分享：内燃机曲轴用42CrMoA钢表面压痕产生原因及质量改进

摘 要:针对某批次内燃机曲轴用42CrMoA 钢棒毛坯喷砂后其表面压痕明显的问题,采用宏观 观察、化学成分分析、低倍检验、金相检验及扫描电镜分析等方法,对不同表面质量曲轴毛坯所对应 的不同炉次42CrMoA 钢棒进行了研究,并设计了改进试验方案。结果表明:曲轴表面压痕的产生 与棒材原始表面粗糙度无关,而与棒材原始化学成分有关。适当地提高S,Al元素含量,并控制 P, Ni,Cu元素含量可改善曲轴毛坯表面的压痕情况。 

关键词:42CrMoA 钢;曲轴;压痕;化学成分 

中图分类号:TG115.2                                                    文献标志码:B                                               文章编号:1001-4012(2022)09-0045-04

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 → (1260±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。

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。 

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/ T3077—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。

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。

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。

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)。

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30min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。

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。

参考文献: 

[1] 李海国.内燃机曲轴制造技术现状及发展方向[J].机 械工人(热加工),2003(2):7-9. 

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<文章来源>材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 9期 (pp:45-48)>