50Cr Mo4曲軸熱處理工藝研究與應用

2011-08-03 03:19:02李曉霞

鐵道機車車輛 2011年10期

李曉霞

（大連機車車輛有限公司熱處理車間，遼寧大連116022）

曲軸是發動機的主要零件之一，用來將活塞的往復運動轉變為旋轉運動。在發動機應用領域日益擴大的今天，曲軸新產品的開發研究具有廣闊的前景。曲軸主要承受復雜的彎曲—扭轉載荷和一定的沖擊載荷，因此，曲軸通常采用高強度的球墨鑄鐵或優質、高強度的中碳合金鋼制成（45鋼、35Cr Mo，42Cr Mo等）。50Cr Mo4是一種優質合金結構鋼，具有較好的綜合機械性能，目前被國內外廣泛應用，公司技術貿易合作產品16RK270柴油機曲軸采用50Cr Mo4鋼。因此，對50Cr Mo4鋼曲軸熱處理工藝進行分析研究具有重大的現實意義。圖1為16RK270曲軸結構圖。

圖1 16RK270曲軸結構圖

1 試驗材料及方法

試驗采用50Cr Mo4曲軸以及同材質試塊為試驗對象，試塊尺寸為φ240 mm×200 mm。經化學分析，鋼材的成分符合要求，見表1。

曲軸熱處理后的試樣和曲軸的金相組織分析是在XJL－02 A或XJG－05顯微鏡上進行，所采用的浸蝕劑為4%硝酸酒精溶液；硬度的檢測是根據GB／T231－84《金屬布氏硬度試驗方法》在HR－150 A洛氏硬度計上進行的；拉伸性能和沖擊性能的檢測分別是根據GB／T228－2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》和GB／T229－1994《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》在 WE－10 A或AG－250 KNISMO和JB－30B沖擊試驗機上進行的。為了使50Cr Mo4曲軸應用在船用柴油機上，根據中國船級社《材料與焊接規范》［1］要求，熱處理后曲軸的性能要求見表2。

曲軸熱處理工藝規范的確定包括淬火溫度、回火溫度和淬火冷卻方式。為獲取最佳的調質處理工藝方案，使曲軸性能滿足要求，采用5種方案進行試驗。

表1 試驗用鋼的化學成分［2］（質量分數%）

表2 試驗用鋼熱處理技術要求

通過對5種工藝處理后的試樣進行金相組織、晶粒度、硬度和力學性能的檢測，并綜合分析試驗結果，篩選出最佳熱處理工藝。為保證試驗結果的準確性和重復性，選用試樣進行了復驗，并進一步對最佳調質處理工藝進行微調。

2 試驗過程

船用柴油機所用曲軸由于承受載荷極大，轉速不是很高，所以在尺寸和質量上高出普通曲軸很多。因此50Cr Mo4鋼曲軸在淬火加熱時，應嚴格控制淬火加熱速度，以避免溫差過大進一步擴大內部原有的缺陷。在加熱過程中，表面和芯部會出現兩次溫差高峰。因而，曲軸很容易在芯部形成裂紋或使原有的顯微裂紋擴大，故采用階梯方式加熱，確保工件開裂與變形傾向很小。通過試驗得出了最佳加熱速度和透熱保溫時間。此外，在兩個曲柄間用圓鋼輕微點焊以防止熱處理過程中曲柄的變形。

3 試驗結果及分析

（1）熱處理工藝對硬度的影響

鋼的硬度隨回火溫度的上升而下降，分析原因，50Cr Mo4鋼的含碳量較高，在ε碳化物析出時硬度略有上升［3］。是含有強碳化物形成元素的合金鋼，在≥500℃回火時滲碳體溶解，形成細小、彌散分布的合金碳化物，發生“二次硬化”導致硬度上升。

（2）熱處理工藝對力學性能的影響

50Cr Mo4鋼隨回火溫度的增加，抗拉強度和屈服強度值下降，伸長率、收縮率和沖擊功增加。與技術要求相比，屈服強度、伸長率、收縮率和沖擊功比較容易滿足要求，但是抗拉強度要求很高，若回火溫度過高，則達不到要求，如640℃回火抗拉強度低于技術要求。隨著回火溫度的降低抗拉強度有明顯的升高，但是試塊硬度過高，超出技術要求，嚴重影響熱處理后的機械加工性能。

由于50Cr Mo4鋼含碳量較高，導致了高溫回火后強度下降塑性上升。另外，合金元素對材料力學性能也有很大影響，能有效的提高鋼的淬透性和韌性。50Cr Mo4鋼中含有很多合金元素，如鉻、鎳、錳等，鉻和錳主要提高淬透性，鉻和鎳組合可有效的提高淬透性并很好的改善回火馬氏體的韌性［4］。由于50Cr Mo4鋼中加入了少量的釩，細化奧氏體晶粒，使鋼具有了較好的強韌性。

根據以上試驗結果，綜合分析得出50Cr Mo4鋼經此熱處理后獲得了比較良好的機械性能。為了驗證工藝的可行性與準確性，用3根曲軸實物進行工藝驗證。同時，為了保證達到技術要求，將回火溫度降低10℃，以適當的提高抗拉強度。

（3）工藝可行性驗證

將50Cr Mo4鋼曲軸按照調整后的工藝進行熱處理，檢測其表面硬度和各項力學性能，結果表3。

硬度梯度檢測結果如表4。

檢測金相組織，為回火索氏體。晶粒度為6～7級（圖2）。