某型曲軸熱處理工藝開發

孫靜茹 楊曾虹 丑洋洋

摘要：本文通過對某型曲軸的材質、形狀尺寸及熱處理要求進行分析，針對材質及性能要求初步確定了曲軸的臥式調質熱處理工藝方案。通過小批量生產確定了工藝其可行性，并最終將新工藝應用于批量生產，實現了該類曲軸熱處理工藝的開發。

關鍵詞： 40CrNiMo? 曲軸、調質熱處理

1. 引言

某型曲軸主要應用在石油機械等設備上，其是鉆探機械設備的重要組成部分，曲軸是一個重要的旋轉機件，是鉆探設備的動力源。曲軸熱處理后力學性能的好壞，將直接影響鉆探機整體性能的表現。本文針對材質為40CrNiMo的壓裂泵曲軸性能要求進行了熱處理工藝開發，本文就該曲軸的熱處理工藝開發過程進行了詳細闡述。

2. 曲軸參數

2.1 曲軸材料

曲軸材料為40CrNiMo，其化學成分應符合表1要求。

2.2 曲軸主要尺寸

曲軸為粗加工后進行調質，此類曲軸無曲柄，由六個主軸頸及五個連桿頸組成。曲軸總長總長2300mm左右，主軸頸直徑Φ600mm，連桿頸直徑Φ260mm。

2.3 力學性能

曲軸采用粗加工后進行調質處理，曲軸輸出端帶有連體試棒，試棒直徑為Φ230mm。按技術要求，力學性能的取樣部位為表面下1/3R處，則調質狀態取樣位置距離曲軸表面尺寸應為39mm.力學性能要求見表2.

3.熱處理工藝難點分析

3.1 材質分析。曲軸所用材料為40CrNiMo，是一種鉻鎳鉬合金鋼，淬透性比較好，無明顯的回火脆性，經熱處理后可獲得良好的綜合性能。由于該鋼中鎳的含量比較高，進一步提高了鋼的淬透性，并可降低鋼的脆性轉變溫度，進一步提高鋼的沖擊韌性。但由于該鋼種該尺寸類曲軸是我公司第一次處理，故缺乏相應的熱處理經驗，加上該鋼種的淬透性比較好，如果淬火時冷卻速度控制不好，有造成曲軸開裂的風險。

3.2 外形尺寸分析。該曲軸與我公司目前生產的船機和主機曲軸相比，其主要特點是沒有曲柄板，且其主軸頸直徑是目前公司生產的所有曲軸中尺寸最大的，但主軸頸寬度確是最小的。根據目前曲軸臥式調質經驗，為了控制曲軸變形，調質加熱保溫過程中均需對主軸頸進行支撐。此曲軸主軸頸較窄支撐有一定難度，且在淬火冷卻時有一定的淬裂風險。

3.3 力學性能分析。與公司生產的其它曲軸相比，該曲軸熱處理后的綜合力學性能要求比較高，尤其沖擊功的要求是目前生產的所有合金鋼曲軸中最高的。為使曲軸經調質后能達到力學性能要求，必須加快淬火時的冷速，以使曲軸獲得更好的淬火效果，從而滿足其強度和韌性指標要求，這使曲軸有著出現淬火裂紋的風險。

3.4? 淬裂性分析。對曲軸的材質、尺寸和力學性能分析表明，該曲軸淬火時需加快冷速，加上曲軸形狀復雜，尺寸厚薄懸殊大，在加熱和冷卻過程中將產生更大的熱應力和組織應力，使得曲軸淬裂的風險較大。為了杜絕曲軸在調質過程中出現裂紋，制定工藝時必須綜合考慮，以避免造成重大經濟損失。

4 曲軸臥式調質試制

4.1 首批曲軸調質試制。該曲軸為粗加工調質，而且該材質為40CrNiMo，Ni含量較高材料本身淬透性好，淬火溫度不能太高，830℃即可。在制定控時冷卻工藝時應盡量緩慢冷卻，故而在調用智能冷卻工藝時采用相似直徑的40CrMo4智能工藝的基礎上減少浸液水冷時間，但是該軸尺寸較大因而熱容量大，為降低淬火后的余溫，總的冷卻時間不能縮短，因此最后適度增加水冷時間。

考慮到在熱處理過程中的變形，曲軸有六個主軸頸，為了防止變形支撐采用四點支撐，分別支撐其主軸頸，淬火時采用兩點吊掛，分別吊曲軸兩端。

首支壓裂泵曲軸的調質工藝曲線見圖1，調質后的力學性能見表3。

首批兩支曲軸熱處理后金相組織見圖2，為回火索氏體，，淬火效果良好。

4.2 小批量生產。在首批曲軸試制取得初步成功的基礎上，為進一步驗證工藝的可靠性，采用圖1所示工藝對壓裂泵曲軸進行小批量調質試制。因首批試制一支曲軸強度和硬度稍微偏高，故在小批量試制時通過調整回火溫度來控制曲軸強度，調質后其力學性能如表4所示。從數據上看，采用水—空交替淬火后曲軸力學性能穩定，均一次船檢合格。5支曲軸經劃線檢查，有一定的彎曲變形，但均不影響半成品加工。并且，所有曲軸經調質處理后均未產生淬火裂紋。

曲軸經過小批量調質后，結果證明所采用調質方式和工藝滿足技術要求，達到預期目的。

到目前為止，已采用此調質工藝生產該型曲軸100余支，力學性能穩定，變形均在允許范圍之內。

5. 結束語

1. 通過工藝開發實現了材料為40CrNiMo鋼的曲軸的熱處理，其各項力學性能指標均能夠達到技術要求。

2. 通過工藝開發，對40CrNiMo材質的水空交替熱處理特性有了深入地了解，為該材質曲軸的熱處理積累了一定的經驗。

3.為后續石油機械類曲軸的熱處理積累了相關經驗。

參考文獻：

[1] 中國機械工程學會熱處理學會，《熱處理手冊》，機械工業出版社， 2008年

[2] 康大韜、葉國斌，《大型鍛件材料及熱處理》，北京龍門書局 1998年

[3]《容積式壓縮機用鋼鍛件》標準