CN105385829A - 一种锻钢曲轴材料的表面可控复合强化方法 - Google Patents

一种锻钢曲轴材料的表面可控复合强化方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105385829A
CN105385829A CN201510776845.4A CN201510776845A CN105385829A CN 105385829 A CN105385829 A CN 105385829A CN 201510776845 A CN201510776845 A CN 201510776845A CN 105385829 A CN105385829 A CN 105385829A
Authority
CN
China
Prior art keywords
forged steel
crankshaft material
revolving meber
steel crankshaft
nanometer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201510776845.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105385829B (zh
Inventor
张伟华
王镇波
卢柯
张凯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Metal Research of CAS
Original Assignee
Institute of Metal Research of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Metal Research of CAS filed Critical Institute of Metal Research of CAS
Priority to CN201510776845.4A priority Critical patent/CN105385829B/zh
Publication of CN105385829A publication Critical patent/CN105385829A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105385829B publication Critical patent/CN105385829B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/30—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for crankshafts; for camshafts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/002—Heat treatment of ferrous alloys containing Cr
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Heat Treatment Of Articles (AREA)
  • Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)

Abstract

本发明公开了一种锻钢曲轴材料的表面可控复合强化的方法，属于金属材料表面强化技术领域。该方法将热处理与表面机械滚压纳米化处理相结合，对锻钢曲轴材料回转件进行表面可控复合强化处理。通过调整热处理工艺(调质处理或中频淬火+低温回火处理)，回转件可以得到不同硬度及强塑性的组织结构，然后对热处理后的回转件进行表面机械滚压纳米化处理，以降低材料表面的晶粒尺寸，提高其表面硬度，调整表层材料随深度方向的硬度分布状态，同时提高材料表面的光洁度。经过表面可控复合强化处理后，锻钢曲轴材料回转件实现了组织结构、晶粒尺寸、表面光洁度及硬度分布的可控制备，使得曲轴满足不同的使用要求。

Description

一种锻钢曲轴材料的表面可控复合强化方法
技术领域
本发明涉及金属材料表面强化技术领域，具体涉及一种锻钢曲轴材料的表面可控复合强化方法。
背景技术
作为发动机中的核心运动部件之一，曲轴的质量、性能和可靠性等直接关系到发动机乃至车辆或船舶的使役性能、安全性能和使用寿命。发动机工作时，曲轴承受较大的交变弯曲应力和扭转应力，且应力分布极不均匀，在复杂应力的综合作用下应力集中部位容易产生疲劳裂纹，导致曲轴发生疲劳断裂，严重影响发动机的安全性能。其中，曲轴的主轴颈与曲柄的过渡圆角处和连杆轴颈与曲柄的过渡圆角处应力集中程度最为严重，它们往往是疲劳裂纹的起裂源。因此，如何提高曲轴的强度、刚度、摩擦磨损和疲劳性能是曲轴设计与制造的关键问题。
现有提高发动机曲轴性能的方法主要是采用增大曲轴尺寸、氮化、中频淬火、圆角滚压等方法。曲轴主轴颈与曲柄过渡圆角、连杆轴颈与曲柄过渡圆角部位的横断面尺寸增加后可减小曲轴不同部位的应力，一定程度上提升其疲劳寿命，但是曲轴尺寸的提高带来了发动机自重的增加，不符合当前汽车或船舶轻量化的发展目标。氮化技术被曲轴制造行业所采用，经过氮化之后的曲轴材料表面产生了高硬度的表面氮化层，其厚度从几十微米至几百微米不等，提高了曲轴的磨损及疲劳性能。由于经过氮化之后的曲轴往往会发生较大的变形，后续还需矫直以及精加工等工序处理，而精加工会切削掉一定厚度的氮化层，大大降低了曲轴的强化效果；同时，由于氮化层与基体结合强度的限制，在苛刻的使役环境中容易出现氮化层与基体之间的剥离。氮化工艺还具有高能耗、高污染、长周期的特点，在节能减排的要求下，曲轴制造业正逐渐减少氮化工艺的使用。作为比较成熟的表面强化技术，中频感应淬火具有效率高、质量好、成本低等优势，它在曲轴强化领域得到了广泛应用。经过中频淬火之后，曲轴表面硬度大幅度提升，疲劳强度和耐磨性也有不同程度的提高。但是中频淬火技术本身也存在一定的局限性，比如对表面硬度要求比较高(HRC57以上)的曲轴如果采用中频淬火进行处理，其工艺过程稳定性难以控制，表面淬硬层具有高硬脆性的特点，容易产生裂纹并发生与基体的剥离，淬火之后的曲轴变形也较大，增加了后续矫直及精加工的难度。圆角滚压技术可以对铸铁材质的曲轴进行表面强化，经过圆角滚压之后，曲轴主轴颈与曲柄过渡圆角、连杆轴颈与曲柄过渡圆角部位引入厚度可达几百微米的残余压应力层，减小了表面粗糙度，提高了铸铁曲轴的疲劳性能。但是圆角滚压技术对合金钢材质的曲轴强化效果远远低于铸铁材质的曲轴，表面硬度及疲劳性能提升的幅度有限。如何低成本、高质量地对发动机曲轴材料进行强化是曲轴制造领域亟待解决的关键技术问题。
表面机械滚压纳米化技术是利用位移控制式表面机械滚压的方式使待处理材料表面发生严重塑性变形，材料表层区域的组织结构在大应变、高应变速率的条件下由微米级的粗晶结构演变为梯度纳米晶结构。材料表面组织结构发生纳米化之后，其硬度及部分性能出现不同程度的提升，从而实现材料的强化。由于锻钢曲轴材料可通过特殊的热处理工艺进行强化，在此基础上可对其进行表面机械滚压纳米化处理以进一步强化。因此对锻钢曲轴材料结合热处理及表面机械滚压纳米化处理的表面可控复合强化处理是可行的。
发明内容
本发明的目的是提供一种锻钢曲轴材料的表面可控复合强化的方法，该方法将热处理(调质处理或中频淬火+低温回火处理)与表面机械滚压纳米化处理相结合，对锻钢曲轴用42CrMoA合金钢进行表面可控复合强化处理。
本发明的技术方案是：
一种锻钢曲轴材料的表面可控复合强化的方法，该方法是将热处理与表面机械滚压纳米化处理相结合，对锻钢曲轴材料回转件进行的表面可控复合强化处理；所述表面可控复合强化过程为：首先对锻钢曲轴材料回转件进行热处理，然后在其表面进行表面机械滚压纳米化处理，从而在锻钢曲轴材料回转件的表面形成梯度组织细化结构层；所述锻钢曲轴材料为42CrMoA合金钢。
所述热处理过程为调质处理；或者，热处理过程为依次进行的中频淬火和低温回火处理。所述调质处理过程为正火预处理、淬火、高温回火和时效依次进行，其中：所述正火预处理温度为860-900℃，保温时间为200-300min；所述淬火温度为830-860℃；所述高温回火温度为620-660℃，保温时间为300-350min；所述时效温度为580-650℃，时效时间为300-400min。所述锻钢曲轴材料回转件经调质处理之后，回转件材料均为回火索氏体组织，硬度达到HRC28以上。
所述热处理过程为依次进行中频淬火和低温回火处理时：淬火温度为830-860℃，低温回火温度170-240℃，保温时间为60-120min。所述锻钢曲轴材料回转件经中频淬火+低温回火处理之后，其表层较大深度范围内(≥3mm)为马氏体组织，表面硬度达到HRC52以上。
所述表面机械滚压纳米化处理是在表面机械滚压纳米化加工系统上实现；所述表面机械滚压纳米化加工系统由表面机械滚压纳米化加工头以及自动变位系统组成；所述表面机械滚压纳米化加工头包括硬质合金滚珠、支撑底座及润滑油路；所述硬质合金滚珠设在支撑底座末端并能够自由滚动，所述润滑油路设于支撑底座内用于对硬质合金滚珠的润滑；所述自动变位系统包括刀架和尾架；所述表面机械滚压纳米化加工头的支撑底座固定在自动变位系统的刀架上，所述锻钢曲轴材料回转件夹持在尾架上，通过机床控制所述刀架和回转件的动作。
所述表面机械滚压纳米化处理技术采用位移控制的方式，即所述表面机械滚压纳米化加工头的硬质合金滚珠端部压入锻钢曲轴材料回转件表面的深度作为控制处理过程的主要参数。
所述表面机械滚压纳米化处理过程为：所述热处理之后的锻钢曲轴材料回转件以线速度v1旋转的同时，通过控制刀架在X方向(回转件径向)的位移，使表面机械滚压纳米化加工头的硬质合金滚珠端部压入回转件表面一定深度Δxi(1≤i≤n)，然后刀架沿Z方向(回转件轴向)以线速度v2进给至设定长度即完成一次处理，重复上述过程进行n次处理，每次处理长度内Δxi保持固定；处理过程中，润滑油路对滚珠及其与回转件接触区域进行润滑。
所述表面机械滚压纳米化处理过程中，所述锻钢曲轴材料回转件线速度v1为1.0×104mm/min-4.0×104mm/min，所述硬质合金滚珠端部压入回转件表面深度Δxi(1≤i≤n)为20-200μm，所述刀架沿Z方向(回转件轴向)进给线速度v2为5.0×10-3mm/r-4.0×10-2mm/r。所述处理次数n为2-6。
经过所述表面可控复合强化处理后，所述锻钢曲轴材料回转件表面形成梯度组织细化结构层，梯度组织细化结构层深度为200-700μm，回转件表面随深度方向的硬度呈梯度分布；回转件表面的晶粒细化为纳米级(≤50nm)，表面硬度提高(幅度为1GPa左右)；同时回转件表面的光洁度提高(Ra≤0.2μm)，从而实现了锻钢曲轴材料组织结构、晶粒尺寸、表面光洁度及硬度分布的可控制备。
本发明与现有的锻钢曲轴材料的表面强化方法相比有以下优点：
(1)工艺过程容易实现，成本低，可利用曲轴现有生产线进行改进，无需额外配置大型设备。本发明的表面可控复合强化处理技术把热处理工艺与表面机械滚压纳米化技术结合起来，热处理工艺可以在中频感应淬火设备上或普通电阻加热炉中实现，表面机械滚压纳米化技术可在表面机械滚压纳米化加工系统上实现。表面机械滚压纳米化技术的加入可以减小热处理工序的时间及成本，适当降低热处理后曲轴用钢的表面硬度要求，提高热处理的成品率。与渗、镀等工艺相比，表面可控复合强化处理技术没有污染气体的排放，是一种环境友好型的表面强化方法。本发明的表面可控复合强化处理之后，锻钢曲轴用42CrMoA合金钢表面光洁度得到大幅度提升，Ra值最小可达0.05μm，因此本发明的处理方法可取代精磨、抛光等精加工工序，提高生产效率，节约生产成本。
(2)采用本发明的表面可控复合强化处理方法对锻钢曲轴用42CrMoA合金钢处理后，42CrMoA合金钢表面产生了梯度组织细化结构，最表层为纳米晶，随着与表面距离的增加，晶粒尺寸逐步增大。表面梯度组织细化结构与基体没有明显的界面，在曲轴的使役过程中不存在表面强化层结合的问题。而使用中频感应淬火技术对曲轴材料表面进行强化时，由于表面硬度要求较高，表面淬硬层往往会出现裂纹等缺陷，严重时会出现表面淬硬层脱落的现象，导致曲轴报废。采用本发明获得的表面梯度组织细化层在获得较高表面硬度的同时，可以有效防止表面裂纹等缺陷的发生。
(3)圆角滚压技术虽然可以对铸铁材质的曲轴进行表面强化，但是它对锻钢材质的曲轴强化效果远远低于铸铁材质的曲轴，表面硬度及疲劳性能提升的幅度有限，并且圆角滚压处理引入的残余压应力在曲轴使役过程中容易释放，极大地降低了圆角滚压的强化效果。因此，锻钢材质曲轴的圆角滚压处理在实际工业生产中很少使用。而本发明的表面可控复合强化处理可在锻钢曲轴材料表面产生纳米晶以及在表层一定深度范围内(几百微米)产生梯度组织细化结构，利用纳米结构进行强化可大幅度提高曲轴材料的表面硬度(提升幅度1GPa左右)，并且由于曲轴使役温度较低(100℃以下)，纳米晶在该使役温度区间热稳定性良好，因此纳米结构强化效果的可靠性及持久性较高。
附图说明
图1为锻钢曲轴用42CrMoA合金钢表面可控复合强化原理示意图；其中：(a)热处理；(b)表面机械滚压纳米化处理；图(c)为图(b)的右视图(部分)。
图中：1-锻钢曲轴材料回转件；2-热处理炉(电阻加热炉或中频感应淬火炉)；3-表面机械滚压纳米化加工头；4-硬质合金滚珠；5-支撑底座；6-润滑油路；7-卡盘；8-尾架顶尖；9-刀架；10-梯度组织细化结构层。
图2为热处理(调质处理)之后的42CrMoA合金钢微观组织照片。
图3为42CrMoA合金钢经表面可控复合强化方法处理(调质处理+表面机械滚压纳米化处理)后表层横断面微观组织照片。
图4为42CrMoA合金钢经表面可控复合强化方法处理(调质处理+表面机械滚压纳米化处理)后表面XRD图谱。
图5为42CrMoA合金钢经表面可控复合强化方法处理(调质处理+表面机械滚压纳米化处理)后表层横断面显微硬度与深度之间的关系。
图6为热处理(中频淬火处理+240℃低温回火处理工艺)之后的42CrMoA合金钢微观组织照片。
图7为42CrMoA合金钢经表面可控复合强化方法处理(中频淬火处理+240℃低温回火处理+表面机械滚压纳米化处理)后表层横断面微观组织照片。
图8为42CrMoA合金钢经表面可控复合强化方法处理(中频淬火处理+240℃低温回火处理+表面机械滚压纳米化处理)后表面XRD图谱。
图9为42CrMoA合金钢经表面可控复合强化方法处理(中频淬火处理+240℃低温回火处理+表面机械滚压纳米化处理)后表层横断面显微硬度与深度之间的关系。
图10为热处理(中频淬火处理+210℃低温回火处理工艺)之后的42CrMoA合金钢微观组织照片。
图11为42CrMoA合金钢经表面可控复合强化方法处理(中频淬火处理+210℃低温回火处理+表面机械滚压纳米化处理)后表层横断面微观组织照片。
图12为42CrMoA合金钢经表面可控复合强化方法处理(中频淬火处理+210℃低温回火处理+表面机械滚压纳米化处理)后表面XRD图谱。
图13为42CrMoA合金钢经表面可控复合强化方法处理(中频淬火处理+210℃低温回火处理+表面机械滚压纳米化处理)后表层横断面显微硬度与深度之间的关系。
具体实施方式
以下结合附图及实施例详述本发明。
本发明提出一种表面可控复合强化的方法，该方法将热处理(调质处理或中频淬火+低温回火处理)与表面机械滚压纳米化处理相结合，对锻钢曲轴材料回转件(42CrMoA合金钢)进行表面可控复合强化处理，其原理示意图如图1所示。其中：表面机械滚压纳米化处理是在表面机械滚压纳米化加工系统上实现，如图1(b)-(c)所示，该加工系统由表面机械滚压纳米化加工头3以及自动变位系统组成；所述表面机械滚压纳米化加工头包括硬质合金滚珠4、支撑底座5及润滑油路6；所述硬质合金滚珠4设在支撑底座5末端并能够自由滚动，所述润滑油路6设于支撑底座5内，润滑油路的两端与外界连通，其中一端为润滑液供给入口，另一端用于对硬质合金滚珠的润滑；所述自动变位系统包括刀架9和尾架，所述尾架包括卡盘7和尾架顶尖8，所述锻钢曲轴材料回转件1的一端安装在卡盘7内，另一端的端面由尾架顶尖8顶住，通过控制卡盘的运动实现锻钢曲轴材料动作(转动)；所述表面机械滚压纳米化加工头的支撑底座5固定在自动变位系统的刀架9上，通过机床控制所述刀架9和锻钢曲轴材料回转件1的动作。
本发明方法的具体实施过程如下：
首先对锻钢曲轴材料回转件(42CrMoA合金钢)1进行热处理。根据曲轴的设计要求，采用不同的热处理工艺对锻钢曲轴材料回转件1进行热处理，以得到不同的硬度及强塑性的组织结构。
对于塑性要求较高、硬度要求相对较低的曲轴，选用调质处理工艺。首先对42CrMoA合金钢1进行正火预处理，正火温度为860-900℃，保温时间为200-300min，冷却方式为空冷。然后对42CrMoA合金钢1进行淬火处理，淬火可采用电阻加热炉淬火或中频感应淬火。采用电阻加热炉淬火时，热处理炉(电阻加热炉)2淬火温度为830-860℃，保温时间为220-280min，冷却方式采用淬火液进行油冷；采用中频感应淬火时，在热处理炉(中频感应淬火炉)2中进行，淬火温度为830-860℃，主要控制参数为淬火功率和加热时间，参数选择的标准根据曲轴用钢的尺寸及硬度要求综合确定。淬火之后，采用高温回火处理以获得回火索氏体的组织结构，回火温度为620-660℃，保温时间为300-350min，冷却方式为空冷。回火后进行时效处理，温度为580-650℃，时效时间为300-400min。调质处理最终得到的锻钢曲轴材料回转件1的硬度达到HRC28以上。
对于塑性要求较低、硬度要求相对较高的曲轴，选用中频淬火+低温回火处理工艺。中频感应淬火同样是在热处理炉(中频感应淬火炉)2中进行，淬火温度为830-860℃，低温回火温度170-240℃，保温时间为60-120min，保温后空冷，最终得到的回转件表层较大深度范围内(≥3mm)为马氏体组织，表面硬度达到HRC52以上。
对热处理之后的锻钢曲轴材料回转件1按照尺寸要求进行矫直或机械加工，然后对其进行表面机械滚压纳米化处理。也可在保证尺寸精度的基础上对热处理之后的锻钢曲轴材料回转件1直接进行表面机械滚压纳米化处理。表面机械滚压纳米化处理具体过程如下：
把锻钢曲轴材料回转件1装夹到表面机械滚压纳米化系统上，采用卡盘7与尾架顶尖8夹持方式进行装夹，装夹后锻钢曲轴材料回转件1外圆的跳动控制在5μm以内；表面机械滚压纳米化加工头3固定在自动变位系统的刀架9上。进行锻钢曲轴材料回转件1的表面机械滚压纳米化加工程序预设，按照设定好的程序进行处理。在锻钢曲轴材料回转件1以线速度v1旋转的同时，控制刀架9在X方向(回转件径向)的位移，使表面机械滚压纳米化加工头3中的可自由转动的硬质合金滚珠4端部压入锻钢曲轴材料回转件1表面一定深度Δxi(1≤i≤n)，支撑底座5为硬质合金滚珠4提供支撑，同时润滑油路6对滚珠4及锻钢曲轴材料回转件1接触区域进行润滑，然后刀架9沿Z方向(回转件轴向)以线速度v2进给至设定长度即完成一次处理，如此进行n次处理，每次处理长度内Δxi保持固定。
经过上述表面可控复合强化之后，锻钢曲轴材料回转件1表面产生梯度组织细化结构层10。表层晶粒细化至纳米量级，表面硬度提高，表层材料随深度方向的硬度呈梯度分布，同时材料表面的光洁度提高，从而实现了锻钢曲轴用42CrMoA合金钢1组织结构、晶粒尺寸、表面光洁度及硬度分布的可控制备。
下面结合具体实施例详细说明本发明。
实施例1
锻钢曲轴用42CrMoA合金钢的化学成分为(wt.％)：C0.41％，Si0.23％，Mn0.75％，S0.024％，P0.015％，Cr1.12％，Mo0.22％，Cu0.02％，Fe余量。42CrMoA合金钢的供货态为锻造态，试棒的直径为20mm(用于表面机械滚压纳米化处理的尺寸)。
采用本发明的表面可控复合强化方法对锻钢曲轴用42CrMoA合金钢进行处理，具体过程如下：(1)采用热处理工艺(调质处理)对42CrMoA合金钢进行热处理。首先对42CrMoA合金钢进行正火预处理，正火温度为900℃，保温时间为300min，冷却方式为空冷。然后对42CrMoA合金钢进行淬火处理，采用电阻加热炉淬火。电阻加热炉淬火温度为850℃，保温时间为280min，冷却方式采用淬火液进行油冷。淬火之后，采用高温回火处理以获得回火索氏体的组织结构，回火温度为660℃，保温时间为350min，冷却方式为空冷。回火后进行时效处理，温度为620℃，时效时间为400min。经过热处理之后的42CrMoA合金钢微观组织如图2所示，表面硬度为3.0GPa。(2)对热处理之后的42CrMoA合金钢进行表面机械滚压纳米化处理。42CrMoA合金钢试棒旋转速度v1＝1.9×104mm/min；表面机械滚压纳米化加工头进给速度v2＝1×10-2mm/r；硬质合金滚珠端部压入42CrMoA合金钢表面的深度Δx1＝50μm，Δx2＝100μm，Δx3＝150μm。
实验结果表明，经过本发明的表面可控复合强化方法处理后，锻钢曲轴用42CrMoA合金钢表面粗糙度Ra为0.13μm，表层出现梯度组织细化结构，其厚度约为200μm(图3)。图4所示的X射线衍射宽化分析结果表明，42CrMoA合金钢最表层晶粒尺寸细化为纳米级(17nm)。随着与表面距离的增加，晶粒尺寸呈现增大的趋势(图3)。经表面可控复合强化方法处理之后，42CrMoA合金钢表层显微硬度沿横断面方向由表及里呈梯度分布状态(图5)，最表层的显微硬度提高为4.1GPa，随着与表面距离的增加，显微硬度呈下降的趋势，当与表面距离为200μm时，显微硬度降低为基体的硬度(3.0GPa)。
实施例2
本实施例选择的锻钢曲轴用42CrMoA合金钢的化学成分、供货态和试棒的尺寸均与实施例1相同。
采用本发明的表面可控复合强化方法对锻钢曲轴用42CrMoA进行处理，具体过程如下：(1)采用热处理工艺(中频淬火+低温回火处理工艺)对42CrMoA合金钢进行热处理。中频感应淬火是在中频感应淬火炉中进行，淬火温度为860℃；低温回火在电阻加热炉中进行，回火温度240℃，保温时间为120min，保温后空冷，最终得到的42CrMoA合金钢表层较大深度范围内(≥3mm)为针状马氏体组织(图6)，表面硬度达到7.0GPa。(2)对热处理之后的42CrMoA合金钢进行表面机械滚压纳米化处理。42CrMoA合金钢试棒旋转速度v1＝1.9×104mm/min；表面机械滚压纳米化加工头进给速度v2＝2×10-2mm/r；硬质合金滚珠端部压入42CrMoA合金钢表面的深度Δx1＝80μm，Δx2＝130μm，Δx3＝180μm。
实验结果表明，经过本发明的表面可控复合强化方法处理后，锻钢曲轴用42CrMoA合金钢表面粗糙度Ra为0.15μm，表层出现梯度组织细化结构，其厚度为700μm(图7)。图8所示的X射线衍射宽化分析结果表明，42CrMoA合金钢最表层晶粒尺寸细化为纳米级(15nm)。随着与表面距离的增加，晶粒尺寸呈现增大的趋势(图7)。42CrMoA合金钢表层显微硬度沿横断面方向由表及里呈梯度分布状态(图9)，最表层的显微硬度为7.9GPa，随着与表面距离的增加，显微硬度呈下降的趋势，当与表面距离为700μm时，显微硬度降低为基体的硬度(7.0GPa)。
实施例3
本实施例选择的锻钢曲轴用42CrMoA合金钢的化学成分、供货态和试棒的尺寸均与实施例1相同。
采用本发明的表面可控复合强化方法对锻钢曲轴用42CrMoA进行处理，具体过程如下：(1)采用热处理工艺(中频淬火+低温回火处理工艺)对42CrMoA合金钢进行热处理。中频感应淬火是在中频感应淬火炉中进行，淬火温度为860℃；低温回火在电阻加热炉中进行，回火温度210℃，保温时间为120min，保温后空冷，最终得到的42CrMoA合金钢表层较大深度范围内(≥3mm)为针状马氏体组织(图10)，表面硬度达到7.4GPa。(2)对热处理之后的42CrMoA合金钢进行表面机械滚压纳米化处理。42CrMoA合金钢试棒旋转速度v1＝1.9×104mm/min；表面机械滚压纳米化加工头进给速度v2＝2×10-2mm/r；硬质合金滚珠端部压入42CrMoA合金钢表面的深度Δx1＝50μm，Δx2＝100μm，Δx3＝150μm，Δx4＝150μm。
实验结果表明，经过本发明的表面可控复合强化方法处理后，锻钢曲轴用42CrMoA合金钢表面粗糙度Ra为0.12μm，表层出现梯度组织细化结构，其厚度为600μm(图11)。图12所示的X射线衍射宽化分析结果表明，42CrMoA合金钢最表层晶粒尺寸细化为纳米级(13nm)。随着与表面距离的增加，晶粒尺寸呈现增大的趋势(图11)。经表面可控复合强化方法处理之后，42CrMoA合金钢表层显微硬度沿横断面方向由表及里呈梯度分布状态(图13)，最表层的显微硬度增大至8.2GPa，随着与表面距离的增加，显微硬度呈下降的趋势，当与表面距离为600μm时，显微硬度降低为基体的硬度(7.4GPa)。

Claims (10)

1.一种锻钢曲轴材料的表面可控复合强化的方法，其特征在于：该方法首先对锻钢曲轴材料回转件进行热处理，然后在其表面进行表面机械滚压纳米化处理，从而在锻钢曲轴材料回转件的表面形成梯度组织细化结构层；所述锻钢曲轴材料为42CrMoA合金钢。
2.根据权利要求1所述的锻钢曲轴材料的表面可控复合强化的方法，其特征在于：所述热处理过程为调质处理；或者，热处理过程为依次进行的中频淬火和低温回火处理。
3.根据权利要求2所述的锻钢曲轴材料的表面可控复合强化的方法，其特征在于：所述调质处理过程为：正火预处理、淬火、高温回火和时效依次进行；其中：所述正火预处理温度为860-900℃，保温时间为200-300min；所述淬火温度为830-860℃；所述高温回火温度为620-660℃，保温时间为300-350min；所述时效温度为580-650℃，时效时间为300-400min。
4.根据权利要求3所述的锻钢曲轴材料的表面可控复合强化的方法，其特征在于：所述调质处理之后，所述锻钢曲轴材料回转件均为回火索氏体组织，硬度达到HRC28以上。
5.根据权利要求2所述的锻钢曲轴材料的表面可控复合强化的方法，其特征在于：所述热处理过程为依次进行的中频淬火和低温回火处理时，中频淬火温度为830-860℃；低温回火温度170-240℃，低温回火保温时间为60-120min。
6.根据权利要求5所述的锻钢曲轴材料的表面可控复合强化的方法，其特征在于：所述锻钢曲轴材料依次进行中频淬火和低温回火处理之后，锻钢曲轴材料回转件表层为马氏体组织，表面硬度达到HRC52以上。
7.根据权利要求1所述的锻钢曲轴材料的表面可控复合强化的方法，其特征在于：所述表面机械滚压纳米化处理是在表面机械滚压纳米化加工系统上实现；所述表面机械滚压纳米化加工系统由表面机械滚压纳米化加工头以及自动变位系统组成；所述表面机械滚压纳米化加工头包括硬质合金滚珠、支撑底座及润滑油路，所述硬质合金滚珠设在支撑底座末端并能够自由滚动，所述润滑油路设于支撑底座内用于对硬质合金滚珠的润滑；所述自动变位系统包括刀架和尾架；所述表面机械滚压纳米化加工头的支撑底座固定在自动变位系统的刀架上，所述锻钢曲轴材料回转件夹持在尾架上，通过机床控制所述刀架和回转件的动作。
8.根据权利要求7所述的锻钢曲轴材料的表面可控复合强化的方法，其特征在于：所述表面机械滚压纳米化处理过程为：经热处理之后的锻钢曲轴材料回转件以线速度v1旋转的同时，通过控制刀架位移使表面机械滚压纳米化加工头的硬质合金滚珠端部压入回转件表面一定深度Δxi(1≤i≤n)，然后刀架沿回转件轴向以线速度v2进给至设定长度即完成一次处理，重复上述过程进行n次处理，每次处理长度内Δxi保持固定；处理过程中，润滑油路对滚珠及其与回转件接触区域进行润滑。
9.根据权利要求8所述的锻钢曲轴材料的表面可控复合强化的方法，其特征在于：所述表面机械滚压纳米化处理过程中，所述锻钢曲轴材料回转件线速度v1为1.0×104mm/min-4.0×104mm/min，所述硬质合金滚珠端部压入回转件表面深度Δxi(1≤i≤n)为20-200μm，所述刀架沿回转件轴向进给线速度v2为5.0×10-3mm/r-4.0×10-2mm/r，所述处理次数n为2-6。
10.根据权利要求1所述的锻钢曲轴材料的表面可控复合强化的方法，其特征在于：经过所述表面可控复合强化处理后，所述锻钢曲轴材料回转件表面形成梯度组织细化结构层，梯度组织细化结构层深度为200-700μm，回转件表面随深度方向的硬度呈梯度分布；回转件表层晶粒细化至≤50nm，表面硬度提高幅度大于1GPa，同时回转件表面的光洁度Ra≤0.2μm。
CN201510776845.4A 2015-11-12 2015-11-12 一种锻钢曲轴材料的表面可控复合强化方法 Active CN105385829B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510776845.4A CN105385829B (zh) 2015-11-12 2015-11-12 一种锻钢曲轴材料的表面可控复合强化方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510776845.4A CN105385829B (zh) 2015-11-12 2015-11-12 一种锻钢曲轴材料的表面可控复合强化方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105385829A true CN105385829A (zh) 2016-03-09
CN105385829B CN105385829B (zh) 2017-12-19

Family

ID=55418602

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510776845.4A Active CN105385829B (zh) 2015-11-12 2015-11-12 一种锻钢曲轴材料的表面可控复合强化方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105385829B (zh)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106086344A (zh) * 2016-07-28 2016-11-09 中国科学院金属研究所 一种金属材料滚轮式表面纳米化方法
CN106367572A (zh) * 2016-09-08 2017-02-01 中国科学院金属研究所 一种提高核电结构材料抗铅铋合金腐蚀性能的方法
CN107858493A (zh) * 2017-11-21 2018-03-30 中国科学院金属研究所 一种对金属材料表层进行处理提高材料性能的测力装置
CN111456661A (zh) * 2020-04-30 2020-07-28 青岛宏新天机械有限公司 耐用钻杆浮阀
CN111455284A (zh) * 2020-05-26 2020-07-28 宜阳县鼎钰耐材有限公司 一种耐磨合金钢棒及其热处理工艺
CN111705188A (zh) * 2020-07-06 2020-09-25 燕山大学 一种耐氢渗入的表面原位纳米化贝氏体钢的制备方法
CN111850245A (zh) * 2020-06-30 2020-10-30 北京科技大学 一种提高钢丝钳剪切刃口强韧性的方法
CN111850266A (zh) * 2020-07-29 2020-10-30 中国科学院金属研究所 一种实现曲轴器件表面纳米化的加工方法及加工装置
CN111944971A (zh) * 2020-07-29 2020-11-17 中国科学院金属研究所 一种具有曲面结构的金属工件的表面纳米化加工方法
CN111992746A (zh) * 2020-07-29 2020-11-27 中国科学院金属研究所 一种实现工件表面纳米化的加工装置和曲轴器件表面梯度纳米化的加工方法
CN113969334A (zh) * 2021-10-26 2022-01-25 山西柴油机工业有限责任公司 一种大功率曲轴中频淬火的热处理变形控制方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102643966A (zh) * 2012-04-10 2012-08-22 中国科学院金属研究所 一种在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102643966A (zh) * 2012-04-10 2012-08-22 中国科学院金属研究所 一种在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
H.W.HUANG等: ""Fatigue behaviors of AISI 316L stainless steel with a gradient nanosteuctured surface layer"", 《ACTA METERIALIA》 *
孔春花等: "《车辆零件热处理技术及应用实例》", 30 June 2013 *
蔡红: "《实用钢铁热处理手册》", 31 March 1998 *
黄海威等: ""马氏体不锈钢上梯度纳米结构表层的形成及其对电化学腐蚀行为的影响"", 《金属学报》 *

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106086344A (zh) * 2016-07-28 2016-11-09 中国科学院金属研究所 一种金属材料滚轮式表面纳米化方法
CN106367572A (zh) * 2016-09-08 2017-02-01 中国科学院金属研究所 一种提高核电结构材料抗铅铋合金腐蚀性能的方法
CN107858493A (zh) * 2017-11-21 2018-03-30 中国科学院金属研究所 一种对金属材料表层进行处理提高材料性能的测力装置
CN111456661A (zh) * 2020-04-30 2020-07-28 青岛宏新天机械有限公司 耐用钻杆浮阀
CN111455284A (zh) * 2020-05-26 2020-07-28 宜阳县鼎钰耐材有限公司 一种耐磨合金钢棒及其热处理工艺
CN111850245A (zh) * 2020-06-30 2020-10-30 北京科技大学 一种提高钢丝钳剪切刃口强韧性的方法
CN111850245B (zh) * 2020-06-30 2021-09-21 北京科技大学 一种提高钢丝钳剪切刃口强韧性的方法
CN111705188A (zh) * 2020-07-06 2020-09-25 燕山大学 一种耐氢渗入的表面原位纳米化贝氏体钢的制备方法
CN111850266A (zh) * 2020-07-29 2020-10-30 中国科学院金属研究所 一种实现曲轴器件表面纳米化的加工方法及加工装置
CN111944971A (zh) * 2020-07-29 2020-11-17 中国科学院金属研究所 一种具有曲面结构的金属工件的表面纳米化加工方法
CN111992746A (zh) * 2020-07-29 2020-11-27 中国科学院金属研究所 一种实现工件表面纳米化的加工装置和曲轴器件表面梯度纳米化的加工方法
CN111944971B (zh) * 2020-07-29 2022-05-06 中国科学院金属研究所 一种具有曲面结构的金属工件的表面纳米化加工方法
CN113969334A (zh) * 2021-10-26 2022-01-25 山西柴油机工业有限责任公司 一种大功率曲轴中频淬火的热处理变形控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105385829B (zh) 2017-12-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105385829A (zh) 一种锻钢曲轴材料的表面可控复合强化方法
CN107201524B (zh) 旋轮表面激光强化加工成形方法
CN105369024B (zh) 一种在马氏体钢表面产生梯度纳米结构的方法
US5595613A (en) Steel for gear, gear superior in strength of tooth surface and method for producing same
Hamadache et al. Improvement of surface conditions of 36 Cr Ni Mo 6 steel by ball burnishing process
CN104384874A (zh) 一种汽车发动机曲轴的加工工艺
US8382919B2 (en) Process of forming nanocrystal layer
CN103341735A (zh) 空心轴及其制造方法
CN107110208B (zh) 轴承构件及制造方法
CN106086344A (zh) 一种金属材料滚轮式表面纳米化方法
CN112063823B (zh) 一种合金钢高铁车轴及其生产方法
CN108149154B (zh) 高压电机用高强度转子轴锻件及热处理加工方法
CN1605636A (zh) 轴承部件、其热处理方法、热处理设备和滚动轴承
CN103215428A (zh) 传动轴花键轴头热处理方法
CN102766749B (zh) 一种回转支承滚道淬火的工艺方法
CN105441651B (zh) 一种提高机车轮轴钢旋转弯曲疲劳性能的方法
EP2134879B1 (en) Method for producing a crankshaft, in particular for diesel engines
CN112176152B (zh) 一种高疲劳寿命、时速≥400公里高铁车轴及其激光淬火方法
CN112176255B (zh) 一种时速≥400公里的碳素钢高铁车轴及其改性方法
CN212504990U (zh) 一种实现曲轴器件表面纳米化的加工装置
CN109609743B (zh) 一种实现直管内表面结构性能优化的塑性变形方法
Han et al. Research into grinding hardening of microalloyed non-quenched and tempered steel
US20160024622A1 (en) Process for producing a component made of heat-treated cast iron
CN102092152A (zh) 金属陶瓷瓦楞辊
RU2354531C1 (ru) Устройство для роторного упрочнения винтовых и сложнопрофильных поверхностей

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant