發動機的曲軸材料42CrMo磨削淬硬及磨損試驗

汪 娜，劉克銘，陳明非

(1.沈陽北方交通重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110142;2.遼寧工程技術大學機械工程學院，遼寧 阜新 123000)

0 前言

發動機在工作過程中，曲軸承受著巨大的方向不斷變化的彎矩及扭矩，同時經受著長時間高速運轉的磨損，曲軸將活塞、連桿的作用力傳遞給離合器、變速器等，實現直線往復運動向旋轉運動的轉變，要求曲軸具有較高的剛度、疲勞強度和良好的耐磨性能［1-4］。在發動機工作過程中曲軸的工作性能直接決定了發動機的總體工作可靠性。要求主軸頸及連桿軸頸的尺寸精度為IT6級、表面粗糙度為1.6～0.8 μm及較高的形狀精度及位置精度。為了提高曲軸的耐磨性，在磨削加工后要對曲軸進行淬火熱處理。本文對曲軸材料42CrMo鋼進行了磨削淬硬試驗及磨損試驗［5-8］，分析影響曲軸磨削淬的硬度及耐磨性。

1 試驗方法

在MM7132A精密臥軸矩臺平面磨床上用WA60L6V砂輪對調質態42CrMo鋼進行磨削淬硬試驗，研究淬硬層組織、淬硬層硬度及淬硬層深度的變化規律。試樣尺寸為28 mm×10 mm×10 mm，砂輪轉速為3 000 r/min，磨削深度ap為0.1～0.6 mm，磨削速度vs為28 m/s，進給速度vw為45 mm/min，濕磨，磨削方式為切入式逆磨。用HVS-10型維氏硬度儀測試試件的硬度。

試驗材料選為某柴油發動機曲軸所用材料調質態42CrMo鋼作為試樣，研究磨削淬火淬硬層組織及淬火后的耐磨性，磨削淬火是利用磨削中產生的大量的熱量使工件表層溫度在短時間內升到Ac3即奧氏體化以上溫度，在試件快速冷卻過程中產生大的溫度梯度，從而達到馬氏體相變溫度，在相變驅動力的作用下，實現由奧氏體組織向馬氏體組織的轉變［9-10］。

磨粒磨損試驗機進行磨損試驗，分析磨損性能的變化，試驗中參數:ML-100型磨損試驗機，轉速60 rad/min，載荷為70 N，砂紙粒度為360目，試驗時間為30 min;稱量磨損失重的感應分析天平型號為FA1004N，其精度為0.1 mg。用SSX-550型掃描電鏡觀察淬硬層的組織及試件及基體磨損后表面的磨損形貌［11-12］。

2 顯微硬度試驗及磨損試驗結果

2.1 顯微硬度分析

沿磨削表面垂直方向進行硬度測試試驗，選取的載荷為100 g，加載時間為10 s，得到距加工表面不同深度顯微硬度的變化如圖1所示。

圖1 距加工表面不同深度顯微硬度的變化Fig.1 Variation of microhardness at different depth from grinding surface

由圖1可知，在不同磨削深度條件下淬硬層的深度變化范圍為1.5～2.25 mm，顯微硬度的最高值高達860 HV，說明在該試驗條件下試件表層組織得到了強化，其硬度為基體硬度210 HV的4倍多，且增大磨削深度時，淬硬層厚度將有所增加。

2.2 電鏡試驗過程及分析

用4%硝酸酒精溶液腐蝕制成金相試樣，觀察強化層顯微組織變化，為了便于觀察強化效果，磨削淬火后將試件沿淬硬層深度方向切取并進行研磨拋光，得到的掃描電鏡試驗照片如圖2所示。

圖2 掃描電鏡照片Fig.2 Photographs taken through SEM

由圖2a可知，隨著距磨削表面的深度增大磨削機械應力減小，溫度梯度減小，奧氏體的錯密度及變形量減少，馬氏體相變的驅動力減小，故過渡區由少量的條狀馬氏體及回火索氏體組成，生產少量的條狀馬氏體;回火索氏體的產生是由于冷卻強度不足造成的，所以其顯微硬度較完全淬硬區下降。由圖2b可知，完全淬硬區的組織由條狀馬氏體組成，在磨削淬火過程中產生大量的磨削熱，試件表層組織達到奧氏體化溫度并在快速冷卻過程中形成大量位錯，該位錯在促進馬氏體形核的同時，阻礙了馬氏體晶粒的長大速度，是大梯度溫度場和應力場綜合作用的結果，生產大量的條狀馬氏體組織。由圖2c可知，基體是鐵素體及滲碳體。

2.3 磨損試驗

磨削淬火試件與調質態基體的耐磨性試驗結果如圖3所示。由圖3可知:在磨損輪轉速、加載載荷等相同的條件下，隨著磨損試驗時間的增加，兩試樣的磨損量均正比例增大，但是磨削淬火試件的磨損量小于調質態基體。加載30 min時調質態基體磨損量為0.012 g，磨削淬火試件的磨損量為0.0046 g，磨削淬火強化層耐磨性提高了3倍。

圖3 磨削淬火試件與調質態試件的耐磨性試驗結果Fig.3 Wear resistance experiment results of grind-quenched and tempered 42CrMo steel crankshafts

載荷為35 N、試驗時間為30 min時，磨削淬火試件與調質態基體的磨損形貌掃描電鏡照片如圖4所示。磨削淬火后試件的表層強度和硬度均得到了提高。磨損后試件表面形貌都存在深淺、寬窄不等的劃痕、犁溝。由圖4a可知，調質態基體劃痕或犁溝兩側有明顯的毛刺，磨削表面劃痕或犁溝較深、較寬。由圖4b可知，磨削淬火試件的磨損表面劃痕或犁溝兩側比較光滑，劃痕或犁溝較窄、較淺，其耐磨性也相應得到顯著提高。

圖4 調質態與磨削淬火試樣的磨損形貌Fig.4 Wear morphology of grind-quenched and tempered 42CrMo steel crankshafts

3 結論

結果表明:磨削淬火試件的耐磨性較原始調質態試件提高了3倍以上。淬硬層的最高硬度值達到了860 HV，淬硬層深度達到了1.5 mm，淬硬層由條狀馬氏體組成、過渡區由少量條狀馬氏體及回火索氏體組成、基體由鐵素體及滲碳體組成。

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