淺談冷卻速度對(duì)非調(diào)質(zhì)鋼連桿力學(xué)性能的影響

曾麗芳，黃鵬華

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西 柳州 545007）

連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)中的核心零部件之一，不斷承受著來(lái)自燃燒壓力和慣性力的交變沖擊載荷作用。所以，連桿必須要保證足夠的結(jié)構(gòu)剛度和疲勞強(qiáng)度，來(lái)保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行以及整機(jī)的可靠行。

在現(xiàn)有的連桿生產(chǎn)中，為保證連桿零件具備足夠的剛度和強(qiáng)度，采用鍛造的制造方式，并對(duì)連桿鍛件進(jìn)行恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚒６鵁崽幚砉に嚨暮脡模苯佑绊懼吝B桿成品的剛度和強(qiáng)度。所以，合理的熱處理工藝，是獲得良好綜合力學(xué)性能的重要途徑。

1 連桿的熱處理工藝

1.1 熱處理的定義

熱處理就是通過(guò)加熱、保溫和冷卻，改變其內(nèi)部組織，從而獲得所要求的物理、化學(xué)、機(jī)械和工藝性能的一種工藝方法。金屬熱處理工藝，大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學(xué)熱處理這3個(gè)大類(lèi)；根據(jù)加熱介質(zhì)、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類(lèi)又可區(qū)分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬件，采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。

一般情況下，熱處理有退火、正火、淬火和回火這4種基本工藝。此外，依據(jù)這些基本工藝，還延伸出了其他工藝，如調(diào)質(zhì)處理（淬火加高溫回火）；時(shí)效處理，即在強(qiáng)化相析出的溫度加熱并保溫，使強(qiáng)化相沉淀析出，得以硬化，提高強(qiáng)度。

1.2 非調(diào)質(zhì)鋼連桿的熱處理工藝

傳統(tǒng)的連桿采用中碳鋼（碳素鋼或合金鋼）經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的，過(guò)程復(fù)雜而又耗能源和成本。自石油危機(jī)以來(lái)，為了節(jié)約能源，非調(diào)質(zhì)鋼得以廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)，用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)上的曲軸、連桿等要求強(qiáng)度和剛度較高的零件。

非調(diào)質(zhì)鋼不需調(diào)質(zhì)處理，只需控制鍛造工藝及鍛造后的冷卻速度，就可以獲得鍛件所需要的強(qiáng)度、韌度等性能的非調(diào)質(zhì)鋼。常規(guī)的非調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，是在中碳鋼中添加微量合金化元素（V、Ti和Nb等），通過(guò)控制鍛制、控溫度和冷卻速度，在鐵素體和珠光體中彌散析出C（N）化合物為強(qiáng)化相，使之在鍛制后不經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，即可獲得碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后所達(dá)到的力學(xué)性能。

1.3 當(dāng)前非調(diào)質(zhì)鋼熱處理工藝存在的問(wèn)題及分析

由于非調(diào)質(zhì)鋼不需進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，并且強(qiáng)度高，所以得以應(yīng)用于某發(fā)動(dòng)機(jī)連桿零件上。該非調(diào)質(zhì)鋼連桿的熱處理工藝，為采用時(shí)效處理的方式，通過(guò)控制冷卻速度，得到連桿產(chǎn)品所需求的力學(xué)性能。控制冷卻速度的好壞，直接影響至非調(diào)質(zhì)鋼的力學(xué)性能，如硬度、延伸率、斷面收縮率和脫碳層等，所以冷卻速度非常關(guān)鍵。

所述非調(diào)質(zhì)鋼連桿，采用鍛造余熱來(lái)進(jìn)行后續(xù)的熱處理工序（如圖1所示）。

圖1 某連桿的時(shí)效熱處理工藝

工藝過(guò)程為：先將連桿坯料在中頻爐中加熱到1 250℃左右（溫度由紅外測(cè)溫儀控制），經(jīng)輥鍛、精鍛、沖孔、切邊、熱校正成型后，再將其放入風(fēng)冷熱處理設(shè)備中進(jìn)行時(shí)效熱處理，該設(shè)備（如圖2所示）包含：封閉的柜體、鏈條、電機(jī)及紅外測(cè)溫儀等部件。

圖2 風(fēng)冷設(shè)備

在進(jìn)行連桿試生產(chǎn)時(shí)，冷卻傳動(dòng)帶電機(jī)初始速度設(shè)為500 r/min，連桿鍛件在傳送帶上勻速通過(guò)控制爐。在爐的進(jìn)出口處，分別安裝一個(gè)紅外測(cè)溫儀，當(dāng)鍛件進(jìn)入或離開(kāi)設(shè)備時(shí)，測(cè)溫儀將相應(yīng)的信號(hào)傳給溫度顯示器，顯示相應(yīng)溫度。

完成以上時(shí)效熱處理后，再進(jìn)行金相以及相關(guān)力學(xué)性能的檢測(cè)，以此做為評(píng)估冷卻速度設(shè)定的好壞。通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，連桿硬度低，并且延伸率偏高，不滿(mǎn)足連桿產(chǎn)品的性能要求（詳細(xì)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1）。因此必須針對(duì)熱處理的工藝進(jìn)行整改，以滿(mǎn)足連桿各方面力學(xué)性能要求。

表1 某連桿的力學(xué)性能驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果

2 冷卻速度對(duì)熱處理工藝的影響

熱處理操作中，加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻方法，是最重要的3個(gè)基本工藝因素，正確選擇其規(guī)范，是保證工件獲得合格的性能的關(guān)鍵。從本文1.3節(jié)的某發(fā)動(dòng)機(jī)連桿例子中，當(dāng)加熱溫度、保溫時(shí)間為一定而且為可控因素，傳送帶的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，即冷卻速度是影響該連桿力學(xué)性能的最主要因素。為驗(yàn)證該結(jié)論，同時(shí)論述冷卻速度對(duì)非調(diào)質(zhì)鋼熱處理工藝的影響，本文進(jìn)行了如下一系列不同冷卻速度的熱處理試驗(yàn)。

2.1 某連桿的冷卻速度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證冷卻速度對(duì)熱處理的影響，尋找該發(fā)動(dòng)機(jī)連桿鍛件最恰當(dāng)?shù)娘L(fēng)冷速度，分別將風(fēng)冷設(shè)備電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為100 r/min，200 r/min，300 r/min，400 r/min，500 r/min和600 r/min，并進(jìn)行最終的連桿鏟平性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

由于冷卻速度影響著風(fēng)冷設(shè)備的出口溫度，因此在本次試驗(yàn)中，監(jiān)控并記錄連桿鍛件經(jīng)過(guò)風(fēng)冷設(shè)備后的出口溫度。試驗(yàn)結(jié)果如表2所列。

表2 試驗(yàn)結(jié)果（轉(zhuǎn)速單位：r/min；溫度單位：℃）

2.2 試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和連桿鍛件力學(xué)性能要求對(duì)比總結(jié)，結(jié)合生產(chǎn)過(guò)程，可得到以下結(jié)論：

（1）冷卻傳送帶轉(zhuǎn)速在100～200 r/min左右時(shí)，硬度和脫碳層(0.12 mm)均在驗(yàn)收范圍內(nèi)，滿(mǎn)足連桿鍛件力學(xué)性能要求；

（2）冷卻傳送帶轉(zhuǎn)速在300 r/min左右時(shí)，脫碳層(0.08 mm)較小，但連桿鍛件的硬度小，不符合連桿鍛件力學(xué)性能要求；

（3）冷卻傳送帶轉(zhuǎn)速在400 r/min左右時(shí)，脫碳層(0.2 mm)較大，且連桿鍛件的硬度小，不符合連桿鍛件力學(xué)性能要求；

（4）冷卻傳送帶轉(zhuǎn)速在500 r/min左右時(shí)，脫碳層(0.15 mm)偏高，且連桿鍛件的硬度小，不符合連桿鍛件力學(xué)性能要求；

（5）冷卻傳送帶轉(zhuǎn)速在600 r/min左右時(shí)，脫碳層(0.12 mm)適中，但連桿鍛件的硬度小，不符合連桿鍛件力學(xué)性能要求；而且由于冷卻傳送帶轉(zhuǎn)速太快，導(dǎo)致出口處連桿鍛件溫度過(guò)高，不適用于大批量生產(chǎn)。

綜上所述，通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)分析，當(dāng)冷卻傳送帶的轉(zhuǎn)速較小即冷卻速度較慢時(shí)，可獲得較高的鍛件強(qiáng)度，并且各連桿鍛件間的硬度偏差小；而當(dāng)傳送帶速度較快，即冷卻速度較快時(shí)，雖然獲取較高的生產(chǎn)效率，但連桿鍛件的硬度、延伸率等力學(xué)性能不穩(wěn)定，且不滿(mǎn)足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，也可得知，本文所述連桿鍛件的熱處理冷卻速度，以及鍛造過(guò)程中的溫度控制可基本定型固化。即，采用冷卻傳送帶在100～200 r/min的范圍內(nèi)的冷卻速度時(shí)，可獲得較好的連桿鍛件力學(xué)性能，相關(guān)固化的鍛造及熱處理工藝定義如表3。

表3 某連桿的鍛造及熱處理參數(shù)

3 結(jié)束語(yǔ)

非調(diào)質(zhì)鋼由于不需調(diào)質(zhì)（淬火+回火）處理，僅通過(guò)時(shí)效熱處理，便能得到滿(mǎn)足連桿產(chǎn)品要求的力學(xué)性能，因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)連桿中得以廣泛采用；

非調(diào)質(zhì)鋼連桿的力學(xué)性能，主要由時(shí)效處理過(guò)程中的加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻方法決定，而冷卻速度是熱處理工藝過(guò)程中不可忽視的步驟，冷卻方法因工藝不同而不同，控制冷卻速度，可得到不同的力學(xué)性能，如延伸率、斷面收縮率以及硬度等。

某發(fā)動(dòng)機(jī)非調(diào)質(zhì)鋼連桿的冷卻速度，應(yīng)定為100～200 r/min，可得到良好的力學(xué)綜合性能，解決了生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的力學(xué)性能偏差問(wèn)題。

[1]吳兆漢，汪長(zhǎng)民，林桐藩，方 球.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1990.

[2]鄧文英.金屬工藝學(xué)（上冊(cè)，第四版）[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3]付 璞.40Cr熱處理工藝及其組織與性能[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2005（10）：110-114.