七拐空壓機曲軸臥式智能控時調質工藝

南車資陽機車有限公司（四川 641301）董金元 陳世英 趙美玲

空壓機曲軸位于空氣壓縮機連桿處，曲軸產(chǎn)生旋轉運動，帶動連桿使活塞產(chǎn)生往復運動，它在工作過程中將承受周期性的拉、壓、剪切、彎曲和扭轉等交變載荷，所以需要有良好的綜合力學性能。調質處理是獲得優(yōu)良綜合力學性能的最佳熱處理途徑。本文針對七拐空壓機曲軸采用先進的臥式智能控時淬火方式進行調質熱處理的工藝開發(fā)過程進行了闡述。

一、七拐空壓機曲軸熱處理技術要求

（1）材料 七拐空壓機曲軸所選材料為C-5C，其主要化學成分見表1。

表1 C-5C鋼主要化學成分（質量分數(shù)） （%）

（2）熱處理技術要求 七拐空壓機曲軸粗加工焊接平衡塊后調質處理，粗加工狀態(tài)如圖1所示，主軸頸直徑229mm，連桿頸直徑208mm，曲柄板厚147mm，總長為4422.5mm。

圖1 七拐空壓機曲軸示意

曲軸調質處理后在材料的優(yōu)質端即飛輪端取樣檢測力學性能。力學性能檢測取樣部位按照ASTM668-04標準即在距試棒表面1/2R處取樣。曲軸調質后的力學性能要求見表2。

表2 七拐空壓機曲軸調質后力學性能要求

二、七拐空壓機曲軸調質工藝分析

1.原材料分析

七拐空壓機曲軸所選材料C-5C，對比我國鋼牌號，其成分與優(yōu)質碳素結構鋼40Mn相似。Mn元素的存在顯著提高其淬透性，調質處理后將獲得優(yōu)良的綜合力學性能。

2.調質工藝分析

（1）調質方式選擇 長期以來，曲軸調質都采用立式懸掛裝爐加熱保溫，淬火冷卻采用油、高低濃度AQ251、水或水+AQ251冷卻的方式。但七拐空壓機曲軸坯料短，沒有預留吊裝頭，只能采用臥式調質。臥式調質生產(chǎn)技術采用臺車爐對曲軸加熱保溫，并應用了智能控時淬火冷卻技術，淬火冷卻介質為清水和空氣，大幅度降低了曲軸生產(chǎn)的成本，提高了勞動生產(chǎn)率。該技術目前已應用于碳鋼及合金鋼曲軸的調質生產(chǎn)，并取得了顯著的成效。

（2）裝爐加熱分析 為減小曲軸在加熱過程中產(chǎn)生彎曲變形，采用臺車爐加熱時應充分考慮到曲軸調質加熱時支撐位置和實際操作等過程中容易影響曲軸變形的因素，盡量使變形量控制在允許范圍之內。曲軸在臺車爐內加熱保溫時，采用4點支撐主軸頸的方式，支撐位置應盡量使曲軸重量在各支撐段得到均勻分布，以盡量減小曲軸在長時間高溫加熱過程中產(chǎn)生的彎曲變形。支撐如圖2所示。

（3）淬火冷卻分析 七拐空壓機曲軸淬火冷卻時采用專用吊具4點吊掛出爐的方式，吊掛位置也需盡量平均分攤曲軸在各吊掛段的重量，以盡可能減小曲軸在吊掛轉移和淬火冷卻過程中由于軸重而引起的變形。曲軸淬火冷卻吊掛如圖2所示。

圖2 七拐空壓機曲軸支撐、吊掛示意

七拐空壓機曲軸淬火冷卻采用智能控時淬火冷卻（ATQ）技術，即預冷+水空交替冷卻。曲軸出爐后先在空氣中預冷240s，由于曲軸本身尺寸和重量大，熱容量也很大。而預冷可以降低曲軸熱容量，減小熱應力，有利于提高冷卻效果，增加淬硬層深度，可以有效降低淬裂傾向。之后水冷210s（包括噴水+浸水），曲軸每次浸水之前，采用噴液淬火方式，可使曲軸整個表面基本同時開始冷卻，能有效防止內部組織因轉變不同時而產(chǎn)生較大的組織應力，對減小畸變起到了很好的作用。之后空冷90s，在空冷過程中，次表層的溫度傳遞到表面，表面溫度升高，使表層韌性和應力狀態(tài)得到調整，有效避免了曲軸表面開裂。然后再水冷360s，確保曲軸淬硬層深度，直到滿足要求。

3.變形、淬裂性分析

由于七拐空壓機曲軸來料為自由鍛毛坯，采用直接加工成形方式，加工量很大，相應加工應力也很大。另外，由于七拐空壓機曲軸形狀結構復雜特殊，與我公司生產(chǎn)的機車曲軸和船用曲軸不一樣，除了厚薄不均和在調質前焊有平衡塊之外，其兩端各有兩連桿頸之間無主軸頸相連，且偏心距很大，熱處理過程中極易產(chǎn)生變形，使臥式調質難度增加。另外，臥式調質時，曲軸采用清水進行淬火冷卻，這樣就增大了淬裂的風險。為了防止曲軸調質過程中出現(xiàn)裂紋，制訂工藝時需綜合考慮，避免產(chǎn)生重大經(jīng)濟損失。

三、七拐空壓機曲軸調質工藝的制訂

1.淬火工藝制訂

由于七拐空壓機曲軸形狀復雜，應先在爐溫為550～650℃的空氣爐中預熱，可以減少因急劇受熱而引起的熱應力，同時減少曲軸高溫階段的加熱時間，防止變形。綜合考慮后，確定預熱工藝：600℃×2h。七拐空壓機曲軸所選材質為C-5C，最大有效厚度約為229mm，屬于亞共析鋼，亞共析鋼的淬火加熱溫度為Ac3+30～70℃，預熱之后選擇淬火溫度為850℃，保溫時間為3h。冷卻方式采用預冷+水空交替冷卻技術，初步制訂淬火冷卻工藝為：預冷240s+水冷210s+空冷90s+水冷360s。

2.回火工藝制訂

調質零件采用的是高溫回火，溫度控制在500～650℃，回火后具有優(yōu)良的綜合力學性能，具體回火溫度根據(jù)每根曲軸的實際化學成分確定。

回火時間的選擇不但要保證透燒使其組織轉變得以充分進行，同時要盡量消除殘余應力，因此，回火時間不宜過短。但從經(jīng)濟角度和組織變化等方面分析，時間也不必過長，綜合考慮，回火時間定為8h，采用空冷。

四、七拐空壓機曲軸臥式調質試制

1.首爐七拐空壓機曲軸臥式調質試制

先選取兩支編號分別為1#和2#的曲軸試制，臥式調質工藝曲線如圖3所示，冷卻采用控時水淬，即預冷240s+水冷210s+空冷90s+水冷360s。

2.首爐試制結果及分析

（1）變形分析及預防

七拐空壓機曲軸臥式調質后變形嚴重，尤其是A、B、C、D四拐開檔處有不同程度的擴張和收縮現(xiàn)象，必須經(jīng)過校直后才能送入下道工序，同時由于曲軸本身的結構復雜，給校直工作帶來很大的不便。

圖3 首爐七拐空壓機曲軸臥式調質工藝

由于曲軸支撐、吊掛均只能在主軸頸處，七拐空壓機曲軸兩端各有兩拐卻無主軸頸相連，勢必在加熱或冷卻過程中造成很大的變形?？梢钥紤]在各個曲拐處焊接拉筋，以此減小變形。不過由于其特殊的外形，需采用專用拉筋，且曲軸材料的焊接性能不良，在焊接拉筋的過程中可能還會存在一些問題，這些都有待于進一步的研究與探索。

（2）力學性能與金相組織分析 力學性能測試結果見表3，可以看出，當回火工藝為：520℃×8h時，試樣1#各項性能都達到要求的力學性能指標。而試樣2#抗拉強度偏高，結合圖4中金相組織分析，試樣2#組織為F+P，F(xiàn)偏少且呈網(wǎng)狀，珠光體塊較大，分布不均勻，造成其伸長率偏低，根據(jù)碳含量的差異，回火溫度修訂為580℃，返回后，心部碳化物進一步擴散，使組織均勻化，測得其各項力學性能指標都符合要求。

表3 首爐七拐空壓機曲軸調質后力學性能

圖4 首爐七拐空壓機曲軸臥式調質后金相組織

3.七拐空壓機曲軸小批量生產(chǎn)

根據(jù)以上試驗結果分析，對比其化學成分，制訂出另外兩支七拐空壓機曲軸的臥式調質工藝，曲線如圖5所示。力學性能測試數(shù)據(jù)見表4，兩支曲軸各項性能指標均達到供貨技術要求。

表4 3#、4#試件調質后力學性能

圖5 3#、4#七拐空壓機曲軸臥式調質工藝

五、結語

（1）采用新工藝實現(xiàn)了七拐空壓機曲軸的臥式調質生產(chǎn)，其各項力學性能指標均達到了供貨技術要求。

（2）采用淬火前空氣預冷+臥式智能控時淬火方式能減小曲軸由于產(chǎn)品結構各部位尺寸差異產(chǎn)生的應力，減小變形量，降低開裂風險。

（3）采用臥式調質降低了七拐空壓機曲軸原材料、吊具、能耗等生產(chǎn)成本，并能大幅提高生產(chǎn)效率。

（4）變形控制初步確定以焊接拉筋的方法改善，更優(yōu)方案仍有待進一步探索。

（5）建議此類空壓機曲軸采用模鍛代替自由鍛，以大幅度節(jié)省原材料成本，提高材料利用率，同時有利于減小加工應力，控制熱處理變形。