|
我国等温淬火球铁的现状及前景
张忠仇,李克锐,吴建基
(郑州机械研究所,河南郑州450052)
摘 要:综述了我国等温淬火球铁(ADI)的现状及前景。阐述了ADI的优异综合性能和优点,并提出了我国ADI行业存在的问题和建议。
关键词:等温淬火球铁;现状;前景
奥氏体等温淬火球铁(AustemperedDuctileIron,简称ADI),因具有比普通球铁更好的综合性能,引起人们的重视,并正在日益扩大其生产应用范围。我国的ADI,经过30余年努力,已从研究试验阶段转向生产应用,并逐步走向工业化生产。
1 我国ADI发展历史简要回顾
从20世纪60年代末开始研究ADI,70年代末,芬兰、美国和中国几乎同期宣布研究成功ADI。机械科学研究院郑州机械研究所从1969年开始研究,采用精铸方法生产BJ212、BJ130等汽车用ADI螺旋伞齿轮。1972年开始小批量生产,1979年以“贝氏体球铁精铸汽车螺旋伞齿轮”的论文,参加在西班牙举行的第46届国际铸造会议,引起世界各国汽车厂的极大兴趣〔1〕。此外,许多单位也进行了拖拉机后桥齿轮、曲轴、钒钛ADI齿轮等研制工作并取得了良好效果〔2〕。
20世纪80年代至90年代初,在美国、欧洲和日本,ADI有了快速的发展,在各种机械结构件的应用上都取得了良好的效果。并于1984、1986和1991年召开了三次国际ADI会议。这段时间里国内有许多单位对ADI进行了更广泛和深入的试验研究及应用,如清华大学、武汉长江抗磨材料公司分别开发的磨球;大安市第一汽车配件厂生产的奥2贝球铁汽车后拖钩2支承座、衬套;九江动力机厂试制的单缸柴油机曲轴等〔2,3〕。并于1987年和1991年召开两次ADI全国性学术会议。
但是到90年代初,我国ADI的发展并不快,与工业发达国家相比,差距较大。美国1988年ADI产量约3万吨,当时我国ADI的年产量仅为3000吨左右。另外国内ADI主要用于抗磨、耐磨件,用于重要工程结构件上较少。我国的ADI是从齿轮方面开始研究的,但从当时情况看,ADI齿轮的生产应用进展不大,某些方面甚至在逐步缩小。
2 我国ADI的现状
从20世纪90年代至今,即从1991年第二届全国奥2贝球铁学术会议召开后的10余年中,我国的ADI有了进一步的发展。从2002年11月在大连召开的第三届全国ADI技术研讨会上看到,人们对ADI的重视程度和热情都很高。此次会议反映了20世纪90年代以来我国的ADI已从研究试验转向生产,并逐步走向工业化生产。ADI的应用面有所扩大,用于重要工程结构零件有所增加,初步出现了一些有一定规模的生产厂。
2.1 ADI在我国的生产应用
2.1.1 ADI在齿轮方面的生产应用继美国通用汽车公司开发ADI汽车后桥螺旋伞齿轮后,1989年美国康明斯公司经过5年的试验研究,成功地实现了用ADI代替渗碳钢制造发动机传动齿轮。当时已有10万只装机使用〔1〕。
东风汽车公司与原武汉工学院和湖北汽车齿轮厂合作〔4〕,从1990年开始对东风汽车公司引进的康明斯发动机ADI传动齿轮的国产化进行开发应用研究。球铁齿轮毛坯控制球化1～2级,石墨大小5～7级,预先经高温退火,基体组织为铁素体。按照要求,ADI齿轮的热处理工艺为:奥氏体化900℃×2h,油淬等温淬火235±5℃×2h;力学性能σb≥1300MPa,δ≥4%,HRC33～38。齿轮经过喷丸强化处理(可提高齿轮的抗弯疲劳强度54%～80%)〔4,5〕,与原来的渗碳钢齿轮相比,成本降低15%。ADI齿轮通过了技术鉴定和货源鉴定,并被认定为国家级新产品,1999年正式大批量装机,并扩展到EQD6102、6105柴油机上应用。到目前为止,湖北汽车齿轮厂已累计生产约50万件齿轮〔2,4,5〕。ADI齿轮在我国汽车行业的批量生产应用,在汽车、农机、齿轮行业中影响较大。
此外,1999年湖北滤清器厂等单位以4种高韧性ADI齿轮和3种高硬度ADI齿轮代替玉林柴油机厂YC6108ZQ柴油发动机上7种渗碳钢齿轮,与锻钢齿轮相比,噪声降低约115dB〔2〕。2000年无锡柴油机厂与江苏理工大学试验用高韧性ADI齿轮代替40Cr调质钢齿轮进行装机试验,结果除力学性能满足使用要求外,柴油机整体噪声下降1192dB,齿侧噪声下降513dB〔6〕。2000年一汽集团大连柴油机厂和一汽材料研究所合作开发ADI柴油发动机齿轮,目前该项目已接近尾声〔3〕。
在拖拉机齿轮方面,中国一拖集团公司,将ADI用于东方红150、170型小四轮拖拉机最终传动的被动齿轮,代替原工艺采用的20CrMnTi渗碳钢。2000年下半年起转为正式供货路线,月产5000～10000件〔7〕。1994年江苏清江拖拉机厂以高强度ADI代替20CrMnTi锻钢制作江苏2120四轮拖拉机的被动大齿轮。
在工程机械齿轮方面,厦门齿轮厂〔8〕2000年起开发了以ADI代替20CrMnTi渗碳钢的装载机驱动桥和变速箱齿轮。ADI齿轮与钢齿轮相比,除噪音减小、质量减轻外,还具有良好的抗冲击和耐磨性能。特别如装载机等工程机械在灰尘环境、润滑条件较差时,ADI有石墨的自润滑优点。
2.1.2 ADI在曲轴方面的生产应用曲轴是又一类重要的机器结构零件,其保安要求更高。某些原为普通球墨铸铁的曲轴,由于不能满足使用要求进而采用ADI。如美国通用汽车公司、福特汽车公司和日本马自达发动机公司等已将ADI用于制造发动机曲轴。我国近期在ADI曲轴的研究试验和生产方面也取得了较大进展。
1994年南京理工大学与山西淮海机器厂联合试验高韧性ADI代替低合金锻钢生产轿车发动机进口的368Q三拐曲轴,以实现国产化。试制的ADI力学性能(从生产线随机取样平均值)为σb=949MPa,δ5=1115%,αk=126J/cm2(无缺口)。曲轴台架试验安全系数为117,高于进口的锻钢曲轴(安全系数116);通过300小时和600小时全速全负荷可靠性试验,主轴颈和连杆轴颈最大磨损量分别为01014mm和01013mm,低于机械部标准NJ24286规定的01025mm的要求;3万千米道路试验主轴颈和连杆轴颈磨损量分别为010037mm和010044mm,远低于NJ24286规定的01025mm的要求。这种ADI曲轴的常规力学性能、疲劳性能、耐磨性、工艺性、安全可靠性等均能满足设计和使用要求。据工厂测算,三种曲轴的成本比为:进口锻钢曲轴∶国产40Cr曲轴∶ADI曲轴=217∶1184∶1,因此ADI曲轴具有很好的经济效益〔9〕。
南通万力机械集团有限公司从20世纪80年代以来,已成功地开发并批量生产S195、ZS1110、380、ZS1115等型高强度ADI曲轴,目前年产约50万支,至今累计生产800万支〔10〕。
2000年一汽集团公司材料研究所与大连柴油机厂合作进行498型ADI曲轴的研制开发,已取得阶段性成果〔3〕。
2.1.3 ADI在铁道车辆和重载汽车上的应用戚墅堰机车车辆工艺研究所〔11〕1992年开始研究ADI斜楔。试制的高硬度ADI斜楔工艺为:奥氏体化890℃×2h,等温淬火260～280℃×1h。其力学性能为σb≥1400MPa,δ≥1%,HRC39～48。ADI斜楔耐磨性能是原来ZG2302450斜楔的6～10倍,较好地解决了货车转向架斜楔长期来存在着不耐磨的问题。此外由于ADI斜楔质量减轻,由原来的每只10kg减轻为715kg,因此带来很大的经济效益。1993年通过部级鉴定后开始在铁路系统全面推广使用。
1999年铁道部彻底淘汰原来的ZG230-450斜楔,全部使用ADI斜楔。目前国内每年使用量约100万件,即7500吨。戚墅堰机车车辆工艺研究所和南京浦镇车辆厂1996年开始研究ADI衬套,1998年通过鉴定并在全铁路系统推广。此外,有关单位正在研究用ADI制造铁道车辆上的其它零部件,如南京东车辆段研究的ADI货车心盘垫,已取得专利〔11〕。
1999年第一汽车集团公司〔3〕用ADI(一汽企标Q/CAYJS22521998,A2BQT90027)代替16吨载重汽车原设计的ZG2702500钢板弹簧支架,其力学性能σb在1000MPa左右,比铸钢高出近1倍,δ约为10%以上、HRC30～35,ADI支架的承载能力为ZG270-500的1倍以上。铸件的工艺出品率提高20%以上,废品率大幅下降。ADI现已大批量应用到9吨、12吨、16吨载重汽车的后钢板弹簧支架上。一汽特铸厂专门装备了两条等温淬火热处理生产线来生产ADI件,2年多来已有百万余件这种支架装车。
2.1.4 在其他工程结构零件和抗磨耐磨件上的应用近几年,湖北省机电研究设计院与安陆粮机厂等单位合作,生产ADI榨螺,比原锻钢榨螺使用寿命提高4～10倍,产品出口到美国〔2〕。2001年英格索兰(桂林)工具有限公司在湖北省机电研究设计院等单位协作下生产MX90160、PB50/35型风镐缸体、机头零件。该零件材质为低Cu、Ni合金ADI,要求达到美国英格索兰公司IR934材料标准(σb≥895MPa、δ≥9%、αk≥122J/cm2、<无缺口>)。现已由国内的生产厂批量供应热处理后的ADI毛坯件,实现了国产化。经过正确选用刀具材料、采取合理的工艺路线、选择适当的机加工工艺参数等,针对风镐缸体等零件,英格索兰(桂林)工具有限公司已经解决了热处理后ADI零件的加工问题〔12,13〕。
无锡柴油机厂早在20世纪80年代就开始将ADI用于制造柴油机凸轮轴,至今已累计生产60万余支〔2〕。
ADI在抗磨件磨球、衬板、锤头和采掘机斗齿等方面的应用,在我国来说产量最大,生产厂点最多。据统计我国目前ADI抗磨件约占ADI产量的一半以上。
2.2 与工业发达国家之间的差距和存在的问题
尽管过去10余年间,我国的ADI有了可喜的进展,但与工业发达国家相比,还有较大的差距和存在一些问题。主要表现在以下方面。
2.2.1 在重要工业领域的应用较少
工业发达国家(如北美)ADI在重要工业领域如卡车、轿车、铁路等部门的应用已占67%〔14〕,而我国的ADI主要用于抗磨件上,占50%以上。用于汽车、铁路等工业领域只占30%～40%。
2.2.2 ADI产量较低
美国目前球铁产量大约400万吨/年,ADI产量约为10万吨〔14〕,占215%。我国球铁产量约280万吨/年,ADI产量约4万吨/年,只占114%。
2.2.3 专业化生产程度低,普及率不高
国外有很多铸造厂可以生产ADI,如2000年在北美地区约有200多家工厂可以生产ADI(约占美国所有铸铁厂700余家的1/3)。而且国外有一批生产规模相当大的专业ADI铸造厂(自身拥有ADI热处理设备)或专业ADI热处理厂。如意大利ZANARDI铸造厂年产4500吨ADI,拥有2条自动控制气氛的连续热处理生产线(美国AFC2HOLCROFTUBQA设备)。又如美国的AppliedProcess公司是专业热处理厂家,为美国近40个州和加拿大供应ADI件,今年产量估计为3万吨〔14〕。
我国可以生产ADI的铸造厂为数不多,占铸铁厂的比例显得更小。专业对外的ADI热处理厂暂时还没有。除湖北汽车齿轮厂引进德国易普森公司(IpsenInternationlGmbH)的有控制气氛批量油介质等温淬火热处理设备和有一定生产规模(20万件/年)外,其他ADI件生产厂,一般规模不大,无批量生产专门用于ADI热处理的设备。基本上采用无保护气氛加热,等温淬火手工操作,温度波动范围很大(50～80℃),工序间停留时间和达到等温淬火温度时间较长,劳动强度大,工作条件差,不能保证热处理质量稳定。这种生产工艺和设备的落后状态,制约了我国ADI生产的发展。
2.2.4 基础理论研究相对薄弱
近年来国外对ADI的研究更加全面深入。一些研究〔15,16〕表明,奥氏体等温淬火后其组织转变如图1所示。认为球铁奥氏体等温转变(E2G)使含碳量增至118%～212%,这种奥氏体在室温时热力学上是稳定的,力学上也是稳定的,机加工或使用时受力不会转变为马氏体。这种高碳奥氏体加上针状铁素体的混合组织是ADI所期望的组织,即第一阶段反应。如果保温时间不够(E2F),此时的奥氏体中含碳量仅112%～116%,这种奥氏体在室温时是稳定的,但力学上不稳定,受力或机加工时会转变为马氏体。如果铸件在等温盐浴中保温时间再延长(J2K),即产生第二阶段的反应。此时高碳奥氏体将分介为更加稳定的铁素体和碳化物,产生类似于钢中的贝氏体。碳化物的出现对于力学性能非常有害,会降低伸长率和韧性。进一步的研究说明了化学成分、合金元素和球化率、石墨球数等因素对这两个阶段反应的影响,从而提示我们在实际生产中应注意哪些问题〔17～21〕。经过多年的研究和认识,美国材料实验学会(ASTM)将这种铸铁中的高碳、热力学和力学上均稳定的奥氏体加上针状铁素体的混合基体组织称为奥铁体(ausferrite)〔15,16〕。
图1 球铁奥氏体等温淬火工艺过程示意图
图2 奥氏体等温转变原理图
搞清这两阶段和两种奥氏体的形成条件,根据零件的尺寸大小、使用条件和需要的等淬组织、力学性能不同,确定最佳等淬温度和等淬时间,是控制ADI生产质量的重要工作,也体现了加强ADI基础理论研究的重要性。
国内东风汽车公司等单位结合ADI齿轮和曲轴国产化项目进行了大量的基础理论和应用试验研究,包括铸态组织和等温淬火工艺参数对ADI力学性能的影响;ADI的疲劳强度、断裂韧度的测定;滚压对ADI接触疲劳强度的影响等等〔2,4,9〕。但是近年来对于ADI的微观组织、球铁的凝固组织、偏析、化学成分等因素对ADI组织和性能的影响等深入细致的基础理论研究工作相对较为薄弱。对于ADI基础理论新的研究很少见报导。在一些教材、出版物〔如2002年再版的铸造手册(铸铁)〕中,仍将球铁奥氏体等温转变过程简单地描绘成图2〔22〕所示的情况。
在第三届全国ADI会议上,经过认真讨论,极大多数代表建议今后在我国也与国际流行的名称相一致,称作等温淬火球铁(ADI)。
2.2.5 标准化工作滞后
工业发达国家都制订了各自国家或行业协会的ADI标准,如日本的JISG550321995、德国铸造师学会(VDG)标准W52(1987)、欧洲的EN1564(1997)和美国的ASTM897M21990(见表1)。国际标准化组织也讨论过,但未正式公布,见表2。这些国家和行业协会及标准化组织还根据ADI这种新材料的发展不断修改完善标准,以适应生产应用的实际情况和要求,如欧洲标准化委员会在2000年又提出了新的ADI标准草案建议,与ISO2ADI的建议标准基本一致。
ADI在我国没有统一的国家标准,不利于该材料的设计选材、教育宣传、生产应用及推广和对外交流。因此全国第三届ADI会议建议根据现实情况先等效采用ISO或欧洲新标准作为中国暂行标准。待条件成熟时,希望国家有关部门组织力量制订正式的ADI国家标准。
此外,有关ADI的力学、物理性能的数据、典型应用实例等,希望在今后新编或再版的机械设计、金属材料等手册中逐渐增添或充实内容,建立数据库。
3 ADI在我国的发展前景
3.1 ADI具有广阔的发展前景
经过30余年对ADI材料的理论研究和实践,总结出ADI具有下列独特优点。①强度高、塑性好。同等伸长率的情况下,ADI的抗拉强度是普通球铁的2倍;同等抗拉强度情况下,伸长率是普通球铁的2倍以上。②质量轻。由于ADI含有石墨,密度为711t/m3左右,而钢的密度为718t/m3,同样尺寸的零件较钢轻10%。材料的密度(P)与抗拉强度(YS)之比,P/YS是指形成单位抗拉强度的零件质量,比值愈低,材料越轻而坚固。ADI的P/YS小于锻钢、合金锻钢、铝合金〔2〕。为了达到机器轻量化的要求,在产品设计时,ADI可能取代锻钢、合金锻钢,甚至铝合金。③耐疲劳性好。ADI的弯曲疲劳强度与低合金锻钢相当,经过喷丸处理,ADI的疲劳强度相当于淬火钢或表面氮化钢〔2〕。④耐磨、抗磨性好。⑤ADI具有碳钢或低合金钢相当的断裂韧度,在-40℃仍保持70%的室温断裂韧度。⑥减震性好。ADI由于弹性模量低,加上有石墨球能迅速吸收震动,使机械运转趋向平稳,其减震性比钢好。这对降低齿轮传动时噪音有重要意义。⑦抗咬合磨损性好。ADI由于石墨有润滑功能故抗咬合磨损比钢好。⑧成本低,经济性好。从经济性和节能上,球铁的生产成本比钢低。由于ADI大部分机械加工可以在等温淬火前完成,热处理前球铁加工性能显著好于钢,可提高工效和减少刀具消耗。铸件较之锻件更易于生产近无余量零件,所以材料利用率高,减少能量消耗和加工成本。如美国通用汽车公司ADI代替淬火钢生产汽车后桥齿轮,节约能耗50%〔2〕。锻钢曲轴改为ADI生产,成本可降低30%左右〔14〕。
3.2 应用领域将不断拓宽产量将有较大增长
由于ADI具有上述优良性能和特点,它倘能很好结合零件的使用工况正确选择产品对象,就有牢靠的应用基础。ADI能用于几乎所有对材料有高强度要求的领域,它包括汽车制造、通用和工程机械、建材、铁路、农机、军工、冶金、矿山等等。
今后国内的ADI重点将在汽车工业得到应用。为了节能、减少排放污染,汽车千方百计减轻自重、减振、降噪,为ADI用于汽车工业提供了极好的契机。目前柴油发动机功率日益增大,曲轴材质要求越来越高。进入21世纪,国内不少厂家纷纷放弃球墨
铸铁材料改用锻钢制造大功率柴油机曲轴,但为了降低成本,现在又不得不重新考虑采用ADI代替锻钢来生产大功率柴油机曲轴。所以曲轴是ADI的重要应用领域之一。预计ADI齿轮和曲轴将在我国得到重点的应用和发展。
我国已将ADI用于铁路车辆上斜楔、衬套等方面,今后将进一步扩大在其它部件上包括货车轮的应用。
值得一提的是,国外许多著名公司在军工产品中使用了ADI,而且对外保密。ADI用于制造军工武器零件曾见报导〔23〕。当前世界战事不断,处于不安宁时期,为ADI在军工武器中的应用提供了机会。随着ADI应用领域拓宽,我国ADI产量预计会有较大的增长。按照中国现在的经济增长势头,到2020年球铁产量有可能达到500万吨,若ADI产量占球铁的比例为3%～4%,也即达到15～20万吨/年,是完全有可能的。
3.3 理论研究和生产技术水平将有较大提高
|
