汽車曲軸用非調質鋼鑄壞裂紋控制與冷卻系統的優化研究

中圖分類號：U461 收稿日期：2025-04-17

DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.06.027

Abstract：In this paper，the surface crack of untempered steel 38MnVS6 for automotive crankshaft during continuous casting was studied.Themechanismofcrackinducedbyhightemperaturemechanicalpropertiesandunevencoolingwasanalyzed.Byoptimizing theheightoftenoleadajustingteaterdtributionintesecondarycoingzone，theolinguiforityoftebiletsefec tivelyimprovedandthetemperaturereturnrateandtransversetemperaturedierenearereduced.Theresultsshowthatasoable controlofcooling conditions can significantly improve the surface qualityofthe biletandreduce thecrack defects.

Key words：Automobile crankshaft;Non-tempered steel;Continuous casting crack;High temperature plasticity

1前言

汽車曲軸對材料性能要求極高，非調質鋼因其良好的強韌性與經濟性，成為優選材料。連鑄作為其主要成型工藝，易在高溫下誘發表面裂紋，嚴重影響產品質量。本文針對 38MnVS6 非調質鋼連鑄裂紋問題，開展高溫力學性能研究，并結合冷卻系統模擬與優化，提出有效控制對策。

2汽車曲軸用非調質鋼連鑄過程存在的問題

2.1高溫塑性差、斷面收縮率低

38MnVS6 非調質鋼在高溫狀態下的延展性表現出顯著差異，尤其在 1325^°C 以上和 900°C 以下的脆性區間，材料斷面收縮率（RA）迅速下降至0，進入零塑性狀態，極易發生開裂。尤其在矯直過程中，如果應力作用疊加于此脆性溫區，極易誘發表面裂紋1。在 600～ 800^°C 區間，材料應力峰值高、塑性差，進一步增加了連鑄過程中產生裂紋的風險。

2.2連鑄過程中溫度控制不當

在連鑄過程中，若鑄坯溫度控制不精確，尤其未能避開高溫脆性區，將大幅提升裂紋形成概率。熱模擬分

析表明， 38MnVS6 鋼的脆性溫度區主要集中在1320～1380^°C 之間和 900^qC 以下，若鑄坯在這些區域受到拉應力作用，易產生沿晶或穿晶裂紋。

2.3二冷噴淋分布不均

當前連鑄設備的二冷噴嘴布置存在角部水量過大、中心水量偏多的問題，導致鑄坯冷卻不均（圖1）。模擬數據顯示，角部溫度過低，產生局部過冷，中心區域回溫速度過快，引發縱橫向溫差差異過大。二段和三段的內弧最大回溫速率高達 122°C/m ，遠超控制閾值，誘發熱應力集中，成為裂紋高發區域，嚴重影響鑄坯表面質量。

2.4碳氮化物在晶界聚集誘發裂紋

組織觀察發現，鑄壞在高溫冷卻不均狀態下，晶界處易形成鏈狀碳氮化物聚集，降低晶界結合強度，誘導裂紋沿晶擴展。這類析出物在高應力和熱應力作用下成為裂紋源，是表面和近表層裂紋形成的微觀根源。尤其是在冷卻速度不足或回溫過大的區域，碳氮化物無法彌散析出，進一步加劇晶粒粗化與組織脆化，嚴重影響鑄壞抗裂性能[2]。

3非調質鋼38MnVS6的高溫力學性能

3.1試樣制備與熱模擬實驗方法

為研究非調質鋼 38MnVS6 在高溫狀態下的力學行為，試樣取自連鑄壞垂直于拉壞方向的位置，以確保代表性。試樣加工為標準圓柱狀尺寸 （?10mm×120mm） ，其中中部焊接鉑-銠熱電偶，用于實時精確測溫。試樣外部套裝直徑約 10.2mm 、長度為 30mm 的石英管，以確保加熱過程的均勻性與溫度穩定性。試樣在熱模擬實驗機上進行裝配，實驗系統由計算機控制下的加熱單元、加載系統及數據采集系統協同運行，可精準模擬連鑄過程中鋼材經歷的熱-機械復合過程。實驗在氬氣保護氣氛中進行，拉伸溫度從 覆蓋整個連鑄溫度范圍，充分反映材料在實際生產過程中可能經歷的熱力環境。

3.2高溫拉伸性能測試與熱塑性分析

在 600～1350^°C 范圍內進行高溫拉伸試驗后，獲得了 38MnVS6 鋼在不同溫度條件下的抗拉強度與斷面收縮率數據，如表1所示。結果表明，抗拉強度隨溫度升高呈持續下降趨勢，而斷面收縮率則表現出非線性變化規律，體現出明顯的脆性與塑性轉換區間。在約 1200^°C 溫度附近，斷面收縮率達到最大值 90% ，材料展現出極佳的高溫塑性，適合熱變形加工。而當溫度超過 1325^°C 時，斷面收縮率迅速下降至0，進入“零塑性\"狀態，形成所謂的第I脆性區，極易發生裂紋；在 900‰ 以下的第III脆性區，斷面收縮率也明顯降低，表明材料此時塑性較差，易發生熱脆斷裂。進一步分析指出，冷卻速度對高溫塑性具有顯著影響，冷卻過快可能導致材料未能充分再結晶，強化脆性行為；而合理冷卻控制可延緩脆性區進入時機，擴大安全加工窗口[3]。

3.3應力-應變行為與塑性演化

在 600～800‰ 區間，曲線呈現明顯的“應力快速上升后急劇下降”的形貌，表現出應變硬化能力差，塑性較低，容易發生應力集中與早期斷裂。進入 850～950^qC 范圍后，應力-應變曲線開始平緩，初現動態回復和再結晶跡象，材料塑性逐漸改善。隨著溫度升至 950～1150^°C 之間，材料發生顯著動態再結晶，曲線呈現“應力震蕩下降\"特征，晶粒細化過程顯著，表現出優良的熱加工塑性，是連鑄過程中適宜的矯直溫度區間。在 1200^°C 以上，雖塑性提升，但應力響應下降，材料強度變弱，進入低抗變形能力狀態。在 1325^°C 以上，由于晶粒粗大、夾雜物弱化晶界，材料斷裂形式向脆性轉化[4]。

4連鑄冷卻過程中的裂紋形成機理

4.1凝固傳熱數學模型構建與驗證

為準確分析 38MnVS6 非調質鋼連鑄過程中裂紋形成的熱力學機制，基于ProCAST軟件建立了1/4鑄壞橫截面的二維凝固傳熱數學模型。模型采用非穩態熱傳導微分方程，考慮了不同區域（結晶器、二冷區、空冷段）冷卻邊界條件的變化，并引入了潛熱釋放對溫度場的影響，采用有效比熱和導熱系數處理固液轉變過程。模擬過程中，重點關注水霧噴淋強度、水量分布及熱流密度對鑄壞表面和內部溫度的影響（圖2）。通過在實際連鑄過程中使用紅外測溫儀對內弧中心表面溫度進行監測，并與模擬結果進行對比分析，結果顯示兩者誤差較小，驗證了模型在冷卻行為預測方面的準確性和工程適用性[5]。

4.2裂紋敏感溫區識別

通過凝固傳熱模型分析，識別出 38MnVS6 鋼在連鑄過程中存在一段凝固前沿脆性溫度區間，溫度范圍為1320.2～1383.6^qC ，該區間恰好與材料的高溫第I脆性區高度吻合，是熱裂紋極易發生的敏感區域。在此區間內，材料塑性極低，受拉狀態下容易發生沿晶斷裂。同時，模擬結果表明冷卻速度對該區域裂紋發生概率具有決定性影響[6]。若冷速過高，形成急劇溫降，導致熱應力突增，疊加于零塑性區域，將極易誘發微裂紋擴展。若冷速不足，又可能造成回溫，促使晶界碳氮化物聚集，降低抗裂性能。

5汽車曲軸用非調質鋼表面裂紋控制措施

5.1噴嘴高度優化

為解決連鑄過程中鑄壞冷卻不均導致的裂紋問題，針對現有噴淋系統存在的“角部過冷、中心回溫大”的問題，提出了噴嘴高度優化方案。在不改變噴嘴布置位置的前提下，將二冷區一、二段噴嘴整體下調 20mm ，三、四段噴嘴整體上調 20mm ，目的是改變噴淋覆蓋區域和冷卻強度分布。下調噴嘴高度后，角部的水量密度有所降低，減少局部過冷現象；而三、四段噴嘴上調，則可減少中心區域的冷卻強度，避免回溫速率過快。該優化方案在保持整體冷卻總量不變的前提下，通過調整噴射角度與位置，有效實現了局部冷卻調節[7]。

5.2配水量優化

a.二段、三段冷卻水量增加至1.5倍。

將二冷區中部的二段、三段冷卻水量增加至原設計值的1.5倍，以提升冷卻強度，抑制縱向溫度回升帶來的裂紋風險（表2）。該區域是鑄壞發生回溫和應力積聚的重點區域，通過增加冷卻水流量，可有效增強表層散熱能力，縮短材料停留在脆性區的時間，從而減少裂紋萌生的機會。

通過配水優化模擬分析，發現二段、三段區域冷卻水量提升后，鑄坯內弧中心的回溫速率顯著降低，從優化前的 122°C/m 降至 89°C/m ，降幅達到 27% 。表明鑄壞表層在通過高熱區段時的溫升趨勢得到有效遏制，熱應力梯度減緩，矯直點前后的溫度更趨平穩，有利于提升結構穩定性。較低的回溫速率也避免了碳氮化物在晶界的二次聚集與鏈狀析出，有助于保持晶粒均勻分布與細化狀態，改善抗裂性能[8]。

5.3冷卻均勻性提升

通過噴嘴高度調整與配水量優化的協同實施，鑄坯在連鑄二冷區的冷卻過程顯著趨于均勻，溫度場分布更加合理。優化后鑄壞內弧與側弧的縱向回溫速率明顯降低，橫向溫差控制在合理范圍內，熱應力集中現象顯著減弱。尤其是在角部區域，由于噴淋強度降低和溫度回升，局部溫度從 700～800^°C 提升至 850^°C 左右，進入鋼的高溫塑性區間，有效避免了裂紋在脆性區形成與擴展。

6結語

本文系統研究了非調質鋼在連鑄過程中的高溫塑性行為及表面裂紋形成機理，明確了裂紋敏感溫區及其與冷卻條件之間的耦合關系。通過優化噴嘴高度和調整配水量，有效改善了鑄壞冷卻均勻性，顯著降低了回溫速率和橫向溫差。

參考文獻：

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[7]劉金林，龔華林，張曉峰.改善汽車曲軸連桿頸內側微觀縮松缺陷的措施[J].鑄造工程，2022，46（5）：62-66.

[8]林立民，張志興，姜盛鑫.汽車曲軸用鋼夾雜物分離階段的研究[J].特鋼技術，2022，28（1）：19-23.