内燃机曲轴用42CrMoA钢表面压痕产生原因及质量改进

韩 斌, 王 哲, 韩凤军, 马鹏宇, 刘桂江, 潘彦丰

(东北特钢集团 抚顺特殊钢股份有限公司, 抚顺 113001)

曲轴是发动机的重要部件之一[1]，其工作时需要承受气体压力、往复周期性的惯性扭转和挠曲振动带来的交变载荷冲击，因此需要曲轴具有较高的疲劳强度和刚度。曲轴整体锻造是使其具有连续、致密纤维结构和优良力学性能的必要保证[2-5]。42CrMoA钢属于中碳合金结构钢的一种，其疲劳强度较高，淬透性较好，无明显的回火脆性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好，适宜制造高强度、大断面的锻件，如机车牵引用大齿轮，增压器传动齿轮、曲轴以及发动机气缸等。某批次内燃机曲轴用42CrMoA钢棒在曲轴毛坯喷砂后，发现其表面压痕明显，需要增加一次喷砂，严重的甚至需要进行修磨处理，影响了生产进度和曲轴的整体连续性。笔者对不同表面质量曲轴毛坯所对应的不同炉次42CrMoA钢棒进行一系列理化检验，以查明压痕产生的原因。

1 试验材料

曲轴毛坯的生产工艺流程为：锯切下料→(1 260±30)℃感应加热→水除磷→热模锻压力机→切边→扭转→压型→空冷→喷砂。一次喷砂后，曲轴毛坯正常表面及有压痕表面的宏观形貌如图1所示。

图1 曲轴毛坯正常表面及有压痕表面的宏观形貌

经跟踪曲轴毛坯的生产工艺流程，并根据压痕的深度、面积及其覆盖范围，初步判断压痕的产生与棒材加热过程中的氧化铁皮有关，因曲轴毛坯热模锻过程是按节拍控制生产速率的，故可排除加热时间的影响。在正常炉次的圆钢棒材及表面有压痕的圆钢棒材上取样，并分别标记为1#试样(正常炉次)，2#试样(有压痕)。

2 理化检验

2.1 宏观观察

对正常棒材和表面有压痕棒材进行宏观观察，结果如图2所示。由图2可知，正常棒材表面质量较好，以热轧黑皮状态直接交货；而在表面有压痕的棒材表面发现裂纹等缺陷，故对其进行了酸洗和磨光处理，去除了原始热轧态的氧化铁皮。在棒材加工前，受长途运输和露天存储等因素的影响，表面有压痕的棒材表面锈蚀相对严重。

图2 正常棒材和表面有压痕棒材的宏观形貌

2.2 化学成分分析

1#，2#试样化学成分分析结果如表1所示，由表1可以看出，1#，2#试样的化学成分均符合GB/T 3077—2015《合金结构钢》对42CrMoA钢的要求，但2#试样中的S，Al元素含量较1#试样略低，P，Ni，Cu元素含量较1#试样略高。

表1 1#，2#试样的化学成分分析结果 %

2.3 低倍检验

1#，2#试样的低倍组织形貌如图3所示，可见1#试样的锭型偏析较2#试样更加严重，1#，2#试样的偏析程度分别评定为1.0级和0.5级，其余未见明显差异。

图3 1#，2#试样低倍组织形貌

2.4 金相检验

对1#，2#试样进行金相检验，其非金属夹杂物形貌如图4所示，显微组织形貌如图5所示。由图4可以看出，1#试样硫化物类夹杂的级别明显高于2#试样。由图5可以看出，1#，2#试样显微组织相同，均为铁素体+珠光体。

图4 1#，2#试样非金属夹杂物微观形貌

图5 1#，2#试样显微组织形貌

2.5 扫描电镜分析

将1#，2#试样加热后，用扫描电镜(SEM)对其表面的氧化铁皮进行观察，发现1#，2#试样氧化铁皮的组织结构略有差异(见图6)。

图6 1#，2#试样表面氧化铁皮的SEM形貌

3 改进方法

除上述理化检验外，还对1#，2#试样对应炉次的原材料进行了脱碳层、碳偏析、硬度均匀性等测试，发现1#，2#试样的测试结果均无明显差异。结合钢材表面氧化铁皮生成、附着的相关研究[6-10]，从棒材的表面状态和化学成分两个因素考虑并设计试验，以验证这两个因素对曲轴表面压痕的改善效果。

对棒材表面状态和化学成分这两个可能的影响因子，采用多因子、多水平正交试验法设计试验表格，将6组棒材经30 min等长加热时间加热后，用压力为15 MPa的高压水除磷机进行喷淋，对比其氧化铁皮的附着情况，试验方案及验证结果如表2所示。由表2可知，氧化铁皮的附着情况与化学成分呈明显相关性。喷淋后棒材表面氧化铁皮的附着情况如图7所示。

表2 试验方案及验证结果

图7 喷淋后棒材表面氧化铁皮的附着情况

4 结论

(1)曲轴用42CrMoA钢表面压痕的产生与棒材原始表面状态(即粗糙度)无明显相关性。

(2)曲轴用42CrMoA钢表面压痕的产生与棒材原始化学成分呈明显相关性，适当地提高S，Al元素含量和控制P,Ni,Cu元素含量可改善曲轴毛坯表面的压痕情况。