非調(diào)質(zhì)鋼曲軸的開發(fā)和應(yīng)用

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

2、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 熱處理狀態(tài)s/MPab/MPa(%)(%)KU/J.cm-2HBS表面氮碳共滲HV0.1調(diào)質(zhì)正火58839278064714153559229285183255500500

3、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49MnVS3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

4、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?？乩鋰娡铏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

5、，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

6、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49MnVS3鋼曲軸進(jìn)行與S53C

7、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(115mm)，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46級(jí)，硬度高達(dá)240260HB；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)狀鐵素體，晶粒度為35級(jí)，硬度為230245HB。非調(diào)質(zhì)鋼曲軸鍛后金相組織、硬度、晶粒度可見表4所示。另外，從試驗(yàn)中還可得出，工件加熱溫度、終鍛溫度偏高，冷卻速度較低時(shí)

8、，晶粒粗大，切削性能好，但韌性差，疲勞強(qiáng)度低。金相試樣按圖1取樣檢測(cè)分析。 2.4力學(xué)性能 力學(xué)性能檢測(cè)主要做抗拉試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。根據(jù)曲軸服役條件，曲軸直徑的大小，具體按圖1所示取樣。試樣的尺寸均為標(biāo)準(zhǔn)試樣。 圖1曲軸力學(xué)性能試樣取樣圖試驗(yàn)方法是每批次取2件曲軸，做4個(gè)抗拉試樣，4個(gè)沖擊試樣，進(jìn)行兩種材質(zhì)的對(duì)比試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見表4所示。 表4兩種材質(zhì)曲軸力學(xué)性能及金相組織對(duì)比數(shù)據(jù)表 材質(zhì)s/MPab/MPa屈強(qiáng)比(%)(%)Ku/J.cm-2HBS金相組織晶粒度S53C鋼49MnVS3鋼5355454914977908108048210.6600.6081719161858603336657

9、52045235246236245S網(wǎng)F少PF斷網(wǎng)57級(jí)35級(jí)從表4中可以看出，兩種鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度基本相同，但由于金相組織結(jié)構(gòu)不同，調(diào)質(zhì)鋼韌性比較好，非調(diào)質(zhì)鋼晶粒粗大，鐵素體呈斷續(xù)網(wǎng)狀，導(dǎo)致韌性較差。 2.5疲勞強(qiáng)度及耐磨性能 曲軸疲勞性能的好壞，直接影響著曲軸裝機(jī)后的使用壽命，所以進(jìn)行曲軸疲勞試驗(yàn)是非常必要的。非調(diào)質(zhì)鋼曲軸表面硬化質(zhì)量、抗拉強(qiáng)度與調(diào)質(zhì)鋼相當(dāng)，但韌性較差，為此我們又進(jìn)行了兩種材質(zhì)曲軸疲勞性能的對(duì)比試驗(yàn)。按JB3258汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸疲勞臺(tái)架試驗(yàn)方法的要求，用兩種鋼曲軸成品各隨機(jī)抽取5件曲軸，在DC-1型電磁激振疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，采用升降法求疲勞極限，再根據(jù)疲勞

10、強(qiáng)度計(jì)算出安全系數(shù)來判斷曲軸是否符合技術(shù)要求。具體試驗(yàn)結(jié)果見表5所示。 曲軸耐磨試驗(yàn)是用兩種材質(zhì)按試驗(yàn)要求做成試塊，在MM-200型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行等條件下耐磨試驗(yàn)，再比較磨損體積的大小。具體試驗(yàn)結(jié)果見表5所示。 表5曲軸彎曲疲勞強(qiáng)度、安全系數(shù)、耐磨性能對(duì)比數(shù)據(jù)表 材質(zhì)疲勞強(qiáng)度/MPa安全系數(shù)磨損壓力/N磨損時(shí)間/h摩擦副磨損體積/mm3S53C鋼49MnVS3鋼103510351.561.562502501919高速鋼高速鋼6.1146.521從表5中可以看出49MnVS3鋼曲軸疲勞強(qiáng)度、安全系數(shù)均與S53C鋼相同，磨損量比S53C鋼略微大一點(diǎn)。按JB3258汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸疲勞臺(tái)架試驗(yàn)方法要

11、求，曲軸安全系數(shù)1.3就可以滿足曲軸性能要求，故49MnVS3鋼曲軸達(dá)到S53C鋼水平，能夠滿足我公司柴油機(jī)曲軸的性能要求。 2.6臺(tái)架試驗(yàn) 臺(tái)架耐久試驗(yàn)是考核曲軸裝機(jī)后使用性能及壽命的一種強(qiáng)化試驗(yàn)。我們用49MnVS3鋼曲軸裝機(jī)兩臺(tái)，進(jìn)行600h耐久臺(tái)架試驗(yàn)。首先磨合50h，再進(jìn)行550h強(qiáng)度試驗(yàn)后，檢查曲軸的變形量及軸頸磨損狀態(tài)，再與S53C鋼曲軸600h臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。通過兩輪600h耐久臺(tái)架試驗(yàn)后，檢查非調(diào)質(zhì)鋼曲軸的變形量和軸頸磨損量，均與S53C鋼臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)，符合曲軸臺(tái)架耐久試驗(yàn)的技術(shù)要求。 2.7裝車路試 49MnVS3鋼曲軸在進(jìn)行臺(tái)架疲勞試驗(yàn)和臺(tái)架耐久試驗(yàn)后，接著要進(jìn)

12、行裝車路試，進(jìn)一步檢測(cè)其可靠性、可行性和替代性。我們的方法是用49MnVS3鋼曲軸裝配3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝車進(jìn)行三萬公里路試，在各種不同的路況下，行駛不同路程，檢測(cè)曲軸的變形、磨損及其他失效內(nèi)容。試驗(yàn)結(jié)果證明49MnVS3鋼曲軸達(dá)到S53C鋼曲軸的技術(shù)水平，完全能滿足柴油機(jī)對(duì)曲軸的技術(shù)要求。 3經(jīng)濟(jì)效益分析 用49MnVS3鋼替代S53C鋼制造我公司柴油機(jī)曲軸，不但能滿足其性能和各項(xiàng)技術(shù)要求，解決切削加工中生產(chǎn)實(shí)際問題，使我公司發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)逐步走上正常軌道，而且能較大幅度地降低柴油機(jī)曲軸的制造成本，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 49MnVS3鋼柴油機(jī)曲軸的經(jīng)濟(jì)效益主要由兩部分組成。一部分是材料國產(chǎn)化后(49Mn

13、VS3鋼材由國內(nèi)供應(yīng)，S53C鋼材需進(jìn)口)，降低了原材料采購價(jià)，取消了鍛件調(diào)質(zhì)處理工序，減少了廢品率，簡(jiǎn)化工序，縮短了生產(chǎn)周期，降低了制造成本。另外，由于49MnVS3鋼中硫含量較高，組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，硬度均勻，表面硬度差較小，大大地改善了曲軸切削加工時(shí)的切削性能，提高了生產(chǎn)效率和刀具使用壽命，較大幅度地降低了加工制造成本。從表3中可以看出49MnVS3鋼曲軸切削量大的工序，刀具使用壽命提高80%150%，切量小的工序也提高了30%左右。49MnVS3鋼曲軸投產(chǎn)后，我們用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法分析了一段時(shí)間的生產(chǎn)記錄，分析結(jié)果證明：每件49MnVS3鋼曲軸的加工制造成本可節(jié)省48元左右，加上降低曲軸毛坯采

14、購價(jià)95元件，實(shí)際每件49MnVS3鋼曲軸可節(jié)約制造成本143元左右。自投產(chǎn)以來我們已生產(chǎn)49MnVS3鋼曲軸4萬余件，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)600余萬元。 4結(jié)論 (1)49MnVS3鋼曲軸經(jīng)各類性能試驗(yàn)證明，能滿足我公司柴油機(jī)曲軸技術(shù)要求，可替代調(diào)質(zhì)鋼制造曲軸。 (2)49MnVS3鋼曲軸可省略調(diào)質(zhì)處理工序，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工序，降低廢品率，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，適用于規(guī)模大、自動(dòng)化程度高的曲軸生產(chǎn)線。 (3)采用49MnVS3鋼制造柴油機(jī)曲軸，可產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益，每件曲軸可望降低制造成本143元左右。 (4)49MnVS3鋼的塑性、韌性比S53C鋼稍差，可用降低含碳量改進(jìn)鍛造工藝參數(shù)的方法，逐步達(dá)到調(diào)質(zhì)鋼的水平。 作者簡(jiǎn)介：唐新民(1953)，男，高工，從事金屬材料及熱處理專業(yè)的技術(shù)工作，多次擔(dān)任項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。聯(lián)系電話：07