淺談冷卻速度對非調質鋼連桿力學性能的影響

曾麗芳，黃鵬華

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

連桿是發動機中的核心零部件之一，不斷承受著來自燃燒壓力和慣性力的交變沖擊載荷作用。所以，連桿必須要保證足夠的結構剛度和疲勞強度，來保證發動機的正常運行以及整機的可靠行。

在現有的連桿生產中，為保證連桿零件具備足夠的剛度和強度，采用鍛造的制造方式，并對連桿鍛件進行恰當的熱處理工藝。而熱處理工藝的好壞，直接影響至連桿成品的剛度和強度。所以，合理的熱處理工藝，是獲得良好綜合力學性能的重要途徑。

1 連桿的熱處理工藝

1.1 熱處理的定義

熱處理就是通過加熱、保溫和冷卻，改變其內部組織，從而獲得所要求的物理、化學、機械和工藝性能的一種工藝方法。金屬熱處理工藝，大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學熱處理這3個大類；根據加熱介質、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類又可區分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬件，采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。

一般情況下，熱處理有退火、正火、淬火和回火這4種基本工藝。此外，依據這些基本工藝，還延伸出了其他工藝，如調質處理（淬火加高溫回火）；時效處理，即在強化相析出的溫度加熱并保溫，使強化相沉淀析出，得以硬化，提高強度。

1.2 非調質鋼連桿的熱處理工藝

傳統的連桿采用中碳鋼（碳素鋼或合金鋼）經調質處理的，過程復雜而又耗能源和成本。自石油危機以來，為了節約能源，非調質鋼得以廣泛應用于汽車工業，用于制造發動機上的曲軸、連桿等要求強度和剛度較高的零件。

非調質鋼不需調質處理，只需控制鍛造工藝及鍛造后的冷卻速度，就可以獲得鍛件所需要的強度、韌度等性能的非調質鋼。常規的非調質結構鋼，是在中碳鋼中添加微量合金化元素（V、Ti和Nb等），通過控制鍛制、控溫度和冷卻速度，在鐵素體和珠光體中彌散析出C（N）化合物為強化相，使之在鍛制后不經調質處理，即可獲得碳素結構鋼或合金結構鋼經調質處理后所達到的力學性能。

1.3 當前非調質鋼熱處理工藝存在的問題及分析

由于非調質鋼不需進行調質處理，并且強度高，所以得以應用于某發動機連桿零件上。該非調質鋼連桿的熱處理工藝，為采用時效處理的方式，通過控制冷卻速度，得到連桿產品所需求的力學性能?？刂评鋮s速度的好壞，直接影響至非調質鋼的力學性能，如硬度、延伸率、斷面收縮率和脫碳層等，所以冷卻速度非常關鍵。

所述非調質鋼連桿，采用鍛造余熱來進行后續的熱處理工序（如圖1所示）。

圖1 某連桿的時效熱處理工藝

工藝過程為：先將連桿坯料在中頻爐中加熱到1 250℃左右（溫度由紅外測溫儀控制），經輥鍛、精鍛、沖孔、切邊、熱校正成型后，再將其放入風冷熱處理設備中進行時效熱處理，該設備（如圖2所示）包含：封閉的柜體、鏈條、電機及紅外測溫儀等部件。

圖2 風冷設備

在進行連桿試生產時，冷卻傳動帶電機初始速度設為500 r/min，連桿鍛件在傳送帶上勻速通過控制爐。在爐的進出口處，分別安裝一個紅外測溫儀，當鍛件進入或離開設備時，測溫儀將相應的信號傳給溫度顯示器，顯示相應溫度。

完成以上時效熱處理后，再進行金相以及相關力學性能的檢測，以此做為評估冷卻速度設定的好壞。通過檢測發現，連桿硬度低，并且延伸率偏高，不滿足連桿產品的性能要求（詳細檢測結果見表1）。因此必須針對熱處理的工藝進行整改，以滿足連桿各方面力學性能要求。

表1 某連桿的力學性能驗收標準及結果

2 冷卻速度對熱處理工藝的影響

熱處理操作中，加熱溫度、保溫時間和冷卻方法，是最重要的3個基本工藝因素，正確選擇其規范，是保證工件獲得合格的性能的關鍵。從本文1.3節的某發動機連桿例子中，當加熱溫度、保溫時間為一定而且為可控因素，傳送帶的轉動速度，即冷卻速度是影響該連桿力學性能的最主要因素。為驗證該結論，同時論述冷卻速度對非調質鋼熱處理工藝的影響，本文進行了如下一系列不同冷卻速度的熱處理試驗。

2.1 某連桿的冷卻速度實驗驗證

為驗證冷卻速度對熱處理的影響，尋找該發動機連桿鍛件最恰當的風冷速度，分別將風冷設備電機轉速設為100 r/min，200 r/min，300 r/min，400 r/min，500 r/min和600 r/min，并進行最終的連桿鏟平性能檢測實驗。

由于冷卻速度影響著風冷設備的出口溫度，因此在本次試驗中，監控并記錄連桿鍛件經過風冷設備后的出口溫度。試驗結果如表2所列。

表2 試驗結果（轉速單位：r/min；溫度單位：℃）

2.2 試驗結論

通過對實驗數據和連桿鍛件力學性能要求對比總結，結合生產過程，可得到以下結論：

（1）冷卻傳送帶轉速在100～200 r/min左右時，硬度和脫碳層(0.12 mm)均在驗收范圍內，滿足連桿鍛件力學性能要求；

（2）冷卻傳送帶轉速在300 r/min左右時，脫碳層(0.08 mm)較小，但連桿鍛件的硬度小，不符合連桿鍛件力學性能要求；

（3）冷卻傳送帶轉速在400 r/min左右時，脫碳層(0.2 mm)較大，且連桿鍛件的硬度小，不符合連桿鍛件力學性能要求；

（4）冷卻傳送帶轉速在500 r/min左右時，脫碳層(0.15 mm)偏高，且連桿鍛件的硬度小，不符合連桿鍛件力學性能要求；

（5）冷卻傳送帶轉速在600 r/min左右時，脫碳層(0.12 mm)適中，但連桿鍛件的硬度小，不符合連桿鍛件力學性能要求；而且由于冷卻傳送帶轉速太快，導致出口處連桿鍛件溫度過高，不適用于大批量生產。

綜上所述，通過以上的實驗分析，當冷卻傳送帶的轉速較小即冷卻速度較慢時，可獲得較高的鍛件強度，并且各連桿鍛件間的硬度偏差小；而當傳送帶速度較快，即冷卻速度較快時，雖然獲取較高的生產效率，但連桿鍛件的硬度、延伸率等力學性能不穩定，且不滿足技術標準要求。

通過以上實驗，也可得知，本文所述連桿鍛件的熱處理冷卻速度，以及鍛造過程中的溫度控制可基本定型固化。即，采用冷卻傳送帶在100～200 r/min的范圍內的冷卻速度時，可獲得較好的連桿鍛件力學性能，相關固化的鍛造及熱處理工藝定義如表3。

表3 某連桿的鍛造及熱處理參數

3 結束語

非調質鋼由于不需調質（淬火+回火）處理，僅通過時效熱處理，便能得到滿足連桿產品要求的力學性能，因此，在發動機連桿中得以廣泛采用；

非調質鋼連桿的力學性能，主要由時效處理過程中的加熱溫度、保溫時間和冷卻方法決定，而冷卻速度是熱處理工藝過程中不可忽視的步驟，冷卻方法因工藝不同而不同，控制冷卻速度，可得到不同的力學性能，如延伸率、斷面收縮率以及硬度等。

某發動機非調質鋼連桿的冷卻速度，應定為100～200 r/min，可得到良好的力學綜合性能，解決了生產過程中產生的力學性能偏差問題。

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