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        可控復合強合金管曲軸

        可控復合強合金管曲軸

        • 所屬:15CrMoG合金管
        • 時間:2019-06-25 17:45:19
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        可控復合強合金管曲軸

        具體涉及一種合金管曲軸材料的表面可控復合強化方法。作為發動機中的核心運動部件之一,曲軸的質量、性能和可靠性等直接關系到發動機乃至車輛或船舶的使役性能、安全性能和使用壽命。發動機工作時,曲軸承受較大的交變彎曲應力和扭轉應力,且應力分布極不均勻,復雜應力的綜合作用下應力集中部位容易產生疲勞裂紋,導致曲軸發生疲勞斷裂,嚴重影響發動機的安全性能。其中,曲軸的主軸頸與曲柄的過渡圓角處和連桿軸頸與曲柄的過渡圓角處應力集中程度最為嚴重,往往是合金管疲勞裂紋的起裂源。因此,如何提高曲軸的強度、剛度、摩擦磨損和疲勞性能是曲軸設計與制造的關鍵冋題。[0003]現有提高發動機曲軸性能的方法主要是采用增大曲軸尺寸、氮化、中頻淬火、圓角滾壓等方法。曲軸主軸頸與曲柄過渡圓角、連桿軸頸與曲柄過渡圓角部位的橫斷面尺寸增加后可減小曲軸不同部位的應力,一定程度上提升其疲勞壽命,但是曲軸尺寸的提高帶來了發動機自重的增加,

        337.jpg不符合當前汽車或船舶輕量化的發展目標。氮化技術被曲軸制造行業所采用,經過氮化之后的曲軸材料表面產生了高硬度的表面氮化層,其厚度從幾十微米至幾百微米不等,提高了曲軸的磨損及疲勞性能。由于經過氮化之后的曲軸往往會發生較大的變形,后續還需矯直以及精加工等工序處理,而精加工會切削掉一定厚度的氮化層,大大降低了曲軸的強化效果;同時,由于氮化層與基體結合強度的限制,苛刻的使役環境中容易出現氮化層與基體之間的剝離。氮化工藝還具有高能耗、高污染、長周期的特點,節能減排的要求下,曲軸制造業正逐漸減少氮化工藝的使用。作為比較成熟的表面強化技術,鋁板中頻感應淬火具有效率高、質量好、成本低等優勢,曲軸強化領域得到廣泛應用。經過中頻淬火之后,曲軸表面硬度大幅度提升,疲勞強度和耐磨性也有不同程度的提高。但是中頻淬火技術本身也存在一定的局限性,比如對表面硬度要求比較高(HRC57以上)曲軸如果采用中頻淬火進行處理,其工藝過程穩定性難以控制,表面淬硬層具有高硬脆性的特點,容易產生裂紋并發生與基體的剝離,淬火之后的曲軸變形也較大,增加了后續矯直及精加工的難度。圓角滾壓技術可以對鑄鐵材質的曲軸進行表面強化,經過圓角滾壓之后,曲軸主軸頸與曲柄過渡圓角、連桿軸頸與曲柄過渡圓角部位引入厚度可達幾百微米的殘余壓應力層,減小了表面粗糙度,提高了鑄鐵曲軸的疲勞性能。但是圓角滾壓技術對合金鋼材質的曲軸強化效果遠遠低于鑄鐵材質的曲軸,表面硬度及疲勞性能提升的幅度有限。如何低成本、高質量地對發動機曲軸材料進行強化是曲軸制造領域亟待解決的關鍵技術問題。[0004]表面機械滾壓納米化技術是利用位移控制式表面機械滾壓的方式使待處理材料表面發生嚴重塑性變形,材料表層區域的組織結構在大應變、高應變速率的條件下由微米級的粗晶結構演變為梯度納米晶結構。材料表面組織結構發生納米化之后,其硬度及部分性能出現不同程度的提升,從而實現材料的強化。由于合金管曲軸材料可通過特殊的熱處理工藝進行強化,此基礎上可對其進行表面機械滾壓納米化處理以進一步強化。因此對合金管曲軸材料結合熱處理及表面機械滾壓納米化處理的表面可控復合強化處理是可行的[0005]目的提供一種合金管曲軸材料的表面可控復合強化的方法,該方法將熱處理(調質處理或中頻淬火+低溫回火處理)與表面機械滾壓納米化處理相結合,對合金管曲軸用42CrMoA 合金鋼進行表面可控復合強化處理。[0006]技術方案是:[0007]種合金管曲軸材料的表面可控復合強化的方法,該方法是將熱處理與表面機械滾壓納米化處理相結合,對合金管曲軸材料回轉件進行的表面可控復合強化處理;所述表面可控復合強化過程為:首先對合金管曲軸材料回轉件進行熱處理,然后在其表面進行表面機械滾壓納米化處理,從而在合金管曲軸材料回轉件的表面形成梯度組織細化結構層;所述合金管曲軸材料為42CrMoA 合金鋼。[0008]所述熱處理過程為調質處理;或者,熱處理過程為依次進行的中頻淬火和低溫回火處理。所述調質處理過程為正火預處理、淬火、高溫回火和時效依次進行,其中:所述正火預處理溫度為860-900°C保溫時間為200-300min;所述淬火溫度為830_860°C;所述高溫回火溫度為620-660°C保溫時間為300-350min;所述時效溫度為580-650°C時效時間為300-400mino所述合金管曲軸材料回轉件經調質處理之后,回轉件材料均為回火索氏體組織,硬度達到HRC28以上。[0009]所述熱處理過程為依次進行中頻淬火和低溫回火處理時:淬火溫度為830-860°C低溫回火溫度170-240°C保溫時間為60_120min所述合金管曲軸材料回轉件經中頻淬火+低溫回火處理之后,其表層較大深度范圍內(多3mm為馬氏體組織,表面硬度達到HRC52以上。[0010]所述表面機械滾壓納米化處理是表面機械滾壓納米化加工系統上實現;所述表面機械滾壓納米化加工系統由表面機械滾壓納米化加工頭以及自動變位系統組成;所述表面機械滾壓納米化加工頭包括硬質合金滾珠、支撐底座及潤滑油路;所述硬質合金滾珠設在支撐底座末端并能夠自由滾動,所述潤滑油路設于支撐底座內用于對硬質合金滾珠的潤滑;所述自動變位系統包括刀架和尾架;所述表面機械滾壓納米化加工頭的支撐底座固定在自動變位系統的刀架上,所述合金管曲軸材料回轉件夾持在尾架上,通過機床控制所述刀架和回轉件的動作。[0011]所述表面機械滾壓納米化處理技術采用位移控制的方式,即所述表面機械滾壓納米化加工頭的硬質合金滾珠端部壓入合金管曲軸材料回轉件表面的深度作為控制處理過程的主要參數。[0012]所述表面機械滾壓納米化處理過程為:所述熱處理之后的合金管曲軸材料回轉件以線速度Vl旋轉的同時,通過控制刀架在X方向(回轉件徑向)位移,使表面機械滾壓納米化加工頭的硬質合金滾珠端部壓入回轉件表面一定深度ΔΧι(1<i<η)然后刀架沿Ζ方向(回轉件軸向)以線速度^進給至設定長度即完成一次處理,重復上述過程進行η次處理,每次處理長度內八^保持固定;處理過程中,潤滑油路對滾珠及其與回轉件接觸區域進行潤滑。[0013]所述表面機械滾壓納米化處理過程中,所述合金管曲軸材料回轉件線速度Vl為1.0X104mm/min-4.0X104mm/min,一種合金管曲軸材料的表面可控復合強化方法涉及金屬材料表面強化技術領域。所述硬質合金滾珠端部壓入回轉件表面深度Δ χ;1<i<η)為20-200μ m所述刀架沿Ζ方向(回轉件軸向)進給線速度 5.0X103mm/r~4.0X102mm/r0所述處理次數 η 為 2-6[0014]經過所述表面可控復合強化處理后,所述合金管曲軸材料回轉件表面形成梯度組織細化結構層,梯度組織細化結構層深度為200-700μ m回轉件表面隨深度方向的硬度呈梯度分布;回轉件表面的晶粒細化為納米級(50nm表面硬度提高(幅度為lGPa左右);同時回轉件表面的光潔度提高(Ra0.2μπι)從而實現了合金管曲軸材料組織結構、晶粒尺寸、表面光潔度及硬度分布的可控制備。[0015]與現有的合金管曲軸材料的表面強化方法相比有以下優點:[0016]1工藝過程容易實現,成本低,可利用曲軸現有生產線進行改進,無需額外配置大型設備。表面可控復合強化處理技術把熱處理工藝與表面機械滾壓納米化技術結合起來,熱處理工藝可以在中頻感應淬火設備上或普通電阻加熱爐中實現,表面機械滾壓納米化技術可在表面機械滾壓納米化加工系統上實現。表面機械滾壓納米化技術的加入可以減小熱處理工序的時間及成本,適當降低熱處理后曲軸用鋼的表面硬度要求,提高熱處理的成品率。與滲、鍍等工藝相比,表面可控復合強化處理技術沒有污染氣體的排放,一種環境友好型的表面強化方法。表面可控復合強化處理之后,合金管曲軸用42CrMoA 合金鋼表面光潔度得到大幅度提升,Ra值最小可達0.05μ m因此的處理方法可取代精磨、拋光等精加工工序,提高生產效率,節約生產成本。[0017]2采用的表面可控復合強化處理方法對合金管曲軸用42CrMoA 合金鋼處理后,42CrMoA 合金鋼表面產生了梯度組織細化結構,最表層為納米晶,隨著與表面距離的增加,晶粒尺寸逐步增大。表面梯度組織細化結構與基體沒有明顯的界面,曲軸的使役過程中不存在表面強化層結合的問題。而使用中頻感應淬火技術對曲軸材料表面進行強化時,由于表面硬度要求較高,表面淬硬層往往會出現裂紋等缺陷,嚴重時會出現表面淬硬層脫落的現象,導致曲軸報廢。采用獲得的表面梯度組織細化層在獲得較高表面硬度的同時,可以有效防止表面裂紋等缺陷的發生。[0018]3圓角滾壓技術雖然可以對鑄鐵材質的曲軸進行表面強化,但是對合金管材質的曲軸強化效果遠遠低于鑄鐵材質的曲軸,表面硬度及疲勞性能提升的幅度有限,并且圓角滾壓處理引入的殘余壓應力在曲軸使役過程中容易釋放,極大地降低了圓角滾壓的強化效果。因此,合金管材質曲軸的圓角滾壓處理在實際工業生產中很少使用


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