某型曲軸熱處理工藝開發(fā)

孫靜茹 楊曾虹 丑洋洋

摘要：本文通過對某型曲軸的材質(zhì)、形狀尺寸及熱處理要求進行分析，針對材質(zhì)及性能要求初步確定了曲軸的臥式調(diào)質(zhì)熱處理工藝方案。通過小批量生產(chǎn)確定了工藝其可行性，并最終將新工藝應(yīng)用于批量生產(chǎn)，實現(xiàn)了該類曲軸熱處理工藝的開發(fā)。

關(guān)鍵詞： 40CrNiMo? 曲軸、調(diào)質(zhì)熱處理

1. 引言

某型曲軸主要應(yīng)用在石油機械等設(shè)備上，其是鉆探機械設(shè)備的重要組成部分，曲軸是一個重要的旋轉(zhuǎn)機件，是鉆探設(shè)備的動力源。曲軸熱處理后力學(xué)性能的好壞，將直接影響鉆探機整體性能的表現(xiàn)。本文針對材質(zhì)為40CrNiMo的壓裂泵曲軸性能要求進行了熱處理工藝開發(fā)，本文就該曲軸的熱處理工藝開發(fā)過程進行了詳細(xì)闡述。

2. 曲軸參數(shù)

2.1 曲軸材料

曲軸材料為40CrNiMo，其化學(xué)成分應(yīng)符合表1要求。

2.2 曲軸主要尺寸

曲軸為粗加工后進行調(diào)質(zhì)，此類曲軸無曲柄，由六個主軸頸及五個連桿頸組成。曲軸總長總長2300mm左右，主軸頸直徑Φ600mm，連桿頸直徑Φ260mm。

2.3 力學(xué)性能

曲軸采用粗加工后進行調(diào)質(zhì)處理，曲軸輸出端帶有連體試棒，試棒直徑為Φ230mm。按技術(shù)要求，力學(xué)性能的取樣部位為表面下1/3R處，則調(diào)質(zhì)狀態(tài)取樣位置距離曲軸表面尺寸應(yīng)為39mm.力學(xué)性能要求見表2.

3.熱處理工藝難點分析

3.1 材質(zhì)分析。曲軸所用材料為40CrNiMo，是一種鉻鎳鉬合金鋼，淬透性比較好，無明顯的回火脆性，經(jīng)熱處理后可獲得良好的綜合性能。由于該鋼中鎳的含量比較高，進一步提高了鋼的淬透性，并可降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，進一步提高鋼的沖擊韌性。但由于該鋼種該尺寸類曲軸是我公司第一次處理，故缺乏相應(yīng)的熱處理經(jīng)驗，加上該鋼種的淬透性比較好，如果淬火時冷卻速度控制不好，有造成曲軸開裂的風(fēng)險。

3.2 外形尺寸分析。該曲軸與我公司目前生產(chǎn)的船機和主機曲軸相比，其主要特點是沒有曲柄板，且其主軸頸直徑是目前公司生產(chǎn)的所有曲軸中尺寸最大的，但主軸頸寬度確是最小的。根據(jù)目前曲軸臥式調(diào)質(zhì)經(jīng)驗，為了控制曲軸變形，調(diào)質(zhì)加熱保溫過程中均需對主軸頸進行支撐。此曲軸主軸頸較窄支撐有一定難度，且在淬火冷卻時有一定的淬裂風(fēng)險。

3.3 力學(xué)性能分析。與公司生產(chǎn)的其它曲軸相比，該曲軸熱處理后的綜合力學(xué)性能要求比較高，尤其沖擊功的要求是目前生產(chǎn)的所有合金鋼曲軸中最高的。為使曲軸經(jīng)調(diào)質(zhì)后能達到力學(xué)性能要求，必須加快淬火時的冷速，以使曲軸獲得更好的淬火效果，從而滿足其強度和韌性指標(biāo)要求，這使曲軸有著出現(xiàn)淬火裂紋的風(fēng)險。

3.4? 淬裂性分析。對曲軸的材質(zhì)、尺寸和力學(xué)性能分析表明，該曲軸淬火時需加快冷速，加上曲軸形狀復(fù)雜，尺寸厚薄懸殊大，在加熱和冷卻過程中將產(chǎn)生更大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，使得曲軸淬裂的風(fēng)險較大。為了杜絕曲軸在調(diào)質(zhì)過程中出現(xiàn)裂紋，制定工藝時必須綜合考慮，以避免造成重大經(jīng)濟損失。

4 曲軸臥式調(diào)質(zhì)試制

4.1 首批曲軸調(diào)質(zhì)試制。該曲軸為粗加工調(diào)質(zhì)，而且該材質(zhì)為40CrNiMo，Ni含量較高材料本身淬透性好，淬火溫度不能太高，830℃即可。在制定控時冷卻工藝時應(yīng)盡量緩慢冷卻，故而在調(diào)用智能冷卻工藝時采用相似直徑的40CrMo4智能工藝的基礎(chǔ)上減少浸液水冷時間，但是該軸尺寸較大因而熱容量大，為降低淬火后的余溫，總的冷卻時間不能縮短，因此最后適度增加水冷時間。

考慮到在熱處理過程中的變形，曲軸有六個主軸頸，為了防止變形支撐采用四點支撐，分別支撐其主軸頸，淬火時采用兩點吊掛，分別吊曲軸兩端。

首支壓裂泵曲軸的調(diào)質(zhì)工藝曲線見圖1，調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能見表3。

首批兩支曲軸熱處理后金相組織見圖2，為回火索氏體，，淬火效果良好。

4.2 小批量生產(chǎn)。在首批曲軸試制取得初步成功的基礎(chǔ)上，為進一步驗證工藝的可靠性，采用圖1所示工藝對壓裂泵曲軸進行小批量調(diào)質(zhì)試制。因首批試制一支曲軸強度和硬度稍微偏高，故在小批量試制時通過調(diào)整回火溫度來控制曲軸強度，調(diào)質(zhì)后其力學(xué)性能如表4所示。從數(shù)據(jù)上看，采用水—空交替淬火后曲軸力學(xué)性能穩(wěn)定，均一次船檢合格。5支曲軸經(jīng)劃線檢查，有一定的彎曲變形，但均不影響半成品加工。并且，所有曲軸經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后均未產(chǎn)生淬火裂紋。

曲軸經(jīng)過小批量調(diào)質(zhì)后，結(jié)果證明所采用調(diào)質(zhì)方式和工藝滿足技術(shù)要求，達到預(yù)期目的。

到目前為止，已采用此調(diào)質(zhì)工藝生產(chǎn)該型曲軸100余支，力學(xué)性能穩(wěn)定，變形均在允許范圍之內(nèi)。

5. 結(jié)束語

1. 通過工藝開發(fā)實現(xiàn)了材料為40CrNiMo鋼的曲軸的熱處理，其各項力學(xué)性能指標(biāo)均能夠達到技術(shù)要求。

2. 通過工藝開發(fā)，對40CrNiMo材質(zhì)的水空交替熱處理特性有了深入地了解，為該材質(zhì)曲軸的熱處理積累了一定的經(jīng)驗。

3.為后續(xù)石油機械類曲軸的熱處理積累了相關(guān)經(jīng)驗。

參考文獻：

[1] 中國機械工程學(xué)會熱處理學(xué)會，《熱處理手冊》，機械工業(yè)出版社， 2008年

[2] 康大韜、葉國斌，《大型鍛件材料及熱處理》，北京龍門書局 1998年

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