南車資陽機(jī)車有限公司（四川 641301）董金元 陳世英 趙美玲

空壓機(jī)曲軸位于空氣壓縮機(jī)連桿處，曲軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，帶動連桿使活塞產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動，它在工作過程中將承受周期性的拉、壓、剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)等交變載荷，所以需要有良好的綜合力學(xué)性能。調(diào)質(zhì)處理是獲得優(yōu)良綜合力學(xué)性能的最佳熱處理途徑。本文針對七拐空壓機(jī)曲軸采用先進(jìn)的臥式智能控時(shí)淬火方式進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理的工藝開發(fā)過程進(jìn)行了闡述。

一、七拐空壓機(jī)曲軸熱處理技術(shù)要求

（1）材料 七拐空壓機(jī)曲軸所選材料為C-5C，其主要化學(xué)成分見表1。

表1 C-5C鋼主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）熱處理技術(shù)要求 七拐空壓機(jī)曲軸粗加工焊接平衡塊后調(diào)質(zhì)處理，粗加工狀態(tài)如圖1所示，主軸頸直徑229mm，連桿頸直徑208mm，曲柄板厚147mm，總長為4422.5mm。

圖1 七拐空壓機(jī)曲軸示意

曲軸調(diào)質(zhì)處理后在材料的優(yōu)質(zhì)端即飛輪端取樣檢測力學(xué)性能。力學(xué)性能檢測取樣部位按照ASTM668-04標(biāo)準(zhǔn)即在距試棒表面1/2R處取樣。曲軸調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能要求見表2。

表2 七拐空壓機(jī)曲軸調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能要求

二、七拐空壓機(jī)曲軸調(diào)質(zhì)工藝分析

1.原材料分析

七拐空壓機(jī)曲軸所選材料C-5C，對比我國鋼牌號，其成分與優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼40Mn相似。Mn元素的存在顯著提高其淬透性，調(diào)質(zhì)處理后將獲得優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

2.調(diào)質(zhì)工藝分析

（1）調(diào)質(zhì)方式選擇 長期以來，曲軸調(diào)質(zhì)都采用立式懸掛裝爐加熱保溫，淬火冷卻采用油、高低濃度AQ251、水或水+AQ251冷卻的方式。但七拐空壓機(jī)曲軸坯料短，沒有預(yù)留吊裝頭，只能采用臥式調(diào)質(zhì)。臥式調(diào)質(zhì)生產(chǎn)技術(shù)采用臺車爐對曲軸加熱保溫，并應(yīng)用了智能控時(shí)淬火冷卻技術(shù)，淬火冷卻介質(zhì)為清水和空氣，大幅度降低了曲軸生產(chǎn)的成本，提高了勞動生產(chǎn)率。該技術(shù)目前已應(yīng)用于碳鋼及合金鋼曲軸的調(diào)質(zhì)生產(chǎn)，并取得了顯著的成效。

（2）裝爐加熱分析 為減小曲軸在加熱過程中產(chǎn)生彎曲變形，采用臺車爐加熱時(shí)應(yīng)充分考慮到曲軸調(diào)質(zhì)加熱時(shí)支撐位置和實(shí)際操作等過程中容易影響曲軸變形的因素，盡量使變形量控制在允許范圍之內(nèi)。曲軸在臺車爐內(nèi)加熱保溫時(shí)，采用4點(diǎn)支撐主軸頸的方式，支撐位置應(yīng)盡量使曲軸重量在各支撐段得到均勻分布，以盡量減小曲軸在長時(shí)間高溫加熱過程中產(chǎn)生的彎曲變形。支撐如圖2所示。

（3）淬火冷卻分析 七拐空壓機(jī)曲軸淬火冷卻時(shí)采用專用吊具4點(diǎn)吊掛出爐的方式，吊掛位置也需盡量平均分?jǐn)偳S在各吊掛段的重量，以盡可能減小曲軸在吊掛轉(zhuǎn)移和淬火冷卻過程中由于軸重而引起的變形。曲軸淬火冷卻吊掛如圖2所示。

圖2 七拐空壓機(jī)曲軸支撐、吊掛示意

七拐空壓機(jī)曲軸淬火冷卻采用智能控時(shí)淬火冷卻（ATQ）技術(shù)，即預(yù)冷+水空交替冷卻。曲軸出爐后先在空氣中預(yù)冷240s，由于曲軸本身尺寸和重量大，熱容量也很大。而預(yù)冷可以降低曲軸熱容量，減小熱應(yīng)力，有利于提高冷卻效果，增加淬硬層深度，可以有效降低淬裂傾向。之后水冷210s（包括噴水+浸水），曲軸每次浸水之前，采用噴液淬火方式，可使曲軸整個(gè)表面基本同時(shí)開始冷卻，能有效防止內(nèi)部組織因轉(zhuǎn)變不同時(shí)而產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力，對減小畸變起到了很好的作用。之后空冷90s，在空冷過程中，次表層的溫度傳遞到表面，表面溫度升高，使表層韌性和應(yīng)力狀態(tài)得到調(diào)整，有效避免了曲軸表面開裂。然后再水冷360s，確保曲軸淬硬層深度，直到滿足要求。

3.變形、淬裂性分析

由于七拐空壓機(jī)曲軸來料為自由鍛毛坯，采用直接加工成形方式，加工量很大，相應(yīng)加工應(yīng)力也很大。另外，由于七拐空壓機(jī)曲軸形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜特殊，與我公司生產(chǎn)的機(jī)車曲軸和船用曲軸不一樣，除了厚薄不均和在調(diào)質(zhì)前焊有平衡塊之外，其兩端各有兩連桿頸之間無主軸頸相連，且偏心距很大，熱處理過程中極易產(chǎn)生變形，使臥式調(diào)質(zhì)難度增加。另外，臥式調(diào)質(zhì)時(shí)，曲軸采用清水進(jìn)行淬火冷卻，這樣就增大了淬裂的風(fēng)險(xiǎn)。為了防止曲軸調(diào)質(zhì)過程中出現(xiàn)裂紋，制訂工藝時(shí)需綜合考慮，避免產(chǎn)生重大經(jīng)濟(jì)損失。

三、七拐空壓機(jī)曲軸調(diào)質(zhì)工藝的制訂

1.淬火工藝制訂

由于七拐空壓機(jī)曲軸形狀復(fù)雜，應(yīng)先在爐溫為550～650℃的空氣爐中預(yù)熱，可以減少因急劇受熱而引起的熱應(yīng)力，同時(shí)減少曲軸高溫階段的加熱時(shí)間，防止變形。綜合考慮后，確定預(yù)熱工藝：600℃×2h。七拐空壓機(jī)曲軸所選材質(zhì)為C-5C，最大有效厚度約為229mm，屬于亞共析鋼，亞共析鋼的淬火加熱溫度為Ac3+30～70℃，預(yù)熱之后選擇淬火溫度為850℃，保溫時(shí)間為3h。冷卻方式采用預(yù)冷+水空交替冷卻技術(shù)，初步制訂淬火冷卻工藝為：預(yù)冷240s+水冷210s+空冷90s+水冷360s。

2.回火工藝制訂

調(diào)質(zhì)零件采用的是高溫回火，溫度控制在500～650℃，回火后具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，具體回火溫度根據(jù)每根曲軸的實(shí)際化學(xué)成分確定。

回火時(shí)間的選擇不但要保證透燒使其組織轉(zhuǎn)變得以充分進(jìn)行，同時(shí)要盡量消除殘余應(yīng)力，因此，回火時(shí)間不宜過短。但從經(jīng)濟(jì)角度和組織變化等方面分析，時(shí)間也不必過長，綜合考慮，回火時(shí)間定為8h，采用空冷。

四、七拐空壓機(jī)曲軸臥式調(diào)質(zhì)試制

1.首爐七拐空壓機(jī)曲軸臥式調(diào)質(zhì)試制

先選取兩支編號分別為1#和2#的曲軸試制，臥式調(diào)質(zhì)工藝曲線如圖3所示，冷卻采用控時(shí)水淬，即預(yù)冷240s+水冷210s+空冷90s+水冷360s。

2.首爐試制結(jié)果及分析

（1）變形分析及預(yù)防

七拐空壓機(jī)曲軸臥式調(diào)質(zhì)后變形嚴(yán)重，尤其是A、B、C、D四拐開檔處有不同程度的擴(kuò)張和收縮現(xiàn)象，必須經(jīng)過校直后才能送入下道工序，同時(shí)由于曲軸本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給校直工作帶來很大的不便。

圖3 首爐七拐空壓機(jī)曲軸臥式調(diào)質(zhì)工藝

由于曲軸支撐、吊掛均只能在主軸頸處，七拐空壓機(jī)曲軸兩端各有兩拐卻無主軸頸相連，勢必在加熱或冷卻過程中造成很大的變形。可以考慮在各個(gè)曲拐處焊接拉筋，以此減小變形。不過由于其特殊的外形，需采用專用拉筋，且曲軸材料的焊接性能不良，在焊接拉筋的過程中可能還會存在一些問題，這些都有待于進(jìn)一步的研究與探索。

（2）力學(xué)性能與金相組織分析 力學(xué)性能測試結(jié)果見表3，可以看出，當(dāng)回火工藝為：520℃×8h時(shí)，試樣1#各項(xiàng)性能都達(dá)到要求的力學(xué)性能指標(biāo)。而試樣2#抗拉強(qiáng)度偏高，結(jié)合圖4中金相組織分析，試樣2#組織為F+P，F(xiàn)偏少且呈網(wǎng)狀，珠光體塊較大，分布不均勻，造成其伸長率偏低，根據(jù)碳含量的差異，回火溫度修訂為580℃，返回后，心部碳化物進(jìn)一步擴(kuò)散，使組織均勻化，測得其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)都符合要求。

表3 首爐七拐空壓機(jī)曲軸調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能

圖4 首爐七拐空壓機(jī)曲軸臥式調(diào)質(zhì)后金相組織

3.七拐空壓機(jī)曲軸小批量生產(chǎn)

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果分析，對比其化學(xué)成分，制訂出另外兩支七拐空壓機(jī)曲軸的臥式調(diào)質(zhì)工藝，曲線如圖5所示。力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)見表4，兩支曲軸各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到供貨技術(shù)要求。

表4 3#、4#試件調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能

圖5 3#、4#七拐空壓機(jī)曲軸臥式調(diào)質(zhì)工藝

五、結(jié)語

（1）采用新工藝實(shí)現(xiàn)了七拐空壓機(jī)曲軸的臥式調(diào)質(zhì)生產(chǎn)，其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)到了供貨技術(shù)要求。

（2）采用淬火前空氣預(yù)冷+臥式智能控時(shí)淬火方式能減小曲軸由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)各部位尺寸差異產(chǎn)生的應(yīng)力，減小變形量，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。

（3）采用臥式調(diào)質(zhì)降低了七拐空壓機(jī)曲軸原材料、吊具、能耗等生產(chǎn)成本，并能大幅提高生產(chǎn)效率。

（4）變形控制初步確定以焊接拉筋的方法改善，更優(yōu)方案仍有待進(jìn)一步探索。

（5）建議此類空壓機(jī)曲軸采用模鍛代替自由鍛，以大幅度節(jié)省原材料成本，提高材料利用率，同時(shí)有利于減小加工應(yīng)力，控制熱處理變形。