感應(yīng)淬火對(duì)42CrMo鋼曲軸連桿軸頸組織性能的影響

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(1. 桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004； 2. 桂林福達(dá)股份有限公司， 廣西 桂林 541199)

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的零部件之一，工作時(shí)連桿軸頸將活塞氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，主要承受著交變彎曲和扭轉(zhuǎn)力的作用以及沖擊載荷的作用。因此，曲軸連桿軸頸表面需要具有較好的耐磨性和較高的疲勞強(qiáng)度，生產(chǎn)中主要通過(guò)感應(yīng)淬火來(lái)提高連桿軸頸表面性能[1-3]。

感應(yīng)淬火過(guò)程中，曲軸連桿軸頸表面迅速加熱至奧氏體化溫度，再迅速冷卻生成馬氏體組織，從而達(dá)到強(qiáng)化表面的效果[4-5]。多年來(lái)，已有較多學(xué)者對(duì)表面感應(yīng)淬火工藝及強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行了研究，梁耀等[6]研究了感應(yīng)淬火對(duì)高硼鐵基合金組織和性能的強(qiáng)化機(jī)理，發(fā)現(xiàn)淬火后硬度和耐沖擊性能顯著提升；Lin[7]對(duì)SPCC鋼進(jìn)行感應(yīng)熱處理，研究發(fā)現(xiàn)感應(yīng)熱處理后的材料耐腐蝕性、表面硬度、抗拉強(qiáng)度等得到了改善。部分學(xué)者針對(duì)感應(yīng)淬火過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)淬火后表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，對(duì)表面具有強(qiáng)化作用，會(huì)使表層硬度提高[8-11]；Jung 等[12]研究發(fā)現(xiàn)淬火冷卻過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)包含熱應(yīng)力和相變產(chǎn)生的組織應(yīng)力的殘余應(yīng)力，材料表面呈壓應(yīng)力狀態(tài)，近表面壓應(yīng)力降低，逐漸轉(zhuǎn)變成拉應(yīng)力；黃慧茹等[13]探究了淬火硬度、組織及殘余應(yīng)力之間的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變?cè)匠浞郑瑲堄鄩簯?yīng)力越大；馬氏體硬度大，混合組織硬度降低。諸多學(xué)者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)感應(yīng)淬火可以提高材料的性能，但是結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備及工藝來(lái)研究感應(yīng)淬火的強(qiáng)化機(jī)理從而獲得適應(yīng)當(dāng)前生產(chǎn)的高性能工藝參數(shù)的相關(guān)研究較少。

本文基于實(shí)際生產(chǎn)工藝，研究了不同淬火功率感應(yīng)淬火處理對(duì)42CrMo鋼曲軸連桿軸頸表面組織和性能的影響，結(jié)合微觀組織、殘余應(yīng)力、淬硬層形貌、顯微硬度和耐磨性等方面進(jìn)行分析，旨在探索優(yōu)化的感應(yīng)淬火工藝。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料的選擇及預(yù)處理

以42CrMo圓鋼坯料為試驗(yàn)材料，化學(xué)成分如表1所示。將圓柱鋼坯經(jīng)1200 ℃保溫0.2 h后模鍛成形(四拐乘用車曲軸，長(zhǎng)度小于1.6 m)，再經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理。淬火工藝：加熱到850 ℃保溫1.5 h，在PAG淬火液中冷卻至室溫；回火工藝：加熱到600 ℃保溫2.5 h，然后在空氣中冷卻至室溫。

表1 42CrMo鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)方法

曲軸連桿軸頸表面感應(yīng)淬火處理采用的是TQKC/Q-120-7曲軸數(shù)控淬火機(jī)床，其中感應(yīng)器為半圈鞍式感應(yīng)器，基于實(shí)際生產(chǎn)的工藝參數(shù)制定試驗(yàn)參數(shù)，如表2所示，淬火介質(zhì)為PAG淬火液，淬火液濃度為8%，淬火水壓為0.5 MPa，淬火液溫度為室溫。利用STRESS3000 G3 X射線應(yīng)力分析儀進(jìn)行軸頸表面軸向殘余應(yīng)力檢測(cè)，選擇測(cè)點(diǎn)位置，各點(diǎn)分別測(cè)量3次，取平均值。利用光學(xué)顯微鏡和GeminiSEM300掃描電鏡進(jìn)行微觀組織觀察。采用HVS-1000A型維氏硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，沿截面深度方向每隔0.3 mm 深度測(cè)量一次，同一深度測(cè)量3次，取平均值(載荷0.98 N，保荷時(shí)間10 s)。耐磨性的優(yōu)劣通過(guò)磨損量來(lái)衡量，使用CFT-1型高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行表面耐磨性試驗(yàn)，試驗(yàn)前后分別進(jìn)行稱量，差值即為磨損量；加載載荷為 40 N，試驗(yàn)時(shí)間為 30 min，運(yùn)行速度為 200 t/m，往復(fù)長(zhǎng)度為 4 mm，采樣頻率為 1 Hz。

表2 42CrMo鋼曲軸感應(yīng)淬火工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 感應(yīng)淬火對(duì)連桿軸頸截面顯微組織的影響

42CrMo鋼曲軸連桿軸頸表面感應(yīng)淬火處理后截面顯微組織分布以淬火功率2500 W為例，如圖1所示。由圖1可知，連桿軸頸截面可分為淬硬層、過(guò)渡層和基體3部分。淬硬層組織為細(xì)小均勻的針狀馬氏體組織；過(guò)渡層為馬氏體和回火索氏體的混合組織，還夾雜有鐵素體和殘留奧氏體；基體組織為回火索氏體。這是因?yàn)楦袘?yīng)淬火過(guò)程中連桿軸頸表面溫度迅速升高，隨著熱傳導(dǎo)的作用，連桿軸頸截面不同深度呈現(xiàn)出不同的溫度梯度，淬硬層峰值溫度高，組織完全奧氏體化，在快速冷卻中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織；過(guò)渡層峰值溫度降低，發(fā)生部分組織轉(zhuǎn)變；基體部分溫度低于相變溫度，未發(fā)生組織相變，保持原始組織狀態(tài)。

圖1 經(jīng)2500 W感應(yīng)淬火后42CrMo鋼曲軸連桿軸頸的顯微組織(a)軸頸截面；(b)淬硬層；(c)過(guò)渡層；(d)基體Fig.1 Microstructure of the 42CrMo steel crankshaft connecting rod journal after induction hardening with power of 2500 W(a) rod journal section; (b) induction hardened layer; (c) transition layer; (d) substrate

圖2 42CrMo鋼曲軸連桿軸頸的殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果(a)測(cè)點(diǎn)位置；(b)表面殘余應(yīng)力分布Fig.2 Residual stress detection results of the 42CrMo steel crankshaft connecting rod journal(a) detection position; (b) surface residual stress distribution

2.2 感應(yīng)淬火對(duì)連桿軸頸表面殘余應(yīng)力的影響

利用STRESS3000 G3 X射線應(yīng)力分析儀對(duì)曲軸連桿軸頸表面殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)點(diǎn)位置如圖2(a)所示。點(diǎn)1和點(diǎn)7位于過(guò)渡圓角最低處，其余5點(diǎn)均勻分布在連桿軸頸表面。淬火功率為2500 W時(shí)殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果如圖2(b)所示，未經(jīng)感應(yīng)淬火處理，連桿軸頸表面殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，過(guò)渡圓角為壓應(yīng)力；經(jīng)2500 W感應(yīng)淬火處理后，連桿軸頸表面殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，且應(yīng)力變化幅度大，圓角處殘余壓應(yīng)力增加較少。點(diǎn)4位置處殘余壓應(yīng)力達(dá)到最大值，為-875.5 MPa，點(diǎn)2和點(diǎn)6處的殘余壓應(yīng)力相對(duì)較小，分別為-552.9 MPa和-509.8 MPa。這是因?yàn)榇慊鹄鋮s初期，連桿軸頸表面冷卻速度快，表層受冷收縮，心部對(duì)其有阻礙作用，此時(shí)表層為拉應(yīng)力，心部為壓應(yīng)力；當(dāng)表層溫度低于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，在受到熱應(yīng)力的同時(shí)會(huì)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變導(dǎo)致膨脹，產(chǎn)生相變應(yīng)力，此時(shí)，表面為壓應(yīng)力，心部為拉應(yīng)力。點(diǎn)4位于淬硬層中心，相變應(yīng)力集中，壓應(yīng)力大，點(diǎn)2和點(diǎn)6位于端部，應(yīng)力會(huì)有所釋放。

2.3 感應(yīng)淬火功率對(duì)淬硬層形貌及深度的影響

利用有限元法模擬連桿軸頸表面感應(yīng)淬火過(guò)程，得出了不同淬火功率感應(yīng)加熱的溫度場(chǎng)分布，如圖3所示，并結(jié)合臨界轉(zhuǎn)變溫度和非平衡狀態(tài)組織轉(zhuǎn)變規(guī)律得到42CrMo鋼的奧氏體化溫度為807 ℃[14]，繪制等溫線得到截面淬硬層形貌。圖4為試驗(yàn)所得的截面淬硬層形貌，由圖3和圖4對(duì)比可知，實(shí)際淬硬層形貌與仿真形貌相似。

曲軸連桿軸頸截面淬硬層深度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，可知淬硬層深度隨著感應(yīng)淬火功率的增加逐漸增加。當(dāng)淬火功率達(dá)到2300 W時(shí)，淬硬層深度為2.27 mm；而當(dāng)淬火功率為2600 W時(shí)，淬硬層深度則增加到3.26 mm。這是因?yàn)殡S著感應(yīng)淬火功率的增加，感應(yīng)淬火溫度升高，在加熱時(shí)間相同的條件下，加熱速率增大，在熱傳導(dǎo)作用下心部溫度快速升高，達(dá)到42CrMo鋼的奧氏體化溫度的深度增加，故淬硬層深度增加。

圖3 不同感應(yīng)淬火功率下42CrMo鋼淬硬層形貌仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of hardened layer morphologies of the 42CrMo steel under different induction hardening powers(a) 2300 W; (b) 2400 W; (c) 2500 W; (d) 2600 W

根據(jù)42CrMo鋼的奧氏體化溫度以及加熱結(jié)束時(shí)連桿軸頸表面至心部的溫度分布完成了淬硬層深度的預(yù)測(cè)[15]，結(jié)果見(jiàn)表3，與試驗(yàn)結(jié)果相比，相對(duì)誤差小于8%，說(shuō)明所建立的有限元模型可以有效地預(yù)測(cè)淬硬層深度，溫度場(chǎng)分布也是可靠的。

圖4 不同感應(yīng)淬火功率下42CrMo鋼的淬硬層形貌Fig.4 Morphologies of hardened layer of the 42CrMo steel under different induction hardening powers(a) 2300 W; (b) 2400 W; (c) 2500 W; (d) 2600 W

表3 不同感應(yīng)淬火功率下42CrMo鋼淬硬層深度測(cè)試結(jié)果

2.4 感應(yīng)淬火功率對(duì)淬硬層顯微組織的影響

淬火功率對(duì)42CrMo鋼連桿軸頸表面淬硬層顯微組織的影響如圖5所示。隨著淬火功率的增大，淬硬層中馬氏體組織先細(xì)化后粗化。當(dāng)感應(yīng)淬火功率為2300 W時(shí)，馬氏體組織部分粗大且分布不均；當(dāng)感應(yīng)淬火功率為2500 W時(shí)，馬氏體組織更為細(xì)小均勻；但是當(dāng)感應(yīng)淬火功率增加到2600 W，部分馬氏體尺寸有所增大。這是因?yàn)殡S著感應(yīng)淬火功率的增大，淬火溫度升高，過(guò)熱度變大，奧氏體晶核不僅僅會(huì)在鐵素體和碳化物相界面形成，而且可能會(huì)在鐵素體的亞晶界上形成，從而使得奧氏體的形核率增大，在相同的加熱時(shí)間條件下，形核率越大，晶粒由于來(lái)不及生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致晶粒細(xì)化。但是當(dāng)功率過(guò)大，加熱速度越快，奧氏體的初始晶粒越細(xì)，在隨后的保溫過(guò)程中，其長(zhǎng)大的傾向就越大，更加容易形成粗晶粒，即組織粗化。

圖5 不同感應(yīng)淬火功率下42CrMo鋼的淬硬層顯微組織Fig.5 Microstructure of hardened layer of the 42CrMo steel under different induction hardening powers(a) 2300 W; (b) 2400 W; (c) 2500 W; (d) 2600 W

2.5 感應(yīng)淬火功率對(duì)連桿軸頸表面硬度和耐磨性的影響

42CrMo鋼曲軸連桿軸頸表面硬度隨著淬火功率的變化如圖6所示。由圖6可知，表面硬度較基體硬度顯著提高，隨著感應(yīng)淬火功率的增大，表面硬度先增加后減小，當(dāng)功率為2500 W時(shí)，硬度最大，達(dá)到了751.3 HV0.1，是基體的2.55倍；但當(dāng)功率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致硬度降低，當(dāng)功率為2600 W時(shí)，表面硬度有所降低。這是由于經(jīng)表面感應(yīng)淬火處理，連桿軸頸表面發(fā)生了相變，生成了高強(qiáng)度、高硬度馬氏體組織，淬火功率為2500 W時(shí)，馬氏體組織最為細(xì)小均勻，因此表面硬度更高。這一規(guī)律同2.4節(jié)中顯微組織變化相一致。

圖6 感應(yīng)淬火功率對(duì)42CrMo鋼表面硬度的影響Fig.6 Effect of induction hardening power on surface hardness of the 42CrMo steel

圖7所示為感應(yīng)淬火功率對(duì)42CrMo鋼曲軸連桿軸頸表面磨損量的影響規(guī)律，隨著感應(yīng)淬火功率的增加，磨損量先減小后增加，當(dāng)淬火功率為2500 W時(shí)，磨損量最小，耐磨性最高。這是因?yàn)榇慊鸸β蕿?500 W時(shí)，表面硬度最高，故磨損量最小，耐磨性最高。

2.6 感應(yīng)淬火功率對(duì)連桿軸頸截面顯微硬度的影響

感應(yīng)淬火功率對(duì)42CrMo鋼曲軸連桿軸頸截面顯微硬度分布的影響如圖8所示，由圖8可知，沿截面深度方向，最大顯微硬度出現(xiàn)在表面，隨著深度的增加，截面顯微硬度先緩慢降低，再快速下降，最后趨于穩(wěn)定。現(xiàn)以感應(yīng)淬火功率2500 W的試樣為例分析淬硬層截面顯微硬度的變化原因。截面深度在2.1 mm以內(nèi)，此時(shí)為淬硬層，峰值溫度高，組織轉(zhuǎn)變充分，馬氏體含量高，硬度大，隨著深度的增加，冷卻速度降低，晶粒尺寸有所增大，硬度略有降低；當(dāng)淬硬層深度超過(guò)2.1 mm時(shí)，此時(shí)為過(guò)渡層，峰值溫度低，組織部分轉(zhuǎn)變，馬氏體含量偏低，硬度下降明顯；當(dāng)深度超過(guò)3.0 mm時(shí)，未發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，其組織主要為回火索氏體，硬度與基體保持一致。

圖7 感應(yīng)淬火功率對(duì)42CrMo鋼表面磨損量的影響Fig.7 Effect of induction hardening power on surface wear loss of the 42CrMo steel

圖8 不同感應(yīng)淬火功率下42CrMo鋼曲軸連桿軸頸截面顯微硬度分布Fig.8 Sectional microhardness distribution of the 42CrMo steel crankshaft connecting rod journal under different induction hardening powers

3 結(jié)論

1) 經(jīng)感應(yīng)淬火處理，42CrMo鋼曲軸連桿軸頸截面由淬硬層、過(guò)渡層、基體3部分組成。淬硬層組織為細(xì)小均勻的針狀馬氏體；過(guò)渡層組織主要由馬氏體和回火索氏體組成，還含有少量的鐵素體和殘留奧氏體；基體組織為回火索氏體。

2) 經(jīng)感應(yīng)淬火處理，42CrMo鋼曲軸連桿軸頸表面殘余應(yīng)力從拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。最大壓應(yīng)力位于連桿軸頸表面中間位置處，淬火功率為2500 W時(shí)，最大殘余應(yīng)力為-875.5 MPa。

3) 42CrMo鋼的淬硬層深度隨著感應(yīng)淬火功率的增加呈非線性增加。淬硬層深度的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相近，可以通過(guò)仿真技術(shù)模擬感應(yīng)淬火過(guò)程。

4) 隨著感應(yīng)淬火功率的增加，42CrMo鋼的淬硬層組織先細(xì)化再粗化，當(dāng)功率為2500 W，馬氏體組織最為細(xì)小均勻；但是當(dāng)功率增加為2600 W時(shí)，馬氏體組織有所粗化。

5) 經(jīng)過(guò)表面感應(yīng)淬火處理，42CrMo鋼曲軸連桿軸頸表面硬度大幅提高。當(dāng)淬火功率為2500 W時(shí)，表面硬度最大，達(dá)到了751.3 HV0.1，磨損量明顯減少，耐磨性顯著提高；當(dāng)其淬硬層深度超過(guò)2.1 mm，截面顯微硬度明顯降低；當(dāng)淬硬層深度超過(guò)3.0 mm，截面硬度和基體硬度保持一致。