齊羿+朱洪磊+高波

摘要：文章從STR重型汽車10L發(fā)動(dòng)機(jī)連桿熱處理方向出發(fā)，討論了熱處理工藝、網(wǎng)帶熱處理爐對(duì)10L發(fā)動(dòng)機(jī)連桿內(nèi)在質(zhì)量和外觀質(zhì)量的影響，并針對(duì)目前生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品存在的質(zhì)量問(wèn)題逐一提出改善或解決方案，使10L發(fā)動(dòng)機(jī)連桿熱處理質(zhì)量得到大幅提升，降低不合格率和廢品率，為企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：STR重型汽車；10L發(fā)動(dòng)機(jī)；連桿；熱處理；質(zhì)量提升 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG213 文章編號(hào)：1009-2374（2016）35-0129-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.062

1 概述

連桿是汽車與船舶等發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要零件，它連接著活塞和曲軸，其作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并把作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。連桿在工作中，除承受燃燒室燃?xì)猱a(chǎn)生的壓力外，還要承受縱向和橫向的慣性力。連桿的工作條件要求連桿具有較高的強(qiáng)度和抗疲勞性能，又要求具有足夠的鋼性和韌性。

2 項(xiàng)目背景

10L發(fā)動(dòng)機(jī)連桿是我公司STR重型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要部件，在服役過(guò)程中承受較大的應(yīng)力和沖擊，是關(guān)系到車輛行駛安全的關(guān)鍵部件。對(duì)于STR重型汽車10L發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，鋼材成分40Cr熱軋圓鋼[技術(shù)要求：材料成分：C為0.40%～0.45%、Si為0.17%～0.37%、Mn為0.70%～1.00%、Cr為1.05%～1.25%、S為0.020%～0.035%、Mo≤0.10%、P≤0.025%、Al為0.020%～0.045%、H≤0.0002%、O≤0.0015%；非金屬夾雜：A+B+C+D≤5.0級(jí)，晶粒度5～8級(jí)、極差≤3級(jí)，脫碳層單邊深度≤公稱直徑1%；低倍組織：疏松≤2級(jí)、偏析≤2級(jí)、不允許：白點(diǎn)、皮下氣泡、裂紋、縮孔殘余等；淬火硬度（離開(kāi)淬火端下列距離mm處的HRC）：J9≥55、J15≥50、J30≥35（端淬溫度：850±5℃）]，供貨方石家莊鋼鐵有限公司，重汽技術(shù)中心要求我公司鍛造成型后首先進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，使鍛件基體金相組織達(dá)到少量鐵素體和細(xì)晶?；鼗鹚魇象w均勻分布、等級(jí)1～3級(jí)，晶粒度5～8級(jí)、級(jí)差≤3級(jí)，最小屈服強(qiáng)度RP0.2≥540N/mm2，抗拉強(qiáng)度Rm～780～930N/mm2，延伸率A5≥14%，收縮率Z≥45%，沖擊功Aku2≥47J，非加工表面單邊脫碳層深度不大于0.3mm、全脫碳層深度不大于0.1mm，鍛件表面布氏硬度為233～276HB，淬火后布氏硬度為415～601HB，同時(shí)10L發(fā)動(dòng)機(jī)連桿產(chǎn)品交貨時(shí)外觀質(zhì)量也有嚴(yán)格要求：表面磕碰、硌傷等凹缺陷深度≤0.5mm、翹曲≤0.5mm、對(duì)稱度≤0.8mm等。

3 項(xiàng)目目的

我公司使用網(wǎng)帶熱處理爐對(duì)STR重型汽車10L發(fā)動(dòng)機(jī)連桿調(diào)質(zhì)熱處理，產(chǎn)品主要供給中國(guó)重汽濟(jì)南動(dòng)力部和杭州發(fā)動(dòng)機(jī)中心。根據(jù)近期濟(jì)南動(dòng)力部和杭州發(fā)動(dòng)機(jī)中心多次質(zhì)量信息反饋，產(chǎn)品存在如下問(wèn)題：（1）10L發(fā)動(dòng)機(jī)連桿表面磕碰傷較多，所占比例約20%，雖滿足后續(xù)加工要求，但表面磕碰硌傷等凹缺陷深度和面積達(dá)到鍛件圖工藝參數(shù)要求臨界值，存在超差不合格的隱患，引起客戶抱怨；（2）10L發(fā)動(dòng)機(jī)連桿表面布氏硬度在鍛件圖工藝要求范圍內(nèi)呈現(xiàn)較大離散，造成后續(xù)切削加工時(shí)嚙合變形較大，甚至部分產(chǎn)品嚙合度不符合機(jī)械加工工藝參數(shù)要求，判定為不合格品，被要求退貨。根據(jù)濟(jì)南動(dòng)力部2016年1月至今加工統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，10L發(fā)動(dòng)機(jī)連桿機(jī)加工后一次嚙合合格率為70%，另有22%通過(guò)技術(shù)質(zhì)量評(píng)審后讓步接收，其余8%不合格退貨并索賠工時(shí)費(fèi)用。

經(jīng)過(guò)對(duì)磕碰硌傷等凹缺陷的多次驗(yàn)證和分析，磕碰缺陷主要源自淬火池內(nèi)傳送系統(tǒng)處，產(chǎn)生于工件出熱處理淬火爐時(shí)，在下料口內(nèi)翻轉(zhuǎn)砸傷以及落入淬火油槽中時(shí)碰撞輸送帶鋼板所致，在進(jìn)入回火爐入料口前及由回火爐出爐落入回火水池時(shí)也有部分磕碰；經(jīng)過(guò)對(duì)硬度分布離散大和嚙合變形大問(wèn)題的多次驗(yàn)證和分析，在相同調(diào)質(zhì)溫度、調(diào)質(zhì)時(shí)間、相似淬火油溫度、相同擺料方式等條件下，對(duì)不同批次30組數(shù)據(jù)、每組數(shù)據(jù)30個(gè)連續(xù)淬火硬度值進(jìn)行測(cè)定和分析，淬火硬度處于中線值即477～539HB占整體比例約60%，處于中線至下線值即415～477HB占15%，處于中線至上線值即539～601HB占25%，原因主要為淬火不穩(wěn)定，淬火油池循環(huán)性能較差，同時(shí)對(duì)于淬火油池性能穩(wěn)定性監(jiān)控水平低，造成出現(xiàn)異常情況時(shí)不能及時(shí)解決，影響產(chǎn)品的調(diào)質(zhì)熱處理內(nèi)在質(zhì)量。

4 項(xiàng)目方案

4.1 網(wǎng)帶熱處理爐升級(jí)改進(jìn)

4.1.1 淬火爐落料口改造：將落料口改造成雙排通道，實(shí)現(xiàn)前后側(cè)同時(shí)落料，使工件落料分散，避免堆料，提高淬火均勻性和穩(wěn)定性；將落料坡度降低，減慢落料速度，同時(shí)減少下料口折彎，降低工件在下料口內(nèi)翻轉(zhuǎn)磕碰次數(shù)和程度。

4.1.2 淬火冷卻循環(huán)系統(tǒng)改造：將噴射裝置進(jìn)行改造，重新設(shè)計(jì)尺寸，增大循環(huán)和噴射流量；重新設(shè)計(jì)噴射方向，由豎直改為斜向，增大接觸面積，避免僅單側(cè)噴射，且延長(zhǎng)接觸時(shí)間，從而提高系統(tǒng)的淬火冷卻均勻性和穩(wěn)定性，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

4.1.3 對(duì)淬火油槽內(nèi)的輸送帶進(jìn)行改造，首先提升輸送帶高度，降低下料口和輸送帶間距離；其次在下料口下端擋板和輸送帶之間增加二級(jí)傳送網(wǎng)帶，減少工件直接與輸送帶鋼板間接觸造成的磕碰傷。

4.1.4 對(duì)淬火槽輸送帶鋼板進(jìn)行改造，尤其是鋼板上焊接的防滑凸起，進(jìn)一步降低工件接觸時(shí)的磕碰程度；在淬火槽內(nèi)增設(shè)自動(dòng)控溫裝置，固定測(cè)量位置和深度，更靠近工件入淬位置，提高數(shù)據(jù)的真實(shí)性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

4.1.5 回火爐爐門改造：在回火爐進(jìn)料口和出料口設(shè)置尺寸匹配的專用保溫爐門，以減少不必要的熱耗散，同時(shí)提高爐體加熱穩(wěn)定性和保溫均勻性。

4.1.6 回火爐爐頂保溫層改造：重做爐頂保溫層，增大保溫層厚度，并增加保溫導(dǎo)流罩，從而提高爐體的整體加熱和保溫性能。

4.1.7 回火爐出料口滑道改造：重新設(shè)計(jì)出料口滑道的長(zhǎng)度、坡度以及滑道最前端落料口寬度，保證工件出回火爐后能夠順利及時(shí)地沿滑道進(jìn)入水池中，避免滯留現(xiàn)象。

4.1.8 回火爐水冷系統(tǒng)的改造：增設(shè)履帶傳送裝置，并配合回火池中轉(zhuǎn)運(yùn)料箱的改造，達(dá)到工件能夠由出爐、落料、水冷、出水空冷的自動(dòng)化循環(huán)操作。

4.2 熱處理工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化

當(dāng)網(wǎng)帶熱處理爐按照項(xiàng)目實(shí)施方案改造完畢后，爐體加熱、保溫、淬火冷卻等方面性能得到大幅提升，并結(jié)合40Cr材料性能特點(diǎn)和使用特性，按照10L發(fā)動(dòng)機(jī)連桿參數(shù)要求對(duì)熱處理工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，即：淬火880±10℃，淬火油溫75℃～90℃，淬火時(shí)間>3min，淬火時(shí)間150min，回火時(shí)間180min，回火溫度650℃±20℃，出爐后入水，隨履帶出回火水池空冷。

4.3 網(wǎng)帶熱處理爐升級(jí)改進(jìn)及熱處理工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化完成后

4.3.1 選取同一爐號(hào)鍛造成型的連桿，分三組每組各500件。

4.3.2 原材料成分檢驗(yàn)，保證該爐號(hào)原材料成分滿足技術(shù)要求。

4.3.3 每組嚴(yán)格執(zhí)行熱處理工藝進(jìn)行生產(chǎn)，產(chǎn)品出爐后做好標(biāo)識(shí)單獨(dú)存放。

4.3.4 每組連桿鍛件調(diào)質(zhì)過(guò)程中按照10%比例對(duì)淬火后硬度進(jìn)行抽檢。

4.3.5 每組連桿鍛件調(diào)質(zhì)熱處理后進(jìn)行表面布氏硬度20%抽檢，同時(shí)對(duì)該3組連桿鍛件各送金相和性能檢驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。

5 項(xiàng)目過(guò)程和結(jié)果分析

第一，原材料檢驗(yàn)，結(jié)果如下：（1）材料成分：C為0.42%、Si為0.24%、Mn為0.82%、Cr為1.15%、S為0.026%、Mo為0.020%、P為0.014%、Al為0.032%、H≤0.0002%、O≤0.0015%；（2）非金屬夾雜：A+B+C+D=4級(jí)、晶粒度7級(jí)、全脫碳層0.20mm；（3）低倍組織：疏松1級(jí)；偏析1級(jí)；無(wú)白點(diǎn)、皮下氣泡、裂紋、縮孔殘余等；（4）淬火硬度（離開(kāi)淬火端下列距離mm處的HRC）：J9～58、J15～53、J30～42（端淬溫度：850℃±5℃）；經(jīng)分析，連桿原材料成分符合技術(shù)要求，檢驗(yàn)合格。

第二，每組連桿鍛件按照熱處理工藝參數(shù)設(shè)定并生產(chǎn)試驗(yàn)，即：淬火880℃，淬火油溫75℃～90℃，淬火時(shí)間4.5min，淬火時(shí)間150min，回火時(shí)間180min，回火溫度655℃，出爐后入水，隨履帶出回火水池空冷。

第三，對(duì)該150個(gè)淬火后布氏硬度數(shù)據(jù)進(jìn)行離散型分析發(fā)現(xiàn)：淬火硬度處于中線值占整體比例由原約60%提升至95.8%，處于中線至下線值占1.9%，處于中線至上線值占2.3%，離散度大幅降低，淬火后硬度均勻性和穩(wěn)定性得到極大提升。

第四，對(duì)調(diào)質(zhì)熱處理后三組連桿鍛件分別送金相檢驗(yàn)，結(jié)果如下：（1）第1組X500倍顯微鏡下金相組織F+S回2級(jí)，晶粒度7級(jí)，最小屈服強(qiáng)度RP0.2為580N/mm2，抗拉強(qiáng)度Rm877N/mm2，延伸率A5為15%，收縮率Z為47%，桿部單邊脫碳層深度0.20mm、全脫碳層深度0.06mm，沖擊功Aku2為62J；（2）第2組X500倍顯微鏡下金相組織F+S回2.5級(jí)，晶粒度7級(jí)，最小屈服強(qiáng)度RP0.2為566N/mm?，抗拉強(qiáng)度Rm868N/mm?，延伸率A5為15.2%，收縮率Z為48.2%，桿部單邊脫碳層深度0.22mm、全脫碳層深度0.07mm，沖擊功Aku2～57J；（3）第3組X500倍顯微鏡下金相組織F+S回2級(jí)，晶粒度6.5級(jí)，最小屈服強(qiáng)度RP0.2為582N/mm2，抗拉強(qiáng)度Rm901/mm2，延伸率A5為16.4%，收縮率Z為49.7%，桿部單邊脫碳層深度0.26mm、全脫碳層深度0.05mm，沖擊功Aku2～68J。經(jīng)分析，三組連桿金相組織和性能檢驗(yàn)均符合鍛件熱處理工藝技術(shù)要求，合格率100%。

第五，每組按照20%數(shù)量各抽取100件連桿做表面布氏硬度檢驗(yàn)，三組連桿抽檢表面布氏硬度均符合工藝要求，合格率100%。

第六，對(duì)每組10L發(fā)動(dòng)機(jī)連桿按照外觀質(zhì)量要求進(jìn)行100%檢測(cè)，翹曲和對(duì)稱度5%抽檢。經(jīng)檢測(cè)數(shù)據(jù)匯總，磕碰硌傷等凹缺陷比例明顯下降，由原20%下降至約2.7%，同時(shí)翹曲、對(duì)稱度抽檢均符合工藝要求，合格率100%。

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)網(wǎng)帶熱處理爐和熱處理工藝的共同優(yōu)化和改進(jìn)后，10L發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的表面磕碰硌傷等凹缺陷比例明顯下降，由原20%下降至2.7%，同時(shí)淬火均勻性和穩(wěn)定性得到極大提升，處于中值區(qū)域比例由60%提升至95.8%。

該批分組實(shí)驗(yàn)10L發(fā)動(dòng)機(jī)連桿發(fā)往濟(jì)南動(dòng)力部進(jìn)行后續(xù)試加工，反應(yīng)良好，表面磕碰傷問(wèn)題得到根本解決，客戶不再抱怨，同時(shí)產(chǎn)品外觀質(zhì)量也得到保證。經(jīng)濟(jì)南動(dòng)力部加工后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，一次嚙合合格率由原70%提升至96%，其他4%經(jīng)技術(shù)質(zhì)量評(píng)審后可做讓步接收，不合格率和廢品率得到極大降低，產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量得到極大提升。

綜上所述，濟(jì)南鑄鍛中心生產(chǎn)的STR重型汽車10L發(fā)動(dòng)機(jī)連桿熱處理質(zhì)量通過(guò)設(shè)備改造和技術(shù)改進(jìn)后，得到顯著提升，不僅符合連桿產(chǎn)品工藝技術(shù)要求，同時(shí)滿足收貨方需要，整體提升中國(guó)重汽STR重型汽車產(chǎn)品質(zhì)量，為中國(guó)重汽集團(tuán)在汽車行業(yè)作為龍頭做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理專業(yè)分會(huì)，《熱處理手冊(cè)》編委會(huì).熱處理手冊(cè)（第2卷）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

（責(zé)任編輯：王 波）