大中型曲軸調(diào)質(zhì)工藝設(shè)計(jì)方法

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中車資陽(yáng)機(jī)車有限公司曲軸分公司 四川資陽(yáng) 641301

1 序言

曲軸是內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，按結(jié)構(gòu)形式可分為組合式、半組合式和整體式。組合式僅限于少數(shù)機(jī)型；半組合式主要用在船用低速柴油機(jī)上；整體式廣泛用于高中速柴油機(jī)和缸徑較小的柴油機(jī)上。整體式曲軸，根據(jù)成形的方式可分為自由鍛、模鍛、全纖維擠壓三種，本文主要討論全纖維擠壓成形整體式大中型曲軸調(diào)質(zhì)處理。

由于曲軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中受到復(fù)雜的彎曲-扭轉(zhuǎn)載荷和一定的沖擊載荷，軸頸表面還要受到磨損，因此常用優(yōu)質(zhì)碳素鋼和低合金鋼制造。對(duì)曲軸的熱處理有較高要求，一般要經(jīng)過(guò)鍛后熱處理、調(diào)質(zhì)處理、去應(yīng)力處理和表面強(qiáng)化處理。以全纖維擠壓的整體式曲軸（見(jiàn)圖1）為例，其制造過(guò)程主要由原材料光坯生產(chǎn)、鍛造、熱處理及機(jī)加工4個(gè)部分組成。原材料光坯生產(chǎn)一般由鋼廠完成，其重點(diǎn)是通過(guò)煉鋼、鑄錠及光坯鍛造過(guò)程保證材料的化學(xué)成分、非金屬夾雜物及低倍組織等滿足用戶技術(shù)要求，以保證曲軸的致密度、純凈度質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)提供良好的工藝性，確保后續(xù)加工的順利完成。調(diào)質(zhì)處理是通過(guò)加熱冷卻過(guò)程改變曲軸的內(nèi)部組織，以滿足曲軸力學(xué)性能要求，是保證曲軸疲勞壽命的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖1 曲軸結(jié)構(gòu)示意

我公司從事大中型曲軸調(diào)質(zhì)處理近50年，已積累了大量大中型曲軸調(diào)質(zhì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是仍然存在著一些難以解決的問(wèn)題，如一些成熟批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，合格率仍會(huì)出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)。隨著造船業(yè)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的類型日益增多，各種技術(shù)要求的曲軸隨之而來(lái)，給調(diào)質(zhì)工藝帶來(lái)極大的考驗(yàn)。某些曲軸甚至從工藝上采取了如亞溫淬火等非傳統(tǒng)的工藝手段，但其調(diào)質(zhì)一次合格率十分不穩(wěn)定，一次合格率不到50%的情況時(shí)有發(fā)生。

2 大中型曲軸調(diào)質(zhì)工藝控制

2.1 曲軸材料淬透性控制

大中型曲軸調(diào)質(zhì)獲得的金相組織是曲軸材料淬透性和加熱冷卻條件共同作用的結(jié)果。材料淬透性是前提和基礎(chǔ)。從傳熱學(xué)理論計(jì)算可知，受傳導(dǎo)方式控制的曲軸加熱冷卻速度是非常有限的。淬透性是指鋼在高溫經(jīng)奧氏體化后過(guò)冷下來(lái)時(shí)的一種特性，就是指鋼接受淬火的能力，這是鋼種固有性能所決定的淬火透入的難易度，它與主要取決于鋼材大小的淬透層深度既有聯(lián)系又有區(qū)別。后者受鋼材的尺寸、淬火冷卻介質(zhì)的種類、攪拌方法及攪拌程度等影響，也隨鋼種的不同而有顯著的差異。淬透有衡量的標(biāo)志，衡量淬透的標(biāo)志不同，淬透性的涵義就不同。根據(jù)過(guò)冷奧氏體在不同溫度區(qū)的穩(wěn)定性，可以有珠光體淬透性、貝氏體淬透性和馬氏體淬透性，通常所說(shuō)的是馬氏體淬透性。根據(jù)GB/T 5216—2014《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》 推薦的方法，利用鋼材料的化學(xué)成分可以量化計(jì)算其表征淬透能力的理想臨界直徑DI值。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，大中型曲軸調(diào)質(zhì)一次合格率低的爐次，其合金元素成分偏低，計(jì)算其表征淬透性的DI值，有的甚至低至90mm以下。一次調(diào)質(zhì)合格曲軸其DI值均在110mm以上。追溯這些爐次曲軸原材料證件，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足用戶要求。由于投資規(guī)模及市場(chǎng)等多方面的限制，曲軸原材料光坯生產(chǎn)和調(diào)質(zhì)處理兩個(gè)過(guò)程往往是在兩個(gè)不同的企業(yè)完成的。雖然用戶對(duì)曲軸原材料一般都有較為明確的標(biāo)準(zhǔn)，但企業(yè)通常從簡(jiǎn)單的成本考慮，其光坯采購(gòu)均僅以滿足用戶要求為目標(biāo)。在熱處理技術(shù)要求不高的曲軸產(chǎn)品時(shí)，材料淬透性的影響不明顯。如果遇到技術(shù)難度較大的產(chǎn)品，則明顯不能滿足工藝需要。再次對(duì)用戶原材料技術(shù)要求的分析表明，其材料牌號(hào)42CrMoA化學(xué)成分的要求與GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)定完全一致，見(jiàn)表1。我們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的化學(xué)成分上下限進(jìn)行DI值計(jì)算，不難得出其范圍為66～166mm。對(duì)于尺寸達(dá)φ250mm的曲軸，如果原材料的淬透性在如此大的范圍內(nèi)波動(dòng)，顯然其工藝性是不穩(wěn)定的。標(biāo)準(zhǔn)給出較大范圍的成分允許值主要是考慮到特定時(shí)期冶煉控制水平和注錠過(guò)程的偏析。據(jù)了解，隨著國(guó)內(nèi)冶煉水平的不斷提升，就曲軸原材料光坯生產(chǎn)而言，其化學(xué)成分成品分析保證能力已遠(yuǎn)高于GB/T 3077—2015的基本要求。除碳元素以外，合金元素的成品分析控制范圍完全可以保證在0.1%左右，個(gè)別元素甚至可以達(dá)到0.03%。因此為保證曲軸調(diào)質(zhì)處理的工藝性，適當(dāng)縮小化學(xué)成分控制范圍是十分必要而合理的。

表1 42CrMoA鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

針對(duì)以上調(diào)質(zhì)合格率低的曲軸，提出將42CrMoA鋼曲軸原材料的熔煉化學(xué)成分要求下限適當(dāng)提高，加入少量的Ni、V元素（見(jiàn)表2），保證其DI值在110mm以上。

表2 42CrMoA鋼調(diào)整化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

同時(shí)在入廠復(fù)驗(yàn)這一重要環(huán)節(jié)，不僅限于復(fù)驗(yàn)原材料是否滿足用戶要求，更要考慮為后序熱處理工藝制定提供準(zhǔn)確可靠的參考數(shù)據(jù)。主要是增加熱處理后力學(xué)性能取樣位置全套化學(xué)成分的復(fù)驗(yàn)，而且將復(fù)試用加長(zhǎng)件改留到調(diào)質(zhì)力學(xué)性能取樣的水口端，為后續(xù)的等效模擬試驗(yàn)的準(zhǔn)確性奠定基礎(chǔ)。

2.2 調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)控制

在材料確定的情況下，大中型曲軸調(diào)質(zhì)力學(xué)性能就完全決定于調(diào)質(zhì)工藝。大中型曲軸調(diào)質(zhì)包括淬火和高溫回火兩個(gè)階段。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[1]介紹，調(diào)質(zhì)淬火工藝有兩種，一是完全淬火，二是亞溫淬火。一般情況下調(diào)質(zhì)工藝優(yōu)先選用完全淬火，淬火溫度采用Ac3+（30～50）℃，材料一旦確定，可調(diào)整范圍較小。因此，最終決定曲軸淬火效果的是冷卻過(guò)程。我公司從20世紀(jì)70年代開(kāi)始從事大中型曲軸調(diào)質(zhì)工藝開(kāi)發(fā)，已具備了單液、雙液及水-空交替多種淬火方式。在采用單液或雙液冷卻工藝時(shí)，冷卻時(shí)間以分鐘為計(jì)算單位，一般是參考相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合曲軸表面余溫初步確定，再根據(jù)大中型曲軸調(diào)質(zhì)力學(xué)性能的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。采用這種方式的缺點(diǎn)是對(duì)大中型曲軸調(diào)質(zhì)淬火的組織無(wú)預(yù)見(jiàn)性，試驗(yàn)次數(shù)多，易導(dǎo)致工藝開(kāi)發(fā)成本高。2008年，我公司引進(jìn)水-空交替智能控時(shí)淬火槽后，曲軸淬火冷卻時(shí)間以秒為計(jì)算單位，水-空交替冷卻段較多，采用這種傳統(tǒng)方式開(kāi)發(fā)已無(wú)法適應(yīng)新產(chǎn)品工藝開(kāi)發(fā)的需要。即便有已成功應(yīng)用的水-空交替控時(shí)淬火工藝，但已無(wú)法從每段冷卻時(shí)間的簡(jiǎn)單調(diào)整預(yù)測(cè)最終的淬火效果。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用為該問(wèn)題提供了解決途徑。

我們已經(jīng)通過(guò)傳統(tǒng)方式成功建立了某些材料的大中型曲軸調(diào)質(zhì)成熟的工藝參數(shù)，而我們面對(duì)的新產(chǎn)品常常是材料和技術(shù)要求相近，但其調(diào)質(zhì)狀態(tài)工序尺寸和取樣部位有差異。我們可設(shè)計(jì)一個(gè)等效模擬試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。孫興邦等[2]介紹了一種國(guó)外研究人員提出的模擬試驗(yàn)法，其基本依據(jù)是，決定鍛件回火后力學(xué)性能的關(guān)鍵在于冷卻后獲得組織的性質(zhì)及其分散度。而組織主要是由冷卻過(guò)程所決定。因此，對(duì)于同種材料，如果奧氏體化溫度相同，過(guò)冷奧氏體的冷卻過(guò)程也相同，則可以認(rèn)為冷卻后的組織及性能相同。參照此法，我們采用曲軸原材料入廠復(fù)試用加長(zhǎng)件的殘樣進(jìn)行等效模擬試驗(yàn)。殘樣有效厚度在180～200mm，直徑隨曲軸光坯的大小而不同，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 等效模擬試驗(yàn)殘樣示意

試驗(yàn)用加熱溫度與曲軸相同，保溫時(shí)間確保完全奧氏體化即可。但是，由于殘樣的有效厚度基本不變，而曲軸本體有效厚度則與之不同，常常要大于殘樣有效厚度。因此，采用仿真獲得的大中型曲軸調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)進(jìn)行殘樣淬火，其結(jié)果當(dāng)然不能代表曲軸。我們只能建立殘樣的模型，運(yùn)用熱處理仿真軟件，通過(guò)調(diào)整前述獲得的曲軸淬火工藝參數(shù)，反復(fù)優(yōu)化計(jì)算其淬火冷卻過(guò)程，使殘樣與曲軸本體對(duì)應(yīng)取樣部位的組織近似于大中型曲軸調(diào)質(zhì)仿真計(jì)算的結(jié)果。這樣，才可以獲得與大中型曲軸調(diào)質(zhì)效果近似的殘樣淬火工藝參數(shù)。由于殘樣是從曲軸本體上截取，所以防止了模擬試驗(yàn)用料淬透性不同帶來(lái)的差異。殘樣淬火后，我們根據(jù)調(diào)質(zhì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品技術(shù)要求確定殘樣的回火溫度。殘樣經(jīng)回火后進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果調(diào)整并確定曲軸的調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)。等效模擬試驗(yàn)不僅可以驗(yàn)證新產(chǎn)品大中型曲軸調(diào)質(zhì)工藝的可行性，還可以在曲軸批量生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行曲軸回火溫度是否適當(dāng)?shù)尿?yàn)證。

3 措施效果驗(yàn)證

我們按照表2要求采購(gòu)了前述調(diào)質(zhì)合格率低曲軸的原材料共28爐近200支曲軸，調(diào)質(zhì)一次交檢合格率已達(dá)90%以上。同時(shí)我們選擇1爐次曲軸進(jìn)行了等效試驗(yàn)。選取加長(zhǎng)件澆口端調(diào)質(zhì)力學(xué)性能取樣位置進(jìn)行全套化學(xué)成分入廠復(fù)驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)入廠復(fù)試計(jì)算的DI值為135.7mm。經(jīng)計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，我們獲知?dú)垬拥牡刃д{(diào)質(zhì)工藝，其淬火冷卻效果與大中型曲軸調(diào)質(zhì)相近。根據(jù)以往大中型曲軸調(diào)質(zhì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定殘樣回火工藝為625℃×4h，試樣及曲軸本體調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4，合格曲軸金相組織如圖3所示。

表3 入廠復(fù)驗(yàn)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 曲軸等效力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

從表4可看出，等效試樣與曲軸本體力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果基本一致。這一結(jié)果證明，采用有效尺寸不同的試樣模擬曲軸本體調(diào)質(zhì)過(guò)程是切實(shí)可行的。圖3所示為調(diào)質(zhì)后的金相組織，主要為回火索氏體。通過(guò)控制原材料的淬透性，淬火效果也得到明顯改善。

圖3 合格曲軸金相組織（500×）

4 結(jié)束語(yǔ)

1）控制曲軸光坯原材料化學(xué)成分范圍，保證其淬透性在一個(gè)合理范圍，是提高大中型曲軸調(diào)質(zhì)質(zhì)量穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。

2）采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是建立和優(yōu)化大中型曲軸調(diào)質(zhì)工藝的一種有效手段。通過(guò)其建立的曲軸原材料殘樣等效模擬試驗(yàn)，不僅可經(jīng)濟(jì)地驗(yàn)證新工藝的可行性，還可用于驗(yàn)證批量生產(chǎn)曲軸的回火溫度。