一种发动机凸轮轴的材料配方

摘要

本发明公开了一种发动机凸轮轴的材料配方，所述材料配方按重量百分数为：Al：20‑35％、C：3.2‑4.2％、Si：1.9‑2.9％、Mn：0.2‑0.6％、Cu：0.2‑0.6％、P：0.02‑0.15％、S：0.02‑0.15％、纳米Ni粉：0.2‑0.35％，其余为Fe和不可能避免的杂质。本发明能够克服现有技术中凸轮轴的质量较重，耐磨性能不好的问题。

权利要求

1.一种发动机凸轮轴材料，其特征在于：所述材料原料按重量百分数为Al：27％、C：

3.7％、Si：2.45％、Mn：0.4％、Cu：0.4％、P：0.075％、S：0.075％、纳米Ni粉：0.27％、硅镁合金0.4％，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种发动机凸轮轴材料，其特征在于：所述材料原料中还加入V：0.3-0.7％、Cr：0.75-1.35％。

3.根据权利要求2所述的一种发动机凸轮轴材料，其特征在于：所述材料原料中V的加入量为0.5％，Cr的加入量为1％。

4.根据权利要求3所述的一种发动机凸轮轴材料，其特征在于：所述材料原料中，Al以电解铝粉的形式加入，C以石墨的形式加入，Si以含量为30-80％的硅铁加入，Mn以含量为

35-85％的锰铁加入，Cu采用电解铜粉或FeCu合金形式加入，P以含量为10-40％的磷铁加入，S以硫化铁的形式加入，V以钒铁的形式加入，Cr以含量为20-70％的高碳铬铁，Fe采用雾化铁粉加入。

5.根据权利要求4所述的一种发动机凸轮轴材料，其特征在于：所述电解铝粉的重量百分数为25％，纳米Ni粉的质量百分数为2％。

6.根据权利要求5所述的一种发动机凸轮轴材料，其特征在于：所述纳米Ni粉和电解Al粉的粒径均为2-10nm。

7.根据权利要求6所述的一种发动机凸轮轴材料，其特征在于：所述硅镁合金中，按质量百分数，硅含量75％，镁含量25％。

说明书

一种发动机凸轮轴的材料配方

技术领域

[0001] 本发明涉及汽车零配件制造技术领域，尤其涉及一种发动机凸轮轴的材料配方。

背景技术

[0002] 凸轮轴是汽车发动机配气机构中重要的零件,凸轮轴的结构设计与加工质量好坏,直接影响着发动机的性能。近年来,因环境保护的需要,正在开发低油耗、低污染的发动机；为了解决汽车尾气无污染排放问题,实现发动机的高转速、高输出功率,许多发动机采用多气门及配气相位、气门升程可变的结构,这就增加了气门弹簧的载荷；同时,为了降低油耗及摩擦损耗,凸轮与摇臂间采用滚子结构,凸轮与滚子的接触面形成高压力区,这对凸轮轴运动的平稳性、动平衡、耐磨性能及抗扭强度提出了更高的要求；另外,为了达到汽车轻型化、低成本的目的,在不影响各个零件性能要求的前提下,应该使零件尽可能简化加工、降低重量,使用更趋合理的材料。

[0003] 目前，发动机凸轮轴材料的主要成分是铁，因为铁的密度较大，使用其生产出来的凸轮轴一般重量较重，并且耐磨性一般较差，要解决这个问题，很多材料中考虑在铸造凸轮轴的时候加入密度低、低价也储量丰富的铝元素，铝元素的性质与铁类似，但是经试验发现铁、铝、碳的合金非常的脆，虽然在合金中再加入锰元素有助于缓解这个问题，但仍然不能让满足生产凸轮轴的要求。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种发动机凸轮轴的材料配方，能够克服现有技术中凸轮轴的质量较重，耐磨性能不好的问题。

[0005] 本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

[0006] 一种发动机凸轮轴的材料配方，所述材料配方按重量百分数为：Al：20-35％、C：3.2-4.2％、Si：1.9-2.9％、Mn：0.2-0.6％、Cu：0.2-0.6％、P：0.02-0.15％、S：0.02-0.15％、纳米Ni粉：0.2-0.35％，其余为Fe和不可能避免的杂质。

[0007] 在材料配方中，C是强烈促进石墨化元素，有助于增加钢材的强度；Si可以通过增加硅量来降低冷激白口深度和缩短马口深度，并调整柱状晶粒组织长短，有助于增强强度；Mn是碳化物的稳定剂，有助于生成纹理结构，增加坚固性和强度及耐磨损性；Cu是一种促进石墨化的元素，可抵消其他元素的白口化倾向大的不利影响，有利于保证铁液的铸造工艺性能，同时铜也是一种稳定基体中珠光体组织的元素，可以强化基体；P和S通常是有害元素，使钢热脆性大，但可以增加凸轮轴合金的强度；Al是一种轻元素，可以使整个合金材料密度降低，减轻凸轮轴的质量，加入纳米Ni粉，在退火时，纳米Ni可以与部分铝通过价位共用，反应形成纳米范围的Al-Ni金属晶体，Al-Ni晶体能够抵御剪切应力，可以阻止微小的裂纹扩散到整个材料，从而达到强化的目的，使得凸轮轴的耐磨性更强；在材料配方熔化为铸水的时候，因为Al、Fe等金属化学性质比较活泼，尤其是Al，在处于高温铸水下容易与空气中的氧气发生氧化反应，生成金属氧化物，而金属氧化物的出现就会影响凸轮轴的强度。

[0008] 达到的技术效果是：1、本方案通过在材料配方中加入了较大比例的Al这一轻元素，使得整个凸轮轴的重量可以减少20-30％，凸轮轴质量更轻，达到汽车轻型化的目的；2、本方案在加入Al的同时，加入纳米Ni粉，在退火时，纳米Ni可以与部分铝反应形成纳米范围的Al-Ni金属晶体，Al-Ni晶体能够抵御剪切应力，可以阻止微小的裂纹扩散到整个材料，从而达到强化的目的，使得凸轮轴的耐磨性更强。

[0009] 进一步，所述材料配方中，按质量百分数还包括硅镁合金0.2-0.6％。在配方中加入硅镁合金，硅镁合金中的镁的化学性质较Al更为活泼，其能够优先于铝发生氧化反应，发生氧化反应的硅镁合金可以起到球化、脱硫去气的效果，能提高铸水纯洁度，还能与砷、锌、铅、等低熔点杂质起作用生成熔点较低的不熔于铁化合物，从而消除这些杂质，在后期孕育时，能起到防止干扰元素破坏球化的作用，提高凸轮轴的强度。

[0010] 进一步，所述材料配方按重量百分数为Al：25-30％、C：3.5-3.9％、Si：2.1-2.7％、Mn：0.3-0.5％、Cu：0.3-0.5％、P：0.05-0.1％、S：0.05-0.1％、纳米Ni粉：0.25-0.3％、硅镁合金0.3-0.5％，其余为Fe和不可能避免的杂质。

[0011] 进一步，所述材料配方按重量百分数为Al：27％、C：3.7％、Si：2.45％、Mn：0.4％、Cu：0.4％、P：0.075％、S：0.075％、纳米Ni粉：0.27％、硅镁合金0.4％，其余为Fe和不可避免的杂质。

[0012] 进一步，所述材料配方中还加入V：0.3-0.7％、、Cr：0.75-1.35％。钒的加入可以增强凸轮轴的抗磨损能力；铬的加入为增加白口层深度有效元素，使组织变粗、麻口区僧度增加，不仅可以增加凸轮轴的耐磨损性和硬度，还可以增强凸轮轴的耐腐蚀性。

[0013] 进一步，所述材料配方中V的加入量为0.5％，Cr的加入量为1％。实验表明，如此的比例，凸轮轴的抗磨损性能和耐腐蚀性能更好。

[0014] 进一步，所述材料配方中，Al以电解铝粉的形式加入，C以石墨的形式加入，Si以含量为30-80％的硅铁加入，Mn以含量为35-85％的锰铁加入，Cu采用电解铜粉或FeCu合金形式加入，P以含量为10-40％的磷铁加入，S以硫化铁的形式加入，V以钒铁的形式加入，Cr以含量为20-70％的高碳铬铁，Fe采用雾化铁粉加入。

[0015] 进一步，所述电解铝粉的重量百分数为25％，纳米Al粉的质量百分数为2％。

[0016] 进一步，所述纳米Ni粉和纳米Al粉的粒径均为2-10nm。

[0017] 进一步，所述硅镁合金中，按质量百分数，硅含量75％，镁含量25％。

[0018] 本发明的有益效果：

[0019] (1)、本方案通过在材料配方中加入了Al这一轻元素，使得整个凸轮轴的重量可以减少20-30％，凸轮轴质量更轻，达到汽车轻型化的目的；

[0020] (2)、本方案在加入Al的同时，加入纳米Ni粉，在退火时，纳米Ni可以与部分铝反应形成纳米范围的Al-Ni金属晶体，Al-Ni晶体能够抵御剪切应力，可以阻止微小的裂纹扩散到整个材料，从而达到强化的目的，使得凸轮轴的耐磨性更强；

[0021] (3)本方案在配方中加入硅镁合金，使得铸水的主要成分在空气中不易氧化，并且硅镁合金能与砷、锌、铅、等低熔点杂质起作用生成熔点较低的不熔于铁化合物，从而消除这些杂质，在后期孕育时，能起到防止干扰元素破坏球化的作用，提高凸轮轴的强度；

[0022] (4)、本方案不仅质量轻，耐磨性能好，并且耐腐蚀性能也好，凸轮轴的使用寿命长。

具体实施方式

[0023] 下面针对本方案的发动机凸轮轴的材料配方，进行以下实施例实验，如表1所示：

[0024] 表1实施例1-实施例11发动机凸轮轴的材料配方表

[0025]

[0026] 实施例1：

[0027] 一种发动机凸轮轴的材料配方，所述材料配方按重量百分数为电解Al：25％、纳米Al粉：2％、C：3.7％、Si：2.45％、Mn：0.4％、Cu：0.4％、P：0.075％、S：0.075％、纳米Ni粉：0.27％、V：0.5％，Cr：1％、硅镁合金0.4％、Fe：63.73％；C以石墨的形式加入，Si以含量为
30-80％的硅铁加入，Mn以含量为35-85％的锰铁加入，Cu采用电解铜粉或FeCu合金形式加入，P以含量为10-40％的磷铁加入，S以硫化铁的形式加入，V以钒铁的形式加入，Cr以含量为20-70％的高碳铬铁，Fe采用雾化铁粉加入；其中纳米Ni粉和纳米Al粉的粒径均为2-
10nm。

[0028] 实施例2-实施例11:

[0029] 与实施例1相比，实施例2-实施例11的区别在于按照表1的参数进行发动机凸轮轴合金材料的铸造。

[0030] 其中：具体的制备方法如下：

[0031] 本发动机凸轮轴材料制备凸轮轴的制备方法：

[0032] 步骤1、根据上述组合式粉末材料成分称取原料粉末，采用雾化法处理原料粉末，其中：C以石墨的形式加入，Si以含量为30-80％的硅铁加入，Mn以含量为35-85％的锰铁加入，Cu采用电解铜粉或FeCu合金形式加入，P以含量为10-40％的磷铁加入，S以硫化铁的形式加入，V以钒铁的形式加入，Cr以含量为20-70％的高碳铬铁，Fe采用雾化铁粉加入；

[0033] 步骤2、选用中频感应电炉熔炼铁液，加入步骤1中各原料进行熔炼，熔炼时，铁液过热到1500℃，立即停电降温，到1450℃，用0.2％-0.4％75硅铁(粒度5～10mm)孕育；

[0034] 步骤3、待温度降至1400℃±25℃,使用开放式浇注系统进行浇铸，浇铸时间控制在11±3s内。

[0035] 对比实施例：

[0036] 该凸轮合金成分为C 3％，Cr 6％，Mo 0.9％，P 0.45％，Cu 3％，Si 0.9％，Mn 0.25％，Ti 0.01％，余量为Fe。此配方为常规的凸轮轴铸造的材料配方。

[0037] 上述组合式粉末冶金中空凸轮轴凸轮材料的制备方法：

[0038] 步骤1、根据上述组合式粉末材料成分称取原料粉末，采用雾化法处理原料粉末；

[0039] 步骤2、选用中频感应电炉熔炼铁液，加入步骤1中各原料进行熔炼，熔炼时，铁液过热到1500℃，立即停电降温，到1450℃，用0.2％-0.4％75硅铁(粒度5～10mm)孕育；

[0040] 步骤3、待温度降至1400℃±25℃,使用开放式浇注系统进行浇铸，浇铸时间控制在11±3s内。

[0041] 根据以上表1实施例和对比实施例做出的凸轮轴合金材料，分别对合金材料进行密度测定、使用恒仪HR-150B加高硬度计进行硬度测定、使用浩诚NM-I耐磨试验机对各个实施例的凸轮轴合金材料进行耐磨试验，具体试验数据如下表2所示：

[0042] 表2实施例1-实施例11和对比实施例的凸轮轴合金的测试数据表

[0043] 实施例 密度(g/cm3) 硬度(HRC) 耐磨性(mg/cm2)1 5.48 75 1.354
2 5.49 70 1.658
3 5.6 68 1.754
4 5.52 70 1.654
5 5.44 71 1.564
6 5.99 69 1.687
7 5.69 71 1.551
8 5.34 72 1.498
9 5.04 69 1.689
10 5.49 72 1.495
11 5.47 70 1.364
对比实施例 7.45 64 2.387

[0044] 从表2对凸轮轴合金的测试数据可以看出：

[0045] 1、从实施例1-实施例11与对比实施例的对比，可以看出，本方案实施例1-实施例11的凸轮轴的材料配方加工出的凸轮轴其密度均低于对比实施例的现有技术，生产出的凸轮轴质量更轻，但本方案的硬度对比现有技术更大，耐磨性更好；

[0046] 2、从实施例1和实施例2对比，可以看出，在本方案的材料配方中，添加纳米Al粉有助于提高凸轮轴合金的硬度和耐磨性；

[0047] 3、从实施例1与实施3-5对比，可以看出，在本方案的材料配方中，添加V和Cr有助于提高凸轮轴合金的硬度和耐磨性，并且质量分数V：0.5％和Cr：1％时，凸轮轴合金的硬度和耐磨性更好；

[0048] 4、从实施例1与实施例6-9对比，可以看出，在本方案的材料配方中，Al：27％、C：3.7％、Si：2.45％、Mn：0.4％、Cu：0.4％、P：0.075％、S：0.075％、纳米Ni粉：0.27％、V：
0.5％，Cr：1％，余量为Fe的配方所加工出的凸轮轴合金其硬度和耐磨性更好；

[0049] 5、从实施例1与实施例10对比，可以看出，在本方案的材料配方中，Al和Ni粒径采用2-10nm，有助于提高加工出凸轮轴的硬度和耐磨性。

[0050] 6、从实施例1与实施例11对比，可以看出，在本方案的材料配方中，加入铝镁合金可以提高凸轮轴的硬度和耐磨性。

[0051] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。