CN101717884A - 等温淬火球铁(adi)增压柴油机六缸曲轴及生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料类。柴油机采用增压技术后，曲轴承受的载荷提高了45-67％。普通球铁的疲劳性能不能满足服役要求，已经被合金钢所取代。本发明等温淬火球铁(ADI)增压柴油机六缸曲轴及生产方法，确定了其化学成分，特别是确定了合金化元素的加入量，对球化率和石墨球数提出了明确的要求。同时确定了等温淬火处理工艺参数。淬火后控制六缸曲轴变形在一定范围内，是该种方法成败的关键措施。设计了专用六缸曲轴淬火用热处理胎具，取得了十分满意的结果。曲轴圆角滚压技术的应用，大大提高了曲轴的疲劳性能。为采用等温淬火球铁制造增压柴油机六缸曲轴做出开拓性的工作，大大降低了六缸曲轴的生产成本。

Description

等温淬火球铁(ADI)增压柴油机六缸曲轴及生产方法

技术领域

本发明涉及金属材料类，特别涉及一种等温淬火球铁(ADI)增压柴油机六缸曲轴及生产方法。

背景技术

柴油机采用增压技术后，曲轴承受的载荷提高了45％-67％，普通球铁的疲劳性能已不能满足服役的要求，面临被合金钢所代替的趋势。球铁等温淬火处理后疲劳性能显著提高，使球铁曲轴继续获得应用。

1、增压柴油机对曲轴材料疲劳强度的要求

增压技术的应用使柴油机的性能明显改善，增压柴油机成了柴油机发展的重要方向。在柴油机中曲轴是一个能量转换和输出功率的重要零件，在服役时曲轴承受高频率、交变动载荷的作用，曲轴主要的失效方式是疲劳断裂，故疲劳强度是曲轴材料最重要性能指标。随柴油机的爆发压力P_Z提高，要求曲轴材料的疲劳强度成正比增加。经过对六缸柴油机曲轴应力分析和疲劳强度计算，当爆发压力为P_Z＝13～15MPa时，某些合金钢如40cr和42CrMo具有这样的疲劳性能。在自然吸气型非增压型柴油机中广泛应用的正火态珠光体球墨铸铁，如QT800-2已不适用。因其疲劳强度仅为280-300MPa。只有ADI材料的疲劳性能能和合金钢相当。ADI成为六缸增压柴油机曲轴理想的材料。

所用ADI制造增压柴油机曲轴的可行性：

技术可行性：

所谓技术可行性就是曲轴材料和曲轴零件的性能都满足服役的要求。目前在我国增压柴油机曲轴材料广泛用的是40cr和42CrMo。其性能如表1所示。

据美国的ASTM897M标准，在实际生产中5种级别的ADI达到的典型性能如表2所示。

表1部分碳钢与合金钢性能表

材料牌号	抗拉强度σb/MPa	屈服强度σ0.2/MPa	疲劳强度σ-1/MPa	伸长率δ％	硬度HB
						45钢	710	355	388	16	229
40Cr	940	785	422	9	207
						42CrMo	1134	930	502	12	217
35CrMo	924	835	431	12	229

材料牌号	抗拉强度σb/MPa	屈服强度σ0.2/MPa	疲劳强度σ-1/MPa	伸长率δ％	硬度HB
						50Crv	1275	1130	747	10	255

表2ADI性能表

级别	材料牌号	抗拉强度σb/MPa	屈服强度σ0.2/MPa	疲劳强度σ-1/MPa	伸长率δ％	硬度HB
							GRADE1	850-850-10	966	759	450	11	269-321
GRADE2	1050-720-07	1139	897	485	10	302-363
							GRADE3	1200-850-04	1311	1104	415	7	341-444
GRADE4	1400-1100-01	1518	1242		5	388-477
							GRADE5	1600-1300-00	1656	1449		3	444-＝555

由表2可见，1～3级ADI其疲劳强度与40Cr、42CrMo相近。试验表明，ADI最高的疲劳强度可达507Mpa。因此从疲劳强度来说，ADI可以满足增压柴油机曲轴的要求。

选择曲轴材料参考以下条件：

$\frac{{\mathrm{\σ}}_J}{{\mathrm{\σ}}_{-1}}=0.9~1.2$

σ_J——据曲轴应力分布计算得出的材料疲劳强度(Mpa)；σ_-1——按标准试样测定的材料疲劳强度(Mpa)。

许多柴油机厂为了避免发生断裂，对曲轴的安全性要求很严，通常规定安全系数n＝1.8～2.0。ADI和其他铸造材料一样，与锻钢相比具有较大的断面敏感性。为此球铁曲轴在生产过程通常采用滚压强化方法。滚压强化的效果与材料的塑性有关，抗拉强度相同时ADI伸长率远高于正火珠光体球铁，这为采用滚压强化方式达到n＝1.8～2.0奠定了基础。据美国联合收割机公司的一项研究报告，型号为202重载汽车V-8柴油机ADI曲轴滚压前后弯曲疲劳强度分别为414Mpa、986Mpa，提高了138％，而采用牌号为5203的普通球铁，滚压后的弯曲疲劳强度仅为669Mpa，ADI曲轴具有更好的滚压强化效果。

生产可能性：

制造ADI曲轴，首先要生产出稳定的高质量球铁曲轴铸件，它是生产ADI曲轴的基础。该铸件应该是无铸造缺陷、化学成分和金相组织合格并且稳定。目前我国多数曲轴生产厂的铸造车间基本实现了电炉熔炼，采用了铁型覆砂、自硬砂、高压造型和壳型铸造，原材料及工艺得到了严格的控制，并拥有比较先进可靠的检测仪器。生产稳定高质量的ADI曲轴铸件是可能的。

确定和执行合适的等温淬火工艺是生产ADI曲轴的关键。自20世纪七十年代以来，大量的信息公开交换，ADI产品不断的开发与应用，球铁等温淬火工艺已经趋于成熟，确定适合的球铁等温淬火工艺已不是难题。而难点在于需要一种能保证稳定进行等温淬火工艺的专用热处理设备。曲轴、齿轮是一类更大批量生产的产品，不但要求具有足够的安全性，还要求有很高的稳定性，采用专用的等温淬火设备可以确保质量稳定性。这种设备在国内已经出现，为大批量生产质量稳定的ADI曲轴创造了有利条件。

通过台架试验及道路试验：

ADI曲轴虽然性能达到增压柴油机的要求，我国又具备批量生产的条件，但能否得到应用，最终取决于台架试验和装车道路试验的结果，试验要按国家有关规定进行，试验的结果需被认可。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等温淬火球铁(ADI)增压柴油机六缸曲轴及生产方法，以解决目前一般球铁六缸曲轴无法满足增压柴油机服役条件的问题。用ADI六缸曲轴代替价格昂贵的的合金钢模锻的六缸曲轴，其中防止六缸曲轴热处理后变形是本发明的关键技术之一。

本发明的技术方案是：确定六缸曲轴化学成分及铸件合金组织控制范围。其球化率一定要严控在2级以上，石墨球数100个/mm²以上，另外要将铸态铸件基体组织中铁素体和珠光体的比例控制在一个恒定的范围内，确保热处理效果稳定；等温淬火处理要在有保护气氛的盐炉生产线上进行，确保铸件热处理后无脱碳层。因为六缸曲轴长990mm，热后极易变形，给加工造成极大的难度，这是本发明专利所要解决的特别重要的一个技术内容：采用高Cr，Ni的奥氏体钢制造专门设计的热处理胎具，能够保证六缸曲轴热处理后变形在固定的范围内；同时采用合理的曲轴圆角滚压工艺。

本发明的生产方法：

1、工艺路线为：

1)、生产出高质量的曲轴铸坯；

2)、对曲轴粗加工、留出合适的加工余量(±0.75mm)；

3)、等温淬火处理；

4)、精加工和圆角滚压。

2、选用废钢增碳的合成铸铁或高纯球铁生铁作为生产等温淬火球铁六缸曲轴的主要金属材料及合金化元素的加入量；在感应电炉内熔炼铁水，在电炉内喷吹氩气以净化铁水；1460°-1500°出炉，进行球化处理和孕育处理。

合金化元素的加入量(占总质量％)

C	SI	Mn	P	S	Mg	Re	Cu	Mo
									3.50-3.70	2.00-3.00	＜0.30	＜0.30	＜0.02	0.04-0.06	＜0.02	0.50-1.00	0.15-0.35

3、曲轴毛坯的金相组织要求：

球化率2级以上；

石墨球数100/mm²；

珠光体和铁素体比例稳定。

4、对曲轴进行粗加工。

5、等温淬火处理在带有可控气氛的盐炉生产线进行；并将曲轴放在防变形的专用热处理胎具内进行。

奥氏体化加热和保温    880°-950℃/1-3h；

等温淬火处理          330°-380℃/1-3h；

热处理后取样、金相检查并打硬度。

6、精加工和圆角滚压。

本发明的优点在于：ADI曲轴的经济效益明显，与合金钢曲轴相比，ADI曲轴重量轻、制造方便、投资少、成本低。与某六缸增压发动机曲轴相比，ADI曲轴毛坯重量降低10.2％，可节约价格很贵的合金钢，减少金属材料的消耗ADI曲轴成品价格约为1300元/支，其ADI曲轴价格约为42CrMo曲轴的一半；比目前已经应用增压柴油机的42CrMo合金钢模锻曲轴重量轻10％，每只曲轴价格便宜1500元，对于一个生产量很大的柴油机厂来说，由于采用ADI曲轴所产生的经济效益是很显著的。是属于高性能金属材料和节能减排很重要的项目。

具体实施方式

大连柴油机厂增压柴油机等温淬火球铁6110六缸曲轴，为本发明的一个应用实施例：

1、曲轴主要尺寸(mm)及服役条件：

曲轴全长	主轴颈直径	连杆轴颈	圆角半径	重垒度
					990	85	70	5	15

服役条件：爆发压力Pz＝15Mpa

安全系数：n＝1.8～2.0

2、合金化元素的加入后化学成分(占总质量％)

C	Si	Mn	p	S	Mg	Re	Cu	Mo
									3.66	2.40	0.16	0.022	0.011	0.042	0.013	0.74	0.23

3、金相组织

球化率    2级

石墨球数  150个/mm²

4、曲轴检测结果：

抗拉强度  σ_b  1070Mpa

伸长率    δ   9％

洛氏硬度  HRc 32

曲轴疲劳弯矩  M_-1＝3300N-M

安全系数  n≈1.9。

Claims (5)

1.一种等温淬火球铁(ADI)增压柴油机六缸曲轴及生产方法，其特征在于：选用废钢增碳的合成铸铁或高纯球铁生铁作为生产等温淬火球铁六缸曲轴的主要金属材料及确定其化学成分范围，特别是合金化元素的加入量，确定六缸曲轴球化处理和孕育处理后铸件合金组织控制范围，在感应电炉内熔炼铁水，在电炉内喷吹氩气净化铁水，1460°-1500°出炉，进行球化处理和孕育处理；等温淬火处理在有保护气氛的盐炉生产线上进行：采用专门设计的热处理胎具，保证六缸曲轴热处理后变形在要求的±0.5mm范围内。

2.依据权利要求1所述的等温淬火球铁(ADI)增压柴油机六缸曲轴及生产方法，其特征在于：六缸曲轴的基本化学成分及合金元素成分(占总质量的％)为：

  C   Si   Mn   p   S   Mg   Re   Cu   Mo   3.5-3.70   2.00-3.00   ＜0.30   ＜0.03   ＜0.02   0.04-0.06   ＜0.02   0.50-1.00   0.15-0.35

球化率2级以上，石墨球数100/mm²以上。

3.依据权利要求1所述的等温淬火球铁(ADI)增压柴油机六缸曲轴及生产方法，其特征在于：等温淬火处理在带有可控气氛的盐炉生产线上进行，其：

奥氏体化加热    880°-950℃，1-3小时；

等温淬火处理    330°-380℃，1-3小时。

4.依据权利要求1所述的等温淬火球铁(ADI)增压柴油机六缸曲轴及生产方法，其特征在于：六缸曲轴淬火处理在专用胎具内进行，热后变形量在要求的±0.5mm范围内。

5.依据权利要求1所述的等温淬火球铁(ADI)增压柴油机六缸曲轴及生产方法，其特征在于：采用合理的圆角滚压工艺。