CN100411814C - 微合金钢曲轴轴颈与圆角磨削强化一体工艺 - Google Patents
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Abstract
一种微合金钢曲轴轴颈与圆角磨削强化一体工艺，属金属磨削领域。其特征在于：不经过感应加热表面淬火工艺而直接进行曲轴轴颈与圆角的磨削，其中关键磨削参数为：工件进给速度Vw：0.05～0.6m/min；磨削深度ap：0.1～0.5mm；该工艺利用磨削热替代感应热源对微合金非调质钢曲轴轴颈与圆角表面强化处理，实现磨削加工与表面强化的一体工艺，具有节约能源、效率高、成本低的优点。控制参数，可形成亚微米尺度马氏体组织或纳米尺度马氏体组织以得到更佳的硬度、疲劳强度及耐磨性。
Description
技术领域
本发明涉及一种微合金钢曲轴轴颈与圆角磨削强化一体工艺，属于金属磨削加工技术领域。
背景技术
微合金钢又称微合金非调质钢，是在钢中加入微合金元素钒(V)、铌(Nb)或钛(Ti)，通过控温轧(锻)和控温冷却工艺后获得的力学性能达到了调质钢水平的新型节能钢。利用微合金钢制造机械零件时可省去调质热处理工序，因而也省去了相应的热处理设备，简化了生产工艺，降低了能耗，提高了材料的利用率，降低了制造成本，被当今誉为“绿色钢材”。1970德国Gerlach公司研制出世界上第一个微合金非调质钢钢种49MnVS3，替代CK45钢制造出汽车曲轴，1972年进入工业规模生产。1973年爆发了中东战争，在世界范围产生了石油危机，迫使人们对节能降耗技术十分关注，因此，以节减能耗为特点的微合金非调质钢在先进国家得到迅速的发展，以日本汽车工业为例，到1998年，具有代表性的六个汽车公司的曲轴已普遍使用微合金钢制造。我国微合金钢经过近20年的研究开发与推广应用，目前已有相当比例的汽车曲轴采用微合金钢制造，如上海大众、江铃汽车采用49MnVS3微合金钢制造曲轴，一汽、二汽采用48MnV微合金钢制造曲轴，并呈现出快速增长的态势。
微合金非调质钢具有降低能耗的优点，不过，美中不足的是，微合金非调质钢曲轴的制造虽然摆脱了调质热处理工序，但曲轴轴颈与圆角的表面强化处理，仍然需要采用传统的高频或中频感应加热淬火工艺。国内外许多钢厂和汽车制造厂迫切希望微合金非调质钢的表面强化处理能在切(磨)削加工过程中自然形成，从而使微合金非调质钢结构零件在制造过程中彻底摆脱掉热处理工序。事实上，表面感应加热淬火后的微合金非调质钢曲轴轴颈与圆角表面一般还要进行磨削加工，以获得所要求的尺寸精度、形状精度和表面质量。磨削一般总要消耗比切削高得多的能量，以去除单位体积碳钢计算，磨削比能常高达60～200J/mm3，而切削比能仅在8～10J/mm3。磨削时额外消耗的大量能量最终几乎都转化成了热能，其中约有60～95％(普通切削时仅为10％)的热能进入工件并聚集在工件表面层内，在表层形成极大的温度梯度，从而引起已淬硬工件材料表层相变、塑性变形、显微裂纹及残余应力等，对工件的强度、硬度、疲劳强度、耐磨性等有很大影响。由此可见，目前国内外普遍采用的先将非调质钢曲轴轴颈与圆角表面感应淬火强化处理，然后再磨削加工的工艺至少存在以下弊端：一是零件在表面淬火后所进行的磨削加工可能会对已淬硬表层造成热损伤；二是磨削产生的大量热能没能很好利用；三是能耗大，工艺路线长，生产效率低，制造成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微合金钢曲轴轴颈与圆角磨削强化一体工艺，以省去现有技术中感应加热表面淬火工序，降低能耗，简化工艺，消除磨削热产生的消极作用，充分有效地利用磨削热形成强化层，提高耐磨特性与疲劳强度。
一种微合金钢曲轴轴颈与圆角磨削强化一体工艺，包括以下步骤：
(1)、完成曲轴磨削加工前序工序，并保留单边磨削余量，以备不经过感应加热表面淬火工艺而直接进行磨削；
(2)、将曲轴安装在曲轴轴颈与圆角专用磨床上；
(3)、成型修整砂轮；
(4)、粗磨，并确保磨削强化时的磨削深度均匀；
其特征在于还包括以下步骤：
(5)、磨削强化曲轴轴颈与圆角，其中磨削强化参数为：
工件进给速度Vw：0.05～0.6m/min；
磨削深度ap：0.1～0.5mm；
砂轮：刚玉砂轮，磨料粒度60#～100#；
砂轮速度Vs：20～50m/s；
冷却方式：干磨或乳化液或低温气体；
磨削方式：切入式顺磨或逆磨；
砂轮修整：金刚石修整笔；
(6)、精密磨削，达到要求。
本发明提供利用磨削加工中的磨削热替代感应热源对微合金非调质钢曲轴轴颈与圆角表面进行强化处理，即将磨削加工与表面强化复合为一体的工艺方法。省去了感应加热表面淬火工序与热处理设备，降低了能耗，简化了生产工艺，主动消除了磨削热产生的消极作用，充分有效地利用了磨削热，形成亚微米尺度马氏体组织，显微硬度可达HV700～HV1500；也可以形成纳米尺度马氏体组织(长度＜100nm)，显微硬度高达HV1500以上，甚至HV4000以上。残余应力为压应力，硬化深度可达1.5mm以上。疲劳强度与耐磨性比感应淬火明显提高。
附图说明
图1是具体实施例1中磨削强化层放大400倍的显微硬度图。
图2是具体实施例1中磨削完全硬化区放大800倍的金相组织形貌照片。其中图2(a)为表面层；图2(b)为中间层；图2(c)为里层。
图3是具体实施例1中过渡区放大800倍的金相组织形貌照片。
具体实施方式
微合金钢曲轴轴颈与圆角表面的磨削强化处理工艺，其具体实施步骤如下：
(1)、完成曲轴磨削加工前序工序，并保留单边磨削余量，以备不经过感应加热表面淬火工艺而直接进行磨削；
(2)、将曲轴安装在曲轴轴颈与圆角专用磨床上；
(3)、成型修整砂轮；
(4)、粗磨，以确保磨削强化时的磨削深度均匀；
(5)、磨削强化曲轴轴颈与圆角，其中磨削强化参数为：
工件进给速度Vw：0.05～0.6m/min；
磨削深度ap：0.1～0.5mm；
砂轮：刚玉砂轮，磨料粒度60#～100#；
砂轮速度Vs：20～50m/s；
冷却方式：干磨、乳化液、液氮等低温气体；
磨削方式：切入式顺磨或逆磨；
砂轮修整：金刚石修整笔；
(6)、精密磨削，达到要求。
磨削强化参数与强化效果对应关系为：
(1)、在给定的工件进给速度Vw：0.05～0.6m/min范围内，低的或高的工件进给速度都不能获得最大的硬化层深度，最佳强化效果对应进给速度范围的中间处；
(2)、在给定的磨削深度ap：0.1～0.5mm范围内，硬化层深度随磨削深度的增加而增大，但过大的磨削深度易导致砂轮堵塞，最佳磨削深度为0.3mm左右；
(3)、砂轮的线速度对磨削硬化深度的影响不大，但对硬化层的组织形貌影响较大，进而影响硬化层的耐磨性与疲劳强度，较佳的砂轮速度为25～30m/s；
(4)、冷却方式的不同对强化效果影响较大，干磨可以获得最大的硬化层厚度，但表面粗糙度大，易氧化；液氮冷却表面无氧化，但硬化层厚度较小；乳化液冷却可以获得较好的综合强化效果。
该磨削强化工艺实施方式不仅适用于微合金钢曲轴轴颈与圆角，也同样适用于任何其它既需要感应淬火又要磨削加工的钢制零件。
下面按照前述具体实施步骤列举几个具体实施例：
实施例1(最佳实施方式)
表1 实施例1的磨削强化参数
| 磨床 | 曲轴轴颈与圆角专用磨床 |
| 砂轮 | 刚玉砂轮，磨料粒度80# |
| 曲轴材料 | 48MnV |
| 砂轮速度v<sub>s</sub>/m/s | 25m/s |
| 工件进给速度v<sub>w</sub>/m/min | 0.2m/mi n |
| 磨削深度a<sub>p</sub>/mm | 0.3mm |
| 冷却方式 | 乳化液 |
| 磨削方式 | 切入式顺磨或逆磨 |
| 砂轮修整 | 金刚石修整笔 |
下面结合实施例1的磨削强化后的48MnV微合金钢曲轴轴颈与圆角的金相组织照片(附图1～3)，对本发明进一步说明磨削强化效果及强化机理。
图1是本发明的磨削强化层显微硬度图。三点的硬度值从上到下依次为HV4094.5、HV3524.3、HV840.1(HRC64.5)，表层厚约70μm的点状黑色区域为超级硬化区，显微硬度高达HV1500以上，压痕四周呈现出的塑性变形表明超硬强化层硬而不脆，具有超级耐磨特性和疲劳强度。超级硬化区下方的白色区域为通常的硬化区，显微硬度可达HV700～HV1500，硬化深度可达1.5mm以上。
图2是完全硬化区放大800倍的金相组织形貌照片，组织为针状马氏体，但针状马氏体的大小、粗细沿硬化层深度方向并不相同。如图2(a)所示，表面层是细小(纳米尺度)均匀的针状马氏体；如图2(b)所示，中间层是略微粗大均匀的针状马氏体；如图2(c)所示，里层是比中间层略微细小均匀的针状马氏体。完全硬化区针状马氏体组织形貌由表及里呈现出“细→粗→细”的变化规律。而感应加热表面淬火的完全硬化区马氏体组织通常呈现出“粗→细”的变化规律。
在材料一定时，磨削强化组织及其性能取决于磨削升温速度、最高温度、温度作用时间及冷却速度。也与砂轮作用下的机械应力场在工件表层形成的弹塑性变形密切相关，因为外加应力场对马氏体形核、长大及最后组织影响非常大。
组织形貌呈现出“细→粗→细”变化规律的原因，是由于磨削强化的升降温速度快，Ac3以上磨削温度作用时间短，为使材料表层组织完全奥氏体化，磨削强化温度通常高于感应淬火温度，奥氏体形核率因此提高。另外，砂轮对工件表层的滑檫、刻划、切削增加了相界面上碳浓度分布的不均匀性，加大了位错密度和原子排列不规则性，材料表面层处于能量较高的状态，容易获得奥氏体形核所需要的浓度起伏、结构起伏和能量起伏，进一步加快了奥氏体形核率，使得形成的奥氏体晶粒较为细小。温度场与机械应力场偶合作用的最终结果不仅可以形成细粒度的奥氏体，而且奥氏体晶粒的亚结构中含有大量位错与孪晶，这种亚结构在快速冷却至马氏体相变温度时能够增加马氏体形核数量，抑制马氏体的长大，最终形成细小的针状马氏体。这是与感应加热表面淬火表面层组织形成机理不同的地方，也是形成纳米尺度马氏体超硬强化层的主要原因。
在中间层，加热温度仍处于较高水平，但因机械应力场的影响较小，奥氏体晶粒亚结构中位错密度降低。另外，中间层冷却时间相对较长，奥氏体晶粒的扭曲变形容易得到恢复。综合作用的结果，马氏体容易长大，得到略微粗大的马氏体组织。
在距表面更深的里层，由于磨削力影响极小或无影响，奥氏体晶粒度大小仅与加热温度有关。虽然该区域加热温度低，但仍高于Ac3，因而形成了更为细小的马氏体组织。
图3是过渡区与基体交叉区的组织形貌。过渡区加热温度为Ac1～Ac3，高温状态下是奥氏体和铁素体，淬火后得到马氏体和铁素体，马氏体比完全硬化区里层的马氏体更加细小。过渡区的下方加热温度低于Ac1，未发生奥氏体转变，强化后为原始基体组织珠光体+铁素体，其中网状白色区域为铁素体。
另外，从图2可以看出，完全硬化区组织致密，无裂纹出现，其原因是高温下的奥氏体在迅速冷却后转变为马氏体，马氏体的比容比奥氏体大，转变为马氏体的区域膨胀，结果表现出残余压应力，砂轮的机械作用也会在工件表层形成残余压应力。通常磨削强化后的残余应力分布类似于表面感应淬火后的残余应力分布，强化层为残余压应力。因此，磨削强化工艺可提高工件材料的疲劳强度。
实施例2
表2 实施例2的磨削强化参数
| 磨床 | 曲轴轴颈与圆角专用磨床 |
| 砂轮 | 刚玉砂轮，磨料粒度60<sup>#</sup>， |
| 曲轴材料 | 48MnV、49MnVS3微合金非调质钢 |
| 砂轮速度v<sub>s</sub>/m/s | 25 |
| 工件进给速度v<sub>w</sub>/m/min | 0.05 |
| 磨削深度a<sub>p</sub>/mm | 0.1 |
| 冷却方式 | 乳化液 |
| 磨削方式 | 切入式顺磨或逆磨 |
| 砂轮修整 | 金刚石修整笔 |
在表2所示实施例中，可形成厚度大于0.6mm的马氏体强化层，强化层的显微硬度最高可达HV900以上，表面残余应力为压应力。
实施例3
表3 实施例3的磨削强化参数
| 磨床 | 曲轴轴颈与圆角专用磨床 |
| 砂轮 | 刚玉砂轮，磨料粒度60<sup>#</sup>， |
| 曲轴材料 | 48MnV、49MnVS3微合金非调质钢 |
| 砂轮速度v<sub>s</sub>/m/s | 25 |
| 工件进给速度v<sub>w</sub>/m/min | 0.05 |
| 磨削深度a<sub>p</sub>/mm | 0.5 |
| 冷却方式 | 乳化液 |
| 磨削方式 | 切入式顺磨或逆磨 |
| 砂轮修整 | 金刚石修整笔 |
在表3所示实施例中，可形成厚度大于1.4mm的马氏体强化层，强化层的显微硬度最高可达HV900以上，表面残余应力为压应力。
实施例4
表4 实施例4的磨削强化参数
| 磨床 | 曲轴轴颈与圆角专用磨床 |
| 砂轮 | 刚玉砂轮，磨料粒度60<sup>#</sup> |
| 曲轴材料 | 48MnV、49MnVS3微合金非调质钢 |
| 砂轮速度v<sub>s</sub>/m/s | 25 |
| 工件进给速度v<sub>w</sub>/min | 0.6 |
| 磨削深度a<sub>p</sub>/mm | 0.1 |
| 冷却方式 | 乳化液 |
| 磨削方式 | 切入式顺磨或逆磨 |
| 砂轮修整 | 金刚石修整笔 |
在表4所示实施例中，可形成厚度大于0.4mm的马氏体强化层，强化层的显微硬度最高可达HV800以上，表面残余应力为压应力。
实施例5
表5 实施例5的磨削强化参数
| 磨床 | 曲轴轴颈与圆角专用磨床 |
| 砂轮 | 刚玉砂轮，磨料粒度60<sup>#</sup> |
| 曲轴材料 | 48MnV、49MnVS3微合金非调质钢 |
| 砂轮速度V<sub>s</sub>/m/s | 25 |
| 工件进给速度v<sub>w</sub>/m/min | 0.6 |
| 磨削深度a<sub>p</sub>/mm | 0.5 |
| 冷却方式 | 乳化液 |
| 磨削方式 | 切入式顺磨或逆磨 |
| 砂轮修整 | 金刚石修整笔 |
在表5所示实施例中，可形成厚度大于1.3mm的马氏体强化层，强化层的显微硬度最高可达HV850以上，表面残余应力为压应力。
实施例6
表6 实施例6的磨削强化参数
| 磨床 | 曲轴轴颈与圆角专用磨床 |
| 砂轮 | 刚玉砂轮，磨料粒度100<sup>#</sup> |
| 曲轴材料 | 48MnV、49MnVS3微合金非调质钢 |
| 砂轮速度v<sub>s</sub>/m/s | 20 |
| 工件进给速度v<sub>w</sub>/m/min | 0.05 |
| 磨削深度a<sub>p</sub>/mm | 0.1 |
| 冷却方式 | 乳化液 |
| 磨削方式 | 切入式顺磨或逆磨 |
| 砂轮修整 | 金刚石修整笔 |
在表6所示实施例中，可形成厚度大于0.7mm的马氏体强化层，强化层的显微硬度最高可达HV850以上，表面残余应力为压应力。
实施例7
表7 实施例7的磨削强化参数
| 磨床 | 曲轴轴颈与圆角专用磨床 |
| 砂轮 | 刚玉砂轮，磨料粒度100<sup>#</sup> |
| 曲轴材料 | 48MnV、49MnVS3微合金非调质钢 |
| 砂轮速度v<sub>s</sub>/m/s | 20 |
| 工件进给速度v<sub>w</sub>/m/min | 0.6 |
| 磨削深度a<sub>p</sub>/mm | 0.5 |
| 冷却方式 | 乳化液 |
| 磨削方式 | 切入式顺磨或逆磨 |
| 砂轮修整 | 金刚石修整笔 |
在表7所示实施例中，可形成厚度大于1.5mm的马氏体强化层，强化层的显微硬度最高可达HV850以上，表面残余应力为压应力。
实施例8
表8 实施例8的磨削强化参数
| 磨床 | 曲轴轴颈与圆角专用磨床 |
| 砂轮 | 刚玉砂轮，磨料粒度100<sup>#</sup> |
| 曲轴材料 | 48MnV、49MnVS3微合金非调质钢 |
| 砂轮速度v<sub>s</sub>/m/s | 50 |
| 工件进给速度v<sub>w</sub>/m/min | 0.05 |
| 磨削深度a<sub>p</sub>/mm | 0.1 |
| 冷却方式 | 乳化液 |
| 磨削方式 | 切入式顺磨或逆磨 |
| 砂轮修整 | 金刚石修整笔 |
在表8所示实施例中，可形成厚度大于0.8mm的马氏体强化层，强化层的显微硬度最高可达HV850以上，表面残余应力为压应力。
实施例9
表9 实施例9的磨削强化参数
| 磨床 | 曲轴轴颈与圆角专用磨床 |
| 砂轮 | 刚玉砂轮，磨料粒度100<sup>#</sup> |
| 曲轴材料 | 48MnV、49MnVS3微合金非调质钢 |
| 砂轮速度v<sub>s</sub>/m/s | 50 |
| 工件进给速度v<sub>w</sub>/m/min | 0.6 |
| 磨削深度a<sub>p</sub>/mm | 0.5 |
| 冷却方式 | 乳化液 |
| 磨削方式 | 切入式顺磨或逆磨 |
| 砂轮修整 | 金刚石修整笔 |
在表9所示实施例中，可形成厚度大于1.6mm的马氏体强化层，强化层的显微硬度最高可达HV850以上，表面残余应力为压应力。
Claims (2)
1. 一种微合金钢曲轴轴颈与圆角磨削强化一体工艺，包括以下步骤：
(1)、完成曲轴磨削加工前序工序，并保留单边磨削余量，以备不经过感应加热表面淬火工艺而直接进行磨削；
(2)、将曲轴安装在曲轴轴颈与圆角专用磨床上；
(3)、成型修整砂轮；
(4)、粗磨，并确保磨削强化时的磨削深度均匀；
其特征在于还包括以下步骤：
(5)、磨削强化曲轴轴颈与圆角，其中磨削强化参数为：
工件进给速度VW：0.05～0.6m/min；
磨削深度ap：0.1～0.5mm；
砂轮：刚玉砂轮，磨料粒度60#～100#；
砂轮速度VS：20～50m/s；
冷却方式：干磨或乳化液或低温气体；
磨削方式：切入式顺磨或逆磨；
砂轮修整：金刚石修整笔；
(6)、精密磨削，达到要求。
2. 根据权利要求1所述的微合金钢曲轴轴颈与圆角磨削强化一体工艺，其特征在于所述的磨削强化曲轴轴颈与圆角这一步骤，其中磨削强化参数为：
工件进给速度VW：0.2m/min；
磨削深度ap：0.3mm；
砂轮：刚玉砂轮，磨料粒度80#；
砂轮速度VS：25m/s；
冷却方式：乳化液。
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| 曲轴轴颈圆角磨削工艺试验. 吴奎兴.汽车工艺与材料，第03期. 1988 |
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