非调质钢曲轴的开发和应用

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1、非调质钢曲轴的开发和应用作者：唐新民赵九根摘要：本文介绍了非调质钢(49MnVS3钢)曲轴与调质钢(S53C钢)曲轴的显微组织、力学性能和疲劳性能对比试验结果，选定49MnVS3钢作为柴油机曲轴用材，并逐步投入批量生产，产生了巨大的经济效益。关键词：非调质钢；柴油机曲轴1前言我公司柴油机制造设备是根据引进技术的加工工艺要求而配置的，按要求采用S53C(调质钢)锻造曲轴毛坯，组织试生产。但国内锻造曲轴毛坯因调质处理质量不稳定，硬度均匀性差，切削性能差，导致加工刀具寿命短，生产效率低，经常停产，造成生产成

2、本高，生产压力大的被动局面。为此，通过调研，我们决定用非调质钢制造曲轴。曲轴是在不断周期变化的载荷下，在往复和旋转惯性力和力矩(扭矩和弯矩)共同作用下做功的；其次曲轴各轴颈在很高的比压下，以很大的相对速度与轴承发生滑动摩擦，产生较高的温度和磨损，服役条件十分恶劣。因此，曲轴材料必须有较高的抗拉强度、疲劳强度、较高的硬度及耐磨性，心部有一定的韧性。据有关资料统计，曲轴失效形式主要是弯曲疲劳断裂和轴颈磨损。S53C钢调质状态下与正火状态下的力学性能指标如表1所示。表1S53C钢力学性能及曲轴表面硬度数据表

3、热处理状态σs/MPaσb/MPaδ(%)Ψ(%)αKU/J.cm-2HBS表面氮碳共渗HV0.1调质正火≥588≥392≥780≥647≥14≥15≥35≥59229～285183～255≥500≥500我们的主要任务是选择一种非调质钢制造柴油机曲轴，既要满足S53C钢主要力学性能指标(特别是抗拉强度、疲劳强度)，又能大大地改善其切削性能，提高生产效率，降低生产成本。依据我国非调质钢冶炼水平和现有非调质钢，我们选定49MnVS3钢为研究对象。用49MnVS3钢与S53C钢进行了对比性试验。只要49M

4、nVS3钢的锻造成形性、加工切削性能、疲劳台架试验、装车路试使用性能达到或超过S53C钢的性能，我们就认为能够替代调质钢制造柴油机曲轴。2对比试验及分析2.1锻造成形工艺试验非调质钢曲轴的锻造成形，主要是控制锻件的加热温度，始、终锻温度和控冷速度，有效地保证曲轴锻件的综合力学性能及曲轴的加工性能和使用寿命。曲轴锻造工艺流程如下：下料→中频加热→预锻→终锻→切边→热校→控冷→喷丸→检测(硬度、力学性能、探伤等)→机加工。依据曲轴毛坯厂生产经验和生产实际，以及两种钢的热加工参数，我们制定了两种钢的对比锻造

5、工艺，如表2所示。表2曲轴锻造工艺对比试验参数表材质加热温度/℃始锻温度/℃终锻温度/℃控冷方式锻造方式锻后处理设备S53C钢49MnVS3钢1200±101190±101150±201150±201050±301030±30锻后调质风→控冷模锻模锻调质专用线控冷专用线2.2切削性能试验及氮碳共渗处理用S53C钢和49MnVS3钢的曲轴毛坯，在曲轴加工线上进行了对比切削性能试验。主要考核其刀具的使用寿命及切削力的大小。其数据见表3。表3两种材质曲轴切削刀具寿命比较工序名称加工调质钢刀具寿命件/套加工非

6、调质钢刀具寿命件/套提高刀具寿命(%)车大、小头车端面车-拉轴颈钻油孔钻飞轮孔400038002000100015007200700050001800200080841508033注：1.表中数据S53C钢为生产记录每套刀具推算平均寿命数，49MnVS3钢为生产试验样本每套刀具平均寿命数。2.表中工序为曲轴加工中切削量大的工序，切削量小的工序没有列入表中。其中车-拉轴颈指加工瓶颈工序。非调质钢曲轴因49MnVS3钢锻件未经调质处理，室温组织为珠光体和铁素体，硬度均匀，工件表面硬度差＜20HBS，断面硬

7、度差＜15HBS，且钢中含有较高的硫，从而显著改善切削性能。从表3可以看出，切削量大的工序，刀具使用寿命提高得大，特别是解决了车-拉轴颈工序(调质钢曲轴加工瓶颈工序)的切削加工问题，并使刀具使用寿命提高了150%以上。切削量小的工序刀具使用寿命提高达30%左右。曲轴磨削加工后，必须进行表面硬化处理，以提高轴颈的耐磨性能和疲劳强度，延长曲轴的使用寿命。柴油机曲轴采用气体氮碳共渗工艺进行表面硬化处理。非调质钢曲轴气体氮碳共渗结果怎样呢？为此我们进行了氮碳共渗工艺试验及耐磨性能试验。试验方法是用49MnVS

8、3钢曲轴进行与S53C钢曲轴相同工艺处理，检测其氮碳共渗质量，试验结果表明非调质钢曲轴氮碳共渗后的质量与S53C钢曲轴相当，可满足曲轴各项技术要求。2.3金相组织及分析非调质钢曲轴毛坯因坯料直径较大(φ115mm)，加热温度高(1190℃)，时间长，锻造比因部位不同，其室温金相组织也不同。曲轴表面变形大，冷速大，金相组织为较细的珠光体加断续网状铁素体，晶粒度为4～6级，硬度高达240～260HB；而心部组织因变形小，冷速小，金相组织为较粗的珠光体加断续网