發動機曲軸熱處理工藝開發

文／周鵬，李波，王湘蘇·中車資陽機車有限公司

曲軸是發動機的主要旋轉機件，它負責將活塞的上下往復運動轉變為自身的圓周運動。曲軸受力大且復雜，同時曲軸又是高速旋轉件，因此要求具有足夠的剛度、強度和平衡度，具有良好的承受沖擊載荷的能力，耐磨損和潤滑良好。本文通過分析42CrMoH合金鋼曲軸原材料化學成分、實物尺寸及技術要求，優化改進熱處理方式及擺放，實物取樣后具有良好的綜合性能，成功開發出最優工藝并達到最小變形量，滿足了客戶的技術要求。

表1 42CrMoH曲軸化學成分含量（%）

圖1 42CrMoH曲軸示意圖

引言

42CrMoH發動機曲軸是我公司為韓國農用貨車市場開發的一種汽油發動機四拐曲軸，年需求量達萬余件，是我公司主打產品之一，曲軸外形如圖1所示。原材料棒料下料后經鍛造、熱處理后進行實物解剖，檢驗曲軸本體的機械性能、金相組織、淬硬層深度等，看是否滿足客戶需求。

原材料及產品技術要求

原材料

材質為42CrMoH，原材料為符合GB/T 5216-2014《保證淬透性結構鋼》要求的熱加工用表面磨光料，化學成分要求及實測含量，見表1。

鋼的非金屬夾雜物，按GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物顯微評定方法》的JK標準評級圖評定，具體要求及實測，見表2。

鋼的低倍組織要求應符合GB/T 3077-2015《合金結構鋼》的規定，其中鋼的中心疏松、一般疏松、偏析均不大于2.5級，按GB/T 1979-2001《結構鋼低倍組織缺陷評級圖》評級，具體要求及實測含量，見表3。

鋼中晶粒度應在GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》規定的系列圖片Ⅰ的6～10級，實測含量達到6.5級。GB/T 13299-1991《鋼的顯微組織檢驗方法》中規定的帶狀組織不大于2級，實測含量達到1級。

產品技術要求

⑴熱處理達到的技術要求：曲軸要求調質態交貨，實物取樣達到的技術要求見表4。

⑵其中拉伸試驗以及沖擊試驗均為兩組，淬透層深度通過曲軸指定部位的硬度梯度進行反映，相關試驗的取樣位置要求如圖2所示。

表2 42CrMoH曲軸非金屬夾雜物

表3 42CrMoH曲軸低倍組織

表4 42CrMoH曲軸技術要求

圖2 42CrMoH曲軸取樣示意圖

熱處理工藝分析及工藝試驗

工藝分析

⑴材料分析。

42CrMoH屬于淬透性較高的優質合金結構鋼，強度高、韌性好，淬火變形小，熱處理后能夠獲得優良的綜合機械性能。

⑵熱處理方式及冷卻選擇。

考慮到42CrMoH具有優良的淬透性，雖然曲軸形狀復雜且在實物指定部位雙倍取樣進行機械性能、金相等試驗難度較高，但綜合考慮，熱處理采用爐溫均勻性達到±10℃以內的臺車式電爐進行加熱保溫，先正火以優化鍛后組織，再進行調質處理，淬火采用油冷，回火采用水冷。

⑶裝爐、變形要求。

曲軸總長549mm，兩端及各平衡塊間截面在35～95mm范圍內變化較大，要求熱處理后曲軸的直線度不大于1.2mm，否則要冷校直并去應力回火，裝爐方式采用曲軸平放于專用工裝內，以減少熱處理變形。

表5 42CrMoH曲軸工藝試驗結果

圖3 42CrMoH曲軸裝爐示意圖

工藝試驗

42CrMoH原材料為用戶來料，由于試鍛原材料不足，且急于驗證鍛造質量，所以鍛造的四件曲軸中兩件42CrMoH，兩件42CrMoA。采用電爐與其他產品配爐熱處理，分別進行實物解剖及相關試驗以作對比。

由于曲軸指定拉伸試棒取樣部位較窄，只能取兩套直徑為φ5mm的拉伸試棒，得到的機械性能及金相組織等數據見表5。

根據上述數據分析：42CrMoH相對于42CrMoA具有極高的淬透性，相同的熱處理參數條件下，獲得的組織同為回火索氏體，卻得到較高的抗拉強度、屈服強度和硬度，淬透層深度通過距表面4mm、8mm、12mm處各檢查一點的HB硬度值都超過了上限330HB的要求值，相對的伸長率、收縮率和沖擊值富余量不高，可以看出整支42CrMoH曲軸已完全淬透，也可反映曲軸選擇42CrMoH為原材料的必要性。

通過專用樣板檢測變形量達到2.1mm左右，分析原因是裝爐方式不合理及熱處理工裝形狀不符合要求導致熱處理變形較大。

批量生產熱處理工藝制定及試制

熱處理工藝制定

42CrMoH曲軸生產工藝流程為下料→加熱→模鍛→切邊、熱校正→檢查→拋丸→打磨→探傷、打磨→檢查→熱處理→硬度檢查→性能檢測→拋丸→探傷、打磨→檢查→打標記→冷校正→去應力回火→拋丸→防銹、包裝。由于曲軸尺寸復雜截面變化較大，為去除鍛造產生的各種殘余應力，優化鍛后組織、細化晶粒度，調質前先進行正火預備熱處理。為最大限度地提高單爐熱處理數量并滿足淬火冷卻效果而又達到最小變形量，綜合考慮，采用曲軸分層平放于專用料筐內的方式，層間保持水平且不可相互搭疊，見圖3。

表6 首件試驗數據

淬火冷卻采用天車懸掛料筐快速入油，油溫加熱并保持在40～80℃范圍內，并結合循環攪拌系統以盡快穿過蒸汽膜階段進入快速冷卻，保證冷卻效果均勻，回火后為避免出現第二類回火脆性而降低韌性值，采用水冷快速通過。

42CrMoH屬于亞共析鋼，臨界溫度Ac3為800℃，亞共析鋼的淬火加熱溫度為Ac3+(30～70）℃。考慮到實際裝爐量，確定正火工藝為880±10℃×(180～240）min，空冷；淬火工藝為850±10℃×(180～240）min，油冷；回火工藝為(560～600）±10℃×(210～270）min，水冷。42CrMoH曲軸熱處理工藝曲線如圖 4所示。

圖4 42CrMoH曲軸熱處理工藝

熱處理試制

⑴首件取樣及試驗數據。

首爐按照上述熱處理工藝生產后，采用便攜式布氏硬度計檢測實物兩端硬度在320～330HB之間，滿足技術要求。隨機抽取一件實物按要求解剖本體并進行機械性能、金相組織及淬硬層深度等檢測，結果見圖5。

圖5 42CrMoH曲軸實物解剖

⑵試驗數據。

根據表6試驗數據可知：42CrMoH曲軸淬透性極好，在批量熱處理中仍可獲得較高的強度、硬度和沖擊值，金相組織及硬度梯度反映的淬透層深度已完全合格。

首批生產的96件42CrMoH曲軸100%檢查變形量，約有40%左右的曲軸變形量達到1.4～1.5mm左右，采用壓力機輕校一次，并進行去應力回火后可完全消除。

結束語

⑴42CrMoH原材料具有極高的淬透性，對實物解剖獲取的較高強韌性具有極大推進作用。只要控制好熱處理參數、淬火介質溫度以及正確的現場操作，就會獲取合格的試驗數據。

⑵為最大限度降低曲軸變形量，要求熱處理裝爐確保曲軸水平，且曲軸間不可傾斜或搭疊，根據實際情況，裝爐量仍可增加。