李曉霞

（大連機(jī)車車輛有限公司 熱處理車間，遼寧大連116022）

曲軸是發(fā)動機(jī)的主要零件之一，用來將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動。在發(fā)動機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大的今天，曲軸新產(chǎn)品的開發(fā)研究具有廣闊的前景。曲軸主要承受復(fù)雜的彎曲—扭轉(zhuǎn)載荷和一定的沖擊載荷，因此，曲軸通常采用高強(qiáng)度的球墨鑄鐵或優(yōu)質(zhì)、高強(qiáng)度的中碳合金鋼制成（45鋼、35Cr Mo，42Cr Mo等）。50Cr Mo4是一種優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，具有較好的綜合機(jī)械性能，目前被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用，公司技術(shù)貿(mào)易合作產(chǎn)品16RK270柴油機(jī)曲軸采用50Cr Mo4鋼。因此，對50Cr Mo4鋼曲軸熱處理工藝進(jìn)行分析研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。圖1為16RK270曲軸結(jié)構(gòu)圖。

圖1 16RK270曲軸結(jié)構(gòu)圖

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)采用50Cr Mo4曲軸以及同材質(zhì)試塊為試驗(yàn)對象，試塊尺寸為φ240 mm×200 mm。經(jīng)化學(xué)分析，鋼材的成分符合要求，見表1。

曲軸熱處理后的試樣和曲軸的金相組織分析是在XJL－02 A或XJG－05顯微鏡上進(jìn)行，所采用的浸蝕劑為4%硝酸酒精溶液；硬度的檢測是根據(jù)GB／T231－84《金屬布氏硬度試驗(yàn)方法》在HR－150 A洛氏硬度計(jì)上進(jìn)行的；拉伸性能和沖擊性能的檢測分別是根據(jù)GB／T228－2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》和GB／T229－1994《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》在 WE－10 A或AG－250 KNISMO和JB－30B沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。為了使50Cr Mo4曲軸應(yīng)用在船用柴油機(jī)上，根據(jù)中國船級社《材料與焊接規(guī)范》［1］要求，熱處理后曲軸的性能要求見表2。

曲軸熱處理工藝規(guī)范的確定包括淬火溫度、回火溫度和淬火冷卻方式。為獲取最佳的調(diào)質(zhì)處理工藝方案，使曲軸性能滿足要求，采用5種方案進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分［2］（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

表2 試驗(yàn)用鋼熱處理技術(shù)要求

通過對5種工藝處理后的試樣進(jìn)行金相組織、晶粒度、硬度和力學(xué)性能的檢測，并綜合分析試驗(yàn)結(jié)果，篩選出最佳熱處理工藝。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，選用試樣進(jìn)行了復(fù)驗(yàn)，并進(jìn)一步對最佳調(diào)質(zhì)處理工藝進(jìn)行微調(diào)。

2 試驗(yàn)過程

船用柴油機(jī)所用曲軸由于承受載荷極大，轉(zhuǎn)速不是很高，所以在尺寸和質(zhì)量上高出普通曲軸很多。因此50Cr Mo4鋼曲軸在淬火加熱時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制淬火加熱速度，以避免溫差過大進(jìn)一步擴(kuò)大內(nèi)部原有的缺陷。在加熱過程中，表面和芯部會出現(xiàn)兩次溫差高峰。因而，曲軸很容易在芯部形成裂紋或使原有的顯微裂紋擴(kuò)大，故采用階梯方式加熱，確保工件開裂與變形傾向很小。通過試驗(yàn)得出了最佳加熱速度和透熱保溫時(shí)間。此外，在兩個(gè)曲柄間用圓鋼輕微點(diǎn)焊以防止熱處理過程中曲柄的變形。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）熱處理工藝對硬度的影響

鋼的硬度隨回火溫度的上升而下降，分析原因，50Cr Mo4鋼的含碳量較高，在ε碳化物析出時(shí)硬度略有上升［3］。是含有強(qiáng)碳化物形成元素的合金鋼，在≥500℃回火時(shí)滲碳體溶解，形成細(xì)小、彌散分布的合金碳化物，發(fā)生“二次硬化”導(dǎo)致硬度上升。

（2）熱處理工藝對力學(xué)性能的影響

50Cr Mo4鋼隨回火溫度的增加，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度值下降，伸長率、收縮率和沖擊功增加。與技術(shù)要求相比，屈服強(qiáng)度、伸長率、收縮率和沖擊功比較容易滿足要求，但是抗拉強(qiáng)度要求很高，若回火溫度過高，則達(dá)不到要求，如640℃回火抗拉強(qiáng)度低于技術(shù)要求。隨著回火溫度的降低抗拉強(qiáng)度有明顯的升高，但是試塊硬度過高，超出技術(shù)要求，嚴(yán)重影響熱處理后的機(jī)械加工性能。

由于50Cr Mo4鋼含碳量較高，導(dǎo)致了高溫回火后強(qiáng)度下降塑性上升。另外，合金元素對材料力學(xué)性能也有很大影響，能有效的提高鋼的淬透性和韌性。50Cr Mo4鋼中含有很多合金元素，如鉻、鎳、錳等，鉻和錳主要提高淬透性，鉻和鎳組合可有效的提高淬透性并很好的改善回火馬氏體的韌性［4］。由于50Cr Mo4鋼中加入了少量的釩，細(xì)化奧氏體晶粒，使鋼具有了較好的強(qiáng)韌性。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，綜合分析得出50Cr Mo4鋼經(jīng)此熱處理后獲得了比較良好的機(jī)械性能。為了驗(yàn)證工藝的可行性與準(zhǔn)確性，用3根曲軸實(shí)物進(jìn)行工藝驗(yàn)證。同時(shí)，為了保證達(dá)到技術(shù)要求，將回火溫度降低10℃，以適當(dāng)?shù)奶岣呖估瓘?qiáng)度。

（3）工藝可行性驗(yàn)證

將50Cr Mo4鋼曲軸按照調(diào)整后的工藝進(jìn)行熱處理，檢測其表面硬度和各項(xiàng)力學(xué)性能，結(jié)果表3。

硬度梯度檢測結(jié)果如表4。

檢測金相組織，為回火索氏體。晶粒度為6～7級（圖2）。

表3 調(diào)整熱處理工藝后的力學(xué)性能

圖2 材料的金相組織

表4 硬度梯度的檢測結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，曲軸的硬度在一定的誤差范圍內(nèi)符合要求，各項(xiàng)力學(xué)性能也達(dá)到了技術(shù)要求。

4 結(jié)論

（1）由于含碳量較高，并且加入合金元素的，50Cr Mo4鋼具有較好的綜合機(jī)械性能。

（2）50Cr Mo4鋼曲軸經(jīng)此工藝處理后能完全滿足技術(shù)要求。

50Cr Mo4鋼曲軸熱處理工藝的研究成功和有效應(yīng)用，滿足了大馬力重載機(jī)車以及低速船用柴油機(jī)的需要。同時(shí)，作為成功開發(fā)的一項(xiàng)新產(chǎn)品，也為公司創(chuàng)造了可觀的社會經(jīng)濟(jì)效益。

［1］中國船級社.材料與焊接規(guī)范［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［2］林慧國，林 鋼，吳靜雯.袖珍世界鋼號手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］中國機(jī)械工程學(xué)會熱處理專業(yè)分會，《熱處理手冊》編委會.熱處理手冊第3版［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［4］吳承建，強(qiáng)文江，陳國良.金屬材料學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2001.