汽車曲軸用非調(diào)質(zhì)鋼鑄壞裂紋控制與冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化研究

中圖分類號：U461 收稿日期：2025-04-17

DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.06.027

Abstract：In this paper，the surface crack of untempered steel 38MnVS6 for automotive crankshaft during continuous casting was studied.Themechanismofcrackinducedbyhightemperaturemechanicalpropertiesandunevencoolingwasanalyzed.Byoptimizing theheightoftenoleadajustingteaterdtributionintesecondarycoingzone，theolinguiforityoftebiletsefec tivelyimprovedandthetemperaturereturnrateandtransversetemperaturedierenearereduced.Theresultsshowthatasoable controlofcooling conditions can significantly improve the surface qualityofthe biletandreduce thecrack defects.

Key words：Automobile crankshaft;Non-tempered steel;Continuous casting crack;High temperature plasticity

1前言

汽車曲軸對材料性能要求極高，非調(diào)質(zhì)鋼因其良好的強(qiáng)韌性與經(jīng)濟(jì)性，成為優(yōu)選材料。連鑄作為其主要成型工藝，易在高溫下誘發(fā)表面裂紋，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。本文針對 38MnVS6 非調(diào)質(zhì)鋼連鑄裂紋問題，開展高溫力學(xué)性能研究，并結(jié)合冷卻系統(tǒng)模擬與優(yōu)化，提出有效控制對策。

2汽車曲軸用非調(diào)質(zhì)鋼連鑄過程存在的問題

2.1高溫塑性差、斷面收縮率低

38MnVS6 非調(diào)質(zhì)鋼在高溫狀態(tài)下的延展性表現(xiàn)出顯著差異，尤其在 1325^°C 以上和 900°C 以下的脆性區(qū)間，材料斷面收縮率（RA）迅速下降至0，進(jìn)入零塑性狀態(tài)，極易發(fā)生開裂。尤其在矯直過程中，如果應(yīng)力作用疊加于此脆性溫區(qū)，極易誘發(fā)表面裂紋1。在 600～ 800^°C 區(qū)間，材料應(yīng)力峰值高、塑性差，進(jìn)一步增加了連鑄過程中產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險。

2.2連鑄過程中溫度控制不當(dāng)

在連鑄過程中，若鑄坯溫度控制不精確，尤其未能避開高溫脆性區(qū)，將大幅提升裂紋形成概率。熱模擬分

析表明， 38MnVS6 鋼的脆性溫度區(qū)主要集中在1320～1380^°C 之間和 900^qC 以下，若鑄坯在這些區(qū)域受到拉應(yīng)力作用，易產(chǎn)生沿晶或穿晶裂紋。

2.3二冷噴淋分布不均

當(dāng)前連鑄設(shè)備的二冷噴嘴布置存在角部水量過大、中心水量偏多的問題，導(dǎo)致鑄坯冷卻不均（圖1）。模擬數(shù)據(jù)顯示，角部溫度過低，產(chǎn)生局部過冷，中心區(qū)域回溫速度過快，引發(fā)縱橫向溫差差異過大。二段和三段的內(nèi)弧最大回溫速率高達(dá) 122°C/m ，遠(yuǎn)超控制閾值，誘發(fā)熱應(yīng)力集中，成為裂紋高發(fā)區(qū)域，嚴(yán)重影響鑄坯表面質(zhì)量。

2.4碳氮化物在晶界聚集誘發(fā)裂紋

組織觀察發(fā)現(xiàn)，鑄壞在高溫冷卻不均狀態(tài)下，晶界處易形成鏈狀碳氮化物聚集，降低晶界結(jié)合強(qiáng)度，誘導(dǎo)裂紋沿晶擴(kuò)展。這類析出物在高應(yīng)力和熱應(yīng)力作用下成為裂紋源，是表面和近表層裂紋形成的微觀根源。尤其是在冷卻速度不足或回溫過大的區(qū)域，碳氮化物無法彌散析出，進(jìn)一步加劇晶粒粗化與組織脆化，嚴(yán)重影響鑄壞抗裂性能[2]。

3非調(diào)質(zhì)鋼38MnVS6的高溫力學(xué)性能

3.1試樣制備與熱模擬實(shí)驗(yàn)方法

為研究非調(diào)質(zhì)鋼 38MnVS6 在高溫狀態(tài)下的力學(xué)行為，試樣取自連鑄壞垂直于拉壞方向的位置，以確保代表性。試樣加工為標(biāo)準(zhǔn)圓柱狀尺寸 （?10mm×120mm） ，其中中部焊接鉑-銠熱電偶，用于實(shí)時精確測溫。試樣外部套裝直徑約 10.2mm 、長度為 30mm 的石英管，以確保加熱過程的均勻性與溫度穩(wěn)定性。試樣在熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行裝配，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由計算機(jī)控制下的加熱單元、加載系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行，可精準(zhǔn)模擬連鑄過程中鋼材經(jīng)歷的熱-機(jī)械復(fù)合過程。實(shí)驗(yàn)在氬氣保護(hù)氣氛中進(jìn)行，拉伸溫度從 覆蓋整個連鑄溫度范圍，充分反映材料在實(shí)際生產(chǎn)過程中可能經(jīng)歷的熱力環(huán)境。

3.2高溫拉伸性能測試與熱塑性分析

在 600～1350^°C 范圍內(nèi)進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)后，獲得了 38MnVS6 鋼在不同溫度條件下的抗拉強(qiáng)度與斷面收縮率數(shù)據(jù)，如表1所示。結(jié)果表明，抗拉強(qiáng)度隨溫度升高呈持續(xù)下降趨勢，而斷面收縮率則表現(xiàn)出非線性變化規(guī)律，體現(xiàn)出明顯的脆性與塑性轉(zhuǎn)換區(qū)間。在約 1200^°C 溫度附近，斷面收縮率達(dá)到最大值 90% ，材料展現(xiàn)出極佳的高溫塑性，適合熱變形加工。而當(dāng)溫度超過 1325^°C 時，斷面收縮率迅速下降至0，進(jìn)入“零塑性\"狀態(tài)，形成所謂的第I脆性區(qū)，極易發(fā)生裂紋；在 900‰ 以下的第III脆性區(qū)，斷面收縮率也明顯降低，表明材料此時塑性較差，易發(fā)生熱脆斷裂。進(jìn)一步分析指出，冷卻速度對高溫塑性具有顯著影響，冷卻過快可能導(dǎo)致材料未能充分再結(jié)晶，強(qiáng)化脆性行為；而合理冷卻控制可延緩脆性區(qū)進(jìn)入時機(jī)，擴(kuò)大安全加工窗口[3]。

3.3應(yīng)力-應(yīng)變行為與塑性演化

在 600～800‰ 區(qū)間，曲線呈現(xiàn)明顯的“應(yīng)力快速上升后急劇下降”的形貌，表現(xiàn)出應(yīng)變硬化能力差，塑性較低，容易發(fā)生應(yīng)力集中與早期斷裂。進(jìn)入 850～950^qC 范圍后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始平緩，初現(xiàn)動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶跡象，材料塑性逐漸改善。隨著溫度升至 950～1150^°C 之間，材料發(fā)生顯著動態(tài)再結(jié)晶，曲線呈現(xiàn)“應(yīng)力震蕩下降\"特征，晶粒細(xì)化過程顯著，表現(xiàn)出優(yōu)良的熱加工塑性，是連鑄過程中適宜的矯直溫度區(qū)間。在 1200^°C 以上，雖塑性提升，但應(yīng)力響應(yīng)下降，材料強(qiáng)度變?nèi)?，進(jìn)入低抗變形能力狀態(tài)。在 1325^°C 以上，由于晶粒粗大、夾雜物弱化晶界，材料斷裂形式向脆性轉(zhuǎn)化[4]。

4連鑄冷卻過程中的裂紋形成機(jī)理

4.1凝固傳熱數(shù)學(xué)模型構(gòu)建與驗(yàn)證

為準(zhǔn)確分析 38MnVS6 非調(diào)質(zhì)鋼連鑄過程中裂紋形成的熱力學(xué)機(jī)制，基于ProCAST軟件建立了1/4鑄壞橫截面的二維凝固傳熱數(shù)學(xué)模型。模型采用非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)微分方程，考慮了不同區(qū)域（結(jié)晶器、二冷區(qū)、空冷段）冷卻邊界條件的變化，并引入了潛熱釋放對溫度場的影響，采用有效比熱和導(dǎo)熱系數(shù)處理固液轉(zhuǎn)變過程。模擬過程中，重點(diǎn)關(guān)注水霧噴淋強(qiáng)度、水量分布及熱流密度對鑄壞表面和內(nèi)部溫度的影響（圖2）。通過在實(shí)際連鑄過程中使用紅外測溫儀對內(nèi)弧中心表面溫度進(jìn)行監(jiān)測，并與模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果顯示兩者誤差較小，驗(yàn)證了模型在冷卻行為預(yù)測方面的準(zhǔn)確性和工程適用性[5]。

4.2裂紋敏感溫區(qū)識別

通過凝固傳熱模型分析，識別出 38MnVS6 鋼在連鑄過程中存在一段凝固前沿脆性溫度區(qū)間，溫度范圍為1320.2～1383.6^qC ，該區(qū)間恰好與材料的高溫第I脆性區(qū)高度吻合，是熱裂紋極易發(fā)生的敏感區(qū)域。在此區(qū)間內(nèi)，材料塑性極低，受拉狀態(tài)下容易發(fā)生沿晶斷裂。同時，模擬結(jié)果表明冷卻速度對該區(qū)域裂紋發(fā)生概率具有決定性影響[6]。若冷速過高，形成急劇溫降，導(dǎo)致熱應(yīng)力突增，疊加于零塑性區(qū)域，將極易誘發(fā)微裂紋擴(kuò)展。若冷速不足，又可能造成回溫，促使晶界碳氮化物聚集，降低抗裂性能。

5汽車曲軸用非調(diào)質(zhì)鋼表面裂紋控制措施

5.1噴嘴高度優(yōu)化

為解決連鑄過程中鑄壞冷卻不均導(dǎo)致的裂紋問題，針對現(xiàn)有噴淋系統(tǒng)存在的“角部過冷、中心回溫大”的問題，提出了噴嘴高度優(yōu)化方案。在不改變噴嘴布置位置的前提下，將二冷區(qū)一、二段噴嘴整體下調(diào) 20mm ，三、四段噴嘴整體上調(diào) 20mm ，目的是改變噴淋覆蓋區(qū)域和冷卻強(qiáng)度分布。下調(diào)噴嘴高度后，角部的水量密度有所降低，減少局部過冷現(xiàn)象；而三、四段噴嘴上調(diào)，則可減少中心區(qū)域的冷卻強(qiáng)度，避免回溫速率過快。該優(yōu)化方案在保持整體冷卻總量不變的前提下，通過調(diào)整噴射角度與位置，有效實(shí)現(xiàn)了局部冷卻調(diào)節(jié)[7]。

5.2配水量優(yōu)化

a.二段、三段冷卻水量增加至1.5倍。

將二冷區(qū)中部的二段、三段冷卻水量增加至原設(shè)計值的1.5倍，以提升冷卻強(qiáng)度，抑制縱向溫度回升帶來的裂紋風(fēng)險（表2）。該區(qū)域是鑄壞發(fā)生回溫和應(yīng)力積聚的重點(diǎn)區(qū)域，通過增加冷卻水流量，可有效增強(qiáng)表層散熱能力，縮短材料停留在脆性區(qū)的時間，從而減少裂紋萌生的機(jī)會。

通過配水優(yōu)化模擬分析，發(fā)現(xiàn)二段、三段區(qū)域冷卻水量提升后，鑄坯內(nèi)弧中心的回溫速率顯著降低，從優(yōu)化前的 122°C/m 降至 89°C/m ，降幅達(dá)到 27% 。表明鑄壞表層在通過高熱區(qū)段時的溫升趨勢得到有效遏制，熱應(yīng)力梯度減緩，矯直點(diǎn)前后的溫度更趨平穩(wěn)，有利于提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。較低的回溫速率也避免了碳氮化物在晶界的二次聚集與鏈狀析出，有助于保持晶粒均勻分布與細(xì)化狀態(tài)，改善抗裂性能[8]。

5.3冷卻均勻性提升

通過噴嘴高度調(diào)整與配水量優(yōu)化的協(xié)同實(shí)施，鑄坯在連鑄二冷區(qū)的冷卻過程顯著趨于均勻，溫度場分布更加合理。優(yōu)化后鑄壞內(nèi)弧與側(cè)弧的縱向回溫速率明顯降低，橫向溫差控制在合理范圍內(nèi)，熱應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著減弱。尤其是在角部區(qū)域，由于噴淋強(qiáng)度降低和溫度回升，局部溫度從 700～800^°C 提升至 850^°C 左右，進(jìn)入鋼的高溫塑性區(qū)間，有效避免了裂紋在脆性區(qū)形成與擴(kuò)展。

6結(jié)語

本文系統(tǒng)研究了非調(diào)質(zhì)鋼在連鑄過程中的高溫塑性行為及表面裂紋形成機(jī)理，明確了裂紋敏感溫區(qū)及其與冷卻條件之間的耦合關(guān)系。通過優(yōu)化噴嘴高度和調(diào)整配水量，有效改善了鑄壞冷卻均勻性，顯著降低了回溫速率和橫向溫差。

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