非调质钢柴油机曲轴的开发.doc

非调质钢柴油机曲轴的开发唐新民赵九根余爱国Exploitation of Non-Quenched/Tempered Steelfor Diesel Engine Crankshaft Tang Xinmin, Zhao Jiugen and Yu Aiguo(Product Development Technical Center, Jiangling Motors Ltd, Nanchang 330001)曲轴生产线加工设备的自动化程度和加工精度都很高，对曲轴锻件毛坯的内在质量、切削性能及外形尺寸精度都有很高的要求。国内提供的调质钢S53C锻造曲轴毛坯因调质质量不稳定，硬度不均匀，切削性能差，导致生产线经常出现停产。1995年底开始，江铃汽车公司决定用非调质钢取代调质钢制造曲轴。1曲轴材料的性能气缸内活塞的往复运动通过连杆传递到曲轴形成旋转运动，再由曲轴输出扭矩，驱动汽车行驶。所以，曲轴的受力状态既有扭转又有弯曲。其次，曲轴各轴颈都在很高的比压下，以很大的相对速度在轴承中承受滑动摩擦，产生较高温度和磨损。曲轴的服役条件决定曲轴材料必须具有较高的抗拉强度和疲劳强度，表面具有较高硬度及耐磨性，心部有一定的韧性。统计表明，曲轴失效的主要形式是弯曲疲劳断裂和轴颈磨损失效。表1为S53C钢调质与正火状态下的机械性能。表1S53C钢机械性能及曲轴表面硬度数据表Table 1Mechanical properties and crankshaft surface hardness处理状态s /MPab /MPa/%/%ak/Jc.cm-2HBS表面软氮化Hv0.1调质588780143559229285500正火39264715183255500注：(1) 机械性能按日本标准JISZ2201、2202中规定取标准试样进行拉伸、冲击试验获得的数据。(2) 表面软氮化Hv0.1指标为日本五十铃公司曲轴图纸技术要求。 2对比试验及分析2.1选材选用非调质材料制造柴油机曲轴，要求材料既要满足S53C钢主要机械性能指标(特别是抗拉强度和疲劳强度)，又能大大改善切削性能，提高生产率，降低成本。依据我国非调质钢冶炼水平和非调质钢种，选定49MnVS3钢为研究材料。只要49MnVS3钢的锻造成形性、加工切削性能、台架疲劳性能和装车路试使用性能达到或超过S53C钢的性能，即可替代调质钢制造柴油机曲轴。49MnVS3钢是德国蒂森公司70年代初研制的第一代曲轴材料，是为桑塔纳汽车发动机(汽油机)曲轴专门设计的钢种。根据柴油机的工作特点和技术要求对钢的化学成分又重新作了调整。2.2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，才能有效保证曲轴锻件的综合机械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验(硬度、机性、探伤等)机加工。调质钢S53C和非调质钢49MnVS3的曲轴锻造工艺见表2。表2 S53C和49MnVS3钢曲轴锻造工艺Table 2Forging process of crankshaft of steel S53C and 49MnVS3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S53C120010115020105030锻后调质模锻调质专用线49MnVS3119010115020103030风控冷模锻控冷专用线2.3切削性能试验及软氮化处理用S53C钢和49MnVS3钢曲轴毛坯在加工线上进行切削性能对比试验，考核刀具使用寿命及切削力的大小，具体数据见表3。表3两种材质曲轴切削刀具寿命比较Table 3Comparison of turning tool life for crankshaft of quenched/tempered and non-quenched/tempered steel工序名称加工调质钢寿命/件加工非调质钢寿命/件提高刀具寿命/%备注车大、小头4 0007 20080车端面3 8007 000 84车-拉轴颈2 0005 000250瓶颈工序钻油孔1 0001 80080钻飞轮孔1 5002 00033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。 49MnVS3钢锻件的室温组织为珠光体+铁素体，硬度均匀，工件表面硬度差小于20HBS，断面硬度差小于15HBS，且钢中硫含量较高，大大改善了切削性能。从表3可看出，切削量大的工序，刀具寿命提高幅度也大，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，刀具寿命提高250%以上。切削量小的工序，刀具使用寿命提高约30%。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。江铃汽车公司柴油机曲轴采用气体软氮化工艺进行表面硬化处理。氮化设备为多功能连续推杆式气体软氮化炉，氮化工艺与S53C钢曲轴相同。结果表明，非调质钢曲轴软氮化后的质量与S53C钢曲轴相当，可满足曲轴各项技术要求。2.4金相组织曲轴表层金相组织，为较细的珠光体+断续网状铁素体，晶粒度46级，硬度HB240260；心部金相组织为较粗的珠光体+断续网状铁素体，晶粒度35级，硬度HB230245。2.5机械性能根据曲轴服役条件，曲轴直径的大小，按图1所示部位取样(均为标准试样)，试验方法为每批次取2件曲轴，4个抗拉试样，4个冲击试样。进行两种材料的对比试验，试验结果见表4。图1曲轴机械性能试样取样部位Fig.1Schematic of sampling of crankshaft for mechanical property testing表4两种材质曲轴机性及金相组织对比Table 4Mechanical properties and structure of crankshaft of steel S53C and 49MnVS3材质s /MPab /MPa屈强比/%/%ak/J.cm-2HBS金相组织晶粒度S53C5355457908100.660171958606575235246S回+F少57级49MnVS34914978048210.608161833362045236245P+F断网35级从表4可以看出，两种钢的抗拉强度、屈服强度基本相同，但由于金相组织不同，调质钢韧性比较好，非调质钢的晶粒粗大，铁素体呈断续网状、导致韧性较2.6疲劳强度及耐磨性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。按JB3258汽车发动机曲轴疲劳台架试验方法的要求，在两种钢曲轴成品中各随机抽取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，用升降法求疲劳极限，再根据疲劳强度计算出安全系数，判断曲轴是否符合技术要求。试验结果见表5。表5曲轴弯曲疲劳强度、安全系数、耐磨性能对比Table 5Comparison of bending fatigue strength, safety factor and wear resistance of crankshaft材质疲劳弯矩/Nm安全系数磨损压力/N磨损时间/h磨擦付磨损体积/mm3S53C1 0351.5625019高速钢6.11449MnVS31 0351.5625019高速钢6.521曲轴耐磨试验是用两种材料按试验要求做成试块，在MM-200型磨损试验机上进行等条件耐磨试验，再比较磨损体积的大小(表5)。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，曲轴安全系数大于1.3就可以满足要求，故49MnVS3钢曲轴达到了S53C钢水平，能够满足柴油机曲轴的性能要求。2.7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。用49MnVS3钢曲轴装机两台，进行600 h耐久台架试验。首先磨合50 h，再进行550 h强化试验后，检查曲轴的变形量及轴颈磨损状态，再与S53C钢曲轴600 h台架试验结果进行比较。通过两轮600 h耐久台架试验后，检查非调质钢曲轴的变形量，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。2.8装车路试49MnVS3钢曲轴在进行台架疲劳试验，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。用49MnVS3钢曲轴装配3台发动机，装车进行30 000 km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钢曲轴达到了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经济效益用49MnVS3钢替代S53C钢制造柴油机曲轴，不但能满足各项技术要求，解决切削加工中的实际问题，而且能较大幅度降低柴油机曲轴的制造成本，经济效益显著。49MnVS3钢曲轴投产后，用数理统计的方法分析了一段时间的生产记录，结果证明，每件49MnVS3钢曲轴的加工制造成本可节省约48元，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。4结论(1) 49MnVS3钢曲轴经各类性能试验证明，能满足柴油机曲轴技术要求。(2) 49MnVS3钢曲轴可省略调质处理，简化生产工序，降低废品率，产品质量稳定，适用于大规模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约143元。(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，