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1. 铸态球墨铸铁曲轴
曲轴是发动机中重要的机件之一，发动机全部功率都是通过曲轴输出。曲轴的主要载荷是承受扭转疲劳、弯曲疲劳和连杆传递来的小能量多次冲击；曲轴轴颈与轴瓦的配合，在较高的比压下高速运转，正常情况下为有机油润滑的滑动摩擦磨损。依据国内外曲轴失效的统计数据，其主要失效方式是交变应力下的疲劳破坏（80%为弯曲疲劳断裂）和轴径的早期磨损烧伤。根据曲轴服役的工况和主要失效方式，要求曲轴材料不但要有较高的强度、韧性，而且要有一定的硬度。
球墨铸铁曲轴与传统的锻钢曲轴比较，既有制造简便，成本低廉的优势又有吸震耐磨，对表面刻痕不敏感等锻钢材料所不具备的优良特性。球铁与巴氏合金、铅青铜、钢背铝合金的轴瓦均有良好的匹配性。石墨具有润滑作用和储存润滑油作用，其耐磨性比钢好；球墨铸铁在承受小能量多次冲击载荷条件下，其抗冲击性能也优于钢；球墨铸铁曲轴通过合金化、合理球化、孕育处理等，其在扭转、弯曲疲劳应力状态下的疲劳强度，可达到甚至超过锻钢曲轴。
从国内外学者的研究和生产实践证明：球墨铸铁是中小型发动机曲轴的理想材料。现在，铸态QT600—3、QT700—3牌球墨铸铁已广泛应用于汽车曲轴；QT800—2、QT900—5牌热处理球墨铸铁也成功地用于汽车曲轴的生产。铸态球墨铸铁曲轴与热处理工艺比较，不仅可节约能源，降低成本，缩短生产周期，而且省去了因热处理而产生的曲轴变形所带来的清理和热校直工序。在满足设计要求的前提下，工厂首先选择了铸态球墨铸铁曲轴这一操作简便，成本低廉的生产方式。
2. 球墨铸铁曲轴的材质
本部分主要介绍铸态球墨铸铁曲轴质量分数及合金元素的选择，以及对球墨铸铁曲轴金相组织、力学性能的要求。
1）质量分数及合金元素的选择
这部分介绍C、Si、Mn、P、S等五种元素和合金元素及其加入量的选择。
（1）C和Si两元素对球墨铸铁的性能影响很大，它们的影响不仅与各自的含量有关，而且与碳当量[ w （C）+1/3（ w （Si）+ w （P）]有关。碳当量控制在4.3%～4.5.%之间，可以获得缩孔小、缩松小、健全的铸件，并且具有较好的铸造性能。
碳当量过低易产生白口，过高则会产生石墨飘浮。图2.5所示是4110型柴油机球铁曲轴的生产统计结果。碳当量超过4.5%～4.6%，曲轴断面会出现石墨漂浮，并且随着碳当量的增加，石墨漂浮层的厚度几乎直线加厚。应该指出，碳当量不是产生石墨漂浮的唯一因素，曲轴尺寸的大小也是一个重要条件。曲轴断面尺寸越小，碳当量可能选的高一些，也不会出现石墨漂浮，相反，厚大断面曲轴的碳当量应该低一些。
图2.5 石墨漂浮层厚度与碳当量的关系
为了保证球墨铸铁曲轴具有良好的力学性能和铸造性能， w （C）应控制在3.6%～3.9%之间。C含量低，石墨不易球化，易出现白口，C含量过高，易产生石墨漂浮。
Si的来源有三个：金属炉料、球化剂和孕育剂。Si这种石墨化元素，影响球墨铸铁的铸造性能和力学性能，通过以下三种途径表现出来：改变石墨大小、分布、圆整度；分解渗碳体，促进生成铁素体；溶解在 α -Fe中，强化金属基体。一般 w （Si）控制在1.8%～2.2%为宜。
（2）Mn和P。Mn和P都是严重偏析元素。Mn易导致晶界碳化物的形成，铸态球墨铸铁曲轴不宜采用高锰来稳定珠光体；P易在晶界处形成磷共晶，会造成球铁塑、韧性下降，同时显著降低疲劳强度。所以生产铸态球墨铸铁曲轴，Mn和P的含量都应控制。一般 w （Mn）≤0.3%， w （P）≤0.06%为宜。
（3）S。S是反球化元素，属于有害杂质。生产中根据原铁水含S量的高低决定球化剂的加入量，原铁水S量越高，加入量越多。但是，S含量高，即使球化，曲轴内部易出现夹渣，球化衰退很快，不容易浇注出健全的铸件。所以，原铁液的含S量越低越好，一般 w （S）≤0.03%，有脱S条件的 w （S）≤0.02%最好。
（4）合金元素。添加稳定珠光体合金元素生产铸态球墨铸铁曲轴是行之有效的方法。添加的元素主要有Cu、Sn、Ni、Sb、Cr、Mo、W、V等。然而，后四种元素虽能增加基体组织的珠光体含量，提高球铁的强度和耐磨性，但它们都是碳化物形成元素，容易使材料变脆，降低材料的疲劳强度。Cu、Sn、Ni、Sb等合金元素的共同特点是能促进形成珠光体，并细化组织，提高球铁的强度、硬度和耐磨性。但它们各自稳定珠光体的能力不同。它们稳定珠光体的能力可以近似地用下式表示：
Ni∶Cu∶Sn∶Sh=1∶3∶30∶90
稳定珠光体的能力Cu是Ni的3倍，Sn是Cu的10倍，Sb是Sn的3倍。Cu能够明显地降低球铁断面敏感性，减少Mn的偏析程度，可使曲轴厚壁处也能达到高的珠光体含量，并可以提高球墨铁的疲劳强度。Ni能强烈地细化珠光体，提高球铁的塑、韧性。Mo能显著的稳定球铁奥氏体，促进生成针状组织，增强球墨铸铁的淬透性。Sb对球化有强烈的干扰作用，加入过量时，不但使石墨畸变，而且与Mg反应生成富锑的脆性相，偏析在晶界，使铸件严重脆化，特别是大大降低了冲击韧性。Sn加入量大于0.06%时，铸件产生脆性。以上各元素均能不同程度的稳定珠光体，但Cu和Sn的组合合金化，不仅符合高质量、低成本要求，而且还可以加在球化包内，满足一种原铁水生产多种牌号球铁的需要。
2）金相组织
球墨铸铁曲轴的疲劳强度与石墨和基体的形态、组成、尺寸大小、分布特征以及非金属夹杂物的类别、形状、大小、数量及分布均匀性有密切关系。
（1）石墨。石墨的形态不仅影响球墨铸铁的静载荷性能，而且更能显著影响动载荷性能。稀土镁球铁中，球状和团状石墨（球化级别1～3级）的动态性能相差较少，当出现团片状石墨时，性能明显下降，尤其是组织中有厚片状石墨聚集分布时（球化级别6级），疲劳强度约下降20%，而小能量多次冲击韧性下降约5倍。镁球铁中，球化率65%的球铁比球化率93%的球铁抗拉强度 σ b 下降8.2%，而疲劳强度 σ -1 下降26%。当石墨的体积一定时，石墨的平均球径越大，单位面积视场中球墨个数越少，疲劳强度越低。石墨成行排列，会促进疲劳断裂，降低疲劳强度。实践证明：石墨球越细小、圆整、均布，球铁的疲劳强度就越高。
（2）基体组织。球墨铸铁基体中，随着珠光体含量的增加，强度、硬度增加，塑性、韧性下降。如图2.6所示是 w （珠光体）质量分数与硬度（HB）、抗拉强度（ σ b ）、冲击韧性（ α k ）、延伸率（ δ ）的关系示意图。如图所示，当珠光体质量分数大于80%时，抗拉强度和布氏硬度值上升比率增加；当珠光体质量分数大于50%时，延伸率下降梯度减缓，冲击韧性值变化比率变化较小。图2.7是 w （珠光体）与疲劳强度（ σ -1 ）的关系图。如图所示，当基体组织中珠光体质量分数由0%增加到100%，疲劳强度从230MPa增加到320MPa；珠光体质量分数由20%增加到80%时，疲劳强度变化不大；当珠光体质量分数超过80%并进一步增加时，疲劳强度明显增加。基体组织中珠光体的层片间距越小，疲劳强度越高。如图2.8（a）珠光体层片间距大的球铁疲劳强度小于图2.8（b）珠光体层片间距小的球铁疲劳强度。基体中铁素体的作用，当珠光体质量分数一定，在抗拉强度相近的条件下，牛眼状铁素体屈服强度最高，延伸率最低。综上所述，球墨铸铁中较高的珠光体含量是获得高强度，特别是提高疲劳强度的有效途径。随着珠光体含量的提高，要依赖基体组织的强化和细化来阻止疲劳裂纹的扩展。
图2.6 w （珠光体）对HBS、 σ b 、 α k 、 δ 的影响
图2.7 w （珠光体）与疲劳强度的关系
图2.8 珠光体基体的二次电子像
（3）夹杂物。研究表明，非金属夹杂物的数量、尺寸大小、形状及其分布比石墨更能显著地影响球铁的疲劳强度。夹杂物越少，形状粒化，颗粒越小，其疲劳强度越高。所以，生产球墨铸铁曲轴，采用金属净化是必不可少的工艺措施。通常采用在浇注系统中安放过滤网，净化铁液，图2.9所示为球铁曲轴立浇立冷的工艺方案，在浇注系统中放置了过滤网，起到了良好的净化铁液作用。
图2.9 球铁曲轴立浇立冷工艺方案
3）力学性能
图2.10是抗拉强度（ σ b ）与疲劳强度（ σ -1 ）的关系图。如图所示，随着抗拉强度的提高，最初，试棒的疲劳强度也成正比例的提高；当抗拉强度上升到750MPa时，疲劳强度不复增加，呈一水平线。所以，中小球铁曲轴的抗拉强度控制在600～800MPa为宜，没有必要追求过高的抗拉强度值，以提高疲劳强度比（ σ -1 / σ b ），充分发挥材料的强度潜力。
图2.10 抗拉强度与疲劳强度的关系图
为适应曲轴的服役工况，材料还应有一定的塑性和韧性，通常延伸率大于3%为宜。同时曲轴材料还应有一定的硬度，一般以（200～270）HBS为宜，以适应曲轴耐磨性的要求。
3. 球墨铸铁曲轴的湿砂型铸造
1）球铁曲轴的铸造工艺
（1）顺序凝固工艺。一般球铁曲轴采用顺序凝固工艺，并在曲轴大头部位安放冒口，再让浇口通过冒口，提高冒口中的铁液温度，使冒口最后凝固达到充分补缩的目的。
（2）球墨铸铁曲轴的冒口。球墨铸铁凝固过程中，体收缩的大小，缩孔的大小，缩松所占的面积与质量分数，球化剂的种类，处理工艺及铸型工艺有密切关系。国内目前普遍采用湿砂型铸造，缩孔及缩松的体积占铸件的4%～10%。所以，砂型铸造工艺必须考虑设置冒口。设置冒口的目的，在于把因铁液体积收缩而产生的缩孔转移到冒口中去，冒口起着补缩作用。从球铁的凝固特点可知，冒口可以有效地消除集中缩孔，但不能完全消除缩松。
冒口的形状种类很多，一般球铁曲轴采用圆柱形、腰圆形和球状冒口。球形冒口的补缩能力较强，因为同样质量的铁液，球形冒口具有最小的表面积，散热最慢，可以较长时间起到保温补缩作用。
一般采用暗冒口。暗冒口在铸件上的位置可分为顶冒口和侧冒口。顶冒口放在铸件壁最厚处（即热节）的上面，侧冒口则设在热节的侧面。
冒口的尺寸对补缩效率和金属消耗影响较大，通常应根据热节产生缩孔的大小来确定。影响热节缩孔体积的因素很多，设计铸型工艺把这些因素全部考虑进去是不可能的。很多工厂凭多年生产经验来确定冒口尺寸。成批大量生产可以通过解剖铸件来验证。图2.11给出了球墨铸铁曲轴常用侧冒口的尺寸比例范围。
图2.11 球墨铸铁曲轴侧冒口
随着科学技术的发展，用计算机模拟铁液凝固过程已经被国内外学者广泛应用，并开始应用于铸造工艺设计。这对准确地预测曲轴铸件缩孔的位置和尺寸，合理地设计铸造工艺，具有重要的意义。
（3）球墨铸铁浇注系统的特点。球墨铸铁的铸造性能与普通灰铸铁不同，容易产生皮下气孔、二次氧化夹渣、球化衰退、浇不足和缩松等缺陷。因此，铸件浇注系统必须保证铁液平稳、畅通，比灰铸铁稍快地充型。为做到这点，许多工厂采用半封闭或开放式的浇注系统。其特点是：直浇道小，内浇道，横浇道的截面积均要比直浇道大。此时，铁液不会充满浇注系统，铁液进入型腔的速度低，平稳，无冲击。但这种浇注系统挡渣效果差。
二次氧化夹渣是球铁曲轴疲劳失效的主要裂纹源，所以，球铁曲轴的浇注系统必须采取挡渣措施，如茶壶嘴式浇包，拔塞外浇道、闸门浇道、过滤网、集渣包等。球铁曲轴浇注系统各组元断面比例范围：
A 直 ∶ A 横 ∶ A 内 =l∶（2～4）∶（1.5～4）
式中， A 直 为直浇道截面积（mm 2 ）； A 横 为模浇道载面积（mm 2 ）； A 内 为内浇道载面积（mm 2 ）。根据曲轴的大小和每型数量来选择浇注系统的尺寸。
（4）球墨铸铁曲轴的浇注方案。国内外球铁曲轴的浇注方案大致有四种，即卧浇卧冷（包括斜浇斜冷）、卧浇立冷、立浇立冷和侧浇侧冷4种方案。
①卧浇卧冷。图2.12是球铁曲轴卧浇卧冷浇注工艺方案示意图。这种卧浇卧冷的工艺，适合于机械化、自动化程度较高的水平分型机器造型，大量流水生产。
图2.12 球铁曲轴卧浇卧冷工艺方案示意图
②卧浇立冷。图2.13是球铁曲轴卧浇立冷浇注工艺方案示意图。这种工艺造型方便，浇注时，铸型放平，铁液平稳经过冒口，无冲击地进入型腔。浇满后用泥塞头堵塞直浇道，然后立即立起铸型。此时，冒口位置最高，温度也最高，造成曲轴自下而上的顺序凝固，充分补缩，有利于消除缩孔及减少缩松。一些尺寸较大的曲轴采用卧浇立冷的干砂型工艺。但这种工艺劳动条件差，还需要专门翻转机构和地坑，不适合大量流水生产。
③立浇立冷。球铁曲轴立浇立冷浇注工艺方案详见图2.9。这种立浇立冷的工艺方案，适合于壳型铸造工艺生产曲轴，可以实现一箱多型机械化流水生产。
图2.13 球铁曲轴卧浇立冷工艺方案示意图
④侧浇侧冷。图2.14是球铁曲轴侧浇侧冷浇注工艺方案示意图。这种侧浇侧冷工艺，适合于垂直分型无箱射挤压DISA造型线生产球铁曲轴。用DISA2070造型线生产4缸球铁曲轴，其铸型尺寸为700mm×900mm×（200～560）mm。其最大特点是造型速度快，占地面积小，生产率可达到（150～250）型/h，无噪声，劳动强度低，辅机少，无砂箱，用砂量少，能耗少，自动化程度高。
图2.14 球铁曲轴侧浇侧冷工艺方案示意图
⑤缩尺。球铁曲轴模型缩尺一般采用0.50%～0.85%。
2）曲轴湿砂型铸造生产过程
一般曲轴湿砂型铸造生产是由炉料准备、熔化、造型（含砂处理和制芯）、球化孕育、浇注、清理检查等以造型为中心的铸造生产过程组成，如图2.15所示。
（1）炉料准备。炉料准备是熔炼铁液的准备部门，承担着生铁、废钢、回炉料、合金料、焦炭、石灰石等炉料的储存、净化、筛分、运输、装卸、配料称量、装卸等工序。
图2.15 曲轴湿砂型铸造生产过程
（2）熔炼。熔炼的任务是熔炼出合乎工艺要求的铁液。
①熔炼设备。大量流水生产可采用冲天炉熔化、工频炉提温保温的双联熔炼工艺。冲天炉化铁便宜，感应电炉提温、调整质量分数容易，冲天炉熔炼出铁液经铁液流槽或单轨输送，经炉外脱硫，如多孔塞底吹脱硫，进工频炉中提温、保温，均匀铁液质量分数，储存起来连续供应铁液。这种双联熔炼工艺有利于保证铁液质量，对于缓解造型线铁液需求量不平稳问题，稳定铁液质量分数，连续大量提供优质铁液起到重要作用。如某工厂采用20t/h热风除尘冲天炉和45t有芯工频感应电炉双联熔炼工艺，并且采用了先进的集中控制系统监控冲天炉熔炼过程中各种技术参数的变化。双联熔炼工艺适合于大量流水生产。
很多工厂采用0.5～10t感应电炉熔炼生产球铁曲轴。电炉熔炼质量分数、铁温度等技术参数容易控制和调整，但电能耗量大。电炉熔炼过程中应经常观察坩埚的侵蚀情况和炉子功率表，若有漏炉危险，应立即停止熔炼，以免把感应线圈烧坏，引起爆炸事故。感应电炉熔炼是生产曲轴的理想熔炼设备。
②铁液温度（热电偶测温）。表2-8列出了不同阶段的铁液温度。为了提高铁液的纯净度，要求铁液有一定的过热温度；球化处理温度冬季一般取上限，夏季可以选择中下限；浇注度应根据曲轴的大小和实际情况进行调整。
表2-8 铁液温度
③铁液的质量分数。表2-9中给出了球铁曲轴一般控制的质量分数。Cu、Sn可以组合加入，也可以只选Cu一种元素合金化，可以出炉前加到炉内，也可以在球化包内加入。依据生产中原材料的情况和曲轴图样设计的要求，选择加入量。
表2-9 铁液的质量分数
表2-10列出了国内主要汽车厂生产球铁曲轴的质量分数，供生产球墨铸铁曲轴选择质量分数参考。
表2-10 主要汽车厂球铁曲轴的质量分数
④金相组织见表2-11。
表2-11 金相组织
⑤力学性能见表2-12。
表2-12 力学性能表
力学性能一般采用国家标准规定的球墨铸铁用单铸Y型或敲落试块。尺寸较大的曲轴可以在曲轴的小头各放置附体金相试块和机械性能试块。但曲轴附体试块注入铁液流程长，温度低，且体积小，冷却速度快，基体中珠光体含量高于单铸试块，而且细密，力学性能中抗拉强度和布氏硬度也可高于单铸试块。所以，原大断面曲轴附体试块性能不能直接作为铸件的实际性能，但可以作为参考。
（3）球化孕育处理。球化孕育处理是生产优质球铁曲轴的关键工序。
①球化包。一般采用堤坝加盖包冲入法进行球化处理。250t球化包可用人工手动在一次出铁水后加包盖；大球化包，例如1000kg球化包采用旋转臂式加盖机构。球化包修筑的质量，包括包内腔尺寸、形状以及坝砖的高度等直接影响球化效果。通常球化处理包直径与包高度之比为1∶（1.5～2.0）。球化处理包在使用前，必须用煤气或其他燃料预热至600～800℃，呈暗红色，或用高于1500℃铁液烫包1～2次。
②合金及其称量。生产中各种合金必须准确称量，球化铁液也应准确称量，铁液量的偏差不得超过处理铁液的1%～4%。
球化剂的加入量依据原铁液的S量不同，可以适当调整。含S质量分数越低，球化剂加入量越少。当含S质量分数在0.015%～0.03%时，稀土镁球化剂加入量质量分数为1.2%～1.5%。当然，球化剂的加入量还与球化剂含Mg量及球化处理方法有关。
曲轴生产应强化孕育工艺，采用延后孕育处理工艺措施，如型内孕育、随流孕育或倒包孕育。一次孕育剂加入量依据原铁液含Si量和球化剂带入Si量的不同而适当调整。一般为0.2%～0.7%。倒包孕育加入量为0.2%～0.4%。浇口杯随流孕育采用40～70目硅铁合金，加入量为0.08%～0.15%，随流孕育剂应随铁液一同注入浇口杯，并不得断流，加入量用调整给料速度控制。
③装包及球化处理。球化处理包的凹坑内不许有残留铁液，不许过早将球化剂加入赤热的包内，尽可能缩短加入球化剂到球化处理之间的时间间隔，一般应少于2min。球化剂应较平坦地铺加在包的凹坑底部；一次孕育剂应较均匀地加盖在球化剂上面；再将球化盖板或适量的覆盖剂加在上面。若铜、锡合金包内加入时，则最后加在最上面。球化处理铁液温度为1490～1520℃。出铁液进行球化处理，第一次快速出铁液，出铁液量应不少于处理铁液量的2/3。保证球化反应在铁液中进行，以提高球化剂中镁的吸收率。一般球化反应时间不少于50s。球化反应结束，补充处理铁液量。
④两次扒渣。采用两次扒渣工艺，扒净球化后铁液表面的浮渣。同时在浇注时应用挡渣措施，一般采用茶壶嘴浇包浇注，以撤去铁液表面产生的二次氧化渣。
⑤快速金相分析。炉前球化快速鉴别方法很多，可从球化反应的时间、反应激烈程度、火苗的大小判断；也可以浇注 ϕ 12mm×（100～150）mm试棒，快速金相分析，检验铁液球化情况。浇注试棒的铁液应在球化反应后扒渣前取自包内距表面100～150mm深处，以保证取样铁液及时、纯净均匀。 ϕ 12mm试棒断口呈银白色致密状，敲击时尖锐有韵如同钢声，激水或砸开后有电石气味为球化良好。炉前快速金相检验，这种方法比较准确可靠。一般炉前快速金相检验从浇注到报告结果，大约需2min，球化1～2级为球化良好，3级以上一般不予浇注。
（4）造型。目前，大中型铸造厂的造型工部基本上都实现了机械化造型和自动化造型。
①造型设备。典型的机械化自动造型线有空气冲击造型线、静压造型线、DISA造型线和国产高压多触头造型线等，全线配备自动浇注机、自动下芯机和抓件机械手。全线采用计算机自动控制、液压传动或伺服电机控制。可得到紧实度高且比较均匀的铸型。曲轴砂型表面硬度应大于90，采用B型砂型硬度计测量。
②砂处理。砂处理工部承担着造型用砂的配制工作。它对落砂后的旧砂进行破碎、磁造、筛分、冷却，加入新材料混制而成合格的型砂。其主要工艺设备依据生产纲领选用一定规格的混砂机、砂冷却器、筛砂机、磁选机及机械化运输装置。
造型用原材料应符合工厂的铸造原材料技术标准，原材料的验收入库、存放、检验、使用等应符合工厂的管理制度。严格禁止混料。
原材料中原砂、煤粉、膨润土或黏土等主要参数指标应该定期复检。
球墨铸铁曲轴的铸型紧实度高，型砂应具有较高的湿压强度和透气性，水分尽量低。球墨铸铁曲轴型砂配比及型砂性能详见表2-13和表2-14。
处理后的型砂应定点定时进行型砂抽检性能的，以保证制造出优质的砂型。
③造型。造型应根据所选用的造型设备，依据工厂的工艺规程进行操作。一般砂型硬度应上型＞90HRB，下型＞90HRB，侧边硬度＞80HRB，用B型砂型硬度计测量。
表2-13 球墨铸铁曲轴型砂配比
表2-14 型砂性能表
（5）制芯。6缸曲轴生产用芯砂，一般按工艺要求选用低N树脂砂。它属于高强度芯砂，抗拉强度为2.3～2.8MPa，有效存放时间为3h。根据生产条件也可以选用其他树脂砂。可选叶片式混砂机，型号根据生产纲领选定。热芯盒树脂砂原材料技术条件详见表2-15，热芯盒树脂砂配比详见表2-16，脂砂加料顺序及混砂时间详见表2-17。
表2-15 热芯盒树脂砂原材料技术条件
表2-16 热芯盒树脂砂配比
表2-17 热芯盒树脂砂加料顺序及混砂时间
（6）浇注。
①浇注温度。一般浇注温度为1420～1340℃。浇注温度过高，晶粒粗大，收缩量大，缩松等增加，若过低，易产生冷隔等铸造缺陷，浇注前，一般采用热电偶测温。
②延后孕育。若采用随流孕育工艺，随流孕育装置的给料应与注入铁液同步，严格禁止断流和漏加。随流孕育粒度为40～70目，孕育剂加入量为0.08%～0.15%。
倒包孕育剂的粒度为2～5mm，加入量为孕育铁液质量的0.2%～0.4%。
③浇注。开始浇注时，铁液必须迅速充满浇口杯。在浇注过程中铁液不能断流，以保证浇口杯始终充满铁液，先快后慢收流要稳。
④浇注时间。球化后一包铁液要在12min内浇注完毕，防止球化衰退。球化衰退抽检取样应取自一包铁液浇注完模型的剩余铁液。
⑤不合格铁液不浇注。
⑥落砂时间。浇注后，曲轴在砂型内冷却50min以后，曲轴温度约600℃以下，方可进行落砂。
（7）清理和检查。球铁曲轴清理检查流程框图详如图2.16所示。
图2.16 球铁曲轴清理检查流程图
①落砂及一次检查。球铁曲轴经造型线落砂，倒运到鳞板输送机上，再将曲轴浇注系统打掉。然后，对曲轴浇注系统断面及附铸试块断面进行宏观检查，频次100%。检查球化是否良好，是否石墨飘浮，有问题的进行金相检验，并对该批曲轴做隔离处理。对于每批次的曲轴抽检附铸试块进行球化率和基体组织的检查；球化不良的铸件报废： w （珠光体）不够或渗碳体超标可以进行正火热处理，正火后金相组织合格则认为该批次铸件为合格，否则报废。一次检查合格的铸件经抛丸室进行抛丸清理。
②清理。将带冒口的曲轴挂在专用吊钩上，经悬链输送到抛丸室进行抛丸清理。抛丸后的曲轴打掉冒口。轿车用曲轴或设计上有特殊要求的曲轴，可以用圆盘锯床锯掉曲轴冒口，或用专用铣床铣掉冒口和端面。铲磨曲轴飞边、毛刺。曲轴加工定位面应清理平整。浇冒口残余小于2mm；轿车曲轴浇冒口残余少于1mm。飞边毛刺一般曲轴加工面小于应使3mm，非加工面小于2mm；轿车曲轴的飞边毛刺小于1mm。
③最终检查。对清理后的曲轴进行最终检查。一般对曲轴的轴向和径向尺寸，30～100根抽检一根。然后，对球铁曲轴必须进行100%的成品无损检测；一般用超声速法或音频法检查曲轴的球化率；用剩磁法检查曲轴的基体组织；用磁粉荧光法检查曲轴的表面裂纹；用超声波法检查曲轴的缩孔等缺陷；在曲轴固定的位置打硬度，检查曲轴的力学性能及耐磨损性能。以上各项在生产中有针对性地选择采用。成品检查流水线最后工序，是在合格曲轴上打上生产日期及批次编号。
④防锈处理。合格的曲轴需经防锈处理后入成品库。一般采用磷化防锈处理工艺。磷化工艺规范详见表2-18。
磷化后的铸件需进行水洗。水洗分为室温水和热水洗两阶段。室温水洗操作技术条件详见表2-19；室温水洗后的曲轴经0.6min的沥液，进入热水洗阶段。热水洗操作技术条件详见表2-20。
表2-18 磷化工艺规范
注：取10ml槽液于锥形瓶中，加入几滴酚酞指示剂，用0.1n的氢氧化钠滴定，直至获得稳定的粉红色。消耗的0.1n氢氧化钠毫升数即为槽液的总酸点数。
表2-19 室温水洗操作技术条件
表2-20 热水洗操作技术条件
磷化曲轴经热水洗后，经0.3～0.4MPa的洁净无油压缩空气吹净铸件表面的积水，或直接进入烘干室经（95土5）℃热风烘干10min。磷化后的铸件应在短时间内发往加工单位，特别是在潮湿的夏季要防止在库内表面锈蚀。
3）球铁曲轴的铸造缺陷及对策
球墨铸铁曲轴常见的铸造缺陷有球化不良，珠光体含量低，缩孔缩松，石墨漂浮，反白口，夹渣，皮下气孔等。
（1）球化不良。球化不良表现在曲轴的浇冒口断面中有大块黑斑或明显可见的小黑点，金相显微组织上有较多的厚片状石墨或枝晶石墨。
①产生球化不良的主要原因如下所述。
（a）原铁水含硫成分过高。球化干扰元素含量过高。
（b）球化孕育作用不强或衰退。
（c）残留镁量或稀土元素量不适当，过多或过少。
②防止球化不良的措施。针对产生球化不良的主要原因，可以采取以下措施，防止球化不良。
（a）炉料，尽量选用低硫磷优质生铁及焦炭，块度适当。严格禁止混料。冲天炉熔炼要强化脱硫。
（b）不用不合质量要求（成分的质量分数、块度）的球化剂。球化剂中氧化镁的质量分数应小于1%。球化剂不久放，不受潮，随用随破碎。
（c）提高铁水过热温度，有条件的工厂最好采用电炉熔炼。
（d）球化处理。准确控制球化铁液量，防止炉渣流入包内。强化球化和孕育处理工艺，采用延后孕育措施。如随流孕育、倒包孕育。
（e）浇注时间要短。球化处理后要在12min内浇注完毕，防止球化孕育衰退。
（2）珠光体含量过低。
①珠光体含量低于技术条件要求的主要原因。
（a）质量分数及合金元素含量不适当。
（b）铸型冷却条件不好。
（c）浇注温度过高。
②改善珠光体含量低的措施。针对珠光体含量低的主要原因，采取以下措施。
（a）合适的选择碳、硅及碳当量。
（b）调整锰、铜、锡等元素的含量。
（c）定时打箱，一般为45～60min，铸件温度低于600℃。
（d）适当调整浇注温度到1410～1350℃。
（e）适当的选择型砂的水分含量。
（3）缩孔、缩松。缩孔及缩松是球墨铸铁曲轴最常见的铸造缺陷，球墨铸铁经过液态收缩、凝固后，在曲轴的热节或最后凝固的部位出现一些微观或宏观孔洞。生产上，用肉眼可以看出的，尺寸较大而集中的孔洞称为缩孔；另一些肉眼不易辨分的、细小的、分散的孔洞称为缩松。
若曲轴的冒口补缩不足，将在冒口下端热节处出现集中缩孔；曲柄臂和主轴径交界处，散热条件差，容易出现缩松。
①球铁曲轴产生缩孔、缩松的主要原因如下所述。
（a）质量分数中，破当量过低。
（b）残留镁量过高。
（c）铸型刚度不够，退让性过大。
②措施。针对球铁曲轴产生缩孔、缩松的主要原因，采取以下措施，消除或减少曲轴的缩孔、缩松。
（a）提高铸型的刚度，湿砂型的铸型表面硬度大于90°为宜。较大的球铁曲轴采用刚性大的铸型，如干砂型、水泥型、金属型复砂等；减少铸型的退让性，利用石墨膨胀力反过来作用在金属液上，使之流动，起补缩作用。
（b）适当提高碳当量为4.2%～4.6%，碳质量分数为3.6%～3.9%，硅质量分数为1.8%～2.2%。
（c）采用稀土镁合金球化剂，减少Mg的残留量至0.030%～0.055%。
（d）合理的选择冒口、冷铁及浇注系统。造成顺序凝固，利用冒口补缩。
（e）根据曲轴的大小、造型工艺及质量分数，合理的选择浇注温度。一般以1350～1400℃为宜。
（4）夹渣。夹渣又称为黑渣。夹渣缺陷多出现在轴上表面死角处。夹渣根据形成的时间可以分为一次夹渣和二次夹渣两大类。二次夹渣对曲轴的疲劳强度影响最大。
①影响形成夹渣的主要因素。
（a）Mg含量过高。残留Mg量越多，夹渣层越厚。
（b）原铁液含S量过高。原铁液S量越高，曲轴的夹渣缺陷越多。
（c）球化剂和孕育剂过多，Si含量越多，夹渣越严重。Si量过高形成氧化夹渣。
（d）浇注温度过低，一次渣、二次渣来不及逸出铸件形成夹渣。
②措施。针对夹渣产生的主要原因，采取以下措施，防止曲轴夹渣。
（a）降低Mg的残留量至0.030%～0.055%。
（b）降低原铁液含S量到0.03%以下。
（c）降低球化剂中的Si含量，减少孕育剂硅铁的加入量。采用延后孕育处理方法，如浇口杯随流孕育、型内孕育、倒包孕育等。
（d）提高浇注温度，大于1350℃。
（e）调整浇注系统各部分截面积比例，保证平稳供给铁液，力求避免铁液的飞溅和紊流。
（f）使用除渣剂冰晶石粉。铁液表面覆盖0.10%～0.15%的冰晶石粉，再加草灰搅拌、扒渣。
如此二三次，再覆盖0.3%的冰晶石粉，可有效除渣。用冰晶石粉时应注意防毒，加强通风。
（g）浇注系统中加过滤网。
（5）皮下气孔。皮下气孔常出现在曲轴的上表皮层内。一般位于表面下0.5～0.3mm处，形成分散细小的筒状或尖角状的孔洞，直径多在0.5～3.0mm，有些呈球状。其内表面光洁，有时带一些夹渣和石墨。
①影响形成皮下气孔的主要原因如下所述。
（a）Mg和稀土元素残量过高，S量过高。
（b）Al和Ti元素过量并存，导致产生皮下气孔。
（c）铸型水分过高，产生过多的气体。
（d）孕育剂破碎后存放时间过长吸潮，使皮下气孔增加。
（e）铁液处理温度和浇注温度过低。
②措施。针对产生皮下气孔的主要原因，采取以下措施，防止产生皮下气孔。
（a）严格控制型砂水的质量分数在3.5%～4.5%，提高混砂质量及型砂透气性。
（b）使用煤粉砂。一般有效煤粉的质量分数在5%～7%，即可减少皮下气孔。
（c）将Fe 2 O 3 粉用煤油搅拌成悬浊液，往铸型上喷一薄层，可以减少或消除皮下气孔。
（d）铸型表面撒冰晶石粉（氟硅酸钠），也是消除皮下气孔的有效方法。
（e）炉料净化，使其表面无锈、无油垢、无潮湿。
（f）孕育剂使用前烘烤，采用200～300℃烘烤lh。铁液包烘烤透，孕育剂含Al质量分数小于0.5%。
（g）提高铁液过热温度至1520～1540℃；球化处理温度至1490～1520℃；浇注温度至1350～1410℃。
（h）在保证球化前提下，应尽量降低Mg的残留量。
（i）降低原铁液含S量，浇注前静止片刻。各生产厂的生产条件不同，应适当选择和变更防止皮下气孔的措施。
（6）石墨漂浮。石墨漂浮出现在曲轴的上表面或热节转角处，呈密集的黑斑。外观与夹渣层类似，但仔细观察，可以看到夹渣层深浅不一，呈块状连接分布，而石墨漂浮则是密集的黑斑，与正常的银白色断口组织有清晰可见的分界线，黑白分明。
①产生石墨漂浮的主要因素有以下几点。
（a）C和Si含量过高。
（b）Mg和稀土残留量不适当。镁量过低或稀土量过高，石墨漂浮增加。
（c）浇注温度越高，石墨漂浮层越厚。同一包铁液，先浇注的石墨漂浮严重，后浇注的温度低，石墨漂浮越轻。
（d）新生铁C含量越高，或配料中新生铁比例越高，则石墨漂浮越易产生。
②措施。针对石墨漂浮产生的主要原因，采取以下措施，防止石墨漂浮。
（a）严格控制C、Si含量，一般 w （C）3.6%～3.9%， w （Si）1.8%～2.2%。大断面曲轴可以取下限。
（b）采用低硅原铁液， w （Si）1.1%～1.3%。加强延后孕育处理工艺。
（c）在保证球化前提下，严格控制球化剂的加入量，特别是稀土残留量应小于0.05%。
（d）适当降低浇注温度。
（e）合理使用冒口，使漂浮集中至冒口的上部。
（f）加快冷却速度，热节处可以选择放置冷铁。
（7）反白口。反白口是渗碳体量多而集中在热节处或最后凝固的地方。这种缺陷附近经常有缩松存在。
①反白口产生的主要原因：分析反白口产生的原因，原铁液C和Si含量对反白口的产生没有直接影响。产生反白口的主要原因有以下几个方面。
（a）稀土残留量过高。
（b）孕育不良或孕育衰退。
②措施。针对产生反白口的主要原因，采取以下措施，防止反白口。
（a）减少球化剂稀土元素含量，适当降低球化剂加入量。
（b）强化延后孕育处理，采用瞬时孕育或多次孕育。
（c）提高出炉温度，稳定球化和孕育处理工艺操作，处理后尽快浇注。
4. 球铁曲轴的局部强化
表面强化工艺对于以弯曲、扭转疲劳破坏和早期轴径磨损烧伤为主要失效方式的曲轴生产是必不可少的强化工艺。国内外关于铸态球铁曲轴局部强化的研究与应用的方法有：表面淬火、表面氮化处理、圆角滚压强化及强化喷丸等。
表面强化工艺方法可防止疲劳裂纹生核，提高曲轴疲劳寿命，提高耐磨性，局部强化的预压力可阻止或延缓裂纹的疲劳扩张速率。研究表明：中频轴径淬火加圆角滚压复合表面强化工艺，可提高 σ -1 80%～90%，同时提高耐磨性1.5倍：离子氮化加圆角滚压复合表面强化工艺，可提高 σ -1 163%，同时提高耐磨性1.5～2.5倍。可见，复合表面强化工艺是保证曲轴质量，提高曲轴寿命的重要途径。
5. 合金铸铁凸轮轴
凸轮轴是发动机配气机构的主要零件之一。凸轮轴的主要失效方式是磨损（磨料磨损）、刮伤（粘着磨损）、疲劳（点蚀或剥落）。根据凸轮轴的服役工况和主要失效方式，要求凸轮轴材料有较高的强度和硬度。
凸轮轴材料有锻钢和铸铁两种。近些年来，世界上著名的汽车发动机多数都采用铸铁凸轮轴与挺杆相匹配。按铸铁种类分为球墨铸铁凸轮轴和合金铸铁凸轮轴。球墨铸铁凸轮轴可参照球铁曲轴工艺过程设计其铸造工艺。合金铸铁凸轮轴按工艺方法又分为激冷铸铁凸轮轴和可淬硬铸铁凸轮轴。
激冷铸铁凸轮轴是铸造时在铸型的凸轮桃位置加冷铁，使凸轮轴铸件形成白口耐磨层的一种铸造工艺方法。另一种是可淬硬铸铁凸轮轴，铸造的凸轮轴毛坯，通过后续的淬火热处理工艺，提高凸轮的硬度、耐磨性。可淬硬铸铁凸轮轴，是在普通灰口铸铁基础上，选择合适的合金元素加入，铸态得到合格的金相组织，淬火后得到较高的硬度。下面主要介绍可淬硬铸铁凸轮轴的材质。
6. 合金铸铁凸轮轴的材质
1）质量分数及合金元素的选择
（1）C和Si。C含量不能过高或过低，一般选 w （C）为3.1%～3.4%；Si含量一般以保证金相组织和白口层深度为标准，其中 w （Si）为1.8%～2.2%。同时应保证C和Si的总量满足共晶度Sc≤0.9的要求。共晶度Sc的计算公式如下：
式中，Sc为共晶度； w （C）为含碳量的质量分数； w （P）为含磷量的质量分数； w （Si）为含硅量的质量分数。
（2）P和S。对合金铸铁中的P和S含量不要求像球墨铸铁曲轴那样严格，但也不宜过高，一般来说， w （P）≤0.2%， w （S）≤0.12%。
（3）Mn。Mn作为稳定珠光体元素，不仅来源广泛，而且价格便宜。一般 w （Mn）为0.5%～0.8%。
（4）合金元素。可淬硬凸轮轴，采用添加稳定珠光体提高淬透性、淬硬性元素的方法，是通常应用方法。添加的主要元素有Cu、Mo、Ni、Cr等。合金铸铁凸轮轴质量分数详见表2-21。
表2-21 合金铸铁凸轮轴质量分数
2）金相组织
（1）石墨组织。石墨为片状A型石墨或D型石墨，局部允许存在少量E型石墨。凸轮轴石墨分布形状及其长度详见表2-22。
表2-22 凸轮轴石墨分布形状及长度
（2）基体组织。铸态组织为以珠光体基体为主。铁素体含量不得超过20%，一般控制在10%以下。不允许莱氏体存在。
3）力学性能
（1）抗拉强度（ σ b ）。一般合金铸铁凸轮轴采用HT250牌号铁液，经合金化处理，单铸试块抗拉强度 σ b ≤250MPa。
（2）布氏硬度（HBS）。一般凸轮轴桃尖5mm以下，布氏硬度在200～260HBS。
7. 合金铸铁凸转轴的熔炼工艺
1）质量分数
一般合金铸铁凸轮轴用保证质量分数来保证金相组织的合格。其质量分数详见表2-21。
2）白口及孕育
原铁液要有一定的白口层深度，为了确保金相组织中消除莱氏体和石墨组织的细化，进行孕育处理，一般孕育剂加入量0.2%～0.4%。凸轮轴白口层深度详见表2-23。
3）铁液温度原铁液温度和浇注温度采用热电偶测温。凸轮轴铁液温度范围详见表2-24。
表2-23 凸轮轴白口层深度
表2-24 凸轮轴铁液温度范围
壳型工艺是采用壳型砂造型工艺。浇注多采用立浇立冷的工艺方案。用壳型铸造多生产四缸曲轴、凸轮轴。下面主要介绍壳型工艺方面的特点。
1. 壳型生产过程
图2.17所示为壳型生产流程示意图。
图2.17 壳型生产流程图
壳型造型材料是援膜砂，壳型砂的黏结剂为热固性树脂。所以壳型模具需加热后再制壳，制出的壳为片状，将两片壳黏结在一起，形成中空的铸型。然后将壳型放在砂箱中，一般1箱可放5～8个壳型，型与型之间用铁丸填紧，壳型装砂箱示意图如图2.18所示。
（1）壳型砂配制。壳型砂配制采用壳型砂混砂机，其型号可依据本工厂的情况选定。
①壳型砂用原材料。配料壳型砂所用原材料详见表2-25。
表2-25 壳型砂原材料
②壳型砂配砂比例。壳型砂配砂质量分数详见表2-26。
表2-26 壳型砂配砂质量分数
③壳型砂混砂工艺流程。壳型砂混砂工艺流程详见表2-27。
表2-27 壳型砂混砂工艺流程
图2.18 壳型装砂箱示意图
壳型砂混制前，应按设备操作卡要求，检查设备及各启动部分是否正常。首先必须用温度计实测热砂温度直调到符合工艺温度为止。各种材料的加入量要准确称量，特别是乌洛托品水溶液要搅拌均匀，充分溶解，混至合格的壳型砂流入砂斗中。
④壳型砂技术条件。壳型砂的技术条件详见表2-28。
表2-28 壳型砂技术条件
（2）制壳。制壳根据工厂的情况可以选择4工位壳型机。壳型最大尺寸为760mm×600mm×150mm；模具尺寸为860mm×700mm；模型温度250～320℃连续可调；加热方式采用煤气加热，并加装红外线发生器，可以提高热效率，也可以使加热均匀；生产节拍可达到50s型。制壳的工艺参数详见表2-29。
表2-29 壳型制壳工艺参数
制壳过程是用煤气或电加热管将模具加热到260～300℃，然后将壳型砂覆盖在模具表面，砂子受热后固化成一层硬壳，待壳厚达到8～12mm时，倒去未硬化的浮砂，用煤气烘烤壳型至全部硬化。接着用模具顶出机构将壳顶出，放在壳型黏结机上，涂上黏结胶，将2片壳型合在一起，压紧黏结机60～120s，取下黏结好的壳型，放于壳型架上备用。全部制壳过程，可以实现机械化自动化。
（3）埋箱。壳型铸造曲轴、凸轮轴采用立浇立冷的工艺方案，如图2.19所示，将黏结好的壳型竖直的放于砂箱中，一般每箱放5～8个壳型。壳型距砂箱底部的距离一般为40～80mm，壳型侧面距砂箱壁的距离一般为40～60mm。砂箱内壳型之间的空间用钢丸充填。为了避免钢丸进入壳型型腔，用浇口杯盖将壳型浇注系统盖好，用填钢丸机充填钢丸，钢丸直径一般采用2～3mm，钢丸充填满后自动停止。砂箱在振动台上震实，防止胀箱、开胶、铸型退让产生废品。
（4）落砂。浇注后一般45～60min，开始落砂。砂箱在落砂机上翻转，将钢丸、铸件和砂型一齐倒在落砂栅上，取件机械手将铸件抓走。
（5）铁丸的筛分及冷却。
①筛分。打箱后的钢丸夹杂着大量的砂块、铁渣和粉尘。铁丸和砂块经粗筛砂机筛除大于 ϕ 3mm的砂块和铁渣等，再经细筛砂机筛除钢丸中小于 ϕ 2mm的废砂和铁渣。铁丸筛分机工作示意图如图2.20所示。
②冷却。筛砂后的钢丸通过输送管道输送到铁丸冷却滚筒。随着冷却滚筒的旋转，铁丸在滚筒中翻滚降温，同时鼓风机吹去铁丸中的粉尘。一般钢丸入口温度高于400℃，冷却后的钢丸在出口温度应小于70℃；根据生产纲领，钢丸冷却处理能力应大于50t/h，冷却介质空气应大于30000m 3 /h。冷却后的钢丸，经提升输送到埋箱工位上方的钢丸储存斗中，循环使用。
2. 壳型工艺特点
1）立浇立冷底注式工艺方案
曲轴、凸轮轴一般壳型铸造采用立浇立冷底注式工艺方案。其充型平稳，可采用封闭式浇注系统或半封闭浇注系统。一般可采用发热保温冒口，确保冒口补缩铸件，同时减少冒口质量，提高铸件工艺出品率。
图2.19 凸轮轴立浇立冷的工艺方案
图2.20 铁丸筛分机工作示意图
2）壳型铸造工艺特点
壳型铸造工艺具有尺寸精度高，表面质量好，加工余量小，公差范围小等优点。壳型填钢丸工艺的冷却速度快，凝固质量好。可以使铸造缺陷降低到最低限度。
1. 球墨铸铁曲轴金属型复砂造型
1）金属型复砂造型
金属型具有最大的刚度，然而这种铸型由于冷却速度过快，可能在球铁曲轴中形成渗碳体或白口，影响曲轴的性能。为了有效地利用金属型的刚度和快速冷却，同时避免由于冷却速度快带来的问题，采用了金属型内部表面复砂层与金属型形成一体的铸型，这就是金属型复砂造型工艺。
根据球墨铸铁共晶凝固膨胀大的特性，近年来，具有高刚度及高强度的金属型复砂造型工艺已越来越多的用于球墨铸铁曲轴的生产。金属型复砂是一次性使用酚醛树脂砂射砂成型，砂型牢固附着在金属型上。因而得到强度和刚度高，导热冷却性能好，用砂量很少，尺寸精度高的铸型。从而得到晶粒细小、组织致密的球铁曲轴、凸轮轴。
2）金属型的壁厚和结构应从刚度、耐久性和操作方便来考虑
金属型壁厚30～60mm为宜。铁液浇注后，金属型最高温度达到250～450℃时，以不产生变形，型壁移动小为宜。
3）复砂层的厚度应考虑铸型刚度、操作工艺及金属型温度等因素
复砂层过厚则冷却速度减小，型壁移动增大，影响整个铸型的刚度。若复砂层过簿，则热传导显著加快，并且可能由于金属型的温度升得过高而造成金属型的膨胀变形，使铸型移动增大。同时过薄的复砂层将使铸件的冷却速度过快，造成碳化物增多或局部白口。此外，对复砂层型砂的均匀性和紧实度也带来不良影响。根据曲轴的大小，复砂层厚度可以为5～10mm。
4）复砂层材料
一般中小曲轴的金属型采用射砂成型工艺，覆砂采用壳型砂，其配比及其相关工艺可参照壳型砂工艺。
大型曲轴的金属型尺寸过大，采用射砂成型，显然在设备和工艺上有很大困难，所以采用金属型挂砂压模成型铸造工艺。挂砂层材料可采用矾土水泥流态砂或水泥流态砂。挂砂层厚度以10～15mm为宜。
2. 同时凝固工艺
砂型铸造工艺采用顺序凝固工艺，金属型复砂工艺则多采用同时凝固工艺。同时凝固工艺冒口甚小或者无冒口。球墨铸铁凝固时具有很大的石墨膨胀力，这是已知的事实，金属型复砂造型采用无冒口工艺使石墨膨胀力不是挤开铸型而是挤向液体金属内部，用其补偿金属液态收缩及凝固收缩，达到获得无缩松曲轴的目的。实现同时凝固无冒口工艺的条件可归纳如下：
（1）提高铸型的刚度及强度湿砂型硬度应在95以上（该层厚度大于50mm），干砂型、水玻璃砂型、水泥型、金属型复砂等皆可抵抗住石墨的膨胀力；合箱力在1MPa以上。
（2）使用过共晶铁液，严格限制阻碍石墨化的元素，其Mg残留量应在0.3%～0.55%，保证石墨膨胀量等于或超过铁液液态及凝固收缩量。
（3）尽量降低浇注温度，不超过1360℃。
（4）充分孕育，促进石墨化。
（5）适当增高浇注系统压头，以补偿铸件开始阶段的液态收缩。
（6）为保证同时凝固，铁液从曲轴的小头进入型腔。砂型造型时，曲轴热节处放置冷铁加快局部冷却，冷铁厚度为热节圆的0.8～1.3倍。
3. 金属型复砂造型的工艺特点
（1）采用同时凝固工艺，小冒口或无补缩冒口，提高铁液利用率约20%。
（2）大大减少加工余量，从砂型铸造的4～5mm，减至2mm，提高了尺寸精度。
（3）提高了铸件的表面粗糙度，可达 R a 6.3。
（4）大大减少了型砂用量，不需庞大的砂处理系统，明显减少了废砂污染。
（5）不再需要冷铁，并可根据曲轴的特异形状的调节复砂层的厚度，便于工艺设计时考虑和调节凝固方式。
（6）消除常见的缩松等铸造缺陷，降低废品率。
（7）由于冷却条件比砂型好和冶金质量的改善，得到致密组织，显著提高了曲轴的韧性和强度。
（8）金属型复砂造型的另一特点是可以在一定的高温打箱，利用铸件的余热对铸件正火，以保证曲轴的珠光体含量，从而取消了正火热处理工序，即节约了能源，又避免了由于正火产生的铸件变形和生成氧化皮，使加工余量减少。
（9）比砂型铸造冷却快，在同样条件下，凝固冷却大约快10min。
4. 凸轮轴金属型复砂铸造工艺
（1）可淬硬凸轮轴的复砂层厚度采用壳型砂作为复砂层材料，射砂成型工艺，可淬硬凸轮轴的复砂层厚度为4～8mm。
（2）激冷凸轮轴。激冷凸轮轴是在凸轮桃尖和偏心轮表面砂型中放置冷铁，这些部位得到一定深度的白口层的铸造工艺。
①激冷凸轮轴的质量分数： w （C）为3.2%～3.4%， w （Si）为1.8.%～2.2%， w （Mn）为0.6%～0.8%， w （Ni）为0.3%～0.5%， w （Cr）为0.3%～0.5%。Cr和Ni使铸件不同截面中的珠光体保持稳定而不受覆砂层厚度的影响。
②支承轴颈和过渡轴颈上的覆砂层厚度为4～6mm，得到相应的金相组织和铸件硬度。
③形成凸轮桃和偏心轮表面不加班砂层的纯金属型部分，保证铁液具有最高的凝固硬化速度，并且由于对注入铁液进行了孕育处理而获得技术条件要求的3～5mm深的稳定局部白口。
④为了稳定获得表面白口层，必须保证金属型不加覆砂层的部分表面粗糙度，没有氧化皮和其他混合物。
⑤为了保证热交换，覆砂层和金属型的设计是很重要的，它们的蓄热能力和传热能力直接影响了铸件的凝固和质量。
传统曲轴轴颈的磨削，往往是先磨削主轴颈（连杆颈），再磨削连杆颈（主轴颈），最后磨削大小头等。而德国埃尔温勇克机器制造有限公司机床的理念是“一次装夹，全部加工”。其优点是：工艺可靠性高，工件搬运次数少，时间节拍缩短，无需多次装夹，因此可以获得更高的加工质量，停机时间短。勇克的高速磨削中砂轮的安装采用的是专利技术——三点固定系统，如图2.21所示。
图2.21 砂轮的安装：三点固定系统
勇克公司JUCRANK系列机型的摆动跟踪磨床为曲轴的整体加工提供了全面的解决方案。各种型号的磨床适用于从单汽缸发动机到十二汽缸发动机的所有型号的曲轴加工。根据加工方式和要求的产量，每一种型号的JUCRANK磨床都设计并安装有各具特色的平台和砂轮架。JUCRANK摆动跟踪磨床几乎可以完成曲轴加工过程中的所有磨削工序，主轴颈（圆柱形、凹面、凸面）和连杆轴颈（圆柱形、球面、凹面、凸面）只需一次装夹就可以磨削完毕（图2.22）。对硬化处理过的圆角也可以进行磨削加工。此外，在工艺上，勇克公司的供货范围还包括了与其他磨削加工方式的任意组合。不同的机型与其他勇克机床组合，可以加工定位轴颈、法兰及齿轮轴颈。
图2.22 摆动跟踪磨削原理与可磨削的轴径形状
勇克公司很早就采用了用于高速加工的CBN砂轮和使用油冷却曲轴的组合。长期积累的经验和知识适用于加工汽车发动机曲轴，质量可靠。勇克公司的曲轴磨床在技术上的优势主要有：在加工过程中检测并修正轴颈圆度和尺寸；带有“学习功能”的控制系统，附加对圆度偏差和干扰量的自动补偿，可进行补偿的干扰量是：温度、机械及动力影响，磨削余量的变化，材料以及金相结构的变化，砂轮的可切削性，机床的磨损状况；由于磨削主轴颈和连杆轴颈一次装夹，理论上的偏差为零；切入式磨削及摆动式磨削；对“敏感工件”的支撑，在主轴上采用自动对中心的三点式中心架；CNC控制的冷却剂供给保障了磨削区域的持久用量；采用静压圆型导轨，无爬行效应，确保持久的高精确度（X轴导轨、进给丝杠、止推轴承）；减振抗扭转床身，使用矿物铸铁浇注而成，具有良好的吸振抗弯功能；砂轮轴适用于高达140m/s的磨削。
图2.23是型号为“JUCRANK6000/50—50”的数控曲轴磨床。该磨床具有4片CBN砂轮，每片均可独立磨削，一次装夹可磨削全部主轴颈和连杆颈（摆动跟踪磨削）。
图2.23 JUCRANK6000/50-50型CBN磨床的前端和后端形状
德国BOEHRINGER公司介绍了通过曲轴加工线的交钥匙工程实现柔性加工和工艺替代方法。以一四拐曲轴为例，设计生产纲领为15万件/年。图2.24所示是生产线布置图（包括设备生产厂家）下面介绍一下几个典型工序的技术特点：
OP10序：柔性加工——车长度并钻中心孔。该工序预车下道工序的装夹直径，具有适应不同工件的柔性夹具，高效率，机床维护成本低等特点。
OP20序：柔性加工——轴颈的车车拉加工（图2.25）。该工序一次设定完成所有同心圆的车削，具有在同一台机床上完成车车拉（车侧端面）加工，高效率，通过使用特殊卡盘和刀具系统实现柔性加工，机床保养简便维护成本低等特点。其中拉削工艺逐步可用高效的梳刀代替。
图2.24 曲轴的车车拉工艺
OP30序：柔性加工——连杆颈的高速外铣（图2.25）。本工序使用设备是德国BOEHRINGER公司专为汽车发动机曲轴设计制造的柔性数控铣床。该设备应用工件回转和铣刀进给伺服连动控制技术，可以一次装夹不改变曲轴回转中心随动跟踪铣削曲轴的连杆轴颈，铣削效率相当高。
图2.25 曲轴连杆颈的高速外铣工艺
OP50序：柔性加工1工艺替代（曲轴止推面精车滚压工艺）。该工序具有以下技术特点：滚压抛光止推面并在线测量，滚压抛光代替磨削加工，可同时进行车削加工，在刀盘上装有滚压抛光装置，可获得更高精度。该工序使用的设备是德国赫根塞特（HEGENS-CHEID）的曲轴止推面车滚专机。
德国申克公司对曲轴动平衡技术和平衡设备的讲解阐述了以下问题。
（1）曲轴平衡的新趋势：减少曲轴的初始不平衡量，充分考虑曲轴的内部质量补偿（采取质量定心等）。采用不平衡量优化分解方法，尽可能减少校正不平衡量时的材料去除量。平衡机采用模块化设计，可提高柔性。钻削采用高速钻削。润滑采用MOL（微量油润滑方式）技术。
（2）曲轴内部质量补偿对发动机运行的影响。曲轴不平衡量与质量定心工艺及加工程度的关系。即曲轴的质量中心孔和几何中心孔一般存在以下关系：钻质量中心孔的曲轴，随着加工程度的深入，曲轴的不平衡量呈上升趋势，上升程度的大小跟毛坯质量有主要关系，毛坯质量越差（弯曲），上升趋势越大，甚至报废；钻几何中心孔的曲轴，随着加工程度的深入，曲轴的不平衡量呈下降趋势，如果毛坯质量很差（弯曲），经粗加工后大部分曲轴被淘汰。曲轴质量中心孔和几何中心孔的选用：毛坯质量好，加工余量小且加工余量分布均匀。这时曲轴的质量中心孔与几何中心孔基本重合，则不必花费较高的经费购置质量定心设备。毛坯质量较差，加工余量大且加工余量分布不均匀，择优先选用质量中心孔。因初始不平衡量较大，如果钻几何中心孔，质量分布不均匀，转动惯量较大，会损坏后续加工设备精度。再者，采用几何中心孔，在进行动平衡时，初始不平衡量可能超出平衡机的要求而无法平衡。在这种情况下应优先选用质量定心机。毛坯质量如果再差，则无论是钻质量中心孔还是钻几何中心孔都不会起到多大的作用，通过铣曲臂等措施达到整体平衡实际是不合格的（单拐不平衡），是一种假象。这种曲轴装机后会重新产生扭曲变形，引起振动和噪声，也影响整机的寿命。由此可知，提高产品质量关键是提高毛坯的质量。
全自动曲轴质量定心机的工作原理。曲轴放置在两端滑动单元法兰盘的支承上并被夹紧，法兰盘回转中心形成测量中心线。回转过程中，支承的位置即曲轴的位置不断调整，使质量中心线靠近回转中心线。当曲轴毛坯不平衡量很小，接近设定值时，钻削单元钻中心孔。此中心孔作为后续加工步骤的定位基准。
装配式凸轮轴制造越来越广泛地应用到凸轮轴加工中，它的显著特点是：凸轮轴总质量较轻，高强度，工艺流程短，较低的工件报废率，柔性化生产。
装配式凸轮轴制造加工有以下工艺特点。
（1）省略了毛坯件的粗加工，工艺流程简单。装配式凸轮轴的各个装配部件余量小，精度高，不必像传统凸轮轴那样要从毛坯件（铸件火锻件）开始进行大量的毛坯粗加工，只要在装配后进行半精加工和精加工，从而缩短了整个工艺流程。
（2）加工余量小，便于高效率生产。各精铸部件使得加工余量小，设备加工单件时间短，产能大，有利于规模化生产。比如凸轮块按最终形状精铸，减少了磨削余量，从而缩短了磨削时间。
（3）不同的部件可以使用不同的材料以提高产品性能和加工性能。产品对于不同部件（轴颈、凸轮块、齿轮）有着不同的性能要求，装配式凸轮轴可以在不同部件上采用不同材料，比如凸轮使用粉末冶金，齿坯使用铸铁，这将有利于优化产品性能，也可以根据情况改善凸轮轴加工性能和优化成本。
（4）适应产品多品种柔性化的要求。通过更换不同的主轴颈和磨削不同的凸轮型线，即可生产出多品种的曲轴。
