的悬链传动系统，经拉动式运行，把每一工位的料车通过正火炉膛升温保温后，再送至冷却室进行冷却，最后到下料区下料。

图4 悬挂式正火处理生产线（一）

图5 悬挂式正火处理生产线（二）

输送线路上共有30辆小车，31个车位，正火炉存放22辆。冷却1工位暂时存放1辆，冷却2工位、冷却3工位、冷却4工位各存放1辆，下料区2工位，其余在上料区及等待区。冷却1工位设为空工位，料车只停留2min后就通过拉动运行到下工位。生产节拍的确定，就制约了升温时间、保温时间、冷却时间，比如计算机程序设定生产节拍为6min，一个节拍的时间还应加上料车运行到下工位的时间约0.5min，实际一个节拍时间是6.5min，那么升温时间为71.5min，保温时间为71.5min，总共冷却时间约30min。

正火流水线的优势：①计算机远程控制，避免人为因素对工艺效果的影响。②正火流水线加热室密封性能好，相对比周期式正火设备要节能。③整个加热、冷却过程，曲轴一直处于垂直状态，变形相对较小，且进入冷却工位，料车处于旋转状态，因此冷却均匀。④冷却1位、2位、3位、4位可根据需要选择喷雾冷却或风冷。⑤可组织大批量生产。

三、热处理工艺设计

1. 工艺性分析

根据FH4105曲轴产品的特点，采用正火和回火处理来实现QT850-5材质要求。

正火处理连续转变，应控制升温速度、保温温度、保温时间、冷却速度、下料温度。铁素体完全溶于奥氏体的温度为912℃，由于毛坯用铁模覆砂铸造，有效控制渗碳体磷共晶在2%以下，那么应选择略低于912℃的不完全奥氏体正火，获得珠光体基体且保留小部分铁素体，以提高材料的韧性；保温阶段，要确保充分奥氏体化，以避免热处理不足所引起的材质不符合要求；快速冷却是为获得细片状珠光体，提高基体强度；保持一定的下料温度，利用其余热来实现自回火以消除一部分残余应力。这样处理的曲轴毛坯本体，基体组织非常细化均匀，珠光体达到90%以上，少量破碎状铁素体。

2. 正火工艺的制订

根据产品的要求以及正火流水线的特点，制订工艺方案：生产节拍（7±1）min、（880±10）℃不完全奥氏体化正火、相变区采用雾冷或强力风冷，（300±50）℃下料。正火过程获得大于90%的细片状珠光体，少量残留的破碎状铁素体，以达到抗拉强度要求的同时，保持较高的韧性，且利用自身余热实现自回火。

按工艺参数生产节拍（7±1）min、保温（880±10）℃制订工艺曲线，如图6所示。

图6 正火流水线正火曲线

工艺流程：上料（每料车装6支）→升温（82±11）min→到（880±10）℃保温（82±11）min→雾冷（10±5）min→强力风冷（15±2）min→（300±50）℃下料→堆放空冷到室温。

3. 回火工艺的制订

曲轴毛坯经流水线正火处理后，在工件内部残存一定的内应力，残余应力的存在对工件尺寸稳定性、变形、开裂以及曲轴的疲劳强度将产生巨大影响，它是影响机械零件质量稳定的重要因素。为此，经流水线正火的毛坯，需进行高温回火处理，消除或减少内应力，以稳定工件尺寸。回火处理不改变正火组织，所以对静拉强度影响不大。

回火工艺流程：装炉→升温→（580±10）℃保温2h→出炉空冷。

设备用井式电阻炉，曲轴大盘朝下垂直放置，以减少变形。

四、过程控制

首先确保设备的正常运行，这是实现工艺效果的硬件要求。尤其是确保正火流水线的冷却室出水喷头无堵塞，这是改善组织和性能的关键环节。

正火工序要控制装炉量，每料车只允许装6支毛坯，这样在生产节拍一定的情况下，有利于保温充分、冷却均匀。严格控制正火温度、冷却速度，从而控制相变区金相组织的转变，增加珠光体的含量以及细化珠光体组织。冷却室喷雾出水量、送风风速可通过手动阀门调节。喷雾以及风冷时间可根据具体情况而定，比如夏天喷雾时间相对长一些，冬天喷雾时间短一些；喷雾冷却一定要在保温出炉后立即进行，冷却至450～500℃转风冷。到下料区确保工件温度（300±50）℃，下料堆放缓慢冷却，以利用余热实现自回火消除一部分残余应力，这样既能使工件获得高的强韧性，又可稳定性能，避免早期的非疲劳破坏。

五、结果分析

在正火和回火后解剖3支曲轴毛坯，在一配重和八配重取样作金相分析和力学性能试验。附表为一次取样的检测结果。金相组织为细片状珠光体与均匀分布的块状铁素体，珠光体90%以上，少量破碎状铁素体，抗拉强度≥850MPa，伸长率≥5%，硬度250～290HBW。金相组织见图7、图8。

取样检测结果表

图7 1#正火态腐蚀后

图8 2#正火态腐蚀后

抗拉强度、伸长率试验数据稳定，均满足要求。由于取样部位的偏差、铸造过程的因素等造成的个体差异是合理的，也是不可避免的，通过热处理过程可削弱这样的差异。

通过不完全奥氏体正火和高温回火处理，严格控制工艺过程，满足了客户要求，并且因流水线作业及自动化控制，又保证了内在质量的稳定性。