非调质钢曲轴的开发和应用.doc

非调质钢曲轴的开发和应用作者：唐新民 赵九根摘要：本文介绍了非调质钢(49MnVS3 钢)曲轴与调质钢(S53C 钢)曲轴的显微组织、力学性能和疲劳性能对比试验结果，选定 49MnVS3 钢作为柴油机曲轴用材，并逐步投入批量生产，产生了巨大的经济效益 关键词：非调质钢；柴油机曲轴 1 前言 我公司柴油机制造设备是根据引进技术的加工工艺要求而配置的，按要求采用 S53C(调质钢)锻造曲轴毛坯，组织试生产但国内锻造曲轴毛坯因调质处理质量不稳定，硬度均匀性差，切削性能差，导致加工刀具寿命短，生产效率低，经常停产，造成生产成本高，生产压力大的被动局面为此，通过调研，我们决定用非调质钢制造曲轴 曲轴是在不断周期变化的载荷下，在往复和旋转惯性力和力矩(扭矩和弯矩) 共同作用下做功的；其次曲轴各轴颈在很高的比压下，以很大的相对速度与轴承发生滑动摩擦，产生较高的温度和磨损，服役条件十分恶劣因此，曲轴材料必须有较高的抗拉强度、疲劳强度、较高的硬度及耐磨性，心部有一定的韧性据有关资料统计，曲轴失效形式主要是弯曲疲劳断裂和轴颈磨损 S53C 钢调质状态下与正火状态下的力学性能指标如表 1 所示 表 1S53C 钢力学性能及曲轴表面硬度数据表 热处理状态 σ s/MPa σ b/MPa δ(%) Ψ(%) α KU/J.cm-2 HBS 表面氮碳共渗 HV0.1调质正火≥588≥392≥780≥647≥14≥15≥35 ≥59 229～285183～255≥500≥500我们的主要任务是选择一种非调质钢制造柴油机曲轴，既要满足 S53C 钢主要力学性能指标(特别是抗拉强度、疲劳强度) ，又能大大地改善其切削性能，提高生产效率，降低生产成本。

依据我国非调质钢冶炼水平和现有非调质钢，我们选定 49MnVS3 钢为研究对象用 49MnVS3 钢与 S53C 钢进行了对比性试验只要 49MnVS3 钢的锻造成形性、加工切削性能、疲劳台架试验、装车路试使用性能达到或超过 S53C 钢的性能，我们就认为能够替代调质钢制造柴油机曲轴 2 对比试验及分析 2.1 锻造成形工艺试验 非调质钢曲轴的锻造成形，主要是控制锻件的加热温度，始、终锻温度和控冷速度，有效地保证曲轴锻件的综合力学性能及曲轴的加工性能和使用寿命 曲轴锻造工艺流程如下： 下料→中频加热→预锻→终锻→切边→热校→控冷→喷丸→检测(硬度、力学性能、探伤等)→机加工 依据曲轴毛坯厂生产经验和生产实际，以及两种钢的热加工参数，我们制定了两种钢的对比锻造工艺，如表 2 所示 表 2 曲轴锻造工艺对比试验参数表 材质 加热温度/℃ 始锻温度/℃ 终锻温度/℃ 控冷方式 锻造方式 锻后处理设备S53C 钢49MnVS3 钢1200±101190±101150±201150±201050±301030±30锻后调质风→控冷模锻模锻调质专用线控冷专用线2.2 切削性能试验及氮碳共渗处理 用 S53C 钢和 49MnVS3 钢的曲轴毛坯，在曲轴加工线上进行了对比切削性能试验。

主要考核其刀具的使用寿命及切削力的大小其数据见表 3 表 3 两种材质曲轴切削刀具寿命比较 工序名称 加工调质钢刀具寿命件/套 加工非调质钢刀具寿命件/套 提高刀具寿命(%)车大、小头车端面车-拉轴颈钻油孔钻飞轮孔400038002000100015007200700050001800200080841508033注：1.表中数据 S53C 钢为生产记录每套刀具推算平均寿命数，49MnVS3 钢为生产试验样本每套刀具平均寿命数2.表中工序为曲轴加工中切削量大的工序，切削量小的工序没有列入表中其中车-拉轴颈指加工瓶颈工序非调质钢曲轴因 49MnVS3 钢锻件未经调质处理，室温组织为珠光体和铁素体，硬度均匀，工件表面硬度差＜20HBS，断面硬度差＜15HBS，且钢中含有较高的硫，从而显著改善切削性能从表 3 可以看出，切削量大的工序，刀具使用寿命提高得大，特别是解决了车-拉轴颈工序(调质钢曲轴加工瓶颈工序 )的切削加工问题，并使刀具使用寿命提高了 150%以上切削量小的工序刀具使用寿命提高达 30%左右 曲轴磨削加工后，必须进行表面硬化处理，以提高轴颈的耐磨性能和疲劳强度，延长曲轴的使用寿命。

柴油机曲轴采用气体氮碳共渗工艺进行表面硬化处理非调质钢曲轴气体氮碳共渗结果怎样呢？为此我们进行了氮碳共渗工艺试验及耐磨性能试验试验方法是用49MnVS3 钢曲轴进行与 S53C 钢曲轴相同工艺处理，检测其氮碳共渗质量，试验结果表明非调质钢曲轴氮碳共渗后的质量与 S53C 钢曲轴相当，可满足曲轴各项技术要求 2.3 金相组织及分析 非调质钢曲轴毛坯因坯料直径较大(φ115mm)，加热温度高(1190℃) ，时间长，锻造比因部位不同，其室温金相组织也不同曲轴表面变形大，冷速大，金相组织为较细的珠光体加断续网状铁素体，晶粒度为 4～6 级，硬度高达 240～260HB ；而心部组织因变形小，冷速小，金相组织为较粗的珠光体加断续网状铁素体，晶粒度为 3～5 级，硬度为230～245HB非调质钢曲轴锻后金相组织、硬度、晶粒度可见表 4 所示另外，从试验中还可得出，工件加热温度、终锻温度偏高，冷却速度较低时，晶粒粗大，切削性能好，但韧性差，疲劳强度低金相试样按图 1 取样检测分析 2.4 力学性能 力学性能检测主要做抗拉试验和冲击试验根据曲轴服役条件，曲轴直径的大小，具体按图 1 所示取样试样的尺寸均为标准试样。

图 1 曲轴力学性能试样取样图试验方法是每批次取 2 件曲轴，做 4 个抗拉试样，4 个冲击试样，进行两种材质的对比试验，其试验结果见表 4 所示 表 4 两种材质曲轴力学性能及金相组织对比数据表 材质 σ s/MPa σ b/MPa 屈强比 δ(%) Ψ(%) α Ku /J.cm-2 HBS 金相组织 晶粒度S53C 钢49MnVS3 钢535～545491～497790～810804～8210.6600.60817～1916～1858～6033～3665～7520～45235～246236～245S 网 ＋F 少P＋F 断网5～7 级3～5 级从表 4 中可以看出，两种钢的抗拉强度、屈服强度基本相同，但由于金相组织结构不同，调质钢韧性比较好，非调质钢晶粒粗大，铁素体呈断续网状，导致韧性较差 2.5 疲劳强度及耐磨性能 曲轴疲劳性能的好坏，直接影响着曲轴装机后的使用寿命，所以进行曲轴疲劳试验是非常必要的非调质钢曲轴表面硬化质量、抗拉强度与调质钢相当，但韧性较差，为此我们又进行了两种材质曲轴疲劳性能的对比试验按 JB3258《汽车发动机曲轴疲劳台架试验方法》的要求，用两种钢曲轴成品各随机抽取 5 件曲轴，在 DC-1 型电磁激振疲劳试验机上进行疲劳强度试验，采用升降法求疲劳极限，再根据疲劳强度计算出安全系数来判断曲轴是否符合技术要求。

具体试验结果见表 5 所示 曲轴耐磨试验是用两种材质按试验要求做成试块，在 MM-200 型磨损试验机上进行等条件下耐磨试验，再比较磨损体积的大小具体试验结果见表 5 所示 表 5 曲轴弯曲疲劳强度、安全系数、耐磨性能对比数据表 材质 疲劳强度/MPa 安全系数 磨损压力/N 磨损时间/h 摩擦副 磨损体积/mm 3S53C 钢49MnVS3 钢103510351.561.562502501919高速钢高速钢6.1146.521从表 5 中可以看出 49MnVS3 钢曲轴疲劳强度、安全系数均与 S53C 钢相同，磨损量比S53C 钢略微大一点按 JB3258《汽车发动机曲轴疲劳台架试验方法》要求，曲轴安全系数＞1.3 就可以满足曲轴性能要求，故 49MnVS3 钢曲轴达到 S53C 钢水平，能够满足我公司柴油机曲轴的性能要求 2.6 台架试验 台架耐久试验是考核曲轴装机后使用性能及寿命的一种强化试验我们用 49MnVS3 钢曲轴装机两台，进行 600h 耐久台架试验首先磨合 50h，再进行 550h 强度试验后，检查曲轴的变形量及轴颈磨损状态，再与 S53C 钢曲轴 600h 台架试验结果进行比较。

通过两轮600h 耐久台架试验后，检查非调质钢曲轴的变形量和轴颈磨损量，均与 S53C 钢台架试验结果相当，符合曲轴台架耐久试验的技术要求 2.7 装车路试 49MnVS3 钢曲轴在进行台架疲劳试验和台架耐久试验后，接着要进行装车路试，进一步检测其可靠性、可行性和替代性我们的方法是用 49MnVS3 钢曲轴装配 3 台发动机装车进行三万公里路试，在各种不同的路况下，行驶不同路程，检测曲轴的变形、磨损及其他失效内容试验结果证明 49MnVS3 钢曲轴达到 S53C 钢曲轴的技术水平，完全能满足柴油机对曲轴的技术要求 3 经济效益分析 用 49MnVS3 钢替代 S53C 钢制造我公司柴油机曲轴，不但能满足其性能和各项技术要求，解决切削加工中生产实际问题，使我公司发动机生产逐步走上正常轨道，而且能较大幅度地降低柴油机曲轴的制造成本，产生显著的经济效益 49MnVS3 钢柴油机曲轴的经济效益主要由两部分组成一部分是材料国产化后(49MnVS3钢材由国内供应，S53C 钢材需进口)，降低了原材料采购价，取消了锻件调质处理工序，减少了废品率，简化工序，缩短了生产周期，降低了制造成本另外，由于 49MnVS3 钢中硫含量较高，组织结构稳定，硬度均匀，表面硬度差较小，大大地改善了曲轴切削加工时的切削性能，提高了生产效率和刀具使用寿命，较大幅度地降低了加工制造成本。

从表3 中可以看出 49MnVS3 钢曲轴切削量大的工序，刀具使用寿命提高 80%～150% ，切量小的工序也提高了 30%左右49MnVS3 钢曲轴投产后，我们用数理统计的方法分析了一段时间的生产记录，分析结果证明：每件 49MnVS3 钢曲轴的加工制造成本可节省 48 元左右，加上降低曲轴毛坯采购价 95 元／件，实际每件 49MnVS3 钢曲轴可节约制造成本 143 元左右自投产以来我们已生产 49MnVS3 钢曲轴 4 万余件，经济效益达 600 余万元 4 结论 (1)49MnVS3 钢曲轴经各类性能试验证明，能满足我公司柴油机曲轴技术要求，可替代调质钢制造曲轴 (2)49MnVS3 钢曲轴可省略调质处理工序，简化生产工序，降低废品率，产品质量稳定，适用于规模大、自动化程度高的曲轴生产线 (3)采用 49MnVS3 钢制造柴油机曲轴，可产生显著的经济效益，每件曲轴可望降低制造成本 143 元左右 (4)49MnVS3 钢的塑性、韧性比 S53C 钢稍差，可用降低含碳量改进锻造工艺参数的方法，逐步达到调质钢的水平 作者简介：唐新民(1953 —)，男，高工，从事金属材料及热处理专业的技术工作，多次担任项目负责人。

联系：0791-5232888-7012(O)，：0791-5235674 作者单位：唐新民(江铃产品开发技术中心，江西南昌 330001) 赵九根(江铃产品开发技术中心，江西南昌 330001) 参考文献： ［1］雍岐龙，马鸣图，吴宝榕．微合金钢——物理和力学冶金［M］．北京：机械工业出版社，1989，12：522～660． ［2］胡德昌，胡滨．新型材料特性及其应用［M ］．广州：广东科技出版社，1996，9：28 ～42． ［3］第一汽车制造厂情报研究所．非调质钢译文辑［Z］．1985，7．(end)。