CN103009020B - 一种钢制裂解连杆的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢制裂解连杆的制造方法，属于发动机零部件制造领域。铸造连杆毛坯时将预热的灰铸铁片预置于连杆体与连杆盖的连接部位空腔处，浇注时通过钢液强烈的热作用，使灰铸铁片与钢液接触的界面熔融，冷凝后灰铸铁片与钢材以冶金方式结合，制成复合连杆毛坯；实施裂解工艺时，将连杆裂解槽设置在灰铸铁片中间位置，利用灰铸铁材料的脆断性实现连杆体与连杆盖的脆断分离，断裂面上自然的三维凹凸结构保证连杆体与连杆盖的精确定位与装配。本发明可将各类普通钢材应用裂解连杆的制造，常温下实现连杆体与连杆盖的脆断分离，无需在采用机械磨削方式加工结合面，简化制造工艺，降低制造成本。

Description

一种钢制裂解连杆的制造方法

技术领域

本发明属于发动机零部件制造领域，具体涉及一种钢制裂解连杆的制造方法。

背景技术

连杆是发动机的关键零部件之一，其工作过程中承受高频交变载荷，因此连杆必须具有足够高的强度、刚度与综合机械性能。传统连杆采用分体加工法，整体锻造连杆坯件后用锯、铣、磨等方法加工连杆体和连杆盖的结合面，精加工连杆盖的定位销孔和连杆体螺栓孔后完成两者的合装。传统方法工序繁多，效率低、产品废品率高，且承载能力与质量稳定性都较差。因此，裂解加工技术逐渐成为连杆制造领域最具前景的新技术。

铸造连杆的低塑性和易脆断极适宜裂解加工技术的应用，但铸造连杆重量偏差大，机械性能较差，疲劳强度低，其使用受到限制。目前，裂解连杆生产中应用最广泛的是德国研制的C70S6高碳非调质钢，法国研制SPLITASCO系列高碳钢，此类材料可裂性好，但屈服强度较低，硬度偏高，刀具磨损快，且材料价格高昂。国内企业先后开发了钒系、锰钒系及锰钒氮系连杆用非调质钢，典型的有38MnVS、40MnV、48MnV等。但在实际应用中还存在很多问题：裂解后连杆大头孔变形过量、结合面出现明显错位、断裂面晶粒度达不到啮合要求，甚至有裂解不开等，这些问题都限制了高质量裂解连杆的制造。

为控制钢制连杆的裂解质量，提高裂解连杆合格率，目前在钢制连杆的裂解工艺上的研究主要集中于：（1）控制钢材含碳量，添加微合金元素Mn、S、Si、V、Cr、P等，并调节各成分含量以达到脆断性要求；（2）优化连杆的裂解剖分结构，并通过表面硬化处理，以形成具有晶体界面的裂解面；（3）将钢制连杆放入液氮深冷，以改变材料延展性，使其进入脆性状态，实现连杆的脆断剖分；（4）采用激光或等离子体对钢制连杆裂解区进行照射，使局部由奥氏体组织变为马氏体组织，实现连杆脆断分离。上述技术都不能从根本上解决裂解技术对连杆材料的局限，无法将中碳钢，普通锻钢等应用于裂解连杆的制造。

申请号为201210111187.3，名称为“一种裂解型连杆的制造方法”的专利提出采用在连杆毛坯内人为设置裂解面的工艺制造连杆，即在模具型腔内设置一层特殊金属箔材，使其金属液反应形成脆性界面。该技术存在如下问题：金属箔材强度低、易被氧化，若箔材两侧金属液面上升不一致、充型不平稳，对箔材冲击大，则铸件内形成的脆性界面将偏离预定位置、或无法形成脆化界面，后续或将无法实施裂解剖分。

申请号为201210111190.5，名称为“一种复合双金属裂解连杆的制造方法”的专利提出：先浇铸连杆体与连杆盖，再抽离中间隔离板后浇注裂解用金属液，制成复合连杆铸坯。该方法不实用于钢质材料，因钢质材料熔点高，易粘模，且金属冷凝收缩将对隔离板产生很大的包覆力，隔离板顺利抽离困难。

为克服上述专利技术存在的问题，本发明提出一种将灰铸铁片镶铸在钢质连杆内部，浇注时由钢液的热量将灰铸铁片与钢液基体材料冶金结合，形成复合连杆铸坯；在实施裂解工艺时，利用灰铸铁片的脆断性完成连杆体与连杆盖的裂解剖分。本发明提出的钢制裂解连杆的制造方法工艺简单，操作方便、制造成本低。

发明内容

本发明的目的是针对目前可用于制造裂解连杆的钢材种类少，普通锻钢、中碳钢裂解时出现裂不开、断面变形、裂纹分叉等裂解问题，提供一种钢制连杆内镶铸灰铸铁的方法，以解决裂解技术对连杆选材的局限，改善连杆裂解质量。

基于此目的，本发明的技术方案是：一种钢制裂解连杆的制造方法，其特征在于，铸造连杆毛坯时将预热的灰铸铁片预置于连杆体与连杆盖的连接部位空腔处；浇注时通过钢液强烈的热作用，使灰铸铁片与钢液接触的界面熔融，冷凝后灰铸铁片与钢材以冶金方式结合，制成复合连杆毛坯；然后在连杆的灰铸铁材料区开设裂解槽，采用裂解设备使连杆体与连杆盖在灰铸铁材料区内完成脆断剖分，利用断裂面上自然的三维凹凸结构特征完成连杆体-盖的精确定位与装配。

一种钢制裂解连杆的制造方法，具体步骤为：

A）铸造连杆毛坯时将预热的灰铸铁片3预置于连杆体1与连杆盖2的连接部位空腔处；

B）浇注时通过钢液的热作用，使灰铸铁片3与钢液接触的界面熔融，冷凝后灰铸铁片3与钢材以冶金方式结合，制成复合连杆毛坯；

C）扩散退火/正火处理；

D）以上制成的复合连杆毛坯或进行锻造，调质热处理；

E）在连杆的灰铸铁材料区开设裂解槽4，用裂解设备使连杆体1与连杆盖2在灰铸铁材料区内完成脆断剖分；

F）利用脆断剖分断裂面上自然的三维凹凸结构特征完成连杆体-盖的精确定位与装配。

连杆毛坯采用砂型铸造、熔模铸造、消失模铸造。

灰铸铁材料含碳量质量百分比为2.2~4.0%，熔点为1100~1300℃，镶嵌的灰铸铁片厚度为0.1mm~10mm。为增加灰铸铁与母材的结合强度，将镶嵌的灰铸铁片制作为包括前表面、与前表面对应的后表面和四个侧面，其中将直接接触连杆体与连杆盖的侧面上切割有一贯通的V形凹槽，或将直接接触连杆体与连杆盖的侧面外形制成锯齿形结构。

浇铸前预先对铸型进行预热，使铸型内部镶嵌的灰铸铁充分预热至400~900℃，以避免金属液与灰铸铁接触时因热应力和相变应力而产生界面裂纹，从而提高母材与灰铸铁界面的冶金结合质量。

所述的一种钢制裂解连杆的制造方法，其特征在于，所述步骤A）、B）替换为，铸造连杆毛坯时，先在连杆体1与连杆盖2型腔处浇注钢液，待钢液冷凝至半凝固状态时，抽去隔板，浇注灰铸铁铁水，使灰铸铁与钢材以冶金方式结合，制成复合连杆毛坯。

以上制成的复合连杆毛坯或进行锻造后再进行裂解工艺加工。

裂解连杆的制造工艺包括：铸造连杆毛坯；扩散退火/正火；锻造；调质热处理；加工裂解槽、裂解剖分及重新装配。

本发明的有益效果：（1）在连杆体与连杆盖的结合区镶铸一层灰铸铁，利用灰铸铁的低塑性、易脆断性满足连杆裂解加工技术要求，突破裂解技术对连杆材料的局限，增加连杆材料的可选范围，降低制造成本，可将连杆的重量精度控制在1.5%。（2）在连杆的灰铸铁材料区实施裂解工艺，减小裂解过程中的裂解力，可有效改善连杆裂解过程中出现的撕裂、裂不开、掉渣、断裂面错位、连杆大头变形等问题。（3）采用熔模铸造、消失模铸造来完成裂解连杆的精密成形，其几何形状、尺寸精度接近连杆成品尺寸，减少了加工费用，降低刀具磨损及能源消耗。（4）连杆结构设计时无需考虑预留切割余量、结合面磨削余量，因此连杆结构设计简化、螺栓孔加工精度与成本降低。

附图说明

图1 带有灰铸铁镶片的连杆示意图。

图2 连杆消失模铸造工艺流程图。

图3 连杆熔模铸造模壳示意图。

图4 连杆熔模铸造流程图。

图中，1连杆盖，2连杆盖，3灰铸铁片，4裂解槽，5连杆螺栓，6冒口，7直浇道，8感应线圈，9砂型，10内浇道,  11螺钉，12连杆模壳。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明的技术方案，但不能理解为这些实例是对技术方案的限制。

实施例1：

实施例1采用消失模铸造工艺制造连杆坯件。连杆主材料选择中碳钢40Cr,其价格适中，加工容易，经热处理后可制造承受高负荷、冲击的连杆零件，由于其韧性较大，室温条件不能实现脆断裂解，不能用于裂解连杆的制造。灰铸铁选择HT200，其塑性与韧性远低于钢，易于脆断剖分，其熔点为1145~1250℃。

图 2 为连杆消失模铸造工艺图，连杆垂直布置，连杆大头朝下，小头朝上，连杆体1、连杆盖2和浇注系统内浇道10采用消失模型，冒口6和直浇道7采用木模直接造型。铸型制造时，首先制作连杆的聚苯乙烯泡沫塑料模的模具，再用该模具制作连杆的泡沫塑料模，然后在连杆的泡沫塑料模的连杆体1与连杆盖2的结合部位开设一个矩形空腔，用来安装灰铸铁片3，保证灰铸铁片3的长度超出连杆盖2两侧3~10mm；然后在泡沫塑料模上粘贴浇注系统内浇道10、并涂敷耐火涂料，将其放入温度为50℃的烘房烘干已粘贴完工的整体消失模；将烘干的整体消失模埋入干砂中，在振动频率为50~60HZ、振幅为1-2mm参数范围内进行振实，并采用木模直接制出冒口6与直浇道7，完成消失模铸型的制作。

灰铸铁片3预先采用稀盐酸清洗，除去表面氧化皮，并在外表面涂敷一层抗氧化保护剂，然后镶嵌在消失模型连杆体1与连杆盖3连接部位。浇铸前将整个砂型放入到感应圈内，采用感应加热对连杆铸型进行预热，在预热过程中，泡沫塑料模型受热汽化，当灰铸铁片3预热至300~800℃时，将熔炼好的合金钢液浇入铸型，直至冒口被充满，钢液以高于其液相线温度30~80℃浇铸。待铸件冷却后，将砂型整体从感应线圈内吊出，破砂取件。

通过试验分析，从结合界面处得微观组织形貌可看出，界面处发生了明显的冶金反应，灰铸铁片两侧材料与母材结合紧密，无明显裂纹和孔洞。实施裂解工艺时，首先粗加工连杆大头孔，在连杆大头的灰铸铁3中间开设裂解槽4，采用裂解设备使连杆体1与连杆盖2完成分离。裂解时连杆内镶嵌的灰铸铁3表现出优异的脆断性，且连杆大头孔变形小，断面上形成犬齿交错结构，可实现连杆体1与连杆盖2的定位面，完成两者的精确合装。由于灰铸铁的镶如，有效的减少了连杆裂解时单边撕裂、裂解不开、大头孔变形等问题。

实施例2 ：

实施例2采用熔模铸造工艺制造钢制连杆坯件。连杆主材料选择中碳钢40Cr,其价格适中，加工容易，经热处理后可制造承受高负荷、冲击的连杆零件，由于其韧性较大，室温条件不能实现脆断裂解，不能用于裂解连杆的制造。灰铸铁选择HT200，其塑性与韧性远低于钢，易于脆断剖分，其熔点为1145~1250℃。

采用熔模铸造工艺，首先依照要制造的连杆造型，制作连杆的蜡模，并在连杆蜡模上的连杆体1与连杆盖2的连杆部位开设一个矩形空腔，用来安装灰铸铁片3，并将浇口棒及内浇道粘接在连杆蜡模上，制成蜡模模组。灰铸铁片3在嵌入蜡模前要采用稀盐酸清洗，除去表面氧化皮，并在外表面涂敷一层抗氧化保护剂，保护剂为硼酸或氧化稀土；灰铸铁片3嵌入到蜡模内后两端分别拧入低熔点螺钉11，并将螺钉11伸出蜡模外壁3~6mm；然后将连杆模组表面蘸上耐火材料水玻璃或硅酸胶与细砂的混合物，再粘浆、洒上耐火砂，保证表面砂层有2~5mm厚；待其干燥固化后，将整个模组加热至60~80℃，把融化的蜡料从浇口处脱出，制成模壳体12，如图3所示；浇铸前将模壳体加热至700~900℃，将熔炼好的合金钢热从浇注口注入，钢液以高于其液相线温度30~80℃浇铸。冷凝后形成内镶铸铁片的复合铸件，人工脱壳并切除浇冒口。

通过试验分析，从结合界面处得微观组织形貌可看出，界面处发生了明显的冶金反应，灰铸铁片两侧材料与母材结合紧密，无明显裂纹和孔洞。实施裂解工艺时，首先粗加工连杆大头孔，在连杆大头的灰铸铁3中间开设裂解槽4，采用裂解设备使连杆体1与连杆盖2完成分离。裂解时连杆内镶嵌的灰铸铁3表现出优异的脆断性，且连杆大头孔变形小，断面上形成犬齿交错结构，可实现连杆体1与连杆盖2的定位面，完成两者的精确合装。由于灰铸铁的镶如，有效的减少了连杆裂解时单边撕裂、裂解不开、大头孔变形等问题。

Claims (4)

1.一种钢制裂解连杆的制造方法，其特征在于，具体步骤为：

A）铸造连杆毛坯时将预热的灰铸铁片（3）预置于连杆体（1）与连杆盖（2）的连接部位空腔处；所述灰铸铁片（3）的材料含碳量质量百分比为2.2~4.0%，熔点为1100~1300℃，所述灰铸铁片（3）厚度为0.1mm~10mm，所述灰铸铁片（3）为经过镀镍处理；

B）浇注时通过钢液的热作用，使灰铸铁片（3）与钢液接触的界面熔融，冷凝后灰铸铁片（3）与钢材以冶金方式结合，制成复合连杆毛坯；

C）扩散退火/正火处理；

D）以上制成的复合连杆毛坯，调质热处理；

E）在连杆的灰铸铁材料区开设裂解槽（4），用裂解设备使连杆体（1）与连杆盖（2）在灰铸铁材料区内完成脆断剖分；

F）利用脆断剖分断裂面上自然的三维凹凸结构特征完成连杆体-盖的精确定位与装配。

2. 根据权利要求1所述的一种钢制裂解连杆的制造方法，其特征在于，所述连杆毛坯采用砂型铸造、熔模铸造或消失模铸造。

3. 根据权利要求1或2所述的一种钢制裂解连杆的制造方法，其特征在于，所述灰铸铁片（3）接触连杆体与连杆盖的侧面上切割有一贯通的V形凹槽，或将接触连杆体与连杆盖的侧面制成锯齿形。

4. 根据权利要求1所述的一种钢制裂解连杆的制造方法，其特征在于，所述步骤A）、B）替换为，铸造连杆毛坯时，先在连杆体（1）与连杆盖（2）型腔处浇注钢液，待钢液冷凝至半凝固状态时，抽去隔板，浇注灰铸铁铁水，使灰铸铁与钢材以冶金方式结合，制成复合连杆毛坯。