自由鍛制造的大型曲軸的性能說明

Ellwood自由鍛制造大型曲軸工藝和性能的說明JohnR.Paules.1．綜述用于船用柴油機，氣體壓縮機、發(fā)電機組的柴油機曲軸可以用模鍛或自由鍛制造生產(chǎn)。本文論述了自由鍛工藝制造曲軸的工藝和機械性能，涉及了曲軸曲臂的熱扭曲。論述了達到特殊機械性能所要求鋼的等級。討論了鋼的熔煉，澆鑄，自由鍛，熱扭曲，熱處理和機加工工藝。對比了沒有加鈣處理的不同含量硫鋼（0.010%，0.006%）以及加鈣處理的硫含量0.002%的鋼的機械性能。通過加鈣處理改變硫含量和硫化夾雜物決定了扭轉(zhuǎn)曲臂和未扭轉(zhuǎn)曲臂的機械性能。2．介紹大型鍛鋼曲軸用于壓縮機，發(fā)電機和船用柴油機。成品曲軸重達25000kg，長度達9m，徑和連桿徑達500mm。缸數(shù)達12個。這取決于柴油機的/壓縮機的/壓縮機設(shè)計的轉(zhuǎn)速從150rpm到1，000rpm，功率從3，000到20，000HP。圖1顯示了8缸的壓縮機主軸缸數(shù)和柴油機類型。柴油機（圖二所示）的曲軸。圖1。成品壓縮機8缸曲軸，8.5m長，6140kg圖2裝有圖1中曲軸的8缸壓縮機3.方法和材料3.1煉鋼和鍛造---曲軸鋼的生產(chǎn)通過現(xiàn)代的潔凈鋼工藝控制材料的潔凈度和非金屬夾雜物碳含量，進一步的精練在精電磁攪拌脫除氧化物和達到成分。合金鋼用電弧爐熔煉廢鋼生產(chǎn)。通過電弧爐的熔煉減少磷含量和練爐完成脫硫。通過控制加鋁脫氧。在精練中通過吹氬氣和均勻。真空脫氣過程減少鋼中氫氣和氮氣的含量。當化學成分和溫度到正確的時候，鋼水通過底部澆注到鋼模。凝固和脫模后，鋼錠加熱均化，鍛造。控制最佳的鍛造溫度和變形溫度以獲得好的晶粒度和機械性能。在經(jīng)過熱處理獲得更好的機械性能，完成最后的機加工。3.2鋼的等級---一些中會產(chǎn)生高的應(yīng)力，要求更高的強度和耐疲勞的CrMo或NiCrMo系列的合金鋼型曲軸的所用的合金鋼的型號。表1大型曲軸常用合金鋼等級（重量%）等的曲軸由低性能價格便宜的碳鋼制成。然而大型柴油機和壓縮機。表1列出大鋼中氧化物夾雜物的量、硫化物類型和比例會形成各向異性（Ref.1,2,3）.如果硫化物含量相對高并且硫化物形成長的MnS夾雜物（它會在熱加工時延長）。橫向的可鍛性，韌性和疲勞壽命會大大地低于縱向的測試。然而如果硫含量很低和/或加鈣改變硫化物為球狀的不可變形的夾雜物，鋼材的各向(橫向和縱向)的機械性能更一致(橫向性能接近縱向的性能)。3.3自由鍛和全纖維鍛---埃爾伍德曲軸集團公司用自由鍛生產(chǎn)最大型的曲軸。與連續(xù)纖維鍛的方法相比自由鍛從開始的鍛造成板坯結(jié)構(gòu)如圖3所示的第一步，模鍛要用復雜的模具壓出曲柄等。鍛造冷卻后，部”加工成主軸徑，如圖3的第爐中逐個加熱到鍛造溫度，如圖4，5，6。固定曲軸一端，液壓機構(gòu)扭轉(zhuǎn)曲軸的桿徑處于不同的角度。每次扭轉(zhuǎn)后緩慢冷卻。所有扭轉(zhuǎn)完成后整個曲軸回火。二步。然后每個頸在部加熱另一端，使曲柄連圖3中形成的第三步中曲軸進行最后的熱處理，包括正火，淬火和回火。圖3中的第顏料滲透檢測可以確保沒有內(nèi)部和表面卻欠。四步是成品的曲軸。超聲波檢測，磁粉檢測，拉伸試驗和沖擊試驗檢測證實要達到的機械性能。1．自由鍛造2．扭曲前的機加工3．扭曲后4．成品圖3大型自由鍛扭轉(zhuǎn)曲軸的生產(chǎn)步驟圖4大型曲軸扭轉(zhuǎn)設(shè)備。圖5局部加熱爐圖6扭轉(zhuǎn)前自動編程控制的加熱3.4試制過程–為了評估大型扭轉(zhuǎn)曲軸的性能中硫含量和夾雜硫化物的形態(tài)的影響，試驗。以及檢測了扭轉(zhuǎn)曲臂部分宏觀了3個軸的鍛造，扭轉(zhuǎn)和熱處理和斷面臂部分和未扭轉(zhuǎn)曲結(jié)構(gòu)，微觀結(jié)構(gòu)和機械性能。三個軸的鋼材采用了4145鋼，硫含量如下：1．0.010%S2.0.006%S3.0.002%S,加鈣處理三個曲軸的鍛造方式如圖3。主軸徑熱扭轉(zhuǎn)前加工到直徑為432mm。每個扭轉(zhuǎn)180度，緩慢冷卻，回火。曲軸正火，調(diào)質(zhì)到如下的最低的機械性能。表2表2試驗曲軸的最低機械性能拉伸和深沖（CharpyV）性能如圖74.結(jié)果宏觀結(jié)構(gòu)—圖8，9顯示偏析形式。圖8顯示在自由鍛中未扭轉(zhuǎn)的是縱向纖維，圖9顯示扭轉(zhuǎn)的部分縱向纖維斷開。圖8圖9拉伸性能---圖10顯示度（縱向和橫向）。在扭轉(zhuǎn)對其沒有影響。硫含量0.010%的鋼對回火有一點差異。三個試驗曲軸的未扭轉(zhuǎn)的拉伸強度。圖11顯示扭轉(zhuǎn)的拉伸強和未扭轉(zhuǎn)的曲臂部分，硫含量的改變和測試方向?qū)鞆姸葲]有影響。拉伸性能是等向的，扭轉(zhuǎn)拉伸的可鍛性-圖12和13顯示斷面收縮率。圖12中縱向測試時，未扭轉(zhuǎn)的斷面收縮率沒有受到硫含量的影響。然而硫含量增加，測試方向從曲軸鍛件軸向的45度向90度（橫向）轉(zhuǎn)向時，斷面收縮率降低。圖13顯示扭轉(zhuǎn)的收縮率低于未扭轉(zhuǎn)的曲軸臂，并且隨著硫含量增加而降低。當硫含量0.010%的鋼不符合橫向收縮率40%的要求是，硫含量0.006%和硫含量0.002%（加蓋處理）的鋼確實滿足要求。圖10未扭轉(zhuǎn)的曲臂拉伸強度圖11扭轉(zhuǎn)的曲臂拉伸強度圖12未扭轉(zhuǎn)的曲臂的斷面收縮率圖13扭住的曲臂的斷面收縮率延伸率是另一個可鍛性的指標，圖14和15顯示顯示未扭轉(zhuǎn)的曲臂和扭轉(zhuǎn)的曲臂的性能。與斷面收縮率影響。當測試從45度轉(zhuǎn)向90度（橫向）時，。圖15種扭轉(zhuǎn)在所有的例子中13%的縱向延伸率和11%的橫向延伸率圖14未扭轉(zhuǎn)的延伸率類似，為扭轉(zhuǎn)的曲臂在縱向延伸率不受硫含量的高硫含量通常會降低可鍛性在縱向和橫向造成延伸率輕微的降低。然而，都能夠到達。圖15扭轉(zhuǎn)的延伸率4.3V-沖擊試驗---圖16和17顯示扭轉(zhuǎn)和未扭住的三個試驗曲軸的V沖擊試驗。數(shù)據(jù)代表每個曲軸試樣棒的平均沖擊功。在這兩個例子中，通常降低硫含量可以提高沖擊性能。然而，當未扭轉(zhuǎn)的顯示由于不同方向的韌性降低時，扭轉(zhuǎn)的曲臂在橫向和縱向也顯示類似的韌性水平。縱向的最小值25J和橫向的最小值18J在所有的扭轉(zhuǎn)的曲臂都達到要求。在扭轉(zhuǎn)的曲臂中，橫向的最小值要求在三個試驗的曲軸中都達到要求但是當測試扭轉(zhuǎn)的曲軸的縱向時，只有最低含硫量加鈣處理的鋼超過了最低值25J。圖16未扭轉(zhuǎn)曲臂的V型沖擊功圖17扭轉(zhuǎn)曲臂的V型沖擊功金相組織---圖18到21是未蝕刻樣品的微觀結(jié)構(gòu)顯示了試驗曲軸的非金屬夾雜物的鋼獲得延長的MnS纖維狀夾雜物，如圖18。未扭轉(zhuǎn)曲臂金屬夾，0.006%S，縱向，100X，未蝕刻圖18形態(tài)。高硫，非加鈣處理的雜物。低硫，加鈣處理的鋼產(chǎn)生了球狀Ca-O-S的夾雜物，如圖19。當扭轉(zhuǎn)時，這些材料使MnS夾雜物在扭轉(zhuǎn)方向延長，如圖20。然而如果夾雜物的形狀有效的被控制，夾雜物不會造成在扭轉(zhuǎn)方向夾雜物的延伸，如圖21。蝕刻的微觀組織結(jié)構(gòu)如圖22和23。圖22是縱向為扭轉(zhuǎn)曲臂的鍛造流線，圖23清晰顯示扭轉(zhuǎn)形成的流線。（注：有兩個圖22，實際另一個應(yīng)是圖23。）圖235.討論曲軸要滿足周期彎曲應(yīng)力并且設(shè)計為能抗疲勞。Nakamura(參見V型沖擊韌性、和疲勞極限等在鍛造方向要低于平行的3)和其他人已經(jīng)揭示了這些，鍛造曲軸拉伸的可短性、方向，因為非金屬夾雜物向鍛造方向延伸。模鍛顯示“連續(xù)晶粒流”通常使非金屬夾雜物的方向向有利于疲勞壽命的方向延伸。然而，如Nakamura揭示的，在一些模鍛曲軸關(guān)鍵部位的疲勞應(yīng)力與不利的方向一致（通常是鍛造流向）。自由鍛，熱扭轉(zhuǎn)曲軸沒有顯示連續(xù)晶粒流。研究表明扭轉(zhuǎn)的曲臂有縱向拉伸可鍛性，V型沖擊韌性類似于未扭轉(zhuǎn)曲臂的橫向的性能。當由于降低硫含量硫化物量減少以及使用加鈣處理減少MnS的纖維夾雜物形狀而形成球狀不變形的Ca-O-S夾雜物時刻以達到子求的疲勞的可鍛性，沖擊韌性和要壽命。6.結(jié)論試驗表明了由非金屬夾雜物導致的材料的各向異性效果、金屬機械性能的鍛造流線和熱扭轉(zhuǎn)曲臂的自由鍛曲軸的期望疲勞性能。我們得出以下結(jié)論：熱扭轉(zhuǎn)和改變硫含量對拉伸強度沒有影響（即拉伸強