發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸熱處理工藝開發(fā)

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要旋轉(zhuǎn)機(jī)件，它負(fù)責(zé)將活塞的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨淼膱A周運(yùn)動(dòng)。曲軸受力大且復(fù)雜，同時(shí)曲軸又是高速旋轉(zhuǎn)件，因此要求具有足夠的剛度、強(qiáng)度和平衡度，具有良好的承受沖擊載荷的能力，耐磨損和潤(rùn)滑良好。本文通過分析42CrMoH合金鋼曲軸原材料化學(xué)成分、實(shí)物尺寸及技術(shù)要求，優(yōu)化改進(jìn)熱處理方式及擺放，實(shí)物取樣后具有良好的綜合性能，成功開發(fā)出最優(yōu)工藝并達(dá)到最小變形量，滿足了客戶的技術(shù)要求。
 

表1 42CrMoH曲軸化學(xué)成分含量（%）

圖1 42CrMoH曲軸示意圖

引言

42CrMoH發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸是我公司為韓國(guó)農(nóng)用貨車市場(chǎng)開發(fā)的一種汽油發(fā)動(dòng)機(jī)四拐曲軸，年需求量達(dá)萬(wàn)余件，是我公司主打產(chǎn)品之一，曲軸外形如圖1所示。原材料棒料下料后經(jīng)鍛造、熱處理后進(jìn)行實(shí)物解剖，檢驗(yàn)曲軸本體的機(jī)械性能、金相組織、淬硬層深度等，看是否滿足客戶需求。

原材料及產(chǎn)品技術(shù)要求

原材料

材質(zhì)為42CrMoH，原材料為符合GB/T 5216-2014《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》要求的熱加工用表面磨光料，化學(xué)成分要求及實(shí)測(cè)含量，見表1。

鋼的非金屬夾雜物，按GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物顯微評(píng)定方法》的JK標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖評(píng)定，具體要求及實(shí)測(cè)，見表2。

鋼的低倍組織要求應(yīng)符合GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定，其中鋼的中心疏松、一般疏松、偏析均不大于2.5級(jí)，按GB/T 1979-2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖》評(píng)級(jí)，具體要求及實(shí)測(cè)含量，見表3。

鋼中晶粒度應(yīng)在GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》規(guī)定的系列圖片Ⅰ的6～10級(jí)，實(shí)測(cè)含量達(dá)到6.5級(jí)。GB/T 13299-1991《鋼的顯微組織檢驗(yàn)方法》中規(guī)定的帶狀組織不大于2級(jí)，實(shí)測(cè)含量達(dá)到1級(jí)。

產(chǎn)品技術(shù)要求

⑴熱處理達(dá)到的技術(shù)要求：曲軸要求調(diào)質(zhì)態(tài)交貨，實(shí)物取樣達(dá)到的技術(shù)要求見表4。

⑵其中拉伸試驗(yàn)以及沖擊試驗(yàn)均為兩組，淬透層深度通過曲軸指定部位的硬度梯度進(jìn)行反映，相關(guān)試驗(yàn)的取樣位置要求如圖2所示。

表2 42CrMoH曲軸非金屬夾雜物

表3 42CrMoH曲軸低倍組織

表4 42CrMoH曲軸技術(shù)要求

圖2 42CrMoH曲軸取樣示意圖

熱處理工藝分析及工藝試驗(yàn)

工藝分析

⑴材料分析。

42CrMoH屬于淬透性較高的優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，強(qiáng)度高、韌性好，淬火變形小，熱處理后能夠獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。

⑵熱處理方式及冷卻選擇。

考慮到42CrMoH具有優(yōu)良的淬透性，雖然曲軸形狀復(fù)雜且在實(shí)物指定部位雙倍取樣進(jìn)行機(jī)械性能、金相等試驗(yàn)難度較高，但綜合考慮，熱處理采用爐溫均勻性達(dá)到±10℃以內(nèi)的臺(tái)車式電爐進(jìn)行加熱保溫，先正火以優(yōu)化鍛后組織，再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，淬火采用油冷，回火采用水冷。

⑶裝爐、變形要求。

曲軸總長(zhǎng)549mm，兩端及各平衡塊間截面在35～95mm范圍內(nèi)變化較大，要求熱處理后曲軸的直線度不大于1.2mm，否則要冷校直并去應(yīng)力回火，裝爐方式采用曲軸平放于專用工裝內(nèi)，以減少熱處理變形。

表5 42CrMoH曲軸工藝試驗(yàn)結(jié)果

圖3 42CrMoH曲軸裝爐示意圖

工藝試驗(yàn)

42CrMoH原材料為用戶來料，由于試鍛原材料不足，且急于驗(yàn)證鍛造質(zhì)量，所以鍛造的四件曲軸中兩件42CrMoH，兩件42CrMoA。采用電爐與其他產(chǎn)品配爐熱處理，分別進(jìn)行實(shí)物解剖及相關(guān)試驗(yàn)以作對(duì)比。

由于曲軸指定拉伸試棒取樣部位較窄，只能取兩套直徑為φ5mm的拉伸試棒，得到的機(jī)械性能及金相組織等數(shù)據(jù)見表5。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析：42CrMoH相對(duì)于42CrMoA具有極高的淬透性，相同的熱處理參數(shù)條件下，獲得的組織同為回火索氏體，卻得到較高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度，淬透層深度通過距表面4mm、8mm、12mm處各檢查一點(diǎn)的HB硬度值都超過了上限330HB的要求值，相對(duì)的伸長(zhǎng)率、收縮率和沖擊值富余量不高，可以看出整支42CrMoH曲軸已完全淬透，也可反映曲軸選擇42CrMoH為原材料的必要性。

通過專用樣板檢測(cè)變形量達(dá)到2.1mm左右，分析原因是裝爐方式不合理及熱處理工裝形狀不符合要求導(dǎo)致熱處理變形較大。

批量生產(chǎn)熱處理工藝制定及試制

熱處理工藝制定

42CrMoH曲軸生產(chǎn)工藝流程為下料→加熱→模鍛→切邊、熱校正→檢查→拋丸→打磨→探傷、打磨→檢查→熱處理→硬度檢查→性能檢測(cè)→拋丸→探傷、打磨→檢查→打標(biāo)記→冷校正→去應(yīng)力回火→拋丸→防銹、包裝。由于曲軸尺寸復(fù)雜截面變化較大，為去除鍛造產(chǎn)生的各種殘余應(yīng)力，優(yōu)化鍛后組織、細(xì)化晶粒度，調(diào)質(zhì)前先進(jìn)行正火預(yù)備熱處理。為最大限度地提高單爐熱處理數(shù)量并滿足淬火冷卻效果而又達(dá)到最小變形量，綜合考慮，采用曲軸分層平放于專用料筐內(nèi)的方式，層間保持水平且不可相互搭疊，見圖3。

表6 首件試驗(yàn)數(shù)據(jù)

淬火冷卻采用天車懸掛料筐快速入油，油溫加熱并保持在40～80℃范圍內(nèi)，并結(jié)合循環(huán)攪拌系統(tǒng)以盡快穿過蒸汽膜階段進(jìn)入快速冷卻，保證冷卻效果均勻，回火后為避免出現(xiàn)第二類回火脆性而降低韌性值，采用水冷快速通過。

42CrMoH屬于亞共析鋼，臨界溫度Ac3為800℃，亞共析鋼的淬火加熱溫度為Ac3+(30～70）℃?？紤]到實(shí)際裝爐量，確定正火工藝為880±10℃×(180～240）min，空冷；淬火工藝為850±10℃×(180～240）min，油冷；回火工藝為(560～600）±10℃×(210～270）min，水冷。42CrMoH曲軸熱處理工藝曲線如圖 4所示。

圖4 42CrMoH曲軸熱處理工藝

熱處理試制

⑴首件取樣及試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

首爐按照上述熱處理工藝生產(chǎn)后，采用便攜式布氏硬度計(jì)檢測(cè)實(shí)物兩端硬度在320～330HB之間，滿足技術(shù)要求。隨機(jī)抽取一件實(shí)物按要求解剖本體并進(jìn)行機(jī)械性能、金相組織及淬硬層深度等檢測(cè)，結(jié)果見圖5。

圖5 42CrMoH曲軸實(shí)物解剖

⑵試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)表6試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：42CrMoH曲軸淬透性極好，在批量熱處理中仍可獲得較高的強(qiáng)度、硬度和沖擊值，金相組織及硬度梯度反映的淬透層深度已完全合格。

首批生產(chǎn)的96件42CrMoH曲軸100%檢查變形量，約有40%左右的曲軸變形量達(dá)到1.4～1.5mm左右，采用壓力機(jī)輕校一次，并進(jìn)行去應(yīng)力回火后可完全消除。

結(jié)束語(yǔ)

⑴42CrMoH原材料具有極高的淬透性，對(duì)實(shí)物解剖獲取的較高強(qiáng)韌性具有極大推進(jìn)作用。只要控制好熱處理參數(shù)、淬火介質(zhì)溫度以及正確的現(xiàn)場(chǎng)操作，就會(huì)獲取合格的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

⑵為最大限度降低曲軸變形量，要求熱處理裝爐確保曲軸水平，且曲軸間不可傾斜或搭疊，根據(jù)實(shí)際情況，裝爐量仍可增加。

——摘自《鍛造與沖壓》2019年第3期