內(nèi)燃機曲軸用42CrMoA鋼表面壓痕產(chǎn)生原因及質(zhì)量改進

韓 斌, 王 哲, 韓鳳軍, 馬鵬宇, 劉桂江, 潘彥豐

(東北特鋼集團 撫順特殊鋼股份有限公司, 撫順 113001)

曲軸是發(fā)動機的重要部件之一[1]，其工作時需要承受氣體壓力、往復(fù)周期性的慣性扭轉(zhuǎn)和撓曲振動帶來的交變載荷沖擊，因此需要曲軸具有較高的疲勞強度和剛度。曲軸整體鍛造是使其具有連續(xù)、致密纖維結(jié)構(gòu)和優(yōu)良力學(xué)性能的必要保證[2-5]。42CrMoA鋼屬于中碳合金結(jié)構(gòu)鋼的一種，其疲勞強度較高，淬透性較好，無明顯的回火脆性，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好，適宜制造高強度、大斷面的鍛件，如機車牽引用大齒輪，增壓器傳動齒輪、曲軸以及發(fā)動機氣缸等。某批次內(nèi)燃機曲軸用42CrMoA鋼棒在曲軸毛坯噴砂后，發(fā)現(xiàn)其表面壓痕明顯，需要增加一次噴砂，嚴重的甚至需要進行修磨處理，影響了生產(chǎn)進度和曲軸的整體連續(xù)性。筆者對不同表面質(zhì)量曲軸毛坯所對應(yīng)的不同爐次42CrMoA鋼棒進行一系列理化檢驗，以查明壓痕產(chǎn)生的原因。

1 試驗材料

曲軸毛坯的生產(chǎn)工藝流程為：鋸切下料→(1 260±30)℃感應(yīng)加熱→水除磷→熱模鍛壓力機→切邊→扭轉(zhuǎn)→壓型→空冷→噴砂。一次噴砂后，曲軸毛坯正常表面及有壓痕表面的宏觀形貌如圖1所示。

圖1 曲軸毛坯正常表面及有壓痕表面的宏觀形貌

經(jīng)跟蹤曲軸毛坯的生產(chǎn)工藝流程，并根據(jù)壓痕的深度、面積及其覆蓋范圍，初步判斷壓痕的產(chǎn)生與棒材加熱過程中的氧化鐵皮有關(guān)，因曲軸毛坯熱模鍛過程是按節(jié)拍控制生產(chǎn)速率的，故可排除加熱時間的影響。在正常爐次的圓鋼棒材及表面有壓痕的圓鋼棒材上取樣，并分別標(biāo)記為1#試樣(正常爐次)，2#試樣(有壓痕)。

2 理化檢驗

2.1 宏觀觀察

對正常棒材和表面有壓痕棒材進行宏觀觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，正常棒材表面質(zhì)量較好，以熱軋黑皮狀態(tài)直接交貨；而在表面有壓痕的棒材表面發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，故對其進行了酸洗和磨光處理，去除了原始熱軋態(tài)的氧化鐵皮。在棒材加工前，受長途運輸和露天存儲等因素的影響，表面有壓痕的棒材表面銹蝕相對嚴重。

圖2 正常棒材和表面有壓痕棒材的宏觀形貌

2.2 化學(xué)成分分析

1#，2#試樣化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示，由表1可以看出，1#，2#試樣的化學(xué)成分均符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對42CrMoA鋼的要求，但2#試樣中的S，Al元素含量較1#試樣略低，P，Ni，Cu元素含量較1#試樣略高。

表1 1#，2#試樣的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.3 低倍檢驗

1#，2#試樣的低倍組織形貌如圖3所示，可見1#試樣的錠型偏析較2#試樣更加嚴重，1#，2#試樣的偏析程度分別評定為1.0級和0.5級，其余未見明顯差異。

圖3 1#，2#試樣低倍組織形貌

2.4 金相檢驗

對1#，2#試樣進行金相檢驗，其非金屬夾雜物形貌如圖4所示，顯微組織形貌如圖5所示。由圖4可以看出，1#試樣硫化物類夾雜的級別明顯高于2#試樣。由圖5可以看出，1#，2#試樣顯微組織相同，均為鐵素體+珠光體。

圖4 1#，2#試樣非金屬夾雜物微觀形貌

圖5 1#，2#試樣顯微組織形貌

2.5 掃描電鏡分析

將1#，2#試樣加熱后，用掃描電鏡(SEM)對其表面的氧化鐵皮進行觀察，發(fā)現(xiàn)1#，2#試樣氧化鐵皮的組織結(jié)構(gòu)略有差異(見圖6)。

圖6 1#，2#試樣表面氧化鐵皮的SEM形貌

3 改進方法

除上述理化檢驗外，還對1#，2#試樣對應(yīng)爐次的原材料進行了脫碳層、碳偏析、硬度均勻性等測試，發(fā)現(xiàn)1#，2#試樣的測試結(jié)果均無明顯差異。結(jié)合鋼材表面氧化鐵皮生成、附著的相關(guān)研究[6-10]，從棒材的表面狀態(tài)和化學(xué)成分兩個因素考慮并設(shè)計試驗，以驗證這兩個因素對曲軸表面壓痕的改善效果。

對棒材表面狀態(tài)和化學(xué)成分這兩個可能的影響因子，采用多因子、多水平正交試驗法設(shè)計試驗表格，將6組棒材經(jīng)30 min等長加熱時間加熱后，用壓力為15 MPa的高壓水除磷機進行噴淋，對比其氧化鐵皮的附著情況，試驗方案及驗證結(jié)果如表2所示。由表2可知，氧化鐵皮的附著情況與化學(xué)成分呈明顯相關(guān)性。噴淋后棒材表面氧化鐵皮的附著情況如圖7所示。

表2 試驗方案及驗證結(jié)果

圖7 噴淋后棒材表面氧化鐵皮的附著情況

4 結(jié)論

(1)曲軸用42CrMoA鋼表面壓痕的產(chǎn)生與棒材原始表面狀態(tài)(即粗糙度)無明顯相關(guān)性。

(2)曲軸用42CrMoA鋼表面壓痕的產(chǎn)生與棒材原始化學(xué)成分呈明顯相關(guān)性，適當(dāng)?shù)靥岣逽，Al元素含量和控制P,Ni,Cu元素含量可改善曲軸毛坯表面的壓痕情況。