0413李海国高性能等温淬火球铁曲轴设计与开发

1高性能等温淬火球铁曲轴设计与开发李海国王守河张东张立平徐庆杰滨州海得曲轴有限责任公司（山东滨州256606）摘要：等温淬火球墨铸铁（AustemperedDuctileIron简称ADI）是一种新兴的机械工程材料，具有高强度、高韧性、高耐磨性等综合机械性能的特点，经研究可替代锻钢材料用于轿车及载重汽车发动机曲轴；等温淬火球墨铸铁用于曲轴材料时，可由铸态毛坯经等温淬火处理即能达到曲轴高强度、高韧性、高耐磨性机械性能的要求，因此可省去正火工序、表面氮化或表面感应淬火工序，使生产周期缩短并节约成本；等温淬火球墨铸铁用于曲轴材料时，在切削加工、圆角滚压强化以及加工变形等方面具有特殊性。选择适当的等温淬火工艺及圆角滚压参数，等温淬火球墨铸铁曲轴完全能够达到或超过锻钢材质曲轴的弯曲疲劳强度要求。关键词：曲轴增压等温淬火球墨铸铁正火圆角滚压1、概述等温淬火球墨铸铁（AustemperedDuctileIron简称ADI）是一种新兴的工程结构材料，具有高强度、高韧性、高耐磨性等综合机械性能的特点，经研究可替代锻钢材料用于轿车及载重汽车发动机曲轴。它是通过等温淬火热处理或加入合金元素使球墨铸铁基体组织由铁素体、珠光体变为针状铁素体、富碳奥氏体和马氏体等组织形成的结构材料。研究表明，理想的ADI材料显微组织是由针状铁素体和稳定的高碳奥氏体组成，不允许出现珠光体、马氏体和贝氏体碳化物，这个组织被称为奥铁体（Ausferrite）。这一名称已经作为规定的标准术语而获得正式认定。随着发动机向着增压、大功率、高可靠性、低排放方向发展，许多发动机企业为了提高发动机功率而对发动机进行强化，采用增压、中冷、电喷技术来增大功率、降低排放。在发动机爆发压力增加很多的情况下（比如某载重卡车发动机从12MPa增加至18MPa），而作为传递功率的核心部件曲轴在结构上不变或变化不大，这就给曲轴增加了更大的压力，要求综合机械性能提高很多，在这种情况下，传统球墨铸铁材料及其制造工艺已无法满足其功能要求，许多厂家进而采用强度更高、韧性更大、高耐磨的锻钢曲轴来代替球墨铸铁曲轴，材料有45、40Cr、42CrMo等。锻钢曲轴具有优良的综合机械性能，可成本高，加工难度大，轴颈一般采用淬火处理，变形大，容易出现裂纹，质量控制较难把握，因此迫切需要一种用于轿车及载重汽车发动机曲轴的新材料，使其能达到曲轴高强度、高韧性、高耐磨性机械性能的要求，实现材料获得突破性的进展。球铁曲轴之所以不能满足大功率发动机的性能要求，一个最主要的原因就是疲劳强度较低，运行过程中极易造成曲轴疲劳断裂，造成整个发动机损坏。可见要想使曲轴跟上发动机的发展方向，提高疲劳强度是唯一之选。等温淬火球墨铸铁具有高强度、高韧性、高耐磨性等综合机械性能的特点，用于轿车及载重汽车发动机曲轴时，可大大增加曲轴的疲劳强度；等温淬火球墨铸铁用于曲轴材料时，可由铸态毛坯经等温淬火处理即能达到曲轴高强度、高韧性、高耐磨性机械性能的要求，因此可省去正火工序、表面氮化或2表面感应淬火工序，使生产周期缩短并节约成本。据国外资料介绍，圆角滚压对提高曲轴疲劳强度也有显著作用，可在采用等温淬火球墨铸铁曲轴基础上辅以圆角滚压强化，可使曲轴的抗疲劳强度提升一个台阶，从而代替锻钢曲轴。2、ADI铸造过程控制2.1ADI曲轴铸件化学成分为保证ADI曲轴机械性能的稳定性，对曲轴铸造用原材料进行适当控制，在普通球铁曲轴所用原材料基础上使铁水S、P含量降低。有两种方式：第一，全部优质废钢+合金配比+增碳剂，第二，50%优质生铁+50%优质废钢+合金配比+增碳剂。所得铁水化学成分控制为：C：3.6-3.8；Si：2.2-2.6；Mn：2.5-4.5；S：0.025以下；P：0.045以下；Cu：0.4-0.65；Mo：0.25-0.45；Mg：0.04-0.045.严格控制S含量，以减少铸件产生气孔、缩松的倾向；严格控制P含量，以减小铸件低温脆性之倾向。以是否在铁水中加入Mo等合金元素来区分，ADI可分为合金化型与非合金化型两种。为控制铸件制造成本并经多轮对比试验，综合确定，采用非合金化型。2.2ADI曲轴毛坯过程质量控制目前比较常用的曲轴毛坯铸造工艺有壳型铸造、铁模覆砂造型、树脂砂造型、潮模砂造型等，其中壳型铸造与铁模覆砂造型工艺由于其工艺稳定性好、冷却速度快、铸件外观光滑细腻且缺陷少、球化稳定性及石墨大小得到显著改善，尤其是铸件内部产生缩松、气孔、夹渣等常见铸造缺陷的倾向大幅减少，从而可得到优质的曲轴毛坯铸件。壳型铸造与铁模覆砂铸造工艺均适于曲轴毛坯多品种大批量生产。单件曲轴毛坯重量在20kg以下时用壳型铸造工艺优势较大，而单件曲轴毛坯重量在20kg以上时用铁模覆砂造型工艺更容易控制毛坯质量。这两种铸造工艺浇注过程质量控制基本相同：生铁、废钢、合金材料、增碳剂、球化剂等原料来源及质量稳定；壳型/铁型须及时、定期更换；炉前工艺参数的严格执行；现场操作人员的综合素质保证；技术人员的跟踪、分析、改进等。在ADI曲轴开发研究过程中对该两种铸造工艺生产的毛坯都进行了验证。目前国内对这两种铸造工艺掌握较好的生产厂家，大批量生产的曲轴毛坯铸造内外综合废品率能够控制在3%以内，曲轴毛坯铸件的铸态金相及机械性能可达到表1指标。表1：壳型铸造/铁模覆砂造型曲轴毛坯之铸态金相及机械性能指标球化级别(级)石墨大小(级)珠光体含量%抗拉强度MPa相对延伸率%布氏硬度HBS1～35～865～85700～8504.0～6.0190～2403、ADI曲轴等温淬火工艺参数确定3.1ADI曲轴金相组织及机械性能要求参照国家标准GB/T24733-2009《等温淬火球墨铸铁件》标准，适于用来生产曲轴的ADI牌号及相关的机械性能值如表2。表2：单铸或附铸试块的力学性能牌号铸件主要壁厚抗拉强度屈服强度伸长率A/%3t/mmRm/MPaRp0.2/MPaQTD800-10t≤3080050010QTD900-8t≤309006008QTD1050-6t≤3010507006QTD1200-3t≤3012008503注1：由于铸件的复杂程度和各部分壁厚不同，其性能是不均匀的。注2：经过适当的热处理，屈服强度最小值可按本表规定，而随铸件壁厚增大，抗拉强度和伸长率会降低。注3：字母R表示该牌号有室温（23℃）冲击性能值的要求。注4：如需规定附铸试块型式，牌号后加标记“A”，例如QTD900-8A.注5：材料牌号是按壁厚t≤30mm厚试块测得的力学性能而确定的。3.2曲轴毛坯等温淬火工艺确定根据曲轴实际应用情况，重点选择QTD800-10和QTD1050-6两个牌号进行试验研究。根据拟选ADI牌号QTD800-10和QTD1050-6金相组织及机械性能要求并经过多次对比试验后，确定采用的等温淬火工艺，分两个阶段。第一阶段，铸件预处理—高温石墨化退火：890～930C，保温2.5小时，随炉冷却，得到95%以上铁素体组织，这一阶段的主要目的是消除铸件铸态组织中存在的渗碳体；第二阶段，等温淬火工艺：奥氏体化温度880～920C，保温2小时，等温温度370～390C，保温2小时。随着铁模、壳型铸造技术的推广应用以及铸造工艺的日臻完善，铸态游离渗碳体和磷共晶体完全可控制在3%以下，那直接进行高温奥氏体化后等温淬火处理，工艺曲线如图1所示。将均匀奥氏体化保温后的铸件毛坯，迅速转入等温转变的盐浴炉，以避免产生珠光体。在等温转变的过程中，使针状铁素体形成、长大，更多的碳扩撒到临近的奥氏体中，获得高碳（约1.6～2.4%）奥氏体和针状铁素体的混合组织，其具有高的强韧性及优良的耐磨性，这是ADI所期望的组织，而不是奥氏体加贝氏体。图1：球铁奥氏体等温淬火工艺曲线3.3等温淬火工艺验证4将经等温淬火处理的两型号曲轴，从平衡铁部位取样作金相分析、力学性能检测，结果见表3。其基体组织是类似贝氏体的针状铁素体和奥氏体。表3：ADI-Ⅰ型曲轴QTD800-10和ADI-Ⅱ型曲轴QTD1050-6试验数据序号球化级别(级)石墨级别（级）基体组织抗拉强度MPa延伸率%布氏硬度HBSⅠ-126针状铁素体+奥氏体89012295Ⅰ-226针状铁素体+奥氏体88011.2298Ⅱ-126针状铁素体+奥氏体105410.2303Ⅱ-226针状铁素体+奥氏体104210.83164、ADI曲轴机加工工艺特点4.1ADI曲轴基体硬度特点ADI曲轴基体硬度可达30～35HRC，因此曲轴轴颈不需再进行任何表面强化处理，其轴颈表面耐磨性较珠光体基体球铁曲轴的耐磨性有显著改善，尤其是曲轴经圆角滚压后，轴颈表面与滚压支撑轮在高接触应力作用下使其粗糙度及表层硬度得到进一步改善，这对于经过精加工以后再进行圆角滚压的曲轴效果特别好。资料表明，基体硬度30～35HRC的ADI曲轴轴颈表面耐磨性与经轴颈表面中频淬火的珠光体球铁曲轴45～50HRC的轴颈表面耐磨性相当，该工艺已在美国联合收割机增压机型上得到应用和推广4.2ADI曲轴机加工工艺特点ADI曲轴基体硬度一般控制在30～35HRC，较普通珠光体球铁曲轴基体硬度高。在开发过程中经等温淬火后曲轴基体硬度多集中在305～332HBS，较普通珠光体球铁曲轴基体硬度250～300HBS平均高出50HBS，加工中曲轴磨削过程与普通珠光体球铁曲轴区别不大，但是其车削、钻削及螺纹攻丝等加工难度增大，尤其是曲轴油孔及法兰盘螺纹攻丝工序表现更突出，当使用普通高速钢钻头、丝锥加工ADI曲轴油孔及螺纹孔攻丝时，就会出现较频繁的断钻头、断丝锥现象，且加工效率较低。经对比分析，ADI曲轴屈服强度较普通珠光体球铁曲轴要高，导热系数比普通珠光体球铁曲轴要低，且加工硬化现象明显，这样对加工ADI曲轴所使用的钻头和丝锥的强度及耐热性提出更高要求。经多次试用，采用硬质合金钻头、丝锥加工ADI曲轴油孔、螺纹孔底孔和攻丝时，加工效率及加工质量得到改善。据资料介绍使用硬质合金涂层刀具加工布氏硬度超过305HBS的ADI曲轴效果较好。据国外最新研究结果，由氧化铝和碳化硅组成的合金材料刀具能够满足高硬度ADI曲轴的粗、精加工。总之，ADI曲轴还没有实现大批量生产，对其加工特性及刀具的研究、选用还需要进一步探索。5、ADI曲轴的圆角滚压及系列试验5.1曲轴圆角滚压强化机理5曲轴在发动机中工作时承受很大的弯曲应力和扭转应力。曲拐两内侧圆角过渡处表现为拉应力，主轴圆角过渡处则为压应力；另外，曲轴还承受惯性力矩、输出扭矩、扭振力矩，受力情况十分复杂。曲轴在工作承受交变载荷，圆角过渡处属于薄弱环节，尤其是主轴颈和连杆颈的过渡处更为严重。由于轴颈经过磨削加工后留下的刀痕引起的应力集中，再加之过渡圆角处本身就存在较强的应力集中，在长时间的循环后便会产生裂纹，最终发生疲劳断裂。曲轴的圆角滚压，就是利用滚轮的压力作用，在曲轴的主轴颈和连杆颈过渡圆角处形成一条滚压塑性变形带，这条塑性变形带具有以下特点：（1）产生了残余压应力，可与曲轴在工作时的拉应力抵消或部分抵消，从而提高疲劳强度。（2）硬度提高。滚压使圆角处形成高硬度致密层，使曲轴机械强度和疲劳强度得到提高。（3）表面粗糙度降低。圆角滚压可使圆角表面粗糙度达到Ra0.2以下，从而大大减小了圆角处的应力集中，提高了疲劳强度。5.2圆角滚压强化在ADI曲轴上的试验验证对经加工后的两种型号的ADI曲轴进行了圆角滚压，进行圆角滚压前根据曲轴的结构尺寸、名义工作弯矩及所要求的安全系数等参数进行了具体分析与计算，分别采用了相应的滚压力，圆角滚压后对两种曲轴分别进行了疲劳试验，其中ADI-I曲轴名义工作弯矩为504N.m，曲轴疲劳试验数据见表5。表4：本公司对ADI-I曲轴疲劳试验数据试样编号试验弯矩N.m试验结果循环次数(次)裂纹部位1-1950超越107/1-41000超越107/2-41050超越107/2-21200超越107/3-31500断裂700000连杆轴颈R部3-11400断裂160000连杆轴颈R部4-11250超越107/5-11300断裂230000连杆轴颈R部6-31250断裂550000连杆轴颈R部（