大中型曲軸調質工藝設計方法

張太洪，陳世英，蘇程，馮軍

中車資陽機車有限公司曲軸分公司 四川資陽 641301

1 序言

曲軸是內燃發動機的關鍵零部件之一，按結構形式可分為組合式、半組合式和整體式。組合式僅限于少數機型；半組合式主要用在船用低速柴油機上；整體式廣泛用于高中速柴油機和缸徑較小的柴油機上。整體式曲軸，根據成形的方式可分為自由鍛、模鍛、全纖維擠壓三種，本文主要討論全纖維擠壓成形整體式大中型曲軸調質處理。

由于曲軸在運轉過程中受到復雜的彎曲-扭轉載荷和一定的沖擊載荷，軸頸表面還要受到磨損，因此常用優質碳素鋼和低合金鋼制造。對曲軸的熱處理有較高要求，一般要經過鍛后熱處理、調質處理、去應力處理和表面強化處理。以全纖維擠壓的整體式曲軸（見圖1）為例，其制造過程主要由原材料光坯生產、鍛造、熱處理及機加工4個部分組成。原材料光坯生產一般由鋼廠完成，其重點是通過煉鋼、鑄錠及光坯鍛造過程保證材料的化學成分、非金屬夾雜物及低倍組織等滿足用戶技術要求，以保證曲軸的致密度、純凈度質量標準，同時提供良好的工藝性，確保后續加工的順利完成。調質處理是通過加熱冷卻過程改變曲軸的內部組織，以滿足曲軸力學性能要求，是保證曲軸疲勞壽命的關鍵環節。

圖1 曲軸結構示意

我公司從事大中型曲軸調質處理近50年，已積累了大量大中型曲軸調質經驗數據，但是仍然存在著一些難以解決的問題，如一些成熟批量生產的產品，合格率仍會出現大幅度的波動。隨著造船業的發展，發動機的類型日益增多，各種技術要求的曲軸隨之而來，給調質工藝帶來極大的考驗。某些曲軸甚至從工藝上采取了如亞溫淬火等非傳統的工藝手段，但其調質一次合格率十分不穩定，一次合格率不到50%的情況時有發生。

2 大中型曲軸調質工藝控制

2.1 曲軸材料淬透性控制

大中型曲軸調質獲得的金相組織是曲軸材料淬透性和加熱冷卻條件共同作用的結果。材料淬透性是前提和基礎。從傳熱學理論計算可知，受傳導方式控制的曲軸加熱冷卻速度是非常有限的。淬透性是指鋼在高溫經奧氏體化后過冷下來時的一種特性，就是指鋼接受淬火的能力，這是鋼種固有性能所決定的淬火透入的難易度，它與主要取決于鋼材大小的淬透層深度既有聯系又有區別。后者受鋼材的尺寸、淬火冷卻介質的種類、攪拌方法及攪拌程度等影響，也隨鋼種的不同而有顯著的差異。淬透有衡量的標志，衡量淬透的標志不同，淬透性的涵義就不同。根據過冷奧氏體在不同溫度區的穩定性，可以有珠光體淬透性、貝氏體淬透性和馬氏體淬透性，通常所說的是馬氏體淬透性。根據GB/T 5216—2014《保證淬透性結構鋼》 推薦的方法，利用鋼材料的化學成分可以量化計算其表征淬透能力的理想臨界直徑DI值。

通過統計分析發現，大中型曲軸調質一次合格率低的爐次，其合金元素成分偏低，計算其表征淬透性的DI值，有的甚至低至90mm以下。一次調質合格曲軸其DI值均在110mm以上。追溯這些爐次曲軸原材料證件，其各項技術指標均滿足用戶要求。由于投資規模及市場等多方面的限制，曲軸原材料光坯生產和調質處理兩個過程往往是在兩個不同的企業完成的。雖然用戶對曲軸原材料一般都有較為明確的標準，但企業通常從簡單的成本考慮，其光坯采購均僅以滿足用戶要求為目標。在熱處理技術要求不高的曲軸產品時，材料淬透性的影響不明顯。如果遇到技術難度較大的產品，則明顯不能滿足工藝需要。再次對用戶原材料技術要求的分析表明，其材料牌號42CrMoA化學成分的要求與GB/T 3077—2015《合金結構鋼》規定完全一致，見表1。我們對標準規定的化學成分上下限進行DI值計算，不難得出其范圍為66～166mm。對于尺寸達φ250mm的曲軸，如果原材料的淬透性在如此大的范圍內波動，顯然其工藝性是不穩定的。標準給出較大范圍的成分允許值主要是考慮到特定時期冶煉控制水平和注錠過程的偏析。據了解，隨著國內冶煉水平的不斷提升，就曲軸原材料光坯生產而言，其化學成分成品分析保證能力已遠高于GB/T 3077—2015的基本要求。除碳元素以外，合金元素的成品分析控制范圍完全可以保證在0.1%左右，個別元素甚至可以達到0.03%。因此為保證曲軸調質處理的工藝性，適當縮小化學成分控制范圍是十分必要而合理的。

表1 42CrMoA鋼化學成分（質量分數） （%）

針對以上調質合格率低的曲軸，提出將42CrMoA鋼曲軸原材料的熔煉化學成分要求下限適當提高，加入少量的Ni、V元素（見表2），保證其DI值在110mm以上。

表2 42CrMoA鋼調整化學成分（質量分數） （%）

同時在入廠復驗這一重要環節，不僅限于復驗原材料是否滿足用戶要求，更要考慮為后序熱處理工藝制定提供準確可靠的參考數據。主要是增加熱處理后力學性能取樣位置全套化學成分的復驗，而且將復試用加長件改留到調質力學性能取樣的水口端，為后續的等效模擬試驗的準確性奠定基礎。

2.2 調質工藝參數控制

在材料確定的情況下，大中型曲軸調質力學性能就完全決定于調質工藝。大中型曲軸調質包括淬火和高溫回火兩個階段。根據相關文獻[1]介紹，調質淬火工藝有兩種，一是完全淬火，二是亞溫淬火。一般情況下調質工藝優先選用完全淬火，淬火溫度采用Ac3+（30～50）℃，材料一旦確定，可調整范圍較小。因此，最終決定曲軸淬火效果的是冷卻過程。我公司從20世紀70年代開始從事大中型曲軸調質工藝開發，已具備了單液、雙液及水-空交替多種淬火方式。在采用單液或雙液冷卻工藝時，冷卻時間以分鐘為計算單位，一般是參考相關經驗數據結合曲軸表面余溫初步確定，再根據大中型曲軸調質力學性能的檢測結果進行適當調整。采用這種方式的缺點是對大中型曲軸調質淬火的組織無預見性，試驗次數多，易導致工藝開發成本高。2008年，我公司引進水-空交替智能控時淬火槽后，曲軸淬火冷卻時間以秒為計算單位，水-空交替冷卻段較多，采用這種傳統方式開發已無法適應新產品工藝開發的需要。即便有已成功應用的水-空交替控時淬火工藝，但已無法從每段冷卻時間的簡單調整預測最終的淬火效果。計算機仿真技術的應用為該問題提供了解決途徑。

我們已經通過傳統方式成功建立了某些材料的大中型曲軸調質成熟的工藝參數，而我們面對的新產品常常是材料和技術要求相近，但其調質狀態工序尺寸和取樣部位有差異。我們可設計一個等效模擬試驗進行驗證。孫興邦等[2]介紹了一種國外研究人員提出的模擬試驗法，其基本依據是，決定鍛件回火后力學性能的關鍵在于冷卻后獲得組織的性質及其分散度。而組織主要是由冷卻過程所決定。因此，對于同種材料，如果奧氏體化溫度相同，過冷奧氏體的冷卻過程也相同，則可以認為冷卻后的組織及性能相同。參照此法，我們采用曲軸原材料入廠復試用加長件的殘樣進行等效模擬試驗。殘樣有效厚度在180～200mm，直徑隨曲軸光坯的大小而不同，結構如圖2所示。

圖2 等效模擬試驗殘樣示意

試驗用加熱溫度與曲軸相同，保溫時間確保完全奧氏體化即可。但是，由于殘樣的有效厚度基本不變，而曲軸本體有效厚度則與之不同，常常要大于殘樣有效厚度。因此，采用仿真獲得的大中型曲軸調質工藝參數進行殘樣淬火，其結果當然不能代表曲軸。我們只能建立殘樣的模型，運用熱處理仿真軟件，通過調整前述獲得的曲軸淬火工藝參數，反復優化計算其淬火冷卻過程，使殘樣與曲軸本體對應取樣部位的組織近似于大中型曲軸調質仿真計算的結果。這樣，才可以獲得與大中型曲軸調質效果近似的殘樣淬火工藝參數。由于殘樣是從曲軸本體上截取，所以防止了模擬試驗用料淬透性不同帶來的差異。殘樣淬火后，我們根據調質經驗數據和產品技術要求確定殘樣的回火溫度。殘樣經回火后進行力學性能檢測，根據檢測結果調整并確定曲軸的調質工藝參數。等效模擬試驗不僅可以驗證新產品大中型曲軸調質工藝的可行性，還可以在曲軸批量生產過程中進行曲軸回火溫度是否適當的驗證。

3 措施效果驗證

我們按照表2要求采購了前述調質合格率低曲軸的原材料共28爐近200支曲軸，調質一次交檢合格率已達90%以上。同時我們選擇1爐次曲軸進行了等效試驗。選取加長件澆口端調質力學性能取樣位置進行全套化學成分入廠復驗，檢測結果見表3。根據入廠復試計算的DI值為135.7mm。經計算和試驗驗證，我們獲知殘樣的等效調質工藝，其淬火冷卻效果與大中型曲軸調質相近。根據以往大中型曲軸調質經驗數據，確定殘樣回火工藝為625℃×4h，試樣及曲軸本體調質后力學性能檢測結果見表4，合格曲軸金相組織如圖3所示。

表3 入廠復驗化學成分（質量分數） （%）

表4 曲軸等效力學性能試驗結果

從表4可看出，等效試樣與曲軸本體力學性能檢測結果基本一致。這一結果證明，采用有效尺寸不同的試樣模擬曲軸本體調質過程是切實可行的。圖3所示為調質后的金相組織，主要為回火索氏體。通過控制原材料的淬透性，淬火效果也得到明顯改善。

圖3 合格曲軸金相組織（500×）

4 結束語

1）控制曲軸光坯原材料化學成分范圍，保證其淬透性在一個合理范圍，是提高大中型曲軸調質質量穩定性的基礎。

2）采用計算機仿真技術是建立和優化大中型曲軸調質工藝的一種有效手段。通過其建立的曲軸原材料殘樣等效模擬試驗，不僅可經濟地驗證新工藝的可行性，還可用于驗證批量生產曲軸的回火溫度。