原创 刘慧玲 铸造工程 2022-02-17 17:00
编辑导语：介绍了QTD800-10 汽车轮毂的研制过程。主要采用高纯度生铁、低锰废钢熔炼铁液，并进行喂丝球化和多次孕育，控制化学成分（质量分数）为：C 3.70%、Si 2.60%、Mn 0.30%、P 0.025%、S ≤0.02%、RE 0.015%，Mg 0.045%、Cu 0.70%。对浇注后的轮毂进行840 ℃、120 min 奥氏体化+350 ℃、60 min 的等温淬火，所得毂抗拉强度达845 MPa、伸长率为12.4%、硬度为HBW 260，性能指标完全达到客户要求，同时实现
了产品轻量化。
国家绿色环保、节能减排政策的贯彻实施极大地加快了商用车轻量化的步伐。轮毂作为商用车重要的支撑部件，客户在对其结构进行优化的同时，提出了材质高牌号QTD800-10的要求，即奥氏体化温度控制在铁素体+奥氏体+石墨共析三相区，保温一段时间，然后进行等温淬火，最终得到的基体组织为针状铁素体+奥氏体的球墨铸铁。
奥氏体化温度在共析三相区范围之内，属于不完全奥氏体化，这种热处理称为部分奥氏体化等温处理。其目的是利用组织中存在的共析铁素体提高铸件的塑、韧性，降低硬度，改善加工性能，但抗拉强度、屈服强度和弯曲疲劳强度降低的幅度不大。这样可对有些在等温淬火过程中难以控制变形量的零件，采用先进行等温淬火处理，然后再进行机加工的工艺路线，以改善铸件强度高、硬度高，热处理后切削性能差的问题。笔者公司研究制定了试验方案及生产工艺，成功生产出了样件，经检验测试达到了客户的技术要求。
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1 试验方法与方案
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1.1 产品特点
该轮毂是在原产品基础上进行减重优化改型,见图1。产品外轮廓直径370 mm，高度225 mm，成品单重由34.4 kg减为23.8 kg;材质牌号由QT500-7改为QTD800-10，内部不许有缩松缺陷，淬透深度≥5 mm。检验本体金相组织及取冲击试样，由于本体无法取试棒，故要求力学性能检测附铸随炉淬火处理试样。检测标准如表1、2所示。
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图1 改型前(左)和改型后(右)三维图
表1力学性能检测标准
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表2 金相检验标准
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1.2 铸造工艺设计
设计的化学成分如表3所示。原材料采用林州高纯度生铁(85%)、低锰废钢(15%)、铜丝配比熔炼。出炉温度1 520 ℃，浇注温度1 400℃，采用喂丝球化处理，孕育剂选用FeSi75，加入量为0.6%，随流孕育加入量0.15%。生产条件：德国进口KW静压造型线一模三件附带“Y”型试块(试块按GB1348-2009执行)。
表3 试验化学成分(质量分数，%)
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产品减重优化后壁厚不均，在开模前运用铸造模拟软件对浇注工艺方案模拟优化。模拟结果发现在上部加强筋根部与下轴承位均有不同程度的缩松风险，分析凝固过程，发现上部加强筋根部与主体连接处圆弧角较小，壁厚的突然变化导致了缩松缺陷。
下轴承位置在凝固过程中较早形成孤立液相区，没有铁液补缩通道，故在下轴承位增加了内冷铁，与客户沟通后，加大了斜筋根部的圆弧角，经模拟，发现缩松得到改善。图2为模拟结果。
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(a)改善前
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(b)改善后
图2 改善前后模拟结果
铸造生产样件锯切照片如图3所示，关键受力部位内部无缩松。
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图3 锯切照片
1.3 热处理工艺
热处理采用高温台车式电阻炉，淬火采用等温淬火硝盐炉，熔盐水分控制在0.3%之内，使用压缩空气搅拌，使盐液温度保持均匀一致，盐温波动在±5 ℃以内。
1.3.1 奥氏体化温度和时间的选择
QTD800-10球墨铸铁是通过对球墨铸铁件进行部分奥氏体化等温淬火工艺热处理所得到的材料，奥氏体化温度在AC1S与AC1Z之间，使共析铁素体及奥氏体同时存在，为下一步的等温淬火做好准备。
图4显示了硬度、伸长率、抗拉强度随奥氏体化温度变化的趋势。根据产品化学成分及结构特点，选用820 ℃、830 ℃和840 ℃三种温度对铸件进行奥氏体化处理，以选择最优的奥氏体化温度，奥氏体化时间根据壁厚设定为120 min。
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图4 奥氏体化温度对力学性能的影响
1.3.2 等温淬火温度的选择
图5显示了抗拉强度、冲击韧性、硬度随等淬温度的变化趋势。从图中不难看出抗拉强度、硬度随等淬温度的升高逐渐降低;冲击韧性随等淬温度的升高逐渐升高。考虑到客户对性能的要求以及便于产品加工，先选择等淬温度350 ℃，再根据试生产检测结果对等淬温度做适当调整。根据产品结构，等淬时间选择60 min。具体热处理工艺如表4所示。
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图5 等淬温度对力学性能的影响
加入合金铜，可使C曲线右移，提高铸件的淬透性，轮毂热处理方案为分别对铜含量0.4%、0.55%的两种材质进行试验。
表4 轮毂热处理方案
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2 结果分析
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2.1 力学性能检验
热处理后按GB/T24733-2009及顾客要求对随炉处理的附铸试棒进行性能检测，结果如表5所示。
表5 热处理后检验结果
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根据性能检验结果，热处理工艺用奥氏体化温度840 ℃、时间120 min，等淬温度350 ℃、时间60 min性能最理想。
2.2 金相检验
图6为3#和4#试样的金相照片，对比可发现，当铜合金含量由0.4%调整到0.55%时，铸件组织转变得到明显改善。
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(a)3#试样金相
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(b)4#试样金相
图6 金相照片
2.3 最终工艺方案
为保证样件有稳定的金相组织及力学性能，将铜合金含量提升到0.7%，孕育增加球化后倒包孕育，加入量0.4%，以提高孕育效果，改善石墨形态、增加石墨球的数量。热处理工艺方案为奥氏体化840 ℃/120 min;等温淬火350 ℃/60 min。
后续生产的样件，检验结果见表7。图7为样件铸态组织，图8为样件热处理后金相组织。
表7 轮毂样件力学性能检验结果
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图7 样件铸态组织
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图8 样件热处理后金相组织
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3 结论
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（1）采用高纯度生铁、低锰废钢熔炼及喂丝球化、多次孕育措施，可控制化学成分（质量分数）为：C 3.70%，Si 2.60%，Mn 0.30%，P 0.025%，S ≤0.02%，RE 0.015%，Mg 0.045%，Cu 0.70%。
（2）奥氏体化温度对上述铁液所浇铸铸件基体中共析铁素体与奥氏体比例的影响较大，进而会影响力学性能。当等温淬火温度一定时，奥氏体化温度升高，则强度和硬度增加，伸长率降低；当奥氏体化温度一定时，提高等温淬火温度，则强度和硬度降低，伸长率提高。
为此选定等温淬火工艺：奥氏体化温度840 ℃，保温时间为120 min；淬火温度为350 ℃，保温时间为60 min；可以生产出满足QTD800-10 性能要求的合格铸件。
（3）通过增加铜合金元素可以增强基体的淬透性。
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