曲轴是发动机的关键部件。近年来，鉴于节能减 排的需求，发动机正朝着轻量化发展，其附属的曲轴也 必然被要求轻量化。而曲轴在轻量化的同时，为了满足 使用功能又必然需要高强度的材料。曲轴用材料主要有 QT550、QT600、当前主流的 QT700 和 QT820。或 者直接用合金钢的锻造曲轴来替代。由于铸造原辅材料 和铸造熔炼能力的进步和发展，目前大多曲轴可以做到 铸态的 QT700 和 QT820，而不用热处理即可满足，这 样相对锻造曲轴有着极大的成本优势。 笔者成功开发某 1.6 L 的铸态 QT780 曲轴铸造工艺 后，按市场要求开发某新的铸态 QT780 的 1.5 L 曲轴， 开发前期基于原 1.6 L 曲轴铸造工艺进行模块化开发， 同时结合产品结构的微观差异，借助 MAGMA 模拟软 件进行模拟优化，从前期开发做到预防和消除曲轴连杆 区域加工淬火裂纹的风险。后续调试针对曲轴表面微观 渣孔、表面铁素体以及珠光体不合格项等进行持续优化 改进，最终样件达到客户认可。基于模块化工艺同时结 合 MAGMA 模拟和后续的持续改善，可以加快产品开 发速度，缩短交样周期，提高产品质量，降低开发成本。 1 某轿车 1.5L 曲轴外观图示以及开发 要求 某轿车1.5 L 曲轴如图1 所示，产品设计总长度 在420 mm，产品单重设计在11.6 kg，铸件模数为 9.1 mm。该曲轴设计的时候结合了1.6 L 曲轴平衡块根 部断裂的经验教训，在平衡块设计时在断裂的薄弱环节 进行了加厚加宽处理，即平衡块根部加厚6 mm，宽度 加宽18 mm，加厚加宽后，该曲轴连杆区域热节更大， 更加不利于散热，造成在连杆区域产生缩孔缩松的趋势 加大。因此该曲轴连杆区域需要进行淬火处理，根据相 近曲轴开发经验，平衡块根部加厚加宽后由于热节的加 大，淬火后裂纹风险也会增大，给铸造工艺的开发工作 带来了新的挑战。该曲轴设计加工余量2.5 mm，尺寸公 差符合ISO 8062-CT7，面轮廓度满足2 mm，曲轴整 体弯曲度 ≤0.8 mm，残余批缝 ≤0.5 mm，缺陷标准符 合PV6291 和VW0133 的要求，本体取样金相、硬度以 及试棒的检测，开发阶段本体取样金相和硬度12 块/ 件， 试棒1 块/ 件（试棒取样在曲轴小头的平衡块位置）， 具体检测位置见图2，其材料的性能要求见表1。基于该 曲轴尺寸精度要求高，常规的潮模砂工艺一般只能做到 CT8~CT9 级公差，不能满足CT7 尺寸公差的要求，且 结合相关的曲轴开发经验，壳型线工艺可以满足CT7 级 公差要求，由于其结构与某1.6 L 曲轴相近，为了加快 开发进度，提高开发效率，公司基于1.6 L 曲轴模块化 工艺进行了前期的铸造工艺开发。 图 1 轿车的 1.5 L 曲轴 Fig.1 1.5L crankshaft of a car 刘金林，周霅煜 （上海圣德曼铸造有限公司，上海 201805） 摘要： 摘要：以某轿车的1.5 L曲轴为例，介绍了基于模块化壳型铸造工艺对该曲轴进行了铸造工艺设计，同 时结合MAGMA模拟软件进行了模拟优化，达到了从前期开发就做到预防和消除曲轴加工淬火裂纹的风险的目 的。后续针对曲轴表面微观渣孔、微观缩松、表面铁素体以及珠光体不合格项等进行了持续优化改进，最终 样件达到客户认可。 关键词： 关键词：曲轴；模块化；表面淬火裂纹 中图分类号： 中图分类号：TG245 文献标识码： 文献标识码：A 文章编号： 文章编号：1673－3320（2020）04－0025－06 收稿日期：2020-04-11 修定日期：2020-06-01 作者简介：刘金林（1987-），男，毕业于太原理工大学材料 成型及控制工程专业，高级工程师，主要从事铸造技术与质量 工作。26 2020 年第 4 期 数字智能技术图 2 开发阶段的取样位置图示 Fig.2 Sampling location diagram in development stage 表 1 某轿车 1.5L 曲轴材质要求 Tab.1 Material requirements for 1.5L crankshaft of a car 抗拉强度 /MPa 屈服强度 /MPa 延伸率 (%) 硬度 (HB) 球化率 (%) 石墨大小 /级 石墨类型 铁素体 (%) 碳化物 (%) ≥ 780 ≥ 450 ≥ 3 255~310HB ≥ 90 5~8 Ⅵ , 允许个别Ⅴ ≤ 6 允许少量 游离碳化物 2 基于模块化工艺进行 1.5 L 曲轴铸造工 艺开发 基于模块化工艺进行曲轴铸造工艺开发，采用底注 式进铁和顶冒口铸造工艺。外冷铁工艺非常灵活，其激 冷能力可通过选取不同的冷铁材料、尺寸以及调整铸铁 与冷铁间间隙（直接外冷铁）或铸铁与冷铁间挂砂层厚 度（间接外冷铁）等手段来控制 [1] 。根据经验，在曲轴 的连杆位置放置间隙外冷铁，通过间隙外冷铁来消除连 杆位置近表面的缩松缺陷风险，从而消除了加工淬火裂 纹缺陷，初始铸造工艺见图3。间隙冷铁设计距离连杆 内侧距离2 mm，距离连杆两侧3.3 mm，根据模块化 工艺设计借用EA211 1.6 曲轴外冷铁，但是发现模块 化工艺的外冷铁与1.5 L 曲轴平衡块距离只有1.3 mm （图4）。1.3 mm 的距离太近，不能满足起模的要求， 需要进行外冷铁尺寸的优化。在保证外冷铁体积和冷却 作用的情况下，进行外冷铁的宽度减少、长度增长的 优化。优化后的外冷铁距离连杆内侧距离2 mm，距离 连杆两侧3.3 mm 不变，距离曲轴平衡块距离可以达到 4.5 mm，在壳型工艺上，4.5 mm 完全可以满足起模需 求，且4.5 mm 的覆膜砂厚度也可以满足强度需求（图 5）。基于冷铁位置间隙的砂厚度只有2~4.5 mm，在模 具设计的时候，对应砂厚度薄的位置模壳增加射砂孔， 提高对应位置的砂致密度和强度，以消除因砂厚度薄导 致的曲轴粘砂缺陷。随后基于该工艺进行了开模和生产 调试。 图 3 初始铸造工艺 Fig.3 Initial casting process 图 4 模块化工艺外冷铁距离太近 Fig.4 The distance between outer chill and casting is too close in the initial casting process2020 年第 4 期 数字智能技术 27 图 5 优化后的外冷铁工艺距离 Fig.5 The distance between outer chill and casting in the optimized casting process 基于该工艺进行调试和首次样件的生产，铸件冷铁 间隙的薄弱位置未见明显的粘砂缺陷，产品尺寸检测符 合 ISO 8062-CT7 和面轮廓度满足 2 mm 要求，力学 性能检测也符合要求，同时曲轴整体 X 光探伤以及解剖 后 PT 检测也未见缺陷，PT 检测见图 6。但是金相检测 发现部分检测的曲轴珠光体不能稳定地达到 94% 以上， 存在波动， 同时金相面检测了 2 件曲轴共 24 个金相试块， 发现其中 1 个试块的金相面存在局部的微观缩孔缺陷 （缺 陷大小同石墨大小，见图 7），同时送检客户 1 件曲轴， 检测了 24 个金相块，发现有 2 个金相块存在表面微观 渣孔（渣孔大小 0.2 mmx0.4 mm，距离边缘 0.5 mm 以内，具体见图 8）以及有 1 个金相块距离表面存在一 层 0.32 mm 厚度的铁素体层（图 9）。虽然以上微观 缺陷不影响产品使用性能，但是因该产品加工后会进行 表面淬火处理，以上微观缺陷可能会给表面淬火带来产 生裂纹的潜在风险。基于此类情况，客户检测给出了 1 份 3 分的报告。基于客户调试机床的需要，送检客户加 工 120 件进行调试加工，加工淬火后曲轴连杆未见表面 裂纹的缺陷，且加工外观废品率低于 1%。因此证实基 于模块化工艺基本实现了开发目标，达到预防和消除了 曲轴连杆位置的淬火裂纹缺陷。加工废品率低于 1% 的 目标等，但是由于 1.5 L 曲轴自身的结构带来了新的铸 造工艺缺陷，需要进行持续的优化和改善，以达到样品 送检客户实验室获得认可。 3 微观缩松的改善 检测发现，微观缩松的位置都集中在曲轴连杆颈 位置的内侧，该位置目前已经采用间隙冷铁的方式进 行激冷消除潜在的缩松缺陷，通过间隙冷铁的使用可 以消除大的缩松和加工淬火裂纹的缺陷，但是不能完 全消除微观缩松缺陷。微观缩松虽然不影响产品的使 用，但是产品送检实验室不合格会导致产品认可不能通 过，需要进行持续的改善。基于模块化工艺使用的间 隙冷铁可以满足原 1.4 L 和 1.6 L 曲轴工艺，但是不能 满足 1.5 L 曲轴工艺，主要是 1.5L 曲轴平衡块根部加 厚增加了连杆位置缩松的趋势，是由产品结构差异导 图 6 PT 检测合格 Fig.6 Qualified PT inspection 图 7 微观缩松Fig.7 Microcosmic shrinkage 图 8 微观渣孔 Fig.8 Micro slag hole 图 9 表面 0.32 mm 厚度的铁素体 Fig.9 0.32 mm thick ferrite on casting surface28 2020 年第 4 期 数字智能技术 致的。为了消除结构差异，材料成分的优化、冒口补缩 的优化以及冷铁的优化使用都可以作为必要的搭配。残 留镁和稀土含量愈大，则曲轴愈容易发生缩松缺陷， 碳当量愈低，则球铁曲轴愈容易产生缩松缺陷，以含 CE=C 原 +1/3Si=4.5%~4.7% 为宜 [2] 。控制残留 Mg 从 0.03%~0.06% 到 0.03%~0.05%， 同 时 将 CE 值从 4.35%~4.4% 提高到 4.5%~4.55% 进行缩松改善的验 证，曲轴连杆位置的微观缩松未见改善。曲轴 4 个连杆 都远离曲轴大法兰的顶冒口，理论上增大顶冒口不会对 连杆位置的缩松产生影响，后续也进行了验证，将大法 兰位置的顶冒口从球形优化到圆柱形，或者增加圆柱形 冒口的直径和高度等进行验证，验证后与理论分析一致， 不对连杆位置的缩松产生影响。需要继续从冷铁方面进 行优化，目前采用的是间隙冷铁，距离连杆有 2 mm 的 距离，在制壳中形成 2 mm 厚度的覆膜砂间隙，理论上 间隙冷铁的效果是低于直接接触的冷铁的，如果将间隙 冷铁优化为直接接触的冷铁，理论上会极大地改善缩松 缺陷，但是曲轴连杆内侧位置是弧形曲面，采用直接冷 铁后，外冷铁会形成一个弧面，不但冷铁制作困难，更 主要的是弧面接触的外冷铁难以清理，需要采用专用的 外冷铁清理压机进行弧面直接外冷铁的清理，且对外冷 铁的涂料要严格控制，否则直接外冷铁会与铸件黏结在 一起，导致无法清理。 考虑以上的不足，需要避免采用弧面接触的直接 外冷铁工艺，既要消除连杆内侧的微观缩松，又要方便 冷铁的后续清理的目标。结合以往经验，采用间隙外冷 铁 + 冷筋复合工艺进行试制，在连杆内侧与距离连杆 2 mm 的间隙冷铁之间增加厚度 2 mm 的冷筋进行连接， 这样连杆内侧可以通过冷筋直接与冷铁进行连接，提高 冷铁的激冷作用，为方便外冷铁的清理和提高清理效率， 冷筋厚度设置为 2~3 mm，止口厚度设置为 2 mm，如 图 10 所见。基于间隙冷铁 + 冷筋工艺与间隙冷铁工艺 进行 MAGMA 模拟软件同参数的对比模拟，间隙冷铁 + 冷筋工艺模拟见图 11，直接间隙冷铁工艺模拟结果见图 12。从图 11 可以看出间隙冷铁 + 冷筋工艺模拟后，P1 连杆未见缺陷，靠近连杆的主轴中心位置存在 5mm 3 的 缺陷，且不在检测区域；直接间隙冷铁模拟后 P1 连杆 内侧边缘位置存在 3.5 mm 3 的缺陷，该缺陷非常小且存 在于表面以下 3~6 mm 之间， 加工后虽然不能显示出来， 但是可以通过金相检测出来。后续基于此工艺进行了实 际的试制验证，验证结果与模拟一致，检测连杆内侧金 相面未见缩松缺陷，满足了客户端实验室检测要求。 4 表面缺陷的改善 客户端实验室验收检测 24 个金相块 / 根曲轴，随机 检测 1 根曲轴，客户端发现 2 处位置存在微观渣孔，微 观渣孔距离边缘 0.5 mm，大小 0.2 mm×0.4 mm，客 户端认为微观渣孔可能会影响后续表面淬火产生裂纹的 风险以及产品的使用功能，需要进行整改。 前期整改从除渣角度出发： （1）使用未生锈的回炉料和废钢进行熔炼，减少渣 图 10 间隙冷铁 + 冷筋工艺 Fig.10 Composite process of gap chill Modularization; Surface quenching crack （编辑：青松，zzgc@foundry.com.cn；编审：娅楠，yuanyajuan@foundry.com.cn）
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