連桿脫碳原因分析及預(yù)防

文/姜喜峰，楊航，顧軍，許長林，楊成忠·一汽鍛造（吉林）有限公司

C70S6非調(diào)質(zhì)鋼連桿生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，脫碳層嚴(yán)重的連桿，大幅度降低了連桿的力學(xué)性能和使用壽命。本文通過對連桿生產(chǎn)過程的跟蹤、試驗(yàn)、檢測、分析和驗(yàn)證，得出脫碳形成的主要原因是棒料溫度過高、加熱時(shí)間過長、高溫料箱內(nèi)堆積、爐內(nèi)長時(shí)間保溫、多次加熱，以及電加熱爐急劇升溫等。通過多措并舉，同時(shí)改進(jìn)，解決了長時(shí)間困擾我司的連桿脫碳問題。

連桿是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零件之一，其失效形式是疲勞斷裂和變形。連桿要求具有較高的強(qiáng)度、抗疲勞性能、足夠的剛性和韌性。鍛造連桿材料主要是非調(diào)質(zhì)鋼，常見的鍛造缺陷有脫碳、折紋、錯(cuò)差、切邊拉痕、脹斷掉渣等。本文僅針對鍛造連桿的脫碳問題及解決方法進(jìn)行闡述。脫碳大大降低了鋼材的表面硬度、抗拉強(qiáng)度、耐磨性和疲勞極限。因此，客戶對連桿半脫碳有嚴(yán)格的限制，不允許存在全脫碳缺陷，超出脫碳標(biāo)準(zhǔn)的連桿將被拒絕接收，脫碳嚴(yán)重的連桿易發(fā)生疲勞斷裂。

問題描述

模鍛生產(chǎn)連桿的工藝流程為：下料→加熱→輥鍛→預(yù)鍛→終鍛→切邊→校正→控溫冷卻→清理。不同的連桿脫碳要求不同。用戶A檢測1004021A81D連桿的最大脫碳量為0.31mm，如圖1所示，不符合≤0.3mm的技術(shù)要求。用戶B檢測1004021-77W連桿的最大脫碳量為0.30mm，參見圖2，剛剛滿足技術(shù)要求不大于0.3mm，可能有較大風(fēng)險(xiǎn)。按照用戶要求整改。臨時(shí)挽救措施是連桿全部經(jīng)過拋光、強(qiáng)力噴丸，復(fù)檢后合格。預(yù)防措施是控制生產(chǎn)過程，杜絕脫碳不合格。

圖1 用戶A檢測81D連桿脫碳0.31毫米

圖2 用戶B檢測77W連桿脫碳0.30毫米

試驗(yàn)過程

⑴試驗(yàn)1。甩出的C70S6材質(zhì)、φ78mm高溫棒料直接堆積在料箱內(nèi)，參見圖3。自然冷卻后棒料表面脫碳嚴(yán)重，堆積在心部冷卻最慢的棒料，經(jīng)檢測脫碳層高達(dá)到0.39～0.55mm，且存在全脫碳，如圖4所示。

圖3 高溫棒料堆積在料箱內(nèi)

圖4 C70S6棒料脫碳0.49毫米

⑵試驗(yàn)2。將φ78mm棒料反復(fù)加熱4次，每次加熱前冷卻至室溫，不拋丸，則棒料脫碳層可以達(dá)到0.4毫米；每次加熱前噴丸，則棒料脫碳0.2～0.25mm；隨著加熱次數(shù)增多，脫碳層深度變大。

⑶試驗(yàn)3。加熱爐內(nèi)棒料不推空，高溫區(qū)棒料隨爐冷卻，第一次悶料后，φ78mm棒料脫碳深度為0.15～0.18毫米，每次悶料出現(xiàn)脫碳加劇，且存在全脫碳。

⑷試驗(yàn)4。經(jīng)多次取樣，檢測連桿不同位置脫碳情況，凸起筋部脫碳層最深，見圖5。

圖5 工字梁凸起筋部脫碳層最深

⑸試驗(yàn)5。檢測原材料脫碳，不同爐批號材料原始脫碳層深度不同，范圍在0.05～0.35mm之間。

⑹試驗(yàn)6。表面無脫碳的削皮料在編號514電加熱爐加熱，經(jīng)過一次加熱后，φ78mm棒料脫碳層深度在0.13～0.30mm之間。采用表面無脫碳削皮料在該設(shè)備生產(chǎn)的連桿，脫碳層最深0.18mm。

⑺棒料加熱參數(shù)。爐長4.0米，棒料每段長202mm，節(jié)拍19秒，爐內(nèi)保溫時(shí)間375秒，時(shí)間較長。加熱升溫急劇，棒料在爐內(nèi)經(jīng)過1.0米后，表面溫度已超過1000℃，實(shí)際出料溫度在1130～1150℃之間。

改進(jìn)措施實(shí)施

制定改進(jìn)措施

針對表1中的缺陷原因，制定好了改進(jìn)措施，具體情況見表1。

表1 缺陷原因和制定措施

改進(jìn)措施實(shí)施

改進(jìn)前后對比，參見表2。

表2 改進(jìn)前后對比

重點(diǎn)是新購置了棒料電加熱爐，新爐體中間接縫密封完好，阻絕了空氣進(jìn)入，同時(shí)優(yōu)化了加熱參數(shù)，如圖6所示。避免加熱時(shí)間過長，避免棒料急劇升溫，減少脫碳。連桿切邊后迅速進(jìn)入控溫冷卻輸送帶，參見圖7，速冷區(qū)小于3分鐘，迅速降溫到700℃以下，減少高溫脫碳時(shí)間。

圖6 加熱爐加熱曲線

圖7 控溫冷卻輸送帶

效果驗(yàn)證

以上措施完美地解決了困擾企業(yè)多年的連桿脫碳問題，對其他鍛件的脫碳問題有很大借鑒作用，參見表3。

表3 連桿脫碳問題的解決

結(jié)束語

控制連桿用C70S6原材料的脫碳層不大于0.15mm，棒料選用削皮料。避免C70S6棒料溫度過高，出料溫度在1120～1150℃之間，1000℃加熱時(shí)間不超過4分鐘，杜絕甩出的高溫棒料在箱內(nèi)堆積，甩出高溫棒料必須被迅速冷卻。任何情況停工，爐內(nèi)料全部清空，棒料經(jīng)甩料傳送帶冷卻。高溫加熱后的棒料在使用前經(jīng)拋丸處理，加熱三次的棒料應(yīng)削皮后使用。采用新結(jié)構(gòu)電加熱爐，優(yōu)化加熱曲線，避免電加熱爐急劇升溫。連桿脫碳被徹底解決，滿足連桿脫碳要求。

圖8 M01連桿脫碳0.16毫米

圖9 81D連桿脫碳0.19毫米