某型柴油機曲軸熱處理工藝開發

陳世英，張太洪，蘇程

中車資陽機車有限公司 四川資陽 641301

1 序言

某型柴油機曲軸材質34CrNi3MoA，曲軸主軸頸和連桿頸直徑較大，且調質后力學性能要求高（其中抗拉強度1000～1130MPa）。為保證曲軸穩定達到力學性能要求，可采用我公司曲軸臥式水-空循環交替智能控時淬火技術進行調質，確保曲軸達到力學性能、金相組織等技術要求。

但是，該曲軸材質34CrNi3MoA屬于中合金鋼，合金含量較多，采用清水作為淬火冷卻介質在冷卻過程中存在很大的開裂風險，因此需對該曲軸調質工藝進行研究，實現中合金鋼曲軸水淬的工藝突破。同時還應控制臥式調質的彎曲變形，保證滿足曲軸的后續加工余量要求。

2 曲軸技術參數

2.1 材質

34CrNi3MoA 鋼，其化學成分要求見表1。

2.2 鍛件主要尺寸

曲軸鍛件總長5500mm，重量5450kg，主軸頸直徑330mm，連桿頸直徑280mm。在鍛件自由端和功率輸出端留出連體試棒，連體試棒直徑330mm。三維曲軸鍛件如圖1所示。

圖1 三維曲軸鍛件

2.3 熱處理技術要求

（1）力學性能 曲軸鍛件毛坯狀態進行調質處理后，分別從鍛件自由端和功率輸出端留出的連體試棒截取一套縱向試樣，檢測曲軸力學性能。具體取樣位置如圖2所示。曲軸的力學性能要求見表2。

（2）金相組織 利用力學性能試樣殘件檢驗調質后金相組織，應為均勻細致的回火索氏體，或回火索氏體＋鐵素體，其結果按GB/T 13320—1991中第三評級圖評定，以1～3級為合格。

（3）晶粒度 利用力學性能試樣殘件，按GB/T6394—2002規定進行鍛件晶粒度檢查，其級別應為5～8級。

表1 34CrNi3MoA鋼化學成分（質量分數） （%）

圖2 曲軸調質力學性能取樣位置

表2 曲軸力學性能要求

（4）變形要求 曲軸調質后，整軸彎曲變形不大于9mm。

3 熱處理工藝難點分析

3.1 力學性能分析

曲軸要求毛坯經調質后在輸出端與自由端的連體試棒上各截取一套縱向試樣進行力學性能檢測，抗拉強度要求為1000～1130MPa，且自由端和輸出端抗拉強度差值≤80MPa。我公司曾生產過34CrNi3MoA鋼的另型曲軸，經調質處理后，抗拉強度要求均為800～950MPa，且針對兩端取樣的大型曲軸，兩端抗拉強度差值通常要求為≤100MPa。由于該曲軸力學性能要求較以往更高，且自由端和輸出端抗拉強度均勻性要求更嚴，因此為保證穩定達到力學性能要求，可適當優化曲軸原材料化學成分，添加微量元素V等的含量。另外，曲軸調質淬火冷卻時需要加快冷卻速度，改善冷卻效果。

3.2 淬裂性分析

曲軸本身形狀結構復雜，厚薄懸殊大，加熱和冷卻過程中將產生很大的熱應力和組織應力。另外，該曲軸材質為34CrNi3MoA，屬于中合金鋼，合金含量較多，由于合金元素會不同程度增加過冷奧氏體的穩定性，使奧氏體等溫轉變圖曲線右移，故34CrNi3MoA鋼材料淬透性好，DI值可高達200～400mm，因此采用清水作為淬火冷卻介質在冷卻過程中存在很大的淬裂風險。制定該曲軸調質工藝參數時需綜合考慮，制定出合理的空冷和水淬的工藝參數，嚴格控制水和空氣交替冷卻時的各段冷卻時間，確保曲軸在不出現淬火裂紋的前提下達到較高的力學性能等技術要求。

3.3 變形分析

曲軸采用臥式調質的方式，即曲軸擺放于臺車爐中加熱，保溫結束后通過吊具將其轉移至臥式淬火水槽中執行冷卻工藝。曲軸在加熱時長時間處于高溫狀態、淬火時溫度急劇降低，整個過程中會產生巨大的熱應力和組織應力，加上生產現場存在的諸多偶然因素，都將導致曲軸最終產生不同程度的彎曲變形，給后續加工帶來困難。因此，為了控制曲軸臥式調質的彎曲變形，必須在加熱、轉移和淬火冷卻過程中采取有效措施，盡量保持曲軸平穩。

4 曲軸調質試制

首先將該曲軸原材料光坯專用試件（材質34CrNi3MoA）進行等效調質試驗，然后采用經過驗證及優化的水-空循環交替控時淬火工藝參數，對曲軸實物進行調質，保證曲軸自由端和輸出端力學性能、金相組織等滿足曲軸技術要求，同時還應控制曲軸臥式調質過程的彎曲變形。

4.1 調質工藝參數制定

（1）采用階梯加熱工藝方式 為減小內外溫差，加熱時采用增加一段中間保持溫度630℃的階梯加熱方式，避免曲軸心部在處于彈性狀態時因溫差而產生的熱應力在曲軸心部形成裂紋或使原有顯微裂紋擴大[1]。

（2）采用水-空交替控時淬火技術 即采用冷卻能力差異最大、對環境無污染和使用成本最低的水和空氣兩種淬火冷卻介質對曲軸進行淬火冷卻。從理論上講，采用水-空循環交替淬火并通過計算機嚴格控制各段冷卻時間，可以獲得水與空氣之間的任何冷卻曲線，這也是控時淬火技術的基本原理[2]。

控時冷卻第一階段：空氣預冷。由于該曲軸尺寸較大，合金含量多，可采用較長時間的空氣預冷，以減少曲軸的整體熱容量，減小淬火冷卻過程中的熱應力，降低淬裂風險，為增加下一階段的冷卻速度提供了條件。

控時冷卻第二階段：水＋空氣循環交替冷卻。通過嚴格控制各段水冷和空冷的時間，模擬出不同冷卻速度的淬火介質。水冷時，當曲軸表層冷卻到Ms點附近或以下的某一溫度后，停止快速冷卻，轉為緩冷處理；在采用空冷時，次表層的熱量傳向表層，表層的溫度升高，表層剛剛轉變的淬火組織發生自回火，并使表層的塑性、應力狀態得到調整，減小開裂傾向。不斷重復這樣的快冷與緩冷的交替工藝，直到曲軸的溫度達到冷卻工藝要求的溫度，余溫在200℃左右后停止冷卻。

初步制定調質工藝參數如圖3所示，控時水淬為：預冷+水1+空1+水2+空2+水3+空3+水4+空4+水5+空5+水6+空6+水7。

圖3 曲軸調質工藝曲線

4.2 試件等效調質試驗

將該曲軸原材料光坯專用試件進行等效調質試驗，驗證上述工藝參數的淬火效果（回火溫度T設定為620℃），為該型曲軸調質工藝參數的選定提供依據。調質后力學性能結果見表3，滿足曲軸技術條件的要求。

4.3 曲軸實物調質

（1）曲軸調質工藝參數 采用經過試件等效試驗驗證的上述水-空循環交替控時淬火工藝參數對曲軸實物進行調質，保證曲軸自由端和輸出端力學性能、金相組織等滿足曲軸技術要求。

（2）變形控制方案 采用臥式調質方式，曲軸橫放在加熱爐中，由于長時間處于高溫狀態，極易在加熱、轉移和淬火冷卻過程中產生彎曲變形。為了控制曲軸彎曲變形在后工序加工余量范圍內，防止曲軸產生過大彎曲變形，采取以下措施：

1）設計制作在臺車爐中加熱時的專用支撐和淬火冷卻時的吊掛轉移專用平衡吊具，使曲軸在爐子中加熱和出爐淬火冷卻過程中盡量保持平穩。

2）為防止產生過度彎曲變形，根據曲軸鍛件毛坯的尺寸和結構，采用淬火加熱時5點支撐、冷卻吊運時4點吊掛的方式，使曲軸的重量均勻分布在各個支撐上，具體支撐和吊掛部位如圖4所示[3]。

3）淬火后測量曲軸變形情況，回火裝爐時高點向上，通過中間支撐預留間隙的方式使淬火態的曲軸在回火過程中產生適量的反變形，以控制曲軸調質后的最終變形。

（3）曲軸調質試制 在試件等效調質試驗驗證合格的基礎上，按上述曲軸水-空交替控時淬火臥式調質工藝參數和變形控制方案對曲軸進行調質處理。其中淬火冷卻過程如圖5所示。

表3 0#試件等效調質力學性能

圖4 曲軸淬火加熱支撐和冷卻吊掛位置

圖5 臥式淬火冷卻過程

曲軸調質處理后，按規定進行力學性能、金相組織等檢驗，且進行劃線檢查變形情況，確保滿足下道工序加工要求。

1）分別從鍛件自由端和功率輸出端留出的連體試棒規定位置截取一套縱向試樣進行力學性能檢測，結果見表4，1#、2#兩支曲軸的輸出端和自由端力學性能和兩端強度差均滿足技術要求。

表4 曲軸調質力學性能

2）利用力學性能試樣殘件檢驗調質后金相組織，1#、2#曲軸均為回火索氏體，結果按GB/T 13320—1991中第三評級圖評定，1#曲軸為1級、2#曲軸為2級，滿足技術要求，金相組織分別如圖6、圖7所示。

3）利用力學性能試樣殘件，按GB/T6394—2002規定進行鍛件晶粒度檢查，1#、2#曲軸晶粒度級別均為7.5級，滿足技術要求。

圖6 1#曲軸金相組織（500×）

圖7 2#曲軸金相組織（500×）

4）淬火后測量曲軸變形情況，整軸彎曲最大5mm，回火裝爐時高點向上，通過中間支撐預留間隙的方式使淬火態的曲軸在回火過程中產生適量的反變形，以控制曲軸調質后最終彎曲變形量，該兩支曲軸回火后變形彎曲最大6mm，滿足下道工序加工余量要求。

5 結束語

通過工藝試驗及曲軸試制，確立了該大型34CrNi3MoA 鋼曲軸的水-空交替控時調質處理工藝方案和工藝參數，并應用于實際生產，調質處理后的力學性能穩定，一次檢驗合格率高達100%，保證了曲軸的質量。

采用階梯加熱、淬火前空氣預冷和嚴格控制水-空交替淬火冷卻各段時間的方式，能減小大型34CrNi3MoA曲軸在加熱和淬火冷卻過程中產生的應力，降低開裂風險，實現了大型中合金鋼曲軸水淬的工藝突破。