针对球墨铸铁件承受的负荷越来越高的现状及铸件综合质量、工艺、成本、能耗、效益、清洁生产和技术装备等方面与发达国家的差距，天润曲轴股份有限公司(下简称：天润曲轴)提出了基于高载荷工况的球墨铸铁关键制造技术并加以研究应用，获得了微锡代钼合金化及孕育技术、铁水共晶点控制技术、密封正压无氧球化技术及球铁曲轴产业化新技术共四项关键共性技术研究成果。实现了高载荷工况下球墨铸铁件的高质量、高可靠性，成功降低了引起失效的各种缺陷比率和生产成本，减少了资源消耗，减轻了环境污染。
微锡代钼合金化及孕育技术
采用合金化处理是生产高牌号铸件的一个重要途径，国内外通常采用Cu+Mo组合进行合金化，但钼元素为贵重金属，并且为国家战略物资，另外钼是一种强碳化物形成元素，易在晶界偏析，热处理后也很难完全消除，钼的加入会降低铸件韧性。
通过对Cu、Mo、Ni、Sn进行组合试验，确定了最佳合金化组合，实现了微锡代钼合金化及孕育技术，达到提高铸件质量及减少贵重金属使用量的目的。
铁水共晶点控制技术
为增强铸件的自补缩能力，减少铸件缩孔、缩松废品，一般将铁水碳当量控制在理论共晶点附近。目前，国内外普遍采用C+1/3Si计算碳当量CE值，没有考虑微量元素对铁水共晶点的影响，造成铁水实际碳当量偏离了共晶点，铸造性能变差，铸件质量波动较大，缩松、缩孔缺陷严重。根据相关资料，对于阻碍石墨化元素可使共晶点右移，碳当量CE值降低；对于促进石墨化元素可使共晶点左移，碳当量CE值升高。通过铁水凝固曲线，研究微量元素对共晶点的影响，实现了铁水共晶点控制技术。
密封正压无氧球化技术
铸造生产长期沿用冲入法进行铁水球化处理，球化剂中镁元素烧损严重，球化剂使用量大；球化质量不稳定，组织内含有大量片状和蠕虫状石墨，影响性能；处理过程温度损失大，渣量多，铸造废品率高。
天润曲轴依据球化剂中的镁元素高温气化的特点，研发出集球化、浇注为一体的铁水包，开发出适合大批量流水作业的密封球化成套装置(如图1所示)。球化处理在密封的包内进行，球化剂遇1450℃以上高温铁水发生剧烈反应，产生大量镁蒸气，包内压力瞬间上升，形成正压，使球化反应在正压无氧状态下进行，防止了镁的氧化烧损，减少了渣的形成，球化质量稳定可控。
与冲入法球化相比，铁水温度损失由原来的70℃下降到40℃ ，有利于夹杂物上浮，减少夹渣缺陷；镁的吸收率由原来30%~40%提高到64%，球化剂平均加入量减少50%；球化率高于90%，石墨球圆整，球化质量好，显著提高了产品质量。
当前，生产球墨铸铁时广泛采用冲入法球化。冲入法球化操作简单，但球化过程中由于镁、稀土氧化烧损大、吸收率低，需要加入大量球化剂，球化反应后形成大量固态和液态渣，造成清理困难及夹渣、气孔缺陷，严重影响球铁质量的提升，并且生产时产生大量烟、光、尘污染。
为解决冲入法球化的弊端，部分企业采用盖包球化。但球化包、浇注包为不同的包体，球化后需进行倒包，铁水温度降低很大，需要提高原铁水的温度保证铸件质量，造成能源浪费较大。另外原铁水温度太高易造成球化衰退，铸件质量无法稳定控制。并且无论冲入法还是盖包法其包体设计均不能有效解决粘渣的问题。
鉴于此，天润曲轴设计开发了集密封球化及浇注为一体的茶壶式复合包，使球化过程平稳，增加球化剂吸收率，避免了铁水倒包过程中的热量损失。在保证浇铸温度的条件下，电炉中的原铁水保温温度可降低30℃左右，可以节约部分电能消耗,并突破了普通茶壶包包嘴易粘渣的难题，有效地减少了夹渣废品。
球铁曲轴产业化新技术
1.曲轴的无型芯铸造技术如图2所示，工装设计时以主轴与a、f连杆轴颈中心线形成的截面作为分型面，对于无法起模的连杆轴颈b、c、d、e部分，以平行于分型面的截面由各自连杆轴颈中心线始向分型面适当位移，将连杆轴颈分成两型，特别设计了补贴与圆弧型拔模斜度，圆弧型拔模斜度在造型过程中完全避免了尖角砂，消除了掉砂问题，同时圆弧面可以增加砂型强度，防止了起模掉砂，这样原先由芯子形成部分在造型时自动形成，取消了型芯，改善了温度场，并在此基础上设计新的浇注系统，实现控制凝固。省去了制芯、下芯、下冷铁三道工序，实现了无型芯铸造。该项技术简化了操作工序，避免夹砂，减少气孔等铸造缺陷。
2.曲轴组织均匀化热处理技术与装备
通常正火方式是工件采用箱式电炉加热，出炉温度达800℃以上，工件出炉后平放风雾冷却。风雾只能从一个方向吹向工件如图3(a)，工件正对风雾方向和背面存在阴阳面，冷却不均匀。正火后各部位珠光体含量、珠光体片间距和晶粒大小均存在很大差异如图3(b)，导致工件不同部位性能差异很大。同时，冷却条件不同，组织应力和热应力也存在很大差异，造成工件变形。
研发的自动连续冷却生产线，工件垂直悬挂加热，冷却时工件旋转如图3(c)，侧向喷雾，自动调节风雾量。使各部位冷却均匀一致，正火后的珠光体组织细小均匀如图3(d)，保证了材料性能均匀一致，本体硬度差由50HBW降低到20HBW以内。同时，均匀冷却后工件的热应力和组织应力分布均匀，减少了工件变形。悬挂式连续自动生产线取代了箱式电炉采用自动控制系统，实现了工件自动入炉、出炉、控制冷却至500℃，自动进入回火炉，实现连续稳定生产。
应用前景
通过四种技术的综合应用，铸件的机械性能及微观组织均得到了极大的提高。经批量验证，球铁抗拉强度稳定达到900MPA以上，伸长率稳定达到3％以上，石墨球化级别2级，球径大小6级。铸件缩松废品率由1.5％降低到0.2％，呛火、气孔废品率降低到7.5％。同时大大降低了铸件生产成本，减少了资源消耗和环境污染，减轻了工人劳动强度。
我国球铁件产量世界第一，但质次、价低、能耗高。该系列铸造技术可推广到汽车、工程机械、农业机械、风力发电、大型机床、机器人等行业生产大型及高强度铸件。应用该系统技术可显著地提高质量，降低消耗。推广后预计年可降低成本18.8亿元，并可大大降低球化过程中产生的烟、光、尘等污染，对提升我国制造装备业水平具有重大意义。
