非調質鋼曲軸的開發(fā)和應用

1、非調質鋼曲軸的開發(fā)和應用作者：唐新民 趙九根摘要：本文介紹了非調質鋼(49MnVS3鋼)曲軸與調質鋼(S53C鋼)曲軸的顯微組織、力學性能和疲勞性能對比試驗結果，選定49MnVS3鋼作為柴油機曲軸用材，并逐步投入批量生產(chǎn)，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。 關鍵詞：非調質鋼；柴油機曲軸 1前言 我公司柴油機制造設備是根據(jù)引進技術的加工工藝要求而配置的，按要求采用S53C(調質鋼)鍛造曲軸毛坯，組織試生產(chǎn)。但國內鍛造曲軸毛坯因調質處理質量不穩(wěn)定，硬度均勻性差，切削性能差，導致加工刀具壽命短，生產(chǎn)效率低，經(jīng)常停產(chǎn)，造成生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)壓力大的被動局面。為此，通過調研，我們決定用非調質鋼制造曲軸。 曲軸是在不斷

2、周期變化的載荷下，在往復和旋轉慣性力和力矩(扭矩和彎矩)共同作用下做功的；其次曲軸各軸頸在很高的比壓下，以很大的相對速度與軸承發(fā)生滑動摩擦，產(chǎn)生較高的溫度和磨損，服役條件十分惡劣。因此，曲軸材料必須有較高的抗拉強度、疲勞強度、較高的硬度及耐磨性，心部有一定的韌性。據(jù)有關資料統(tǒng)計，曲軸失效形式主要是彎曲疲勞斷裂和軸頸磨損。 S53C鋼調質狀態(tài)下與正火狀態(tài)下的力學性能指標如表1所示。 表1S53C鋼力學性能及曲軸表面硬度數(shù)據(jù)表 熱處理狀態(tài)s/MPab/MPa(%)(%)KU/J.cm-2HBS表面氮碳共滲HV0.1調質正火58839278064714153559229285183255500500

3、我們的主要任務是選擇一種非調質鋼制造柴油機曲軸，既要滿足S53C鋼主要力學性能指標(特別是抗拉強度、疲勞強度)，又能大大地改善其切削性能，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。依據(jù)我國非調質鋼冶煉水平和現(xiàn)有非調質鋼，我們選定49MnVS3鋼為研究對象。用49MnVS3鋼與S53C鋼進行了對比性試驗。只要49MnVS3鋼的鍛造成形性、加工切削性能、疲勞臺架試驗、裝車路試使用性能達到或超過S53C鋼的性能，我們就認為能夠替代調質鋼制造柴油機曲軸。 2對比試驗及分析 2.1鍛造成形工藝試驗 非調質鋼曲軸的鍛造成形，主要是控制鍛件的加熱溫度，始、終鍛溫度和控冷速度，有效地保證曲軸鍛件的綜合力學性能及曲軸的加工性

4、能和使用壽命。 曲軸鍛造工藝流程如下： 下料中頻加熱預鍛終鍛切邊熱?？乩鋰娡铏z測(硬度、力學性能、探傷等)機加工。 依據(jù)曲軸毛坯廠生產(chǎn)經(jīng)驗和生產(chǎn)實際，以及兩種鋼的熱加工參數(shù)，我們制定了兩種鋼的對比鍛造工藝，如表2所示。 表2曲軸鍛造工藝對比試驗參數(shù)表 材質加熱溫度/始鍛溫度/終鍛溫度/控冷方式鍛造方式鍛后處理設備S53C鋼49MnVS3鋼1200±101190±101150±201150±201050±301030±30鍛后調質風控冷模鍛模鍛調質專用線控冷專用線2.2切削性能試驗及氮碳共滲處理 用S53C鋼和49MnVS3鋼的曲軸毛坯

5、，在曲軸加工線上進行了對比切削性能試驗。主要考核其刀具的使用壽命及切削力的大小。其數(shù)據(jù)見表3。 表3兩種材質曲軸切削刀具壽命比較 工序名稱加工調質鋼刀具壽命件/套加工非調質鋼刀具壽命件/套提高刀具壽命(%)車大、小頭車端面車-拉軸頸鉆油孔鉆飛輪孔400038002000100015007200700050001800200080841508033注：1.表中數(shù)據(jù)S53C鋼為生產(chǎn)記錄每套刀具推算平均壽命數(shù)，49MnVS3鋼為生產(chǎn)試驗樣本每套刀具平均壽命數(shù)。2.表中工序為曲軸加工中切削量大的工序，切削量小的工序沒有列入表中。其中車-拉軸頸指加工瓶頸工序。非調質鋼曲軸因49MnVS3鋼鍛件未經(jīng)調質處

6、理，室溫組織為珠光體和鐵素體，硬度均勻，工件表面硬度差20HBS，斷面硬度差15HBS，且鋼中含有較高的硫，從而顯著改善切削性能。從表3可以看出，切削量大的工序，刀具使用壽命提高得大，特別是解決了車-拉軸頸工序(調質鋼曲軸加工瓶頸工序)的切削加工問題，并使刀具使用壽命提高了150%以上。切削量小的工序刀具使用壽命提高達30%左右。 曲軸磨削加工后，必須進行表面硬化處理，以提高軸頸的耐磨性能和疲勞強度，延長曲軸的使用壽命。柴油機曲軸采用氣體氮碳共滲工藝進行表面硬化處理。非調質鋼曲軸氣體氮碳共滲結果怎樣呢？為此我們進行了氮碳共滲工藝試驗及耐磨性能試驗。試驗方法是用49MnVS3鋼曲軸進行與S53C

7、鋼曲軸相同工藝處理，檢測其氮碳共滲質量，試驗結果表明非調質鋼曲軸氮碳共滲后的質量與S53C鋼曲軸相當，可滿足曲軸各項技術要求。 2.3金相組織及分析 非調質鋼曲軸毛坯因坯料直徑較大(115mm)，加熱溫度高(1190)，時間長，鍛造比因部位不同，其室溫金相組織也不同。曲軸表面變形大，冷速大，金相組織為較細的珠光體加斷續(xù)網(wǎng)狀鐵素體，晶粒度為46級，硬度高達240260HB；而心部組織因變形小，冷速小，金相組織為較粗的珠光體加斷續(xù)網(wǎng)狀鐵素體，晶粒度為35級，硬度為230245HB。非調質鋼曲軸鍛后金相組織、硬度、晶粒度可見表4所示。另外，從試驗中還可得出，工件加熱溫度、終鍛溫度偏高，冷卻速度較低時

8、，晶粒粗大，切削性能好，但韌性差，疲勞強度低。金相試樣按圖1取樣檢測分析。 2.4力學性能 力學性能檢測主要做抗拉試驗和沖擊試驗。根據(jù)曲軸服役條件，曲軸直徑的大小，具體按圖1所示取樣。試樣的尺寸均為標準試樣。 圖1曲軸力學性能試樣取樣圖試驗方法是每批次取2件曲軸，做4個抗拉試樣，4個沖擊試樣，進行兩種材質的對比試驗，其試驗結果見表4所示。 表4兩種材質曲軸力學性能及金相組織對比數(shù)據(jù)表 材質s/MPab/MPa屈強比(%)(%)Ku/J.cm-2HBS金相組織晶粒度S53C鋼49MnVS3鋼5355454914977908108048210.6600.6081719161858603336657

9、52045235246236245S網(wǎng)F少PF斷網(wǎng)57級35級從表4中可以看出，兩種鋼的抗拉強度、屈服強度基本相同，但由于金相組織結構不同，調質鋼韌性比較好，非調質鋼晶粒粗大，鐵素體呈斷續(xù)網(wǎng)狀，導致韌性較差。 2.5疲勞強度及耐磨性能 曲軸疲勞性能的好壞，直接影響著曲軸裝機后的使用壽命，所以進行曲軸疲勞試驗是非常必要的。非調質鋼曲軸表面硬化質量、抗拉強度與調質鋼相當，但韌性較差，為此我們又進行了兩種材質曲軸疲勞性能的對比試驗。按JB3258汽車發(fā)動機曲軸疲勞臺架試驗方法的要求，用兩種鋼曲軸成品各隨機抽取5件曲軸，在DC-1型電磁激振疲勞試驗機上進行疲勞強度試驗，采用升降法求疲勞極限，再根據(jù)疲勞

10、強度計算出安全系數(shù)來判斷曲軸是否符合技術要求。具體試驗結果見表5所示。 曲軸耐磨試驗是用兩種材質按試驗要求做成試塊，在MM-200型磨損試驗機上進行等條件下耐磨試驗，再比較磨損體積的大小。具體試驗結果見表5所示。 表5曲軸彎曲疲勞強度、安全系數(shù)、耐磨性能對比數(shù)據(jù)表 材質疲勞強度/MPa安全系數(shù)磨損壓力/N磨損時間/h摩擦副磨損體積/mm3S53C鋼49MnVS3鋼103510351.561.562502501919高速鋼高速鋼6.1146.521從表5中可以看出49MnVS3鋼曲軸疲勞強度、安全系數(shù)均與S53C鋼相同，磨損量比S53C鋼略微大一點。按JB3258汽車發(fā)動機曲軸疲勞臺架試驗方法要

11、求，曲軸安全系數(shù)1.3就可以滿足曲軸性能要求，故49MnVS3鋼曲軸達到S53C鋼水平，能夠滿足我公司柴油機曲軸的性能要求。 2.6臺架試驗 臺架耐久試驗是考核曲軸裝機后使用性能及壽命的一種強化試驗。我們用49MnVS3鋼曲軸裝機兩臺，進行600h耐久臺架試驗。首先磨合50h，再進行550h強度試驗后，檢查曲軸的變形量及軸頸磨損狀態(tài)，再與S53C鋼曲軸600h臺架試驗結果進行比較。通過兩輪600h耐久臺架試驗后，檢查非調質鋼曲軸的變形量和軸頸磨損量，均與S53C鋼臺架試驗結果相當，符合曲軸臺架耐久試驗的技術要求。 2.7裝車路試 49MnVS3鋼曲軸在進行臺架疲勞試驗和臺架耐久試驗后，接著要進

12、行裝車路試，進一步檢測其可靠性、可行性和替代性。我們的方法是用49MnVS3鋼曲軸裝配3臺發(fā)動機裝車進行三萬公里路試，在各種不同的路況下，行駛不同路程，檢測曲軸的變形、磨損及其他失效內容。試驗結果證明49MnVS3鋼曲軸達到S53C鋼曲軸的技術水平，完全能滿足柴油機對曲軸的技術要求。 3經(jīng)濟效益分析 用49MnVS3鋼替代S53C鋼制造我公司柴油機曲軸，不但能滿足其性能和各項技術要求，解決切削加工中生產(chǎn)實際問題，使我公司發(fā)動機生產(chǎn)逐步走上正常軌道，而且能較大幅度地降低柴油機曲軸的制造成本，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。 49MnVS3鋼柴油機曲軸的經(jīng)濟效益主要由兩部分組成。一部分是材料國產(chǎn)化后(49Mn

13、VS3鋼材由國內供應，S53C鋼材需進口)，降低了原材料采購價，取消了鍛件調質處理工序，減少了廢品率，簡化工序，縮短了生產(chǎn)周期，降低了制造成本。另外，由于49MnVS3鋼中硫含量較高，組織結構穩(wěn)定，硬度均勻，表面硬度差較小，大大地改善了曲軸切削加工時的切削性能，提高了生產(chǎn)效率和刀具使用壽命，較大幅度地降低了加工制造成本。從表3中可以看出49MnVS3鋼曲軸切削量大的工序，刀具使用壽命提高80%150%，切量小的工序也提高了30%左右。49MnVS3鋼曲軸投產(chǎn)后，我們用數(shù)理統(tǒng)計的方法分析了一段時間的生產(chǎn)記錄，分析結果證明：每件49MnVS3鋼曲軸的加工制造成本可節(jié)省48元左右，加上降低曲軸毛坯采

14、購價95元件，實際每件49MnVS3鋼曲軸可節(jié)約制造成本143元左右。自投產(chǎn)以來我們已生產(chǎn)49MnVS3鋼曲軸4萬余件，經(jīng)濟效益達600余萬元。 4結論 (1)49MnVS3鋼曲軸經(jīng)各類性能試驗證明，能滿足我公司柴油機曲軸技術要求，可替代調質鋼制造曲軸。 (2)49MnVS3鋼曲軸可省略調質處理工序，簡化生產(chǎn)工序，降低廢品率，產(chǎn)品質量穩(wěn)定，適用于規(guī)模大、自動化程度高的曲軸生產(chǎn)線。 (3)采用49MnVS3鋼制造柴油機曲軸，可產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益，每件曲軸可望降低制造成本143元左右。 (4)49MnVS3鋼的塑性、韌性比S53C鋼稍差，可用降低含碳量改進鍛造工藝參數(shù)的方法，逐步達到調質鋼的水平。 作者簡介：唐新民(1953)，男，高工，從事金屬材料及熱處理專業(yè)的技術工作，多次擔任項目負責人。聯(lián)系電話：07