某型柴油機(jī)曲軸熱處理工藝開(kāi)發(fā)

陳世英，張?zhí)?，蘇程

中車資陽(yáng)機(jī)車有限公司 四川資陽(yáng) 641301

1 序言

某型柴油機(jī)曲軸材質(zhì)34CrNi3MoA，曲軸主軸頸和連桿頸直徑較大，且調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能要求高（其中抗拉強(qiáng)度1000～1130MPa）。為保證曲軸穩(wěn)定達(dá)到力學(xué)性能要求，可采用我公司曲軸臥式水-空循環(huán)交替智能控時(shí)淬火技術(shù)進(jìn)行調(diào)質(zhì)，確保曲軸達(dá)到力學(xué)性能、金相組織等技術(shù)要求。

但是，該曲軸材質(zhì)34CrNi3MoA屬于中合金鋼，合金含量較多，采用清水作為淬火冷卻介質(zhì)在冷卻過(guò)程中存在很大的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，因此需對(duì)該曲軸調(diào)質(zhì)工藝進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)中合金鋼曲軸水淬的工藝突破。同時(shí)還應(yīng)控制臥式調(diào)質(zhì)的彎曲變形，保證滿足曲軸的后續(xù)加工余量要求。

2 曲軸技術(shù)參數(shù)

2.1 材質(zhì)

34CrNi3MoA 鋼，其化學(xué)成分要求見(jiàn)表1。

2.2 鍛件主要尺寸

曲軸鍛件總長(zhǎng)5500mm，重量5450kg，主軸頸直徑330mm，連桿頸直徑280mm。在鍛件自由端和功率輸出端留出連體試棒，連體試棒直徑330mm。三維曲軸鍛件如圖1所示。

圖1 三維曲軸鍛件

2.3 熱處理技術(shù)要求

（1）力學(xué)性能 曲軸鍛件毛坯狀態(tài)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后，分別從鍛件自由端和功率輸出端留出的連體試棒截取一套縱向試樣，檢測(cè)曲軸力學(xué)性能。具體取樣位置如圖2所示。曲軸的力學(xué)性能要求見(jiàn)表2。

（2）金相組織 利用力學(xué)性能試樣殘件檢驗(yàn)調(diào)質(zhì)后金相組織，應(yīng)為均勻細(xì)致的回火索氏體，或回火索氏體＋鐵素體，其結(jié)果按GB/T 13320—1991中第三評(píng)級(jí)圖評(píng)定，以1～3級(jí)為合格。

（3）晶粒度 利用力學(xué)性能試樣殘件，按GB/T6394—2002規(guī)定進(jìn)行鍛件晶粒度檢查，其級(jí)別應(yīng)為5～8級(jí)。

表1 34CrNi3MoA鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖2 曲軸調(diào)質(zhì)力學(xué)性能取樣位置

表2 曲軸力學(xué)性能要求

（4）變形要求 曲軸調(diào)質(zhì)后，整軸彎曲變形不大于9mm。

3 熱處理工藝難點(diǎn)分析

3.1 力學(xué)性能分析

曲軸要求毛坯經(jīng)調(diào)質(zhì)后在輸出端與自由端的連體試棒上各截取一套縱向試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，抗拉強(qiáng)度要求為1000～1130MPa，且自由端和輸出端抗拉強(qiáng)度差值≤80MPa。我公司曾生產(chǎn)過(guò)34CrNi3MoA鋼的另型曲軸，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，抗拉強(qiáng)度要求均為800～950MPa，且針對(duì)兩端取樣的大型曲軸，兩端抗拉強(qiáng)度差值通常要求為≤100MPa。由于該曲軸力學(xué)性能要求較以往更高，且自由端和輸出端抗拉強(qiáng)度均勻性要求更嚴(yán)，因此為保證穩(wěn)定達(dá)到力學(xué)性能要求，可適當(dāng)優(yōu)化曲軸原材料化學(xué)成分，添加微量元素V等的含量。另外，曲軸調(diào)質(zhì)淬火冷卻時(shí)需要加快冷卻速度，改善冷卻效果。

3.2 淬裂性分析

曲軸本身形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚薄懸殊大，加熱和冷卻過(guò)程中將產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。另外，該曲軸材質(zhì)為34CrNi3MoA，屬于中合金鋼，合金含量較多，由于合金元素會(huì)不同程度增加過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，使奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖曲線右移，故34CrNi3MoA鋼材料淬透性好，DI值可高達(dá)200～400mm，因此采用清水作為淬火冷卻介質(zhì)在冷卻過(guò)程中存在很大的淬裂風(fēng)險(xiǎn)。制定該曲軸調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)時(shí)需綜合考慮，制定出合理的空冷和水淬的工藝參數(shù)，嚴(yán)格控制水和空氣交替冷卻時(shí)的各段冷卻時(shí)間，確保曲軸在不出現(xiàn)淬火裂紋的前提下達(dá)到較高的力學(xué)性能等技術(shù)要求。

3.3 變形分析

曲軸采用臥式調(diào)質(zhì)的方式，即曲軸擺放于臺(tái)車爐中加熱，保溫結(jié)束后通過(guò)吊具將其轉(zhuǎn)移至臥式淬火水槽中執(zhí)行冷卻工藝。曲軸在加熱時(shí)長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)、淬火時(shí)溫度急劇降低，整個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，加上生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在的諸多偶然因素，都將導(dǎo)致曲軸最終產(chǎn)生不同程度的彎曲變形，給后續(xù)加工帶來(lái)困難。因此，為了控制曲軸臥式調(diào)質(zhì)的彎曲變形，必須在加熱、轉(zhuǎn)移和淬火冷卻過(guò)程中采取有效措施，盡量保持曲軸平穩(wěn)。

4 曲軸調(diào)質(zhì)試制

首先將該曲軸原材料光坯專用試件（材質(zhì)34CrNi3MoA）進(jìn)行等效調(diào)質(zhì)試驗(yàn)，然后采用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證及優(yōu)化的水-空循環(huán)交替控時(shí)淬火工藝參數(shù)，對(duì)曲軸實(shí)物進(jìn)行調(diào)質(zhì)，保證曲軸自由端和輸出端力學(xué)性能、金相組織等滿足曲軸技術(shù)要求，同時(shí)還應(yīng)控制曲軸臥式調(diào)質(zhì)過(guò)程的彎曲變形。

4.1 調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)制定

（1）采用階梯加熱工藝方式 為減小內(nèi)外溫差，加熱時(shí)采用增加一段中間保持溫度630℃的階梯加熱方式，避免曲軸心部在處于彈性狀態(tài)時(shí)因溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力在曲軸心部形成裂紋或使原有顯微裂紋擴(kuò)大[1]。

（2）采用水-空交替控時(shí)淬火技術(shù) 即采用冷卻能力差異最大、對(duì)環(huán)境無(wú)污染和使用成本最低的水和空氣兩種淬火冷卻介質(zhì)對(duì)曲軸進(jìn)行淬火冷卻。從理論上講，采用水-空循環(huán)交替淬火并通過(guò)計(jì)算機(jī)嚴(yán)格控制各段冷卻時(shí)間，可以獲得水與空氣之間的任何冷卻曲線，這也是控時(shí)淬火技術(shù)的基本原理[2]。

控時(shí)冷卻第一階段：空氣預(yù)冷。由于該曲軸尺寸較大，合金含量多，可采用較長(zhǎng)時(shí)間的空氣預(yù)冷，以減少曲軸的整體熱容量，減小淬火冷卻過(guò)程中的熱應(yīng)力，降低淬裂風(fēng)險(xiǎn)，為增加下一階段的冷卻速度提供了條件。

控時(shí)冷卻第二階段：水＋空氣循環(huán)交替冷卻。通過(guò)嚴(yán)格控制各段水冷和空冷的時(shí)間，模擬出不同冷卻速度的淬火介質(zhì)。水冷時(shí)，當(dāng)曲軸表層冷卻到Ms點(diǎn)附近或以下的某一溫度后，停止快速冷卻，轉(zhuǎn)為緩冷處理；在采用空冷時(shí)，次表層的熱量傳向表層，表層的溫度升高，表層剛剛轉(zhuǎn)變的淬火組織發(fā)生自回火，并使表層的塑性、應(yīng)力狀態(tài)得到調(diào)整，減小開(kāi)裂傾向。不斷重復(fù)這樣的快冷與緩冷的交替工藝，直到曲軸的溫度達(dá)到冷卻工藝要求的溫度，余溫在200℃左右后停止冷卻。

初步制定調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)如圖3所示，控時(shí)水淬為：預(yù)冷+水1+空1+水2+空2+水3+空3+水4+空4+水5+空5+水6+空6+水7。

圖3 曲軸調(diào)質(zhì)工藝曲線

4.2 試件等效調(diào)質(zhì)試驗(yàn)

將該曲軸原材料光坯專用試件進(jìn)行等效調(diào)質(zhì)試驗(yàn)，驗(yàn)證上述工藝參數(shù)的淬火效果（回火溫度T設(shè)定為620℃），為該型曲軸調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)的選定提供依據(jù)。調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能結(jié)果見(jiàn)表3，滿足曲軸技術(shù)條件的要求。

4.3 曲軸實(shí)物調(diào)質(zhì)

（1）曲軸調(diào)質(zhì)工藝參數(shù) 采用經(jīng)過(guò)試件等效試驗(yàn)驗(yàn)證的上述水-空循環(huán)交替控時(shí)淬火工藝參數(shù)對(duì)曲軸實(shí)物進(jìn)行調(diào)質(zhì)，保證曲軸自由端和輸出端力學(xué)性能、金相組織等滿足曲軸技術(shù)要求。

（2）變形控制方案 采用臥式調(diào)質(zhì)方式，曲軸橫放在加熱爐中，由于長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)，極易在加熱、轉(zhuǎn)移和淬火冷卻過(guò)程中產(chǎn)生彎曲變形。為了控制曲軸彎曲變形在后工序加工余量范圍內(nèi)，防止曲軸產(chǎn)生過(guò)大彎曲變形，采取以下措施：

1）設(shè)計(jì)制作在臺(tái)車爐中加熱時(shí)的專用支撐和淬火冷卻時(shí)的吊掛轉(zhuǎn)移專用平衡吊具，使曲軸在爐子中加熱和出爐淬火冷卻過(guò)程中盡量保持平穩(wěn)。

2）為防止產(chǎn)生過(guò)度彎曲變形，根據(jù)曲軸鍛件毛坯的尺寸和結(jié)構(gòu)，采用淬火加熱時(shí)5點(diǎn)支撐、冷卻吊運(yùn)時(shí)4點(diǎn)吊掛的方式，使曲軸的重量均勻分布在各個(gè)支撐上，具體支撐和吊掛部位如圖4所示[3]。

3）淬火后測(cè)量曲軸變形情況，回火裝爐時(shí)高點(diǎn)向上，通過(guò)中間支撐預(yù)留間隙的方式使淬火態(tài)的曲軸在回火過(guò)程中產(chǎn)生適量的反變形，以控制曲軸調(diào)質(zhì)后的最終變形。

（3）曲軸調(diào)質(zhì)試制 在試件等效調(diào)質(zhì)試驗(yàn)驗(yàn)證合格的基礎(chǔ)上，按上述曲軸水-空交替控時(shí)淬火臥式調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)和變形控制方案對(duì)曲軸進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。其中淬火冷卻過(guò)程如圖5所示。

表3 0#試件等效調(diào)質(zhì)力學(xué)性能

圖4 曲軸淬火加熱支撐和冷卻吊掛位置

圖5 臥式淬火冷卻過(guò)程

曲軸調(diào)質(zhì)處理后，按規(guī)定進(jìn)行力學(xué)性能、金相組織等檢驗(yàn)，且進(jìn)行劃線檢查變形情況，確保滿足下道工序加工要求。

1）分別從鍛件自由端和功率輸出端留出的連體試棒規(guī)定位置截取一套縱向試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表4，1#、2#兩支曲軸的輸出端和自由端力學(xué)性能和兩端強(qiáng)度差均滿足技術(shù)要求。

表4 曲軸調(diào)質(zhì)力學(xué)性能

2）利用力學(xué)性能試樣殘件檢驗(yàn)調(diào)質(zhì)后金相組織，1#、2#曲軸均為回火索氏體，結(jié)果按GB/T 13320—1991中第三評(píng)級(jí)圖評(píng)定，1#曲軸為1級(jí)、2#曲軸為2級(jí)，滿足技術(shù)要求，金相組織分別如圖6、圖7所示。

3）利用力學(xué)性能試樣殘件，按GB/T6394—2002規(guī)定進(jìn)行鍛件晶粒度檢查，1#、2#曲軸晶粒度級(jí)別均為7.5級(jí)，滿足技術(shù)要求。

圖6 1#曲軸金相組織（500×）

圖7 2#曲軸金相組織（500×）

4）淬火后測(cè)量曲軸變形情況，整軸彎曲最大5mm，回火裝爐時(shí)高點(diǎn)向上，通過(guò)中間支撐預(yù)留間隙的方式使淬火態(tài)的曲軸在回火過(guò)程中產(chǎn)生適量的反變形，以控制曲軸調(diào)質(zhì)后最終彎曲變形量，該兩支曲軸回火后變形彎曲最大6mm，滿足下道工序加工余量要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)工藝試驗(yàn)及曲軸試制，確立了該大型34CrNi3MoA 鋼曲軸的水-空交替控時(shí)調(diào)質(zhì)處理工藝方案和工藝參數(shù)，并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，調(diào)質(zhì)處理后的力學(xué)性能穩(wěn)定，一次檢驗(yàn)合格率高達(dá)100%，保證了曲軸的質(zhì)量。

采用階梯加熱、淬火前空氣預(yù)冷和嚴(yán)格控制水-空交替淬火冷卻各段時(shí)間的方式，能減小大型34CrNi3MoA曲軸在加熱和淬火冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，降低開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了大型中合金鋼曲軸水淬的工藝突破。