SAE5046鋼機(jī)車曲軸熱處理工藝

陳世英，蘇程，周磊

國外某型號機(jī)車柴油機(jī)曲軸，成品主軸頸直徑220mm，長約4200mm，重約1800kg。該曲軸原設(shè)計所用材料牌號為美國的SAE5046鋼，采用焊接平衡塊結(jié)構(gòu)，經(jīng)整體調(diào)質(zhì)后獲得所需的力學(xué)性能。為提高曲軸的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，所有主軸和連桿的軸頸及過渡圓角均需進(jìn)行中頻感應(yīng)淬火。此前，該曲軸只有美國埃爾伍德公司在進(jìn)行生產(chǎn)。

我公司于2001年開始生產(chǎn)該型曲軸，目前已批量生產(chǎn)1000余支。但由于該曲軸的材料、平衡塊焊接和熱處理等技術(shù)要求均較高，受當(dāng)時國內(nèi)工藝水平限制，采用SAE5046鋼不能達(dá)到技術(shù)要求，故在得到用戶同意后進(jìn)行了材料替換，采用的是電渣重熔42CrMoA鋼。因電渣重熔42CrMoA鋼價格很高，為降低該曲軸的材料成本，提高產(chǎn)品競爭力，我公司決定恢復(fù)采用價格較為便宜的精煉SAE5046鋼。

1.曲軸主要技術(shù)指標(biāo)

（1）材料 SAE5046化學(xué)成分要求見表1。材料的內(nèi)在質(zhì)量要求（如低倍組織、非金屬夾雜物、晶粒度和超聲波檢測等）按相應(yīng)的專用技術(shù)文件規(guī)定，與以往采用42CrMoA鋼時一致。

（2）力學(xué)性能 該曲軸經(jīng)粗加工、焊接平衡塊后進(jìn)行整體調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)時曲軸總長5027mm，主軸頸直徑240mm，在曲軸端頭留放連體試塊，試塊直徑大小與主軸頸直徑相同。調(diào)質(zhì)后在連體試塊距表面1/2半徑處取縱向試樣做力學(xué)性能試驗，力學(xué)性能要求見表2。

（3）中頻感應(yīng)淬火 該曲軸經(jīng)精加工后，對所有主軸頸和連桿頸的軸頸及過渡圓角進(jìn)行中頻感應(yīng)淬火，技術(shù)要求：成品表面硬度44～50HRC；軸頸硬化層深度≥3.3mm，極限硬度為44HRC；第1主軸頸溝槽邊距軸頸淬硬層的非淬硬區(qū)寬度≤4mm；所有軸頸過渡圓角（R9mm）需淬火。

表1 SAE5046鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 SAE5046鋼曲軸調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能

2.工藝難點分析

（1）材料分析 SAE5046鋼與我國的45鋼類似，屬于中碳鋼。與42CrMoA鋼相比，因其合金元素含量大大減少，故其淬透性較差。對該曲軸，如果采用標(biāo)準(zhǔn)的SAE5046鋼，難以做到穩(wěn)定保證其整體調(diào)質(zhì)力學(xué)性能和表面中頻感應(yīng)淬火深度、硬度要求。

（2）力學(xué)性能分析 該曲軸經(jīng)整體調(diào)質(zhì)處理后，在連體試塊（直徑240mm）距表面1/2半徑處（即距表面60mm）取樣檢測力學(xué)性能。因該取樣位置已遠(yuǎn)超過SAE5046鋼的淬透深度，且該曲軸的力學(xué)性能要求比我們以往生產(chǎn)的類似材料的船用曲軸高，為使曲軸獲得更好的淬火效果，必須加快淬火冷速，但曲軸將有出現(xiàn)淬火裂紋的風(fēng)險。此外，該曲軸經(jīng)粗加工、焊接平衡塊后進(jìn)行整體調(diào)質(zhì)處理，淬火冷速過快極易誘發(fā)焊縫位置產(chǎn)生裂紋。

（3）中頻感應(yīng)淬火分析 該曲軸所有主軸和連桿的軸頸及過渡圓角均需中頻感應(yīng)淬火，要求軸頸硬化層深度≥3.3mm（極限硬度為44HRC），是當(dāng)前我公司生產(chǎn)的要求過渡圓角淬火的所有碳鋼曲軸中硬化層深度要求最深的。因SAE5046鋼的淬透性遠(yuǎn)低于原用42CrMoA鋼，故硬化層深度很難達(dá)到，為保證硬化層深度，必須加大中頻感應(yīng)淬火時的淬冷烈度。此外，由于中頻加熱時過渡圓角溫度相對軸頸溫度高，加大淬冷烈度后，過渡圓角處出現(xiàn)淬火裂紋的風(fēng)險大大增加。

（4）熱處理變形分析 該曲軸的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該曲軸屬于細(xì)長軸，非常容易在調(diào)質(zhì)和中頻感應(yīng)淬火過程中產(chǎn)生彎曲變形；曲軸材料由42CrMoA鋼改為SAE5046鋼后，調(diào)質(zhì)和中頻感應(yīng)淬火時均需加大淬冷烈度，也勢必會增大曲軸的變形。

3.熱處理工藝開發(fā)

（1）材料優(yōu)化 該曲軸采用SAE5046鋼后，為保證達(dá)到其整體調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能和表面中頻感應(yīng)淬火后的深度、硬度要求，必須對材料的化學(xué)成分進(jìn)行優(yōu)化，主要是適度提高M(jìn)n量下限，并加入少量的V，以達(dá)到細(xì)化晶粒、提高材料淬透性的目的。同時，將電渣重熔42CrMoA鋼改為精煉的SAE5046鋼后，需注意加強(qiáng)鋼材的冶煉、澆注和鍛造等工藝過程控制，以保證材料的內(nèi)在質(zhì)量（低倍組織、非金屬夾雜物、晶粒度、超聲波檢測等）。

（2）調(diào)質(zhì)工藝開發(fā) 重點是保證曲軸達(dá)到以往采用合金鋼時的力學(xué)性能要求，并防止調(diào)質(zhì)過程中產(chǎn)生淬火裂紋和過度變形。

為降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，調(diào)質(zhì)采用我公司新引進(jìn)的智能控時臥式調(diào)質(zhì)技術(shù)，即將曲軸水平橫放在臺車式電阻爐中加熱、保溫，淬火時用專制吊具橫向平穩(wěn)轉(zhuǎn)移至用臥式淬火槽中，再通過計算機(jī)精確控制淬火冷卻時間，執(zhí)行冷卻工藝。

為保證曲軸調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能達(dá)到技術(shù)要求，采用清水作為淬火冷卻介質(zhì)。為防止出現(xiàn)淬火裂紋，淬火冷卻入液前增加預(yù)冷階段，冷卻時采用水-空交替控時冷卻。為防止產(chǎn)生過度彎曲變形，曲軸加熱和裝出爐時采用4點支撐、3點吊掛的方式，使曲軸的重量均勻分布在各個支撐上（見圖2）。制訂的曲軸智能控時臥式調(diào)質(zhì)工藝見圖3。

調(diào)質(zhì)處理后經(jīng)檢查均無淬火裂紋，力學(xué)性能穩(wěn)定，達(dá)到技術(shù)要求（見表3）。經(jīng)劃線檢查，曲軸的彎曲變形情況良好，最大為4mm，滿足下工序加工要求。

（3）中頻感應(yīng)淬火工藝開發(fā) 中頻感應(yīng)淬火采用德國進(jìn)口AEG淬火機(jī)床，共有4套感應(yīng)器，包括連桿頸、第1主軸頸、第5主軸頸、其他主軸頸各一套。工藝設(shè)計的重點是保證軸頸的硬化層深度、硬度及過渡圓角處的硬化層形狀，同時要防止產(chǎn)生淬火裂紋和過度變形。

圖1 SAE5046鋼曲軸結(jié)構(gòu)示意

圖2 SAE5046鋼曲軸調(diào)質(zhì)時裝吊方式

圖3 SAE5046鋼曲軸智能控時臥式調(diào)質(zhì)工藝

表3 SAE5046鋼曲軸調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能

首先，利用原42CrMoA鋼曲軸所用感應(yīng)器進(jìn)行了不同軸頸的仿形模擬試棒中頻感應(yīng)淬火試驗，淬火冷卻介質(zhì)選用冷速稍緩的AQ251水溶液（v300℃=50～70℃/s）。通過多次調(diào)整電參數(shù)和加熱時間等，模擬試棒的解剖結(jié)果表明，感應(yīng)加熱效果良好，但淬火后的硬化層深度均小于3.3mm，未達(dá)到技術(shù)要求，說明淬火時的冷卻能力不足。

隨后，為提高淬火時的冷卻效果，將淬火冷卻介質(zhì)由AQ251水溶液改為清水，同時調(diào)整電參數(shù)及冷卻時間進(jìn)行試驗。解剖結(jié)果表明，連桿頸、第1主軸頸、第5主軸頸和其他主軸頸模擬試棒的硬化層深度分別為3.9mm、3.8mm、3.6mm和4.0mm，均滿足≥3.3mm的技術(shù)要求，且所有軸頸過渡圓角（R9mm）的淬火形狀良好。但對模擬試棒進(jìn)行熒光磁粉檢測時，發(fā)現(xiàn)各過渡圓角處均有淬火裂紋，見圖4。經(jīng)分析，出現(xiàn)淬火裂紋的主要原因是采用清水作為淬火冷卻介質(zhì)時淬冷烈度過大。此外，采用原用于42CrMoA鋼曲軸的感應(yīng)器進(jìn)行加熱時，過渡圓角處的溫度偏高也是原因之一。

為解決過渡圓角處的淬火裂紋難題，采取了以下改進(jìn)方案：①優(yōu)化感應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計。針對SAE5046碳鋼曲軸設(shè)計制作全套新感應(yīng)器，優(yōu)化過渡圓角處的感應(yīng)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，適度降低過渡圓角處的加熱溫度。②優(yōu)化工藝參數(shù)，淬火冷卻前增加預(yù)冷。采用新感應(yīng)器后，優(yōu)化加熱電壓、加熱時間、附加補(bǔ)償?shù)裙に噮?shù)，以保證加熱效果；淬火前增加預(yù)冷，使軸頸及過渡圓角處的表面溫度適度下降，以降低熱應(yīng)力。③更換淬火冷卻介質(zhì)。將淬火冷卻介質(zhì)由清水改為較低濃度的AQ251水溶液（v300℃=70～80℃/s），在保證淬火效果的前提下，降低淬冷烈度，減小組織應(yīng)力和熱應(yīng)力。

采取上述措施后經(jīng)多次試驗，各軸頸的模擬試棒中頻感應(yīng)淬火結(jié)果達(dá)到了技術(shù)要求，檢測結(jié)果無裂紋。各軸頸模擬試棒解剖結(jié)果見表4。

采用相同方案進(jìn)行SAE5046鋼曲軸實物的中頻感應(yīng)淬火試制。為防止曲軸實物在中頻感應(yīng)淬火過程中產(chǎn)生過度彎曲變形，采取以下措施：裝夾曲軸時通過水平儀檢測，使曲軸處于水平狀態(tài)，保證曲軸沿軸線自轉(zhuǎn)；各軸頸采用對稱交替方式進(jìn)行加熱和淬火，使淬火過程中產(chǎn)生的綜合應(yīng)力在曲軸上盡可能均勻分布；不同軸頸淬火時，通過調(diào)整支撐位置，使曲軸自身及感應(yīng)器系統(tǒng)的重量盡可能均勻分布在各支撐上。

曲軸中頻感應(yīng)淬火完成后檢測各軸頸表面硬度，結(jié)果見表5，均符合44～50HRC技術(shù)要求。

經(jīng)劃線檢測，曲軸最大彎曲跳動0.5mm，變形狀況控制良好，滿足后續(xù)磨削加工要求。經(jīng)熒光磁粉檢測，各軸頸過渡圓角處均無淬火裂紋。曲軸試制結(jié)果表明，所采取的工藝優(yōu)化和變形控制措施效果明顯，曲軸的中頻感應(yīng)淬火質(zhì)量得到了有效保證。

4.結(jié)語

通過材料優(yōu)化，采用臥式調(diào)質(zhì)工藝和中頻感應(yīng)淬火工藝優(yōu)化，成功開發(fā)出SAE5046鋼曲軸的全套熱處理工藝，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了美國同類產(chǎn)品的水平，大幅度降低了曲軸生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。

圖4 過渡圓角淬火裂紋

表4 模擬試棒解剖結(jié)果

表5 曲軸實物各軸頸表面硬度 （HRC）