非調(diào)質(zhì)鋼柴油機(jī)曲軸的開發(fā)

1、非調(diào)質(zhì)鋼柴油機(jī)曲軸的開發(fā) 非調(diào)質(zhì)鋼柴油機(jī)曲軸的開發(fā)唐新民 趙九根 余愛國Exploitation of Non-Quenched/Tempered Steel for Diesel Engine Crankshaft Tang Xinmin, Zhao Jiugen and Yu Aiguo(Product Development Technical Center, Jiangling Motors Ltd, Nanchang 3300

2、01)曲軸生產(chǎn)線加工設(shè)備的自動(dòng)化程度和加工精度都很高，對曲軸鍛件毛坯的內(nèi)在質(zhì)量、切削性能及外形尺寸精度都有很高的要求。國內(nèi)提供 的調(diào)質(zhì)鋼 S53C 鍛造曲軸毛坯因調(diào)質(zhì)質(zhì)量不穩(wěn)定，硬度不均勻，切削性能差，導(dǎo)致生產(chǎn)線經(jīng)常出現(xiàn)停產(chǎn)。1995 年底開始，江鈴汽車公司決定用非調(diào)質(zhì)鋼取代調(diào)質(zhì)鋼制造曲軸。1 曲軸材料的性能 曲軸材料的性能氣缸內(nèi)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過連桿傳遞到曲軸形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，再由曲軸輸出扭矩，驅(qū)動(dòng)汽車行駛。所以，曲軸的受力狀態(tài)既有扭轉(zhuǎn)又

3、有彎曲。其次，曲軸各軸頸都在很高的比壓下，以很大的相對速度在軸承中 承受滑動(dòng)摩擦，產(chǎn)生較高溫度和磨損。曲軸的服役條件決定曲軸材料必須具有較高的抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，表面具有較高硬度及耐磨性，心部有一定的韌性。統(tǒng)計(jì)表明，曲軸 失效的主要形式是彎曲疲勞斷裂和軸頸磨損失效。表 1 為 S53C 鋼調(diào)質(zhì)與正火狀態(tài)下的機(jī)械性能。表 1 S53C 鋼機(jī)械性能及曲軸表面硬度數(shù)據(jù)表 Table 1 Mechanical properties and cr

4、ankshaft surface hardness處理狀態(tài) σs /MPa σb /MPa δ/% ψ/% ak/Jc.cm-2 HBS 表面軟氮化 Hv0.1調(diào)質(zhì) ≥588 ≥780 ≥14 ≥35 ≥59 229～285 ≥500正火 ≥392 ≥647 ≥15183～255 ≥500注：(1) 機(jī)械性能按日本標(biāo)準(zhǔn) JISZ2201、2202 中規(guī)定取標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行拉伸、沖擊試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)。(2) 表面軟氮化 Hv0.1 指標(biāo)為日本五

5、十鈴 公司曲軸圖紙技術(shù)要求。 2 對比試驗(yàn)及分析 對比試驗(yàn)及分析2.1 2.1 選材 選材選用非調(diào)質(zhì)材料制造柴油機(jī)曲軸，要求材料既要滿足 S53C 鋼主要機(jī)械性能指標(biāo)(特別是抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度)，又能大大改善切削性能，49MnVS3 鋼鍛件的室溫組織為珠光體+鐵素體，硬度均勻，工件表面 硬度差小于 20HBS，斷面硬度差小于 15HBS，且鋼中硫含量較高，大大改善了切削性能。從表 3 可看出，切削量大的工序，刀具壽命提高幅度 也大，解決

6、了車-拉軸頸工序(調(diào)質(zhì)鋼曲軸加工瓶頸工序)的切削加工問題，刀具壽命提高 250%以上。切削量小的工序，刀具使用壽命提高約 30%。曲軸磨削加工后，必須進(jìn)行表面硬化處理，以提高軸頸的耐磨性能和疲勞強(qiáng)度，延長曲軸的使用壽命。江鈴汽車公司柴油機(jī)曲軸采用氣體 軟氮化工藝進(jìn)行表面硬化處理。氮化設(shè)備為多功能連續(xù)推桿式氣體軟氮 化爐，氮化工藝與 S53C 鋼曲軸相同。結(jié)果表明，非調(diào)質(zhì)鋼曲軸軟氮化后的質(zhì)量與 S53C 鋼曲軸相當(dāng)，可滿足曲軸各項(xiàng)技術(shù)要求

7、。2.4 2.4 金相組織 金相組織曲軸表層金相組織，為較細(xì)的珠光體+斷續(xù)網(wǎng)狀鐵素體，晶粒度 4～ 6 級，硬度 HB240～260；心部金相組織為較粗的珠光體+斷續(xù)網(wǎng)狀鐵素體，晶粒度 3～5 級，硬度 HB230～245。2.5 2.5 機(jī)械性能 機(jī)械性能根據(jù)曲軸服役條件，曲軸直徑的大小，按圖 1 所示部位取樣(均為標(biāo)準(zhǔn)試樣)，試驗(yàn)方法為每批次取 2 件曲軸，4 個(gè)抗拉試樣，4 個(gè)沖擊試 樣。進(jìn)行兩種材料的對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表 4。

8、圖 1 曲軸機(jī)械性能試樣取樣部位 Fig.1 Schematic of sampling of crankshaft for mechanical property testing表 4 兩種材質(zhì)曲軸機(jī)性及金相組織對比Table 4 Mechanical properties and structure of crankshaft of steel S53C and 49MnVS3材質(zhì) σs /MPaσb

9、 /MPa屈強(qiáng) 比 δ/% ψ/% ak/J.cm-2 HBS 金相 組織晶粒 度S53C 535～545790～810 0.660 17～1958～60 65～75 235～246S 回+F少5～7級49MnVS3 491～ 497804～ 821 0.608 16～ 1833～ 36 20～45 236～ 245P+F 斷網(wǎng)3～5 級從表 4 可以看出，兩種鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度基本相同，但由于金相組織不同，調(diào)質(zhì)鋼韌性比較好，非調(diào)