非調(diào)質(zhì)鋼曲軸的開發(fā)和應(yīng)用

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1、非調(diào)質(zhì)鋼曲軸的開發(fā)和應(yīng)用作者：唐新民趙九根摘要：本文介紹了非調(diào)質(zhì)鋼(49MnVS3鋼)曲軸與調(diào)質(zhì)鋼(S53C鋼)曲軸的顯微組織、力學(xué)性能和疲勞性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，選定49MnVS3鋼作為柴油機(jī)曲軸用材，并逐步投入批量生產(chǎn)，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞：非調(diào)質(zhì)鋼；柴油機(jī)曲軸1前言我公司柴油機(jī)制造設(shè)備是根據(jù)引進(jìn)技術(shù)的加工工藝要求而配置的，按要求采用S53C(調(diào)質(zhì)鋼)鍛造曲軸毛坯，組織試生產(chǎn)。但國(guó)內(nèi)鍛造曲軸毛坯因調(diào)質(zhì)處理質(zhì)量不穩(wěn)定，硬度均勻性差，切削性能差，導(dǎo)致加工刀具壽命短，生產(chǎn)效率低，經(jīng)常停產(chǎn)，造成生產(chǎn)成

2、本高，生產(chǎn)壓力大的被動(dòng)局面。為此，通過調(diào)研，我們決定用非調(diào)質(zhì)鋼制造曲軸。曲軸是在不斷周期變化的載荷下，在往復(fù)和旋轉(zhuǎn)慣性力和力矩(扭矩和彎矩)共同作用下做功的；其次曲軸各軸頸在很高的比壓下，以很大的相對(duì)速度與軸承發(fā)生滑動(dòng)摩擦，產(chǎn)生較高的溫度和磨損，服役條件十分惡劣。因此，曲軸材料必須有較高的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、較高的硬度及耐磨性，心部有一定的韌性。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，曲軸失效形式主要是彎曲疲勞斷裂和軸頸磨損。S53C鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)下與正火狀態(tài)下的力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。表1S53C鋼力學(xué)性能及曲軸表面硬度數(shù)據(jù)表

3、熱處理狀態(tài)σs/MPaσb/MPaδ(%)Ψ(%)αKU/J.cm-2HBS表面氮碳共滲HV0.1調(diào)質(zhì)正火≥588≥392≥780≥647≥14≥15≥35≥59229～285183～255≥500≥500我們的主要任務(wù)是選擇一種非調(diào)質(zhì)鋼制造柴油機(jī)曲軸，既要滿足S53C鋼主要力學(xué)性能指標(biāo)(特別是抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度)，又能大大地改善其切削性能，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。依據(jù)我國(guó)非調(diào)質(zhì)鋼冶煉水平和現(xiàn)有非調(diào)質(zhì)鋼，我們選定49MnVS3鋼為研究對(duì)象。用49MnVS3鋼與S53C鋼進(jìn)行了對(duì)比性試驗(yàn)。只要49M

4、nVS3鋼的鍛造成形性、加工切削性能、疲勞臺(tái)架試驗(yàn)、裝車路試使用性能達(dá)到或超過S53C鋼的性能，我們就認(rèn)為能夠替代調(diào)質(zhì)鋼制造柴油機(jī)曲軸。2對(duì)比試驗(yàn)及分析2.1鍛造成形工藝試驗(yàn)非調(diào)質(zhì)鋼曲軸的鍛造成形，主要是控制鍛件的加熱溫度，始、終鍛溫度和控冷速度，有效地保證曲軸鍛件的綜合力學(xué)性能及曲軸的加工性能和使用壽命。曲軸鍛造工藝流程如下：下料→中頻加熱→預(yù)鍛→終鍛→切邊→熱?！乩洹鷩娡琛鷻z測(cè)(硬度、力學(xué)性能、探傷等)→機(jī)加工。依據(jù)曲軸毛坯廠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)際，以及兩種鋼的熱加工參數(shù)，我們制定了兩種鋼的對(duì)比鍛造

5、工藝，如表2所示。表2曲軸鍛造工藝對(duì)比試驗(yàn)參數(shù)表材質(zhì)加熱溫度/℃始鍛溫度/℃終鍛溫度/℃控冷方式鍛造方式鍛后處理設(shè)備S53C鋼49MnVS3鋼1200±101190±101150±201150±201050±301030±30鍛后調(diào)質(zhì)風(fēng)→控冷模鍛模鍛調(diào)質(zhì)專用線控冷專用線2.2切削性能試驗(yàn)及氮碳共滲處理用S53C鋼和49MnVS3鋼的曲軸毛坯，在曲軸加工線上進(jìn)行了對(duì)比切削性能試驗(yàn)。主要考核其刀具的使用壽命及切削力的大小。其數(shù)據(jù)見表3。表3兩種材質(zhì)曲軸切削刀具壽命比較工序名稱加工調(diào)質(zhì)鋼刀具壽命件/套加工非

6、調(diào)質(zhì)鋼刀具壽命件/套提高刀具壽命(%)車大、小頭車端面車-拉軸頸鉆油孔鉆飛輪孔400038002000100015007200700050001800200080841508033注：1.表中數(shù)據(jù)S53C鋼為生產(chǎn)記錄每套刀具推算平均壽命數(shù)，49MnVS3鋼為生產(chǎn)試驗(yàn)樣本每套刀具平均壽命數(shù)。2.表中工序?yàn)榍S加工中切削量大的工序，切削量小的工序沒有列入表中。其中車-拉軸頸指加工瓶頸工序。非調(diào)質(zhì)鋼曲軸因49MnVS3鋼鍛件未經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，室溫組織為珠光體和鐵素體，硬度均勻，工件表面硬度差＜20HBS，斷面硬

7、度差＜15HBS，且鋼中含有較高的硫，從而顯著改善切削性能。從表3可以看出，切削量大的工序，刀具使用壽命提高得大，特別是解決了車-拉軸頸工序(調(diào)質(zhì)鋼曲軸加工瓶頸工序)的切削加工問題，并使刀具使用壽命提高了150%以上。切削量小的工序刀具使用壽命提高達(dá)30%左右。曲軸磨削加工后，必須進(jìn)行表面硬化處理，以提高軸頸的耐磨性能和疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)曲軸的使用壽命。柴油機(jī)曲軸采用氣體氮碳共滲工藝進(jìn)行表面硬化處理。非調(diào)質(zhì)鋼曲軸氣體氮碳共滲結(jié)果怎樣呢？為此我們進(jìn)行了氮碳共滲工藝試驗(yàn)及耐磨性能試驗(yàn)。試驗(yàn)方法是用49MnVS

8、3鋼曲軸進(jìn)行與S53C鋼曲軸相同工藝處理，檢測(cè)其氮碳共滲質(zhì)量，試驗(yàn)結(jié)果表明非調(diào)質(zhì)鋼曲軸氮碳共滲后的質(zhì)量與S53C鋼曲軸相當(dāng)，可滿足曲軸各項(xiàng)技術(shù)要求。2.3金相組織及分析非調(diào)質(zhì)鋼曲軸毛坯因坯料直徑較大(φ115mm)，加熱溫度高(1190℃)，時(shí)間長(zhǎng)，鍛造比因部位不同，其室溫金相組織也不同。曲軸表面變形大，冷速大，金相組織為較細(xì)的珠光體加斷續(xù)網(wǎng)狀鐵素體，晶粒度為4～6級(jí)，硬度高達(dá)240～260HB；而心部組織因變形小，冷速小，金相組織為較粗的珠光體加斷續(xù)網(wǎng)