CN115466900B - 一种提高汽车曲轴抗疲劳性能的方法 - Google Patents

一种提高汽车曲轴抗疲劳性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高汽车曲轴抗疲劳性能的方法，包括熔炼、成型、正火、中频表面淬火和等温淬火处理，其中熔炼过程严格调控各元素的质量百分比，通过元素之间对晶型的调控和对杂质含量的调控，可以改善产物中调节条状夹杂物的横向分布和尺寸；成型和热处理过程中严格控制各参数条件，以简单的制备方法大大提高了汽车曲轴的抗疲劳性能、耐磨损性能和强度。

Description

一种提高汽车曲轴抗疲劳性能的方法
技术领域
本发明属于汽车曲轴制备的技术领域，具体涉及到一种提高汽车曲轴抗疲劳性能的方法。
背景技术
曲轴是汽车发动机系统中最为关键的构成部分之一，曲轴性能的好坏将直接对整个车辆的使用寿命造成影响。随着国家对道路交通机械排放标准的不断提高，柴油发动机采用涡轮增压技术后，其曲轴所承受的载荷提高了45％-67％，对曲轴强度和延伸率的要求相应提高，普通球铁的性能已不能满足其服役要求，只能采用锻造合金钢曲轴，而锻造合金钢曲轴不具有球墨铸铁曲轴重量轻、良好的疲劳性能和耐磨抗震优势。因此需要对锻造合金钢曲轴进行优化。同时曲轴工作时承受着大负荷和不断变化的弯矩及扭矩作用，常见的失效形式为弯曲疲劳断裂及轴颈磨损，因此，这就要求曲轴材质具有较高的疲劳强度以及优异的耐磨性能。
现有技术中汽车发动机曲轴的加工工艺过程比较复杂，成本较高。例如锻造合金钢曲轴的锻造工艺，其是在热轧(锻)过程中通过对金属加热制度、变形制度和温度制度的合理控制，使热塑性变形与固态相变结合，以获得细小晶粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能的轧制新工艺，可以通过控制轧制(锻造)后钢材的冷却速度达到改善钢材组织和性能的目的，但是其加速冷却会导致内外冷速不均，进而产生性能不均、热应力过大等问题。
此外金属基体组元决定材料的硬度、强度、耐热等力学性能及物理性能，而润滑组元可以减小或者消除粘结和卡滞，减少表面磨损，平稳摩擦过程，摩擦组元用于补偿固体润滑组元的影响及在不损害摩擦表面的前提下增加滑动阻力，用于调整摩擦因素，起着摩擦、抗磨和抗粘结的作用。合理选择摩擦组元对提高摩擦材料及耐磨性能至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高汽车曲轴抗疲劳性能的方法，可以通过合理的原料配比和参数调控，大大提高了抗拉强度和延伸率，且制备工艺简单，节约了能源，降低了企业的生产成本。
为达上述目的，本发明提供了一种提高汽车曲轴抗疲劳性能的方法，包括以下步骤：
(1)熔炼
称取原料，先将铁源、锰源、碳源和钒源置于真空感应炉中熔炼，保温一段时间后加入脱氧合金，均匀后再加入硫铁合金，制得铸锭；
(2)成型
将铸锭经锻压成型处理，制得铸件；其中锻压的初锻温度为1150-1180℃，终锻温度为920-950℃；
(3)热处理
将成型后的铸件依次经正火、中频表面淬火、等温淬火处理，制得。
优选的，步骤(1)熔炼的过程包括：首先抽真空至炉内压力为20Pa以下，然后通电熔炼；抽真空时需反复通高纯氩气排尽炉内残余空气。
优选的，脱氧合金为钛合金、铝合金和锆合金中的至少一种，步骤(1)铸锭中的成分含量包括：C 0.075-0.15％、Mn 0.3-1.15％、V 0.08-4.0％、S 0.01-0.03％、Ti 0-0.5％、Al 0-0.5％、Zr 0-0.20％，余量为Fe以及不可避免的微量元素，其中Ti、Al和Zr不同时为0。
优选的，脱氧合金为锆合金，步骤(1)铸锭中的成分含量包括：C 0.15％、Mn0.75％、V 2.0％、S 0.03％、Ti 0.5％、Al 0.01％、Zr 0.20％，余量为Fe以及不可避免的微量元素。
优选的，熔炼的温度为900-1000℃，熔炼的时间为7-9h；保温的时间为3-5min。
优选的，步骤(2)锻压的变形量为7-13％。
优选的，步骤(3)中正火的温度为860-920℃，正火的时间为1-3h。
优选的，步骤(3)中中频表面淬火的功率为0.35-0.45kW/cm2，中频表面淬火的频率为8-10kHz，中频表面淬火的加热时间和冷却时间均为40-60s。
优选的，步骤(3)中等温淬火的过程具体包括：将经中频表面淬火后的铸件投入盐浴炉内，5min内将温度升高至350-360℃，反应60-70min后，水冷至室温。
优选的，盐浴炉内的盐浴成分包括体积分数为45％的亚硝酸钠和体积分数为55％的硝酸钾。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、本发明通过添加脱氧调节剂可以调控铸件中条状夹杂物的纯度和形貌，通过将细长条状、聚集分布的条状夹杂物调整为较为分散的，长宽比较小的夹杂物，可以防止条状夹杂物聚集处产生微观裂纹，形成应力集中导致铸件断裂；通过在铸件中控制元素的比例关系和添加顺序，可以细化晶粒、形成相应的碳氮化物粒子钉扎晶界，阻止奥氏体在高温过分长大，还可以改善铸件的形态，提高铸件的抗拉强度、曲阜强度和延伸率。
2、本发明首先通过高温正火处理消除曲轴中的游离态渗碳体，提高曲轴的综合力学性能，促进了抗疲劳强度的改善，再进行中频淬火处理，提高了铸件表面的硬化度，并防止了表面开裂的发生；同时通过提高铸件中碳钒锰等合金元素的含量，提高了材料的淬透性，进而改善了中频淬火无法达到较深的加热层的缺陷。最后，通过等温淬火处理进一步提高强度和韧性。
3、本发明通过铸造缺陷以及热处理工艺这两个角度入手，合理应用正火、中频表面淬火以及等温淬火处理的方式，促进曲轴疲劳强度水平的提升，同时改善曲轴的耐磨性，延长曲轴的使用寿命。
具体实施方式
本发明公开了一种提高汽车曲轴抗疲劳性能的方法，包括以下步骤：
S1熔炼
称取原料，先将铁源、锰源、碳源和钒源置于真空感应炉中以900-1000℃的温度熔炼7-9h，保温3-5min后加入脱氧合金，均匀后再加入硫铁合金，制得铸锭；脱氧合金为钛合金、铝合金和锆合金中的至少一种。
铸锭中包括以下质量百分比组分：C 0.075-0.15％、Mn 0.3-1.15％、V0.08-4.0％、S 0.01-0.03％、Ti 0-0.5％、Al 0-0.5％、Zr 0-0.20％，余量为Fe以及不可避免的微量元素，其中Ti、Al和Zr不同时为0。
S2成型
将铸锭经锻压成型处理，制得铸件；其中锻压的初锻温度为1150-1180℃，终锻温度为920-950℃，锻压变形量为7-13％。
S3正火
将成型后的铸件经860-920℃正火处理1-3h。
S4中频表面淬火
将正火后的铸件经中频表面淬火，其中中频表面淬火的功率为0.35-0.45kW/cm2，中频表面淬火的频率为8-10kHz，中频表面淬火的加热时间和冷却时间均为40-60s。
S5等温淬火
将中频表面淬火的铸件投入盐浴炉内，盐浴炉内的盐浴成分包括体积分数为45％的亚硝酸钠和体积分数为55％的硝酸钾。5min内将温度升高至350-360℃，反应60-70min后，水冷至室温。
以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例提供了一种提高汽车曲轴抗疲劳性能的方法，包括以下步骤：
S1熔炼
称取原料，先将铁源、锰源、碳源和钒源置于真空感应炉中以960℃的温度熔炼8h，保温5min后加入脱氧合金，均匀后再加入硫铁合金，制得铸锭；
铸锭中包括以下质量百分比组分：C 0.15％、Mn 0.75％、V 2.0％、S 0.03％、Ti0.5％、Al 0.01％、Zr 0.20％，余量为Fe以及不可避免的微量元素。
S2成型
将铸锭经锻压成型处理，制得铸件；其中锻压的初锻温度为1150℃，终锻温度为950℃，锻压变形量为13％。
S3正火
将成型后的铸件经860℃正火处理2h。
S4中频表面淬火
将正火后的铸件经中频表面淬火，其中中频表面淬火的功率为0.35kW/cm2，中频表面淬火的频率为8kHz，中频表面淬火的加热时间和冷却时间均为40s。
S5等温淬火
将中频表面淬火的铸件投入盐浴炉内，盐浴炉内的盐浴成分包括体积分数为45％的亚硝酸钠和体积分数为55％的硝酸钾。5min内将温度升高至350℃，反应60min后，水冷至室温。
实施例2
本实施例提供了一种提高汽车曲轴抗疲劳性能的方法，包括以下步骤：
S1熔炼
称取原料，先将铁源、锰源、碳源和钒源置于真空感应炉中以1000℃的温度熔炼7h，保温3min后加入脱氧合金，均匀后再加入硫铁合金，制得铸锭；
铸锭中包括以下质量百分比组分：C 0.15％、Mn 1.15％、V 0.08％、S 0.03％、Ti0.5％、Al 0.5％、Zr 0.20％，余量为Fe以及不可避免的微量元素。
S2成型
将铸锭经锻压成型处理，制得铸件；其中锻压的初锻温度为1180℃，终锻温度为920℃，锻压变形量为7％。
S3正火
将成型后的铸件经920℃正火处理3h。
S4中频表面淬火
将正火后的铸件经中频表面淬火，其中中频表面淬火的功率为0.45kW/cm2，中频表面淬火的频率为10kHz，中频表面淬火的加热时间和冷却时间均为60s。
S5等温淬火
将中频表面淬火的铸件投入盐浴炉内，盐浴炉内的盐浴成分包括体积分数为45％的亚硝酸钠和体积分数为55％的硝酸钾。5min内将温度升高至360℃，反应70min后，水冷至室温。
实施例3
本实施例提供了一种提高汽车曲轴抗疲劳性能的方法，包括以下步骤：
S1熔炼
称取原料，先将铁源、锰源、碳源和钒源置于真空感应炉中以900℃的温度熔炼7h，保温5min后加入脱氧合金，均匀后再加入硫铁合金，制得铸锭；
铸锭中包括以下质量百分比组分：C 0.075％、Mn 0.3％、V 4.0％、S 0.01％、Ti0.5％、Al 0.25％、Zr 0.10％，余量为Fe以及不可避免的微量元素。
S2成型
将铸锭经锻压成型处理，制得铸件；其中锻压的初锻温度为1180℃，终锻温度为920℃，锻压变形量为9％。
S3正火
将成型后的铸件经900℃正火处理2h。
S4中频表面淬火
将正火后的铸件经中频表面淬火，其中中频表面淬火的功率为0.4kW/cm2，中频表面淬火的频率为10kHz，中频表面淬火的加热时间和冷却时间均为40s。
S5等温淬火
将中频表面淬火的铸件投入盐浴炉内，盐浴炉内的盐浴成分包括体积分数为45％的亚硝酸钠和体积分数为55％的硝酸钾。5min内将温度升高至360℃，反应60min后，水冷至室温。
对比例1
本对比例与实施例1不同的是，铸锭中包括以下质量百分比组分：C 0.15％、Mn0.75％、V 2.0％、S 0.03％、Ti 0.5％、Al 0.01％，余量为Fe以及不可避免的微量元素。其余工艺一致。
对比例2
本对比例与实施例1不同的是，铸锭中包括以下质量百分比组分：C 0.15％、Mn0.75％、V 2.0％、S 0.03％、Ti 0.5％、Al 0.01％、Zr 0.80％，余量为Fe以及不可避免的微量元素。其余工艺一致。
对比例3
本对比例与实施例1不同的是，步骤S1中的原料为同时投入，不分先后，其余工艺一致。
对比例4
本对比例与实施例1不同的是，步骤S2的初锻温度为1300℃，终锻温度为850℃，其余工艺一致。
对比例5
本对比例与实施例1不同的是，正火温度为850℃，正火时间为2h，其余工艺一致。
对比例6
本对比例与实施例1不同的是，正火温度为950℃，正火时间为2h，其余工艺一致。
对比例7-8
本对比例与实施例1不同的是，不经过中频表面淬火处理(对比例7)或不经过等温淬火处理(对比例8)，其余工艺一致。
将实施例1-3以及对比例1-7制备的铸件经力学性能测试，其结果如表1所示。
表1铸件力学性能数据
由表1的数据可以知道，本发明提供的制备方法中包括参数以及组分配比均是在经过大量实验数据验证后得到的最佳关系，可以提高汽车曲轴铸件的抗拉强度和延伸率，进而提高曲轴的抗疲劳性能。
具体的，如对比例1和对比例2的数据可知：硫化物夹杂物对铸件得到组织性能影响很大，在热处理过程中提高温度可以使长条状的硫化物碎化，并通过脱氧合金对其进行改性，可以使之形成不易变形的硫化锆等产物，减小夹杂物的尺寸和减少夹杂物的集中分布和均匀分布，提高横向的力学性能。
如对比例3的数据可知：按照本发明制备方法制备的产物性能优异，在投加熔炼时，通过控制投加顺序可以控制成型速率、核心的生长以及杂质的形貌，起到调控组织形貌的作用，使汽车曲轴的组织成分均匀。
如对比例4的数据可知：当初锻温度和终锻温度超出本发明中的温度范围时，会对汽车曲轴的热疲劳性能造成一定不利的影响。为了提高热疲劳性能，本发明的初锻温度优选为1150-1180℃，终锻温度优选为920-950℃，锻压变形量优选为7-13％。
如对比例5-6的数据可知：不同的正火温度对汽车曲轴的耐磨性能和力学性能均有不同程度的影响。当正火温度超过本发明提供的范围时，石墨周围会集中分布大量的铁素体和不均匀碳，进而降低汽车曲轴的耐磨性和力学性能。
如对比例7-8的数据可知：中频表面淬火工艺，能够对正火处理后的铸件进一步消除其残存的游离渗碳体，提高铸件的综合力学性能，促进抗疲劳强度的改善，并且通过在铸件表面形成一层淬硬层，可以提高曲轴本身的耐磨性能。而等温淬火则可以进一步对曲轴的力学性能和韧性进行改善，以达到提高曲轴抗疲劳性能的目的。
虽然对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种提高汽车曲轴抗疲劳性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)熔炼
按照重量份组分称取原料，先将铁源、锰源、碳源和钒源置于真空感应炉中熔炼，保温一段时间后加入脱氧合金，均匀后再加入硫铁合金，制得铸锭；
(2)成型
将铸锭经锻压成型处理，制得铸件；其中锻压的初锻温度为1150-1180℃，终锻温度为920-950℃；
(3)热处理
将成型后的铸件依次经正火、中频表面淬火、等温淬火处理，制得；
其中，所述步骤(3)中正火的温度为860-920℃，正火的时间为1-3h；
所述步骤(3)中中频表面淬火的功率为0.35-0.45kW/cm2，中频表面淬火的频率为8-10kHz，中频表面淬火的加热时间和冷却时间均为40-60s；
所述步骤(3)中等温淬火的过程具体包括：将经中频表面淬火后的铸件投入盐浴炉内，5min内将温度升高至350-360℃，反应60-70min后，水冷至室温；
所述步骤(1)铸锭中的成分含量由：C0.075-0.15％、Mn0.3-1.15％、V0.08-4.0％、S0.01-0.03％、Ti 0.5％、Al 0.01-0.5％、Zr0.1-0.20％，余量为Fe以及不可避免的微量元素组成。
2.如权利要求1所述的提高汽车曲轴抗疲劳性能的方法，其特征在于，所述步骤(1)熔炼的过程包括：首先抽真空至炉内压力为20Pa以下，然后通电熔炼；所述抽真空时需反复通高纯氩气排尽炉内残余空气。
3.如权利要求1所述的提高汽车曲轴抗疲劳性能的方法，其特征在于，所述脱氧合金为钛合金、铝合金和锆合金中的至少一种。
4.如权利要求1所述的提高汽车曲轴抗疲劳性能的方法，其特征在于，所述熔炼的温度为900-1000℃，熔炼的时间为7-9h；所述保温的时间为3-5min。
5.如权利要求1所述的提高汽车曲轴抗疲劳性能的方法，其特征在于，所述步骤(2)锻压的变形量为7-13％。
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