發(fā)動機(jī)曲軸毛坯晶粒粗大問題分析

吳錫華，黎麗

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州5450007）

發(fā)動機(jī)曲軸毛坯晶粒粗大問題分析

吳錫華，黎麗

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州5450007）

非調(diào)質(zhì)鋼具有節(jié)約能源、性能優(yōu)良、降低成本和綠色環(huán)保等主要優(yōu)點，因而得以廣泛應(yīng)用。某汽車公司四缸增壓汽油機(jī)曲軸材料為鐵素體珠光體型的非調(diào)質(zhì)鋼，入廠時對曲軸毛坯鍛件晶粒度進(jìn)行控制。為了保證制件最終熱處理后具有細(xì)晶組織，從而具有所要求的性能指標(biāo)，要求晶粒度等級5-8級。曲軸毛坯來料檢測發(fā)現(xiàn)供應(yīng)商提供毛坯出現(xiàn)晶粒度粗大至3級左右，超出要求范圍。為查明晶粒度粗大問題的根本原因?qū)Ξa(chǎn)品的原材料、鍛造工藝等進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)控溫冷速慢導(dǎo)致保溫時間過長，從而使晶粒度粗大。通過優(yōu)化控溫冷卻方式，使晶粒度達(dá)到要求范圍。

鍛造工藝；鍛件；晶粒度；控溫冷卻；熱處理

金屬材料的實際晶粒度與其熱加工工藝和材料性能存在著十分密切的關(guān)系。因此鋼鐵產(chǎn)品技術(shù)要求中都規(guī)定了晶粒度級別，晶粒度的檢驗也就成為了金相檢驗的重要項目之一。實際晶粒度的評定，對判斷材料的質(zhì)量，檢驗熱加工工藝的正確性、研究晶粒度對有關(guān)性能的影響等具有十分重要的意義[1]。在工廠機(jī)械零件熱處理工藝中，常規(guī)定有晶粒度的要求范圍，并且把它列為工件質(zhì)量評定的一項重要指標(biāo)。多年來，實際晶粒度的顯示和評定一直受到金相熱處理工作者的廣泛重視。

參照GBT13298-1991《金屬顯微組織檢驗方法》，按照工藝控制要求，取供應(yīng)商曲軸毛坯第二連桿頸位置做金相分析，發(fā)現(xiàn)曲軸毛坯晶粒粗大，晶粒度3級，如圖1所示。對于金屬的常溫力學(xué)性能來說，一般是晶粒越細(xì)小，則強(qiáng)度和硬度越高，同時塑性和韌性也越好。這是因為，晶粒越細(xì)，塑性變形也越可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，使塑性變形越均勻，內(nèi)應(yīng)力集中越小；而且晶粒越細(xì)，晶界面越多，晶界越曲折；晶粒與晶粒中間犬牙交錯的機(jī)會就越多，越不利于裂紋的傳播和發(fā)展，彼此就越緊固，強(qiáng)度和韌性就越好[2]。對曲軸毛坯進(jìn)行疲勞試驗，存活率為99.9%的疲勞極限僅為567 N·m，不能達(dá)到技術(shù)要求。

圖1 鍛件金相組織100×

本文通過對曲軸毛坯的原材料、鍛造工藝等進(jìn)行分析，尋找出導(dǎo)致產(chǎn)品晶粒度粗大的主要原因。針對控溫冷卻時間過長進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計一種新型的鍛件鍛造強(qiáng)化控冷設(shè)備，解決晶粒度粗大問題，提高產(chǎn)品的各項性能指標(biāo)。

1 原材料分析

1.1 原材料化學(xué)成分

在原材料的技術(shù)條件中，對化學(xué)元素皆規(guī)定了相應(yīng)的成分范圍，化學(xué)元素超出規(guī)定的范圍對晶粒度會產(chǎn)生較大的影響。從供應(yīng)商原材料上取樣進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）見表1.按照工藝要求可見供應(yīng)商原材料的化學(xué)成分符合圖紙要求。

表1 化學(xué)成分（%）

1.2 原材料金相組織

參照GBT13298-1991《金屬顯微組織檢驗方法》，從原材料上截取試樣，經(jīng)磨拋、腐蝕后在金相顯微鏡下觀察晶粒度情況。參照GB/T6394-2002《金屬平均晶粒度檢測方法》對原材料進(jìn)行評級，晶粒度7～8級，晶粒度合格。原材料金相組織均為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體，組織均勻分布，金相組織合格，如圖2所示。由此可知入廠的原材料晶粒度合格，排除了原材料晶粒度不合格因素而導(dǎo)致曲軸毛坯晶粒度不合格。

圖2 原材料金相圖100×

2 工藝流程分析

2.1 工藝流程

曲軸鍛造工藝主要為：圓棒下料→中頻加熱→鍛打→切邊→控溫冷卻，如圖3所示。鍛件主要鍛造工藝參數(shù)為：加熱溫度1 150～1 250℃；始鍛溫度1 000～1 100℃；終鍛溫度950～1 000℃；控溫冷卻，控冷線上線溫度≥850℃，控冷方式為連續(xù)循環(huán)，控冷線下限溫度＜500℃.綜合分析影響晶粒大小主要因素為溫度，溫度越高晶粒長大傾向越大，其次是保溫時間、終鍛溫度和冷卻速度。

圖3 鍛造工藝

2.2 鍛造影響因素分析

（1）工藝加熱溫度設(shè)計為1 150～1 250℃，根據(jù)曲軸尺寸大小、奧氏體均勻化（碳化物充分溶解在奧氏體中）以及鍛造加工壓力因素，以及相關(guān)驗證得出的加熱溫度為1 200℃較為適宜，加熱溫度工藝參數(shù)較為合理。

（2）對于終鍛溫度而言，終鍛溫度較低時，晶粒細(xì)化，使晶界增多，這對強(qiáng)度和韌性都是有利的。同時由于形變溫度較低，產(chǎn)生的位錯、空位等晶體缺陷越多，就大大增加了先共析鐵素體形核率，使鐵素體組織增加，使強(qiáng)度降低。終鍛溫度高時，晶粒較粗，晶界相對減少，再結(jié)晶速度較快使缺陷減少，先共析鐵素體形核率減少，則鐵素體減少，珠光體增多，故強(qiáng)度升高而韌性下降[3]。綜合考慮終鍛溫度以900～1 000℃為宜。

（3）對于保溫時間而言，保溫時間越長晶粒長的越大。由于工藝更改，中頻加熱快速完成，整體加熱時間仍然沿用以前加熱方法時間，加熱爐內(nèi)停留時間過長，鍛件停留在高溫時間過長，是導(dǎo)致鍛件晶粒長大的一個因素。

（4）鍛件采用控溫冷卻方式，控溫冷卻入口監(jiān)測溫度約為930℃，實際過線時間為50 min，出口處零件溫度約為200℃，通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)鍛件進(jìn)入控溫口冷卻入口溫度偏高，由于控溫冷卻線長，冷速過慢，晶粒隨之長大。

3 措施制定驗證

由上述分析可知，導(dǎo)致曲軸毛坯晶粒粗大的主要原因是高溫情況下停留時間過長。更改工藝，將爐內(nèi)停留時間將至最短。通過相關(guān)數(shù)據(jù)對比，終鍛完成后（約900℃）至500℃范圍冷卻過程內(nèi)，冷卻速率越快其晶粒越細(xì)小。故更改控溫冷卻方法，找到了鍛件最佳強(qiáng)化控冷工藝[4]，設(shè)計一種新型的鍛件鍛造定制強(qiáng)化控冷設(shè)備，如圖4所示，加快控溫冷卻速度。要求進(jìn)入控溫口鍛件大于900℃，經(jīng)6 min左右強(qiáng)化控溫冷卻至約500℃，從控溫鍛件出口出來后進(jìn)行空冷，可釋放殘余應(yīng)力，可使曲軸毛坯達(dá)到較好性能。

圖4 強(qiáng)化控冷方式示意圖

通過更改加熱工藝以及冷卻方式后，各項性能均能符合要求，晶粒度為6～7級，如圖5所示。對曲軸進(jìn)行疲勞試驗，存活率為99.9%的疲勞極限為820 N·m，性能得到了較大的提升。

圖5 改進(jìn)后金相組織100×

4 結(jié)論

通過分析確定了“鍛件加熱工藝不合理，控溫冷卻速率過慢，導(dǎo)致鍛件在高溫情況下保溫時間過長”是造成曲軸毛坯晶粒粗大的根本原因。通過優(yōu)化工藝，更改控溫冷卻方式及冷卻速率，曲軸毛坯晶粒度以及性能均能達(dá)到技術(shù)要求。

[1]郭鴻鎮(zhèn)．合金鋼與有色合金鍛造[M]．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2009：1－3．

[2]王淑華，荊海鷗，邢琳．晶內(nèi)鐵素體型微合金非調(diào)質(zhì)鋼的顯微組織與力學(xué)性能[J]．機(jī)械工程材料，2008，32（12）：44－46．

[3]華小珍，周浪，唐新民，等．鍛造工藝對A800F非調(diào)質(zhì)鋼組織與性能的影響[J]．熱加工工藝，2012（3）：66-69.

[4]周賢良，葉志國，華小珍，等．12Mn2VBS鋼冷卻速度對顯微組織及性能的影響[J]．機(jī)械工程師，2004（2）：47-48.

Coarse Grains Analysis of the Engine Crankshaft

WU Xi-hua，LI Li
（SAIC GM Wuling Automobile Limited by Share Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Non quenched and tempered steel has many advantages,such as energy saving，good performance，low cost and green environmental protection，so it can be widely used.The crankshaft material of four-cylinder supercharged gasoline engine of an automobile company is non-quenched and tempered steel with ferrite pearlite，and the grain size of crankshaft blank forgings is controlled when entering.In order to ensure that the final heat treatment of the workpiece has fine crystalline structure，so as to have the required performance indicators，the requirements of grain size class 5～8.The material inspection of the crankshaft blank shows that the supplier provides coarse grain with coarse grain to about 3 grade，which exceeds the required range.In order to find out the root cause of the problem of coarse grain size，the raw material and forging process of the product were analyzed.It was found that the slow cooling rate resulted in the holding time being too long，so that the grain size was coarse.By optimizing temperature control and cooling mode，the grain size can be reached the required range.

forging process；forgings；grain size；temperature control；heat treatment

TG316.5

A < class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0110-03

2017-02-14

吳錫華（1988-）男，廣西桂林人，本科，工程師，從事機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的研究；黎麗（1983-），女，廣西柳州人，工程師，本科，從事機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的研究。