某新型柴油機曲軸鍛件的研制

文/杜紹貴，何正海，蘇程，魏定其·中車資陽機車有限公司

國內內燃動力，特別是大型中速機和低速機，主要以整機進口，專利授權或者合資模式生產，而國內內燃動力主機制造廠家，采用專利授權或者合資模式生產的國外知名品牌有曼恩，日本洋馬、大發等，而真正擁有完全自主知識產權且能夠與國外大品牌同臺競爭的內燃動力主機，目前品牌效應還不是特別明顯。為了扭轉這種被動局面，國內某單位承擔了一款新型重大高端柴油機的研制任務。我公司作為該新型重大高端柴油機重要零部件參研方，負責進行柴油機曲軸部件的制造技術開發和產品研制。

新型柴油機曲軸為整體鍛鋼、全加工曲軸，材料：合金鋼。曲軸總長4580mm，曲軸本體質量2908kg，主軸頸直徑φ300mm，連桿頸直徑φ240mm，8個曲柄銷呈90°夾角分布，采用獨立式平衡重，用2個螺栓液壓拉伸緊固安裝在曲柄臂上。曲軸本體經整體調質處理，主軸頸和連桿頸表面采用中頻淬火強化。

技術要求

曲軸原材料

⑴化學成分：要求P≤0.012%，S≤0.012%。曲軸自由端、輸出端C含量偏差≤0.05%。

⑵殘余氣體含量：[H]≤2.0ppm，[O]≤20ppm，[N]≤ 120ppm。

⑶低倍組織級別：見表1。

表1 低倍組織級別

⑷非金屬夾雜物級別：見表2。

⑸超聲波探傷：起始靈敏度φ1.6mm，允許零散分布的缺陷≤φ2.0mm當量。

⑹鍛造比≥8。

曲軸鍛造

⑴要求采用具有保持連續纖維流線的工藝方法進行鍛造。

⑵曲軸鍛件各部位加工余量≤12～15mm，且均勻放量，從鍛件到成品，材料利用率≥60%。

⑶曲軸鍛件兩端留放調質力學性能試棒，力學性能試棒與主軸頸截面相同。

表2 非金屬夾雜物級別

表3 鍛件力學性能要求

曲軸鍛件調質熱處理

⑴當曲軸鍛件單邊加工余量≤15mm時，曲軸鍛件允許黑皮調質，回火溫度不得低于550℃。

⑵鍛件力學性能要求詳見表3，其中兩端抗拉強度允許差值≤80N/mm2，硬度差值≤30HB。

⑶晶粒度：按GB/T 6394-2002檢測5～8級。

⑷金相組織：金相組織應為均勻細致的回火索氏體或回火索氏體+鐵素體。其結果應符合GB/T 13320-2007中第三組評級圖1～3級要求。

工藝方案

曲軸坯料制備

為保證曲軸坯料滿足全部技術要求，提高材料的淬透性和熱處理穩定性，采取以下曲軸坯料制備工藝方案。

⑴優化曲軸用合金鋼化學成分?？s窄C含量范圍，將C含量從0.30%～0.40%縮窄到0.32%～0.38%；提高Mn含量下限，將Mn含量從0.50%～0.80%提高到0.60%～0.80%；適當加入V元素，將V元素控制在0.04%～0.08%。

⑵控制殘余氣體含量。為防止鋼中N元素過多產生氮化物而影響沖擊性能，將殘余氣體含量調整為：[H]≤2.0ppm，[O]≤20ppm，[N]≤70ppm。

⑶冶煉方法。為提高材料成分均勻性、內部致密度和純凈度，曲軸用合金鋼采用高潔凈鋼生產線進行冶煉和電渣重熔。

⑷鋼錠開坯。為保證材料的鍛造比和內部致密度，采用50MN油壓機進行鋼錠開坯，并采用兩次鐓、拔連用的鋼錠開坯工藝。

⑸內部質量檢驗。為保證曲軸原材料內在質量，對曲軸坯料實施除按常規要求的低倍組織、非金屬夾雜物檢驗、超聲波探傷外，還實施宏觀純凈度、微觀純凈度檢驗。

曲軸鍛件成形

圖1為曲軸鍛件三維圖，從圖1可知：該曲軸由8個曲拐、輸出端大法蘭、自由端臺階構成。

圖1 曲軸鍛件三維圖

圖2 曲軸鍛件簡圖

⑴曲拐成形。由于曲柄臂投影面積為190533 mm2，曲軸回轉直徑626mm。這兩個參數決定該新型船用柴油機曲軸需要采用TR鐓鍛法成形。

⑵輸出端大法蘭成形。曲軸輸出端大法蘭尺寸特別大，最大外徑φ680mm，即使按單邊均勻留放最小12mm加工余量，其使用的坯料長度也超過TR鐓鍛法所用裝置左右模座的最大開口尺寸，且按經驗公式計算，其所需鐓鍛力達到裝置極限，有損毀裝置的技術風險。因此該大法蘭直接采購坯料加工，不進行坯料第二次鍛造成形。

⑶自由端臺階。根據臺階的鍛出條件，自由端臺階由于直徑與相鄰軸頸相差不大且長度尺寸短，可以不進行坯料第二次鍛造成形而采購坯料加工，但這樣會造成坯料兩端各有一個臺階，增加坯料的采購成本。因此自由端臺階采用坯料第二次鐓鍛成形。

⑷加工余量。考慮到該新型船用柴油機將來會增加缸數，曲軸也將從8個曲拐增加至10個曲拐，同時曲軸鍛件黑皮調質有利于控制制造成本，在完全均勻放量的情況下應將軸向、徑向加工余量適當增加。

基于以上分析，曲軸鍛件成形工藝為：TR鐓鍛；曲拐先預鍛再終鍛；鍛造成形順序為第1～8拐→自由端法蘭；徑向、軸向加工余量15mm，均勻放量。圖2為曲軸鍛件簡圖，鍛件總長5312mm，鍛件重4725kg。

曲軸鍛件調質

由于曲軸調質力學性能要求高且自由端、輸出端抗拉強度差值小，需要加大淬火烈度，保證淬火效果和淬火均勻性，結合鍛件尺寸和重量綜合考慮，確定采用水-空循環交替智能控時淬火技術進行調質熱處理，調質熱處理前，進行調質過程模擬試驗和等效調質試驗驗證。

鍛件質量檢驗

兩拐曲軸鍛件

⑴外觀、尺寸檢驗。圖3為兩拐曲軸鍛件，經檢驗，外觀、尺寸符合鍛件圖規定要求。著色探傷檢查未發現主軸頸、連桿頸根部夾層，熒光磁粉探傷未發現鍛件表面有折疊或裂紋等缺陷。

圖3 兩拐曲軸鍛件

⑵宏觀組織檢驗。選一個曲拐采用加工方法制取縱向試樣，腐蝕后的宏觀纖維流線如圖4所示。纖維流線分布與曲拐外形吻合良好，沒有渦流、紊流、穿流。

圖4 宏觀纖維流線照片

表4 兩拐鍛件調質力學性能

表5 整體曲軸鍛件調質力學性能

⑶顯微組織檢驗。兩拐鍛件經鍛后正火+回火處理后，其晶粒度達到7級，符合工藝要求。

⑷力學性能檢驗。兩拐曲軸調質力學性能技術要求，詳見表4。

整體曲軸鍛件

⑴外觀、尺寸檢驗。整體曲軸鍛件實物如圖5所示。經檢驗，外觀尺寸符合鍛件圖規定要求。著色探傷檢查未發現主軸頸、連桿頸根部夾層，熒光磁粉探傷未發現鍛件表面有折疊或裂紋等缺陷。曲軸鍛件最小加工余量9mm。

⑵顯微組織檢驗。整體曲軸鍛件經鍛后正火+高溫回火處理后，其晶粒度達到7級，金相組織為：珠光體+鐵素體，符合工藝要求。

圖5 整體曲軸鍛件實物

⑶力學性能檢驗。從表5可以看出，整體曲軸鍛件調質力學性能滿足設計要求。此外利用力學性能殘件檢測金相組織為回火索氏體，也滿足設計要求。

⑷曲軸成品重量2908kg，鍛件重量4725kg，材料利用率61.5%，滿足技術要求。

結論

⑴對于工況要求復雜、質量要求高的新型船用柴油機曲軸，必須嚴格控制曲軸原材料、鍛造、熱處理各制造環節的工序質量。

⑵兩拐曲軸鍛件、整體曲軸鍛件的質量檢驗結果表明，針對該新型曲軸鍛件所采用的原材料、鍛造、熱處理工藝方案是合理的、可行的、有效的，曲軸鍛件質量得到了有效保證。