非调质钢曲轴的开发和应用 - 文章

非调质钢曲轴的开发和应用

作者：唐新民赵九根

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摘要：本文介绍了非调质钢(49MnVS3钢)曲轴与调质钢(S53C钢)曲轴的显微组织、力学性能和疲劳性能对比试验结果，选定49MnVS3钢作为柴油机曲轴用材，并逐步投入批量生产，产生了巨大的经济效益。
关键词：非调质钢；柴油机曲轴

1前言

我公司柴油机制造设备是根据引进技术的加工工艺要求而配置的，按要求采用S53C(调质钢)锻造曲轴毛坯，组织试生产。但国内锻造曲轴毛坯因调质处理质量不稳定，硬度均匀性差，切削性能差，导致加工刀具寿命短，生产效率低，经常停产，造成生产成本高，生产压力大的被动局面。为此，通过调研，我们决定用非调质钢制造曲轴。

曲轴是在不断周期变化的载荷下，在往复和旋转惯性力和力矩(扭矩和弯矩)共同作用下做功的；其次曲轴各轴颈在很高的比压下，以很大的相对速度与轴承发生滑动摩擦，产生较高的温度和磨损，服役条件十分恶劣。因此，曲轴材料必须有较高的抗拉强度、疲劳强度、较高的硬度及耐磨性，心部有一定的韧性。据有关资料统计，曲轴失效形式主要是弯曲疲劳断裂和轴颈磨损。

S53C钢调质状态下与正火状态下的力学性能指标如表1所示。

表1S53C钢力学性能及曲轴表面硬度数据表

热处理状态	σ_s/MPa	σ_b/MPa	δ(%)	Ψ(%)	α_KU/J^.cm^-2	HBS	表面氮碳共渗HV0.1
调质正火	≥588 ≥392	≥780 ≥647	≥14 ≥15	≥35	≥59	229～285 183～255	≥500 ≥500

我们的主要任务是选择一种非调质钢制造柴油机曲轴，既要满足S53C钢主要力学性能指标(特别是抗拉强度、疲劳强度)，又能大大地改善其切削性能，提高生产效率，降低生产成本。依据我国非调质钢冶炼水平和现有非调质钢，我们选定49MnVS3钢为研究对象。用49MnVS3钢与S53C钢进行了对比性试验。只要49MnVS3钢的锻造成形性、加工切削性能、疲劳台架试验、装车路试使用性能达到或超过S53C钢的性能，我们就认为能够替代调质钢制造柴油机曲轴。

2对比试验及分析

2.1锻造成形工艺试验

非调质钢曲轴的锻造成形，主要是控制锻件的加热温度，始、终锻温度和控冷速度，有效地保证曲轴锻件的综合力学性能及曲轴的加工性能和使用寿命。
曲轴锻造工艺流程如下：

下料→中频加热→预锻→终锻→切边→热校→控冷→喷丸→检测(硬度、力学性能、探伤等)→机加工。

依据曲轴毛坯厂生产经验和生产实际，以及两种钢的热加工参数，我们制定了两种钢的对比锻造工艺，如表2所示。

表2曲轴锻造工艺对比试验参数表

材质	加热温度/℃	始锻温度/℃	终锻温度/℃	控冷方式	锻造方式	锻后处理设备
S53C钢 49MnVS3钢	1200±10 1190±10	1150±20 1150±20	1050±30 1030±30	锻后调质风→控冷	模锻模锻	调质专用线控冷专用线

2.2切削性能试验及氮碳共渗处理

用S53C钢和49MnVS3钢的曲轴毛坯，在曲轴加工线上进行了对比切削性能试验。主要考核其刀具的使用寿命及切削力的大小。其数据见表3。

表3两种材质曲轴切削刀具寿命比较

工序名称	加工调质钢刀具寿命件/套	加工非调质钢刀具寿命件/套	提高刀具寿命(%)
车大、小头车端面车-拉轴颈钻油孔钻飞轮孔	4000 3800 2000 1000 1500	7200 7000 5000 1800 2000	80 84 150 80 33

注：1.表中数据S53C钢为生产记录每套刀具推算平均寿命数，49MnVS3钢为生产试验样本每套刀具平均寿命数。2.表中工序为曲轴加工中切削量大的工序，切削量小的工序没有列入表中。其中车-拉轴颈指加工瓶颈工序。

非调质钢曲轴因49MnVS3钢锻件未经调质处理，室温组织为珠光体和铁素体，硬度均匀，工件表面硬度差＜20HBS，断面硬度差＜15HBS，且钢中含有较高的硫，从而显著改善切削性能。从表3可以看出，切削量大的工序，刀具使用寿命提高得大，特别是解决了车-拉轴颈工序(调质钢曲轴加工瓶颈工序)的切削加工问题，并使刀具使用寿命提高了150%以上。切削量小的工序刀具使用寿命提高达30%左右。

曲轴磨削加工后，必须进行表面硬化处理，以提高轴颈的耐磨性能和疲劳强度，延长曲轴的使用寿命。柴油机曲轴采用气体氮碳共渗工艺进行表面硬化处理。非调质钢曲轴气体氮碳共渗结果怎样呢？为此我们进行了氮碳共渗工艺试验及耐磨性能试验。试验方法是用49MnVS3钢曲轴进行与S53C钢曲轴相同工艺处理，检测其氮碳共渗质量，试验结果表明非调质钢曲轴氮碳共渗后的质量与S53C钢曲轴相当，可满足曲轴各项技术要求。

2.3金相组织及分析

非调质钢曲轴毛坯因坯料直径较大(φ115mm)，加热温度高(1190℃)，时间长，锻造比因部位不同，其室温金相组织也不同。曲轴表面变形大，冷速大，金相组织为较细的珠光体加断续网状铁素体，晶粒度为4～6级，硬度高达240～260HB；而心部组织因变形小，冷速小，金相组织为较粗的珠光体加断续网状铁素体，晶粒度为3～5级，硬度为230～245HB。非调质钢曲轴锻后金相组织、硬度、晶粒度可见表4所示。另外，从试验中还可得出，工件加热温度、终锻温度偏高，冷却速度较低时，晶粒粗大，切削性能好，但韧性差，疲劳强度低。金相试样按图1取样检测分析。

2.4力学性能

力学性能检测主要做抗拉试验和冲击试验。根据曲轴服役条件，曲轴直径的大小，具体按图1所示取样。试样的尺寸均为标准试样。

图1曲轴力学性能试样取样图

试验方法是每批次取2件曲轴，做4个抗拉试样，4个冲击试样，进行两种材质的对比试验，其试验结果见表4所示。

表4两种材质曲轴力学性能及金相组织对比数据表

材质	σ_s/MPa	σ_b/MPa	屈强比	δ(%)	Ψ(%)	α_Ku/J^.cm^-2	HBS	金相组织	晶粒度
S53C钢 49MnVS3钢	535～545 491～497	790～810 804～821	0.660 0.608	17～19 16～18	58～60 33～36	65～75 20～45	235～246 236～245	S_网＋F_少 P＋F_断网	5～7级 3～5级

从表4中可以看出，两种钢的抗拉强度、屈服强度基本相同，但由于金相组织结构不同，调质钢韧性比较好，非调质钢晶粒粗大，铁素体呈断续网状，导致韧性较差。

2.5疲劳强度及耐磨性能

曲轴疲劳性能的好坏，直接影响着曲轴装机后的使用寿命，所以进行曲轴疲劳试验是非常必要的。非调质钢曲轴表面硬化质量、抗拉强度与调质钢相当，但韧性较差，为此我们又进行了两种材质曲轴疲劳性能的对比试验。按JB3258《汽车发动机曲轴疲劳台架试验方法》的要求，用两种钢曲轴成品各随机抽取5件曲轴，在DC-1型电磁激振疲劳试验机上进行疲劳强度试验，采用升降法求疲劳极限，再根据疲劳强度计算出安全系数来判断曲轴是否符合技术要求。具体试验结果见表5所示。

曲轴耐磨试验是用两种材质按试验要求做成试块，在MM-200型磨损试验机上进行等条件下耐磨试验，再比较磨损体积的大小。具体试验结果见表5所示。

表5曲轴弯曲疲劳强度、安全系数、耐磨性能对比数据表

材质	疲劳强度/MPa	安全系数	磨损压力/N	磨损时间/h	摩擦副	磨损体积/mm³
S53C钢 49MnVS3钢	1035 1035	1.56 1.56	250 250	19 19	高速钢高速钢	6.114 6.521

从表5中可以看出49MnVS3钢曲轴疲劳强度、安全系数均与S53C钢相同，磨损量比S53C钢略微大一点。按JB3258《汽车发动机曲轴疲劳台架试验方法》要求，曲轴安全系数＞1.3就可以满足曲轴性能要求，故49MnVS3钢曲轴达到S53C钢水平，能够满足我公司柴油机曲轴的性能要求。

2.6台架试验

台架耐久试验是考核曲轴装机后使用性能及寿命的一种强化试验。我们用49MnVS3钢曲轴装机两台，进行600h耐久台架试验。首先磨合50h，再进行550h强度试验后，检查曲轴的变形量及轴颈磨损状态，再与S53C钢曲轴600h台架试验结果进行比较。通过两轮600h耐久台架试验后，检查非调质钢曲轴的变形量和轴颈磨损量，均与S53C钢台架试验结果相当，符合曲轴台架耐久试验的技术要求。

2.7装车路试

49MnVS3钢曲轴在进行台架疲劳试验和台架耐久试验后，接着要进行装车路试，进一步检测其可靠性、可行性和替代性。我们的方法是用49MnVS3钢曲轴装配3台发动机装车进行三万公里路试，在各种不同的路况下，行驶不同路程，检测曲轴的变形、磨损及其他失效内容。试验结果证明49MnVS3钢曲轴达到S53C钢曲轴的技术水平，完全能满足柴油机对曲轴的技术要求。

3经济效益分析

用49MnVS3钢替代S53C钢制造我公司柴油机曲轴，不但能满足其性能和各项技术要求，解决切削加工中生产实际问题，使我公司发动机生产逐步走上正常轨道，而且能较大幅度地降低柴油机曲轴的制造成本，产生显著的经济效益。

49MnVS3钢柴油机曲轴的经济效益主要由两部分组成。一部分是材料国产化后(49MnVS3钢材由国内供应，S53C钢材需进口)，降低了原材料采购价，取消了锻件调质处理工序，减少了废品率，简化工序，缩短了生产周期，降低了制造成本。另外，由于49MnVS3钢中硫含量较高，组织结构稳定，硬度均匀，表面硬度差较小，大大地改善了曲轴切削加工时的切削性能，提高了生产效率和刀具使用寿命，较大幅度地降低了加工制造成本。从表3中可以看出49MnVS3钢曲轴切削量大的工序，刀具使用寿命提高80%～150%，切量小的工序也提高了30%左右。49MnVS3钢曲轴投产后，我们用数理统计的方法分析了一段时间的生产记录，分析结果证明：每件49MnVS3钢曲轴的加工制造成本可节省48元左右，加上降低曲轴毛坯采购价95元／件，实际每件49MnVS3钢曲轴可节约制造成本143元左右。自投产以来我们已生产49MnVS3钢曲轴4万余件，经济效益达600余万元。

4结论

(1)49MnVS3钢曲轴经各类性能试验证明，能满足我公司柴油机曲轴技术要求，可替代调质钢制造曲轴。
(2)49MnVS3钢曲轴可省略调质处理工序，简化生产工序，降低废品率，产品质量稳定，适用于规模大、自动化程度高的曲轴生产线。
(3)采用49MnVS3钢制造柴油机曲轴，可产生显著的经济效益，每件曲轴可望降低制造成本143元左右。
(4)49MnVS3钢的塑性、韧性比S53C钢稍差，可用降低含碳量改进锻造工艺参数的方法，逐步达到调质钢的水平。

作者简介：唐新民(1953—)，男，高工，从事金属材料及热处理专业的技术工作，多次担任项目负责人。联系电话：0791-5232888-7012(O)，传真：0791-5235674。
作者单位：唐新民(江铃产品开发技术中心，江西南昌330001)
赵九根(江铃产品开发技术中心，江西南昌330001)

参考文献：
［1］雍岐龙，马鸣图，吴宝榕．微合金钢——物理和力学冶金［M］．北京：机械工业出版社，1989，12：522～660．
［2］胡德昌，胡滨．新型材料特性及其应用［M］．广州：广东科技出版社，1996，9：28～42．
［3］第一汽车制造厂情报研究所．非调质钢译文辑［Z］．1985，7．(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/31/2005)


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