STR重型汽車10L發動機連桿熱處理質量提升

齊羿+朱洪磊+高波

摘要：文章從STR重型汽車10L發動機連桿熱處理方向出發，討論了熱處理工藝、網帶熱處理爐對10L發動機連桿內在質量和外觀質量的影響，并針對目前生產過程中產品存在的質量問題逐一提出改善或解決方案，使10L發動機連桿熱處理質量得到大幅提升，降低不合格率和廢品率，為企業提高經濟效益。

關鍵詞：STR重型汽車；10L發動機；連桿；熱處理；質量提升 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG213 文章編號：1009-2374（2016）35-0129-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.062

1 概述

連桿是汽車與船舶等發動機中的重要零件，它連接著活塞和曲軸，其作用是將活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動，并把作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。連桿在工作中，除承受燃燒室燃氣產生的壓力外，還要承受縱向和橫向的慣性力。連桿的工作條件要求連桿具有較高的強度和抗疲勞性能，又要求具有足夠的鋼性和韌性。

2 項目背景

10L發動機連桿是我公司STR重型汽車發動機中的重要部件，在服役過程中承受較大的應力和沖擊，是關系到車輛行駛安全的關鍵部件。對于STR重型汽車10L發動機連桿，鋼材成分40Cr熱軋圓鋼[技術要求：材料成分：C為0.40%～0.45%、Si為0.17%～0.37%、Mn為0.70%～1.00%、Cr為1.05%～1.25%、S為0.020%～0.035%、Mo≤0.10%、P≤0.025%、Al為0.020%～0.045%、H≤0.0002%、O≤0.0015%；非金屬夾雜：A+B+C+D≤5.0級，晶粒度5～8級、極差≤3級，脫碳層單邊深度≤公稱直徑1%；低倍組織：疏松≤2級、偏析≤2級、不允許：白點、皮下氣泡、裂紋、縮孔殘余等；淬火硬度（離開淬火端下列距離mm處的HRC）：J9≥55、J15≥50、J30≥35（端淬溫度：850±5℃）]，供貨方石家莊鋼鐵有限公司，重汽技術中心要求我公司鍛造成型后首先進行調質熱處理，使鍛件基體金相組織達到少量鐵素體和細晶粒回火索氏體均勻分布、等級1～3級，晶粒度5～8級、級差≤3級，最小屈服強度RP0.2≥540N/mm2，抗拉強度Rm～780～930N/mm2，延伸率A5≥14%，收縮率Z≥45%，沖擊功Aku2≥47J，非加工表面單邊脫碳層深度不大于0.3mm、全脫碳層深度不大于0.1mm，鍛件表面布氏硬度為233～276HB，淬火后布氏硬度為415～601HB，同時10L發動機連桿產品交貨時外觀質量也有嚴格要求：表面磕碰、硌傷等凹缺陷深度≤0.5mm、翹曲≤0.5mm、對稱度≤0.8mm等。

3 項目目的

我公司使用網帶熱處理爐對STR重型汽車10L發動機連桿調質熱處理，產品主要供給中國重汽濟南動力部和杭州發動機中心。根據近期濟南動力部和杭州發動機中心多次質量信息反饋，產品存在如下問題：（1）10L發動機連桿表面磕碰傷較多，所占比例約20%，雖滿足后續加工要求，但表面磕碰硌傷等凹缺陷深度和面積達到鍛件圖工藝參數要求臨界值，存在超差不合格的隱患，引起客戶抱怨；（2）10L發動機連桿表面布氏硬度在鍛件圖工藝要求范圍內呈現較大離散，造成后續切削加工時嚙合變形較大，甚至部分產品嚙合度不符合機械加工工藝參數要求，判定為不合格品，被要求退貨。根據濟南動力部2016年1月至今加工統計數據，10L發動機連桿機加工后一次嚙合合格率為70%，另有22%通過技術質量評審后讓步接收，其余8%不合格退貨并索賠工時費用。

經過對磕碰硌傷等凹缺陷的多次驗證和分析，磕碰缺陷主要源自淬火池內傳送系統處，產生于工件出熱處理淬火爐時，在下料口內翻轉砸傷以及落入淬火油槽中時碰撞輸送帶鋼板所致，在進入回火爐入料口前及由回火爐出爐落入回火水池時也有部分磕碰；經過對硬度分布離散大和嚙合變形大問題的多次驗證和分析，在相同調質溫度、調質時間、相似淬火油溫度、相同擺料方式等條件下，對不同批次30組數據、每組數據30個連續淬火硬度值進行測定和分析，淬火硬度處于中線值即477～539HB占整體比例約60%，處于中線至下線值即415～477HB占15%，處于中線至上線值即539～601HB占25%，原因主要為淬火不穩定，淬火油池循環性能較差，同時對于淬火油池性能穩定性監控水平低，造成出現異常情況時不能及時解決，影響產品的調質熱處理內在質量。

4 項目方案

4.1 網帶熱處理爐升級改進

4.1.1 淬火爐落料口改造：將落料口改造成雙排通道，實現前后側同時落料，使工件落料分散，避免堆料，提高淬火均勻性和穩定性；將落料坡度降低，減慢落料速度，同時減少下料口折彎，降低工件在下料口內翻轉磕碰次數和程度。

4.1.2 淬火冷卻循環系統改造：將噴射裝置進行改造，重新設計尺寸，增大循環和噴射流量；重新設計噴射方向，由豎直改為斜向，增大接觸面積，避免僅單側噴射，且延長接觸時間，從而提高系統的淬火冷卻均勻性和穩定性，提升產品質量。

4.1.3 對淬火油槽內的輸送帶進行改造，首先提升輸送帶高度，降低下料口和輸送帶間距離；其次在下料口下端擋板和輸送帶之間增加二級傳送網帶，減少工件直接與輸送帶鋼板間接觸造成的磕碰傷。

4.1.4 對淬火槽輸送帶鋼板進行改造，尤其是鋼板上焊接的防滑凸起，進一步降低工件接觸時的磕碰程度；在淬火槽內增設自動控溫裝置，固定測量位置和深度，更靠近工件入淬位置，提高數據的真實性、穩定性和準確性。

4.1.5 回火爐爐門改造：在回火爐進料口和出料口設置尺寸匹配的專用保溫爐門，以減少不必要的熱耗散，同時提高爐體加熱穩定性和保溫均勻性。

4.1.6 回火爐爐頂保溫層改造：重做爐頂保溫層，增大保溫層厚度，并增加保溫導流罩，從而提高爐體的整體加熱和保溫性能。

4.1.7 回火爐出料口滑道改造：重新設計出料口滑道的長度、坡度以及滑道最前端落料口寬度，保證工件出回火爐后能夠順利及時地沿滑道進入水池中，避免滯留現象。

4.1.8 回火爐水冷系統的改造：增設履帶傳送裝置，并配合回火池中轉運料箱的改造，達到工件能夠由出爐、落料、水冷、出水空冷的自動化循環操作。

4.2 熱處理工藝設計優化

當網帶熱處理爐按照項目實施方案改造完畢后，爐體加熱、保溫、淬火冷卻等方面性能得到大幅提升，并結合40Cr材料性能特點和使用特性，按照10L發動機連桿參數要求對熱處理工藝進行設計和優化，滿足實際生產需求，即：淬火880±10℃，淬火油溫75℃～90℃，淬火時間>3min，淬火時間150min，回火時間180min，回火溫度650℃±20℃，出爐后入水，隨履帶出回火水池空冷。

4.3 網帶熱處理爐升級改進及熱處理工藝設計優化完成后

4.3.1 選取同一爐號鍛造成型的連桿，分三組每組各500件。

4.3.2 原材料成分檢驗，保證該爐號原材料成分滿足技術要求。

4.3.3 每組嚴格執行熱處理工藝進行生產，產品出爐后做好標識單獨存放。

4.3.4 每組連桿鍛件調質過程中按照10%比例對淬火后硬度進行抽檢。

4.3.5 每組連桿鍛件調質熱處理后進行表面布氏硬度20%抽檢，同時對該3組連桿鍛件各送金相和性能檢驗，對比試驗結果。

5 項目過程和結果分析

第一，原材料檢驗，結果如下：（1）材料成分：C為0.42%、Si為0.24%、Mn為0.82%、Cr為1.15%、S為0.026%、Mo為0.020%、P為0.014%、Al為0.032%、H≤0.0002%、O≤0.0015%；（2）非金屬夾雜：A+B+C+D=4級、晶粒度7級、全脫碳層0.20mm；（3）低倍組織：疏松1級；偏析1級；無白點、皮下氣泡、裂紋、縮孔殘余等；（4）淬火硬度（離開淬火端下列距離mm處的HRC）：J9～58、J15～53、J30～42（端淬溫度：850℃±5℃）；經分析，連桿原材料成分符合技術要求，檢驗合格。

第二，每組連桿鍛件按照熱處理工藝參數設定并生產試驗，即：淬火880℃，淬火油溫75℃～90℃，淬火時間4.5min，淬火時間150min，回火時間180min，回火溫度655℃，出爐后入水，隨履帶出回火水池空冷。

第三，對該150個淬火后布氏硬度數據進行離散型分析發現：淬火硬度處于中線值占整體比例由原約60%提升至95.8%，處于中線至下線值占1.9%，處于中線至上線值占2.3%，離散度大幅降低，淬火后硬度均勻性和穩定性得到極大提升。

第四，對調質熱處理后三組連桿鍛件分別送金相檢驗，結果如下：（1）第1組X500倍顯微鏡下金相組織F+S回2級，晶粒度7級，最小屈服強度RP0.2為580N/mm2，抗拉強度Rm877N/mm2，延伸率A5為15%，收縮率Z為47%，桿部單邊脫碳層深度0.20mm、全脫碳層深度0.06mm，沖擊功Aku2為62J；（2）第2組X500倍顯微鏡下金相組織F+S回2.5級，晶粒度7級，最小屈服強度RP0.2為566N/mm?，抗拉強度Rm868N/mm?，延伸率A5為15.2%，收縮率Z為48.2%，桿部單邊脫碳層深度0.22mm、全脫碳層深度0.07mm，沖擊功Aku2～57J；（3）第3組X500倍顯微鏡下金相組織F+S回2級，晶粒度6.5級，最小屈服強度RP0.2為582N/mm2，抗拉強度Rm901/mm2，延伸率A5為16.4%，收縮率Z為49.7%，桿部單邊脫碳層深度0.26mm、全脫碳層深度0.05mm，沖擊功Aku2～68J。經分析，三組連桿金相組織和性能檢驗均符合鍛件熱處理工藝技術要求，合格率100%。

第五，每組按照20%數量各抽取100件連桿做表面布氏硬度檢驗，三組連桿抽檢表面布氏硬度均符合工藝要求，合格率100%。

第六，對每組10L發動機連桿按照外觀質量要求進行100%檢測，翹曲和對稱度5%抽檢。經檢測數據匯總，磕碰硌傷等凹缺陷比例明顯下降，由原20%下降至約2.7%，同時翹曲、對稱度抽檢均符合工藝要求，合格率100%。

6 結語

經網帶熱處理爐和熱處理工藝的共同優化和改進后，10L發動機連桿的表面磕碰硌傷等凹缺陷比例明顯下降，由原20%下降至2.7%，同時淬火均勻性和穩定性得到極大提升，處于中值區域比例由60%提升至95.8%。

該批分組實驗10L發動機連桿發往濟南動力部進行后續試加工，反應良好，表面磕碰傷問題得到根本解決，客戶不再抱怨，同時產品外觀質量也得到保證。經濟南動力部加工后數據統計，一次嚙合合格率由原70%提升至96%，其他4%經技術質量評審后可做讓步接收，不合格率和廢品率得到極大降低，產品內在質量得到極大提升。

綜上所述，濟南鑄鍛中心生產的STR重型汽車10L發動機連桿熱處理質量通過設備改造和技術改進后，得到顯著提升，不僅符合連桿產品工藝技術要求，同時滿足收貨方需要，整體提升中國重汽STR重型汽車產品質量，為中國重汽集團在汽車行業作為龍頭做出貢獻。

參考文獻

[1] 中國機械工程學會熱處理專業分會，《熱處理手冊》編委會.熱處理手冊（第2卷）[M].北京：機械工業出版社，2001.

（責任編輯：王 波）