50Cr Mo4曲轴热处理工艺研究与应用

2011-08-03 03:19李晓霞

铁道机车车辆 2011年10期

李晓霞

（大连机车车辆有限公司热处理车间，辽宁大连116022）

曲轴是发动机的主要零件之一，用来将活塞的往复运动转变为旋转运动。在发动机应用领域日益扩大的今天，曲轴新产品的开发研究具有广阔的前景。曲轴主要承受复杂的弯曲—扭转载荷和一定的冲击载荷，因此，曲轴通常采用高强度的球墨铸铁或优质、高强度的中碳合金钢制成（45钢、35Cr Mo，42Cr Mo等）。50Cr Mo4是一种优质合金结构钢，具有较好的综合机械性能，目前被国内外广泛应用，公司技术贸易合作产品16RK270柴油机曲轴采用50Cr Mo4钢。因此，对50Cr Mo4钢曲轴热处理工艺进行分析研究具有重大的现实意义。图1为16RK270曲轴结构图。

图1 16RK270曲轴结构图

1 试验材料及方法

试验采用50Cr Mo4曲轴以及同材质试块为试验对象，试块尺寸为φ240 mm×200 mm。经化学分析，钢材的成分符合要求，见表1。

曲轴热处理后的试样和曲轴的金相组织分析是在XJL－02 A或XJG－05显微镜上进行，所采用的浸蚀剂为4%硝酸酒精溶液；硬度的检测是根据GB／T231－84《金属布氏硬度试验方法》在HR－150 A洛氏硬度计上进行的；拉伸性能和冲击性能的检测分别是根据GB／T228－2002《金属材料室温拉伸试验方法》和GB／T229－1994《金属夏比缺口冲击试验方法》在 WE－10 A或AG－250 KNISMO和JB－30B冲击试验机上进行的。为了使50Cr Mo4曲轴应用在船用柴油机上，根据中国船级社《材料与焊接规范》［1］要求，热处理后曲轴的性能要求见表2。

曲轴热处理工艺规范的确定包括淬火温度、回火温度和淬火冷却方式。为获取最佳的调质处理工艺方案，使曲轴性能满足要求，采用5种方案进行试验。

表1 试验用钢的化学成分［2］（质量分数%）

表2 试验用钢热处理技术要求

通过对5种工艺处理后的试样进行金相组织、晶粒度、硬度和力学性能的检测，并综合分析试验结果，筛选出最佳热处理工艺。为保证试验结果的准确性和重复性，选用试样进行了复验，并进一步对最佳调质处理工艺进行微调。

2 试验过程

船用柴油机所用曲轴由于承受载荷极大，转速不是很高，所以在尺寸和质量上高出普通曲轴很多。因此50Cr Mo4钢曲轴在淬火加热时，应严格控制淬火加热速度，以避免温差过大进一步扩大内部原有的缺陷。在加热过程中，表面和芯部会出现两次温差高峰。因而，曲轴很容易在芯部形成裂纹或使原有的显微裂纹扩大，故采用阶梯方式加热，确保工件开裂与变形倾向很小。通过试验得出了最佳加热速度和透热保温时间。此外，在两个曲柄间用圆钢轻微点焊以防止热处理过程中曲柄的变形。

3 试验结果及分析

（1）热处理工艺对硬度的影响

钢的硬度随回火温度的上升而下降，分析原因，50Cr Mo4钢的含碳量较高，在ε碳化物析出时硬度略有上升［3］。是含有强碳化物形成元素的合金钢，在≥500℃回火时渗碳体溶解，形成细小、弥散分布的合金碳化物，发生“二次硬化”导致硬度上升。

（2）热处理工艺对力学性能的影响

50Cr Mo4钢随回火温度的增加，抗拉强度和屈服强度值下降，伸长率、收缩率和冲击功增加。与技术要求相比，屈服强度、伸长率、收缩率和冲击功比较容易满足要求，但是抗拉强度要求很高，若回火温度过高，则达不到要求，如640℃回火抗拉强度低于技术要求。随着回火温度的降低抗拉强度有明显的升高，但是试块硬度过高，超出技术要求，严重影响热处理后的机械加工性能。

由于50Cr Mo4钢含碳量较高，导致了高温回火后强度下降塑性上升。另外，合金元素对材料力学性能也有很大影响，能有效的提高钢的淬透性和韧性。50Cr Mo4钢中含有很多合金元素，如铬、镍、锰等，铬和锰主要提高淬透性，铬和镍组合可有效的提高淬透性并很好的改善回火马氏体的韧性［4］。由于50Cr Mo4钢中加入了少量的钒，细化奥氏体晶粒，使钢具有了较好的强韧性。

根据以上试验结果，综合分析得出50Cr Mo4钢经此热处理后获得了比较良好的机械性能。为了验证工艺的可行性与准确性，用3根曲轴实物进行工艺验证。同时，为了保证达到技术要求，将回火温度降低10℃，以适当的提高抗拉强度。

（3）工艺可行性验证

将50Cr Mo4钢曲轴按照调整后的工艺进行热处理，检测其表面硬度和各项力学性能，结果表3。

硬度梯度检测结果如表4。

检测金相组织，为回火索氏体。晶粒度为6～7级（图2）。