乘用車曲軸控溫冷卻工藝研究

文／王影，曹國輝，許長林，劉念·一汽鍛造（吉林）有限公司

本文通過對非調(diào)質(zhì)鋼乘用車曲軸加熱溫度、控溫冷卻工藝及38MnVS6材料乘用車曲軸硬度與性能對應關系的研究，找到適合曲軸的加熱溫度、控溫冷卻工藝及硬度控制范圍，實現(xiàn)了曲軸的批量生產(chǎn)。

目前，非調(diào)質(zhì)鋼在汽車等行業(yè)的應用已日趨廣泛。由于非調(diào)質(zhì)鋼最終不經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，節(jié)約了調(diào)質(zhì)處理所需的能源、提高了生產(chǎn)率、提升了產(chǎn)品質(zhì)量，大幅度的降低了鍛件的成本；同時，有利于鍛件的機加工，是節(jié)約能源，保護環(huán)境的一種有效的工藝方法。乘用車曲軸也已經(jīng)開始使用非調(diào)質(zhì)鋼，但是由于國內(nèi)對曲軸控溫冷卻研究數(shù)據(jù)較少，同時客戶只提供給我司性能要求，我們必須將性能要求轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)現(xiàn)場可控的硬度要求，因此，有必要對曲軸38MnVS6材料非調(diào)質(zhì)鋼控溫冷卻工藝進行研究，并找到此材料曲軸的硬度與性能對應關系，為曲軸38MnVS6材料非調(diào)質(zhì)鋼的生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。

試驗方法

本文主要通過對不同加熱溫度下空冷試樣進行硬度測定及38MnVS6非調(diào)質(zhì)鋼在不同溫度下空冷得到的組織形貌，確定38MnVS6非調(diào)質(zhì)鋼曲軸的電加熱溫度；通過對空冷和風冷后試樣的顯微組織及硬度檢驗，確定控溫冷卻工藝；通過大量的實際測量數(shù)據(jù)，找到硬度與強度的對應關系，將機械性能轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)場可控的硬度要求。

試驗過程

曲軸產(chǎn)品的要求如表1所示，38MnVS6材料化學成分要求如表2所示。

表1 曲軸產(chǎn)品要求

對不同加熱溫度下空冷試樣進行硬度測定，取3點的平均值，結果如圖1所示。在950～1050℃溫度范圍內(nèi)，硬度隨溫度升高而快速升高，這說明38MnVS6中的V在奧氏體中的固溶隨溫度的升高而增多，在隨后的冷卻過程中彌散析出V的碳(氮)化物，彌散強化作用增加。在1100～1220℃溫度區(qū)間，硬度升高趨勢變緩，表明在1050℃左右時，鋼中的V已全部溶入奧氏體中，硬度的升高是由于冷卻時珠光體比例增大所致。在1220～1300℃溫度范圍內(nèi)，硬度隨溫度升高而快速降低，造成這種現(xiàn)象的原因主要是析出的V的碳化物又聚集長大，彌散強化作用減弱。

表2 38MnVS6材料化學成分要求

圖1 不同加熱溫度下硬度變化曲線

圖2所示為38MnVS6非調(diào)質(zhì)鋼在不同溫度下空冷得到的組織形貌。1000℃時組織仍保持細晶粒狀態(tài)，表明在該溫度下鋼中仍有較多的V未溶解，釘扎晶界作用明顯，如圖2（a）所示；1050℃時，局部區(qū)域晶粒急劇長大，呈混晶形態(tài)，如圖2（b）所示；至1150℃時晶粒已全面長大，如圖2（c）所示；隨著溫度的升高晶粒繼續(xù)增大，如圖2（d）所示。表明1050℃溫度下，V開始大量溶解，且在1050～1100℃溫度范圍內(nèi)，已全部溶入奧氏體中，對晶界的釘扎作用消失，晶粒開始快速長大。由上述分析可知，38MnVS6非調(diào)質(zhì)鋼的鍛造加熱溫度一般在1050℃以上時，其V可全部溶入奧氏體中，實現(xiàn)彌散強化，但當溫度達1200℃以上時，V的碳氮化物顆粒將長大，彌散強化作用減弱，鋼的硬度、強度開始下降。因此，加熱溫度最好選擇在1200℃以下，但要想鍛打充滿情況好，加熱溫度的下限溫度為1180℃，20℃的電加熱范圍太窄，現(xiàn)場無法控制。故與鋼廠研究加入Ti元素，細化晶粒。Ti元素細化晶粒的加熱溫度可以達到1250℃；根據(jù)實際晶粒度檢驗情況確定鍛打加熱溫度為1180～1220℃。

圖2 38MnVS6非調(diào)質(zhì)鋼在不同溫度下空冷的組織形貌

經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，空冷和風冷后試樣的顯微組織均為珠光體和鐵素體，與空冷相比，風冷試樣的顯微組織鐵素體平均尺寸減小，而鐵素體百分含量相差不大，即鐵素體分布變得更加彌散。這是由于冷卻速度加快引起相變過冷度增大，使先共析鐵素體形核率增加，從而形成較多細小鐵素體顆粒。細小彌散分布的鐵素體顆粒有利于提高鋼的塑韌性。此外，風冷得到的珠光體組織片間距較空冷小，有利于硬度的提高。

故鍛后先進行快速冷卻，以獲得較細的晶粒度，在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)進行緩慢冷卻，起到均勻組織和增加塑性的作用。根據(jù)38MnVS6的冷卻曲線（圖3），即先進行風冷，再在600℃左右進行保溫緩慢冷卻，再進行空冷，取得了良好的效果。

圖3 38MnVS6的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

曲軸控溫冷卻設備為輸送帶形式，如圖4所示。采用的控溫冷卻工藝為：鍛打后直接進入控溫冷卻設備，風冷至500～600℃后保溫10分鐘，然后空冷至300℃后入箱。

圖4 曲軸控溫冷卻設備

圖5 曲軸延伸率與硬度對應圖

圖6 曲軸抗拉強度與硬度對應圖

試驗結果及分析

客戶只提供給我司性能要求，通過試驗我們將性能要求轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)現(xiàn)場可控的硬度要求，檢驗硬度與性能對應關系如表3所示。

根據(jù)以上試驗結果，屈服強度（Rp0.2）及斷面收縮率(Z)在實驗室檢驗過程中不存在不合格狀況，故未作圖表分析；將延伸率（A）及硬度的關系做折線圖表示，從圖5中可以看出，當硬度dB＜3.6mm時，A不合格，dB≥3.6mm時，A合格。為加嚴控制，將硬度確定為dB≥3.64mm。

將抗拉強度(Rm)及硬度的關系做折線圖表示，從圖6中可以看出，當硬度dB＜3.51mm時，Rm不合格，dB＞3.87mm時，Rm不合格。當硬度在dB=3.51～3.87mm之間時Rm合格。為加嚴控制，故生產(chǎn)中將硬度范圍確定為dB=3.64～3.84mm。

結論

⑴38MnVS6非調(diào)質(zhì)鋼曲軸的鍛打加熱溫度確定為1180～1220℃。

⑵控溫冷卻工藝為：曲軸切邊后風冷至溫度為500～600℃后保溫10分鐘，然后空冷至300℃后入箱。

表3 檢驗硬度與性能對應關系

⑶確定曲軸的硬度范圍為dB=3.64～3.84mm。

⑷此曲軸工藝穩(wěn)定，已經(jīng)量產(chǎn)。