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        七拐空壓機(jī)曲軸臥式智能控時(shí)調(diào)質(zhì)工藝

        2014-11-24 08:22:48南車資陽機(jī)車有限公司四川641301董金元陳世英趙美玲
        金屬加工(熱加工) 2014年5期
        關(guān)鍵詞:力學(xué)性能變形工藝

        南車資陽機(jī)車有限公司(四川 641301)董金元 陳世英 趙美玲

        空壓機(jī)曲軸位于空氣壓縮機(jī)連桿處,曲軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)連桿使活塞產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng),它在工作過程中將承受周期性的拉、壓、剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)等交變載荷,所以需要有良好的綜合力學(xué)性能。調(diào)質(zhì)處理是獲得優(yōu)良綜合力學(xué)性能的最佳熱處理途徑。本文針對七拐空壓機(jī)曲軸采用先進(jìn)的臥式智能控時(shí)淬火方式進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理的工藝開發(fā)過程進(jìn)行了闡述。

        一、七拐空壓機(jī)曲軸熱處理技術(shù)要求

        (1)材料 七拐空壓機(jī)曲軸所選材料為C-5C,其主要化學(xué)成分見表1。

        表1 C-5C鋼主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        (2)熱處理技術(shù)要求 七拐空壓機(jī)曲軸粗加工焊接平衡塊后調(diào)質(zhì)處理,粗加工狀態(tài)如圖1所示,主軸頸直徑229mm,連桿頸直徑208mm,曲柄板厚147mm,總長為4422.5mm。

        圖1 七拐空壓機(jī)曲軸示意

        曲軸調(diào)質(zhì)處理后在材料的優(yōu)質(zhì)端即飛輪端取樣檢測力學(xué)性能。力學(xué)性能檢測取樣部位按照ASTM668-04標(biāo)準(zhǔn)即在距試棒表面1/2R處取樣。曲軸調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能要求見表2。

        表2 七拐空壓機(jī)曲軸調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能要求

        二、七拐空壓機(jī)曲軸調(diào)質(zhì)工藝分析

        1.原材料分析

        七拐空壓機(jī)曲軸所選材料C-5C,對比我國鋼牌號(hào),其成分與優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼40Mn相似。Mn元素的存在顯著提高其淬透性,調(diào)質(zhì)處理后將獲得優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

        2.調(diào)質(zhì)工藝分析

        (1)調(diào)質(zhì)方式選擇 長期以來,曲軸調(diào)質(zhì)都采用立式懸掛裝爐加熱保溫,淬火冷卻采用油、高低濃度AQ251、水或水+AQ251冷卻的方式。但七拐空壓機(jī)曲軸坯料短,沒有預(yù)留吊裝頭,只能采用臥式調(diào)質(zhì)。臥式調(diào)質(zhì)生產(chǎn)技術(shù)采用臺(tái)車爐對曲軸加熱保溫,并應(yīng)用了智能控時(shí)淬火冷卻技術(shù),淬火冷卻介質(zhì)為清水和空氣,大幅度降低了曲軸生產(chǎn)的成本,提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。該技術(shù)目前已應(yīng)用于碳鋼及合金鋼曲軸的調(diào)質(zhì)生產(chǎn),并取得了顯著的成效。

        (2)裝爐加熱分析 為減小曲軸在加熱過程中產(chǎn)生彎曲變形,采用臺(tái)車爐加熱時(shí)應(yīng)充分考慮到曲軸調(diào)質(zhì)加熱時(shí)支撐位置和實(shí)際操作等過程中容易影響曲軸變形的因素,盡量使變形量控制在允許范圍之內(nèi)。曲軸在臺(tái)車爐內(nèi)加熱保溫時(shí),采用4點(diǎn)支撐主軸頸的方式,支撐位置應(yīng)盡量使曲軸重量在各支撐段得到均勻分布,以盡量減小曲軸在長時(shí)間高溫加熱過程中產(chǎn)生的彎曲變形。支撐如圖2所示。

        (3)淬火冷卻分析 七拐空壓機(jī)曲軸淬火冷卻時(shí)采用專用吊具4點(diǎn)吊掛出爐的方式,吊掛位置也需盡量平均分?jǐn)偳S在各吊掛段的重量,以盡可能減小曲軸在吊掛轉(zhuǎn)移和淬火冷卻過程中由于軸重而引起的變形。曲軸淬火冷卻吊掛如圖2所示。

        圖2 七拐空壓機(jī)曲軸支撐、吊掛示意

        七拐空壓機(jī)曲軸淬火冷卻采用智能控時(shí)淬火冷卻(ATQ)技術(shù),即預(yù)冷+水空交替冷卻。曲軸出爐后先在空氣中預(yù)冷240s,由于曲軸本身尺寸和重量大,熱容量也很大。而預(yù)冷可以降低曲軸熱容量,減小熱應(yīng)力,有利于提高冷卻效果,增加淬硬層深度,可以有效降低淬裂傾向。之后水冷210s(包括噴水+浸水),曲軸每次浸水之前,采用噴液淬火方式,可使曲軸整個(gè)表面基本同時(shí)開始冷卻,能有效防止內(nèi)部組織因轉(zhuǎn)變不同時(shí)而產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力,對減小畸變起到了很好的作用。之后空冷90s,在空冷過程中,次表層的溫度傳遞到表面,表面溫度升高,使表層韌性和應(yīng)力狀態(tài)得到調(diào)整,有效避免了曲軸表面開裂。然后再水冷360s,確保曲軸淬硬層深度,直到滿足要求。

        3.變形、淬裂性分析

        由于七拐空壓機(jī)曲軸來料為自由鍛毛坯,采用直接加工成形方式,加工量很大,相應(yīng)加工應(yīng)力也很大。另外,由于七拐空壓機(jī)曲軸形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜特殊,與我公司生產(chǎn)的機(jī)車曲軸和船用曲軸不一樣,除了厚薄不均和在調(diào)質(zhì)前焊有平衡塊之外,其兩端各有兩連桿頸之間無主軸頸相連,且偏心距很大,熱處理過程中極易產(chǎn)生變形,使臥式調(diào)質(zhì)難度增加。另外,臥式調(diào)質(zhì)時(shí),曲軸采用清水進(jìn)行淬火冷卻,這樣就增大了淬裂的風(fēng)險(xiǎn)。為了防止曲軸調(diào)質(zhì)過程中出現(xiàn)裂紋,制訂工藝時(shí)需綜合考慮,避免產(chǎn)生重大經(jīng)濟(jì)損失。

        三、七拐空壓機(jī)曲軸調(diào)質(zhì)工藝的制訂

        1.淬火工藝制訂

        由于七拐空壓機(jī)曲軸形狀復(fù)雜,應(yīng)先在爐溫為550~650℃的空氣爐中預(yù)熱,可以減少因急劇受熱而引起的熱應(yīng)力,同時(shí)減少曲軸高溫階段的加熱時(shí)間,防止變形。綜合考慮后,確定預(yù)熱工藝:600℃×2h。七拐空壓機(jī)曲軸所選材質(zhì)為C-5C,最大有效厚度約為229mm,屬于亞共析鋼,亞共析鋼的淬火加熱溫度為Ac3+30~70℃,預(yù)熱之后選擇淬火溫度為850℃,保溫時(shí)間為3h。冷卻方式采用預(yù)冷+水空交替冷卻技術(shù),初步制訂淬火冷卻工藝為:預(yù)冷240s+水冷210s+空冷90s+水冷360s。

        2.回火工藝制訂

        調(diào)質(zhì)零件采用的是高溫回火,溫度控制在500~650℃,回火后具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能,具體回火溫度根據(jù)每根曲軸的實(shí)際化學(xué)成分確定。

        回火時(shí)間的選擇不但要保證透燒使其組織轉(zhuǎn)變得以充分進(jìn)行,同時(shí)要盡量消除殘余應(yīng)力,因此,回火時(shí)間不宜過短。但從經(jīng)濟(jì)角度和組織變化等方面分析,時(shí)間也不必過長,綜合考慮,回火時(shí)間定為8h,采用空冷。

        四、七拐空壓機(jī)曲軸臥式調(diào)質(zhì)試制

        1.首爐七拐空壓機(jī)曲軸臥式調(diào)質(zhì)試制

        先選取兩支編號(hào)分別為1#和2#的曲軸試制,臥式調(diào)質(zhì)工藝曲線如圖3所示,冷卻采用控時(shí)水淬,即預(yù)冷240s+水冷210s+空冷90s+水冷360s。

        2.首爐試制結(jié)果及分析

        (1)變形分析及預(yù)防

        七拐空壓機(jī)曲軸臥式調(diào)質(zhì)后變形嚴(yán)重,尤其是A、B、C、D四拐開檔處有不同程度的擴(kuò)張和收縮現(xiàn)象,必須經(jīng)過校直后才能送入下道工序,同時(shí)由于曲軸本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,給校直工作帶來很大的不便。

        圖3 首爐七拐空壓機(jī)曲軸臥式調(diào)質(zhì)工藝

        由于曲軸支撐、吊掛均只能在主軸頸處,七拐空壓機(jī)曲軸兩端各有兩拐卻無主軸頸相連,勢必在加熱或冷卻過程中造成很大的變形??梢钥紤]在各個(gè)曲拐處焊接拉筋,以此減小變形。不過由于其特殊的外形,需采用專用拉筋,且曲軸材料的焊接性能不良,在焊接拉筋的過程中可能還會(huì)存在一些問題,這些都有待于進(jìn)一步的研究與探索。

        (2)力學(xué)性能與金相組織分析 力學(xué)性能測試結(jié)果見表3,可以看出,當(dāng)回火工藝為:520℃×8h時(shí),試樣1#各項(xiàng)性能都達(dá)到要求的力學(xué)性能指標(biāo)。而試樣2#抗拉強(qiáng)度偏高,結(jié)合圖4中金相組織分析,試樣2#組織為F+P,F(xiàn)偏少且呈網(wǎng)狀,珠光體塊較大,分布不均勻,造成其伸長率偏低,根據(jù)碳含量的差異,回火溫度修訂為580℃,返回后,心部碳化物進(jìn)一步擴(kuò)散,使組織均勻化,測得其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)都符合要求。

        表3 首爐七拐空壓機(jī)曲軸調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能

        圖4 首爐七拐空壓機(jī)曲軸臥式調(diào)質(zhì)后金相組織

        3.七拐空壓機(jī)曲軸小批量生產(chǎn)

        根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果分析,對比其化學(xué)成分,制訂出另外兩支七拐空壓機(jī)曲軸的臥式調(diào)質(zhì)工藝,曲線如圖5所示。力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)見表4,兩支曲軸各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到供貨技術(shù)要求。

        表4 3#、4#試件調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能

        圖5 3#、4#七拐空壓機(jī)曲軸臥式調(diào)質(zhì)工藝

        五、結(jié)語

        (1)采用新工藝實(shí)現(xiàn)了七拐空壓機(jī)曲軸的臥式調(diào)質(zhì)生產(chǎn),其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)到了供貨技術(shù)要求。

        (2)采用淬火前空氣預(yù)冷+臥式智能控時(shí)淬火方式能減小曲軸由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)各部位尺寸差異產(chǎn)生的應(yīng)力,減小變形量,降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。

        (3)采用臥式調(diào)質(zhì)降低了七拐空壓機(jī)曲軸原材料、吊具、能耗等生產(chǎn)成本,并能大幅提高生產(chǎn)效率。

        (4)變形控制初步確定以焊接拉筋的方法改善,更優(yōu)方案仍有待進(jìn)一步探索。

        (5)建議此類空壓機(jī)曲軸采用模鍛代替自由鍛,以大幅度節(jié)省原材料成本,提高材料利用率,同時(shí)有利于減小加工應(yīng)力,控制熱處理變形。

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