摘 要:針對某批次內燃機曲軸用42CrMoA 鋼棒毛坯噴砂后其表面壓痕明顯的問題,采用宏觀 觀察、化學成分分析、低倍檢驗、金相檢驗及掃描電鏡分析等方法,對不同表面質量曲軸毛坯所對應 的不同爐次42CrMoA 鋼棒進行了研究,并設計了改進試驗方案。結果表明:曲軸表面壓痕的產生 與棒材原始表面粗糙度無關,而與棒材原始化學成分有關。適當地提高S,Al元素含量,并控制 P, Ni,Cu元素含量可改善曲軸毛坯表面的壓痕情況。

(資料圖)

關鍵詞:42CrMoA 鋼;曲軸;壓痕;化學成分

中圖分類號:TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)09-0045-04

曲軸是發動機的重要部件之一[1],其工作時需 要承受氣體壓力、往復周期性的慣性扭轉和撓曲振 動帶來的交變載荷沖擊,因此需要曲軸具有較高的 疲勞強度和剛度。曲軸整體鍛造是使其具有連續、 致密 纖 維 結 構 和 優 良 力 學 性 能 的 必 要 保 證[2-5]。 42CrMoA 鋼屬于中碳合金結構鋼的一種,其疲勞強 度較高,淬透性較好,無明顯的回火脆性,調質處理 后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力,低溫沖擊 韌性良好,適宜制造高強度、大斷面的鍛件,如機車 牽引用大齒輪,增壓器傳動齒輪、曲軸以及發動機氣 缸等。某批次內燃機曲軸用42CrMoA 鋼棒在曲軸 毛坯噴砂后,發現其表面壓痕明顯,需要增加一次噴 砂,嚴重的甚至需要進行修磨處理,影響了生產進度 和曲軸的整體連續性。筆者對不同表面質量曲軸毛 坯所對應的不同爐次42CrMoA 鋼棒進行一系列理 化檢驗,以查明壓痕產生的原因。

1 試驗材料

曲軸 毛 坯 的 生 產 工 藝 流 程 為:鋸 切 下 料 → (1260±30)℃感應加熱→水除磷→熱模鍛壓力機→ 切邊→扭轉→壓型→空冷→噴砂。一次噴砂后,曲軸 毛坯正常表面及有壓痕表面的宏觀形貌如圖1所示 。

經跟蹤曲軸毛坯的生產工藝流程,并根據壓痕 的深度、面積及其覆蓋范圍,初步判斷壓痕的產生與 棒材加熱過程中的氧化鐵皮有關,因曲軸毛坯熱模 鍛過程是按節拍控制生產速率的,故可排除加熱時 間的影響。在正常爐次的圓鋼棒材及表面有壓痕的 圓鋼 棒 材 上 取 樣 ,并 分 別 標 記 為1 # 試 樣(正 常 爐次),2 # 試樣(有壓痕)。

2 理化檢驗

2.1 宏觀觀察

對正常棒材和表面有壓痕棒材進行宏觀觀察, 結果如圖2所示。由圖2可知,正常棒材表面質量 較好,以熱軋黑皮狀態直接交貨;而在表面有壓痕的 棒材表面發現裂紋等缺陷,故對其進行了酸洗和磨 光處理,去除了原始熱軋態的氧化鐵皮。在棒材加 工前,受長途運輸和露天存儲等因素的影響,表面有 壓痕的棒材表面銹蝕相對嚴重。

2.2 化學成分分析

1 # ,2 # 試樣化學成分分析結果如表1所示,由 表1可以看出,1 # ,2 # 試樣的化學成分均符合 GB/ T3077—2015 《合金結構鋼》對 42CrMoA 鋼的要 求,但2 # 試樣中的 S,Al元素含量較1 # 試樣略低, P,Ni,Cu元素含量較1 # 試樣略高。

2.3 低倍檢驗

1 # ,2 # 試樣的低倍組織形貌如圖3所示,可見 1 # 試樣的錠型偏析較2 # 試樣更加嚴重,1 # ,2 # 試樣 的偏析程度分別評定為1.0級和0.5級,其余未見明顯差異。

2.4 金相檢驗

對1 # ,2 # 試樣進行金相檢驗,其非金屬夾雜物 形貌如圖 4 所 示,顯 微 組 織 形 貌 如 圖 5 所 示。由 圖4可以看出,1 # 試樣硫化物類夾雜的級別明顯高 于2 # 試樣。由圖5可以看出,1 # ,2 # 試樣顯微組織 相同,均為鐵素體+珠光體。

2.5 掃描電鏡分析

將1 # ,2 # 試樣加熱后,用掃描電鏡(SEM)對其 表面的氧化鐵皮進行觀察,發現1 # ,2 # 試樣氧化鐵 皮的組織結構略有差異(見圖6)。

3 改進方法

除上述理化檢驗外,還對1 # ,2 # 試樣對應爐次 的原材料進行了脫碳層、碳偏析、硬度均勻性等測 試,發現1 # ,2 # 試樣的測試結果均無明顯差異。結 合鋼材表面氧化鐵皮生成、附著的相關研究[6-10],從 棒材的表面狀態和化學成分兩個因素考慮并設計試 驗,以驗證這兩個因素對曲軸表面壓痕的改善效果。 對棒材表面狀態和化學成分這兩個可能的影響 因子,采用多因子、多水平正交試驗法設計試驗表 格,將6組棒材經30min等長加熱時間加熱后,用 壓力為15 MPa的高壓水除磷機進行噴淋,對比其 氧化鐵皮的附著情況,試驗方案及驗證結果如表2 所示。由表2可知,氧化鐵皮的附著情況與化學成 分呈明顯相關性。噴淋后棒材表面氧化鐵皮的附著 情況如圖7所示。

4 結論

(1)曲軸用42CrMoA 鋼表面壓痕的產生與棒 材原始表面狀態(即粗糙度)無明顯相關性。

(2)曲軸用42CrMoA 鋼表面壓痕的產生與棒 材原始化學成分呈明顯相關性,適當地提高 S,Al 元素含量和控制 P,Ni,Cu元素含量可改善曲軸毛 坯表面的壓痕情況。

參考文獻:

[1] 李海國.內燃機曲軸制造技術現狀及發展方向[J].機 械工人(熱加工),2003(2):7-9.

[2] 王旭.汽車發動機曲軸用鋼研究與開發[J].內燃機與 配件,2020(21):29-30.

[3] 曾偉傳,孟文華,呂新峰,等.汽車內燃機曲軸開裂失 效分析[J].汽車零部件,2016(11):72-76.

[4] 侯學勤,何玉懷,姜濤,等.內燃機曲軸疲勞斷裂失效 特征及原因探析[J].內燃機,2014(3):42-45.

[5] 劉桂江,許強,牛偉,等.對45MnVS曲軸磁痕的檢測 分析[J].物理測試,2018,36(3):5-8.

[6] 李華明.寶鋼2050mm 熱軋帶鋼表面氧化鐵皮缺陷 控制[J].寶鋼技術,2007(3):37-40.

[7] 李志峰,曹光明,王福祥,等.熱軋鋼材表面氧化鐵皮 微觀結構 表 征 技 術 綜 述 [J].軋 鋼,2017,34(3):56- 60.

[8] 余偉,王俊,劉濤.熱軋鋼材氧化及表面質量控制技術 的發展及應用[J].軋鋼,2017,34(3):1-6.

[9] 郭大勇,任玉輝,高航,等.提高高碳鋼盤條氧化鐵皮 附著性研究[J].上海金屬,2016,38(3):43-47.

[10] 張金玲,丁美良.W470鋼爐生氧化鐵皮成因分析[J]. 熱處理技術與裝備,2013,34(4):31-34.

<文章來源>材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 9期 (pp:45-48)>

關鍵詞： 化學成分 氧化鐵皮 表面質量