CN117626169A - 一种基于渗氮的合金钢曲轴轴颈圆角、表面二次强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于渗氮的合金钢曲轴轴颈圆角、表面二次强化方法，该方法包括以下步骤：步骤1，在合金结构钢材质的曲轴在精加工后，进行表面渗氮强化处理；步骤2，曲轴轴颈的抛光工艺：将一次强化的轴颈表面进行抛光处理，消除轴颈表面的螺旋形状的加工纹路；步骤3，曲轴轴颈圆角及表面的二次强化：通过豪克能技术对曲轴轴颈工作部位进行强化处理。本发明在对曲轴进行渗氮的基础上进行豪克能处理，在不改变曲轴材料和尺寸的条件下，进一步提高曲轴疲劳强度，达到高速柴油机高强度、高功率密度和结构紧凑的设计要求。
Description
技术领域
本发明属于机械技术领域，具体涉及一种基于渗氮的合金钢曲轴轴颈圆角、表面二次强化方法。
背景技术
高速柴油机所使用的合金结构钢材质的曲轴通常采用轴颈圆角滚压、圆角喷丸等工艺方法，进行一次表面强化工艺提高其疲劳强度。目前，合金钢曲轴一般只进行一次表面强化处理。随着高速柴油机高强度、高功率密度和紧凑性结构的发展需要。采用增大曲轴轴颈尺寸、曲臂厚度等结构尺寸增强曲轴疲劳强度，从而导致高速柴油的整体质量、外观尺寸增大，这与柴油机发展需求相违背。考虑到高功率密度柴油机的运用要求，核心部件曲轴必须达到结构尺寸小、强度高等技术特点。以及已经无法从材料上再次提高曲轴强度条件下，需要从表面强化方法本身做进一步考量。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于渗氮的合金钢曲轴轴颈圆角、表面二次强化方法，在不改变曲轴材料和尺寸的条件下，进一步提高曲轴疲劳强度，达到高速柴油机高强度、高功率密度和结构紧凑的设计要求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种基于渗氮的合金钢曲轴轴颈圆角、表面二次强化方法，包括以下步骤：
步骤1：曲轴的一次强化工艺：在合金结构钢材质的曲轴在精加工后，进行表面渗氮强化处理；
步骤2：曲轴轴颈的抛光工艺：将一次强化的轴颈表面进行抛光处理，消除轴颈表面的螺旋形状的加工纹路；
步骤3：曲轴轴颈圆角及表面的二次强化：通过豪克能技术对曲轴轴颈工作部位进行强化处理。
优选的，在步骤1中，曲轴渗氮处理包括以下步骤：将曲轴放置在底板上，罩上马弗罩，用石英砂将马弗罩和底板密封，推入加热炉炉体中升温至400℃-600℃，在升温过程中向马弗罩中通入NH3气体，使马弗罩内部充满NH3气；在400℃-600℃下保温40h-60h，使曲轴表面覆盖一层渗氮层。
优选的，在步骤1中，渗氮层深度为0.25mm-0.4mm，表面硬度为550HV1±50HV1。
优选的，在步骤2中，曲轴轴颈的抛光包括以下步骤：
步骤2.1：对曲轴轴颈圆角进行抛光处理；
步骤2.2：对轴颈进行第一次抛光处理，使轴颈精度提高；
步骤2.3：对轴颈进行第二次抛光处理。
优选的，在步骤2.1至步骤2.3中，分别采用木质抛光蹄240#粒度砂布、抛光蹄和600#粒度的砂带以及800#粒度的砂带包裹抛光蹄对进行抛光处理。
优选的，在步骤2.1中，经过抛光处理后，曲轴轴颈圆角处的粗糙度为Ra0.4。
优选的，在步骤2.3中，经过抛光处理后，曲轴轴颈表面粗糙度值小于Ra0.2。
优选的，在步骤3中，通过豪克能技术对曲轴轴颈工作部位进行强化处理包括以下步骤：
步骤3.1：采用豪克能技术对轴颈开档端面、圆角、轴颈直线部分进行连续一次性处理；
步骤3.2：使用执行器从轴颈一侧轴颈开档端面开始连续通过圆角、轴颈直线部分和轴颈另一侧轴颈开档端面，对轴颈进行豪克能技术处理；
步骤3.3：重复步骤3.2对曲柄销进行豪克能处理。
与现有技术相比，本发明具备以下优点：
本发明提供的一种基于渗氮的合金钢曲轴轴颈圆角、表面二次强化方法，在渗氮的基础上进行豪克能处理，在不改变曲轴材料和尺寸的条件下，进一步提高曲轴疲劳强度，达到高速柴油机高强度、高功率密度和结构紧凑的设计要求。本发明通过表面二次强化工艺方法再次提升曲轴本身强度，逐步改善曲轴轴颈表面质量状态，使得合金结构钢材质曲轴疲劳强度得到提升，解决曲轴在高功率密度下强度不足的问题。
本发明提供的一种基于渗氮的合金钢曲轴轴颈圆角、表面二次强化工艺方法，通过表面渗氮强化处理作为一次曲轴强化处理，在曲轴的高硬度表面叠加一次轴颈圆角、表面强化的方式，提升曲轴疲劳强度，进一步对曲轴一次强化的高硬度表面采用豪克能技术进行二次强化，实现工艺可对曲轴圆角和轴颈同时进行二次强化，在不改变曲轴使用精度的条件下进一步提升曲轴疲劳强度。
附图说明
图1为本发明中一种基于渗氮的合金钢曲轴轴颈圆角、表面二次强化方法流程图；
图2为本发明实施例中工艺加工示意图；
图3为本发明实施例中一次强化处理后的曲轴微观表面状态图；
图4为本发明实施例中二次强化处理的轴颈表面部位图；
图5为本发明实施例中二次强化处理后的曲轴微观表面状态图。
图中，1为马弗罩；2为曲轴；3为底板；4为炉体；5为抛光蹄；6为执行器；7为轴颈开档端面；8为圆角；9为轴颈直线部分；10为轴颈。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
如图1所示，为使曲轴材料和结构尺寸不变的条件下进一步提升曲轴的疲劳强度，本发明的技术方案中提供一种基于渗氮的合金钢曲轴轴颈圆角、表面二次强化方法，逐步改善曲轴轴颈表面质量，进一步提升曲轴的疲劳强度提升的目的，包括以下步骤：
步骤1：曲轴的一次强化工艺：如图2所示，在合金结构钢材质的曲轴在精加工后，进行表面渗氮强化处理，渗氮是向曲轴2表面层渗入氮原子的过程，提高表面硬度和耐磨性，并提高疲劳强度和抗腐蚀性，氮化后的轴颈10表面具有致密的金相，氮原子的渗入阻碍了位错运动，防止了疲劳裂纹的产生和扩散，提高了曲轴2疲劳强度。一般曲轴2渗氮处理是对曲轴2所有表面进行渗氮，具体包括以下步骤：
将曲轴2放置在底板3上，罩上马弗罩1，用石英砂将马弗罩1和底板3密封，推入加热炉炉体4中升温至500℃，在升温过程中向马弗罩1中通入NH3气体，使马弗罩1内部充满NH3气；在500℃下保温50h，使曲轴2表面覆盖一层渗氮层。渗氮层深度为0.25mm-0.4mm，表面硬度为550HV1±50HV1。
步骤2：曲轴轴颈的抛光工艺，将一次强化的轴颈表面进行抛光处理，消除轴颈表面的螺旋形状的加工纹路，在不改变一次强化的效果的前提下，提高轴颈表面精度以及表面质量，具体包括以下步骤：
步骤2.1：采用木质抛光蹄5240#粒度砂布对曲轴轴颈圆角进行抛光处理，使圆角处的粗糙度提高到Ra0.4；
步骤2.2：采用抛光蹄5和600#粒度的砂带对轴颈10进行第一次抛光处理，使轴颈10精度提高；
步骤2.3：采用800#粒度的砂带包裹抛光蹄5对轴颈10进行第二次抛光处理，使轴颈表面粗糙度提高到Ra0.2。一次强化处理后的曲轴放大200倍的微观表面状态图如图3所示。
步骤3：曲轴轴颈圆角及表面的二次强化，如图4所示：通过豪克能技术对曲轴轴颈工作部位进行强化处理：
步骤3.1：采用豪克能技术对轴颈开档端面7、圆角8、轴颈直线部分9进行连续一次性处理；
步骤3.2：使用执行器6从轴颈10一侧轴颈开档端面7开始连续通过圆角8、轴颈直线部分9和轴颈10另一侧轴颈开档端面7，对轴颈进行豪克能技术处理；
步骤3.3：重复步骤3.2对曲柄销进行豪克能处理。二次强化处理后的曲轴放大200倍的微观表面状态图如图5所示。
使预置轴颈10表面压应力提升3-4倍、粗糙度达到Ra0.06，通过豪克能加工技术处理的合金钢锻件曲轴高硬度表面强度提升，工艺参数冲击力可达0.55MPa、频率达到30000Hz。
本发明提供的一种基于渗氮的合金钢曲轴轴颈圆角、表面二次强化工艺方法，逐步改善曲轴轴颈表面质量状态，通过二次处理使得合金结构钢材质曲轴疲劳强度得到提升，曲轴轴颈表面粗糙度再次提高、预置入更大的表面压应力、粗糙度峰谷半径减小、处理表面微观状态中的缺陷。
在本发明的一个实施例中，步骤1中的方法包括：将曲轴2放置在底板3上，罩上马弗罩1，用石英砂将马弗罩1和底板3密封，推入加热炉炉体4中升温至400℃，在升温过程中向马弗罩1中通入NH3气体，使马弗罩1内部充满NH3气；在400℃下保温40h，使曲轴2表面覆盖一层渗氮层。渗氮层深度为0.25mm-0.4mm，表面硬度为550HV1±50HV1。
在本发明的又一实施例中，步骤1中的方法包括：将曲轴2放置在底板3上，罩上马弗罩1，用石英砂将马弗罩1和底板3密封，推入加热炉炉体4中升温至600℃，在升温过程中向马弗罩1中通入NH3气体，使马弗罩1内部充满NH3气；在600℃下保温60h，使曲轴2表面覆盖一层渗氮层。渗氮层深度为0.25mm-0.4mm，表面硬度为550HV1±50HV1。
对本发明实施例中经过二次强化的曲轴进行相关性能测试，其各性能指标如下：
1.对比毫克能处理前后的表面粗糙度：
按照GB/T 1031-2009《产品几何技术规范(GPS)表面结构轮廓法表面粗糙度参数及其数值》中对粗糙度的要求进行评价。用粗糙度检测仪MC300/TR100进行检测，取样数量为5个，取样长度按标准为0.8mm。检测时按轴向方向检测，不允许按径向检测。对无法使用粗糙度检测仪检测时，使用粗糙度对比块(GB/T6060.2-2006)进行检测，两种检测方法均以Ra评价。
经过毫克能处理后，轴径表面粗糙度从Ra2.5降低至Ra0.12。
2.采用盲孔法检测试样毫克能处理前后直线部分表面应力，对比结果如表1所示：
表1毫克能处理前后直线部分表面应力
3.本发明中，对渗氮+豪克能的圆角应力进行检测，其数据离散较小，按统计分析原理，去除最大异常值和最小异常值后进行后续分析研究从数据中可以得出:渗氮+豪克能圆角处的平均应力值为-468.9MPa，相比于常规方法提升3.7倍。
4.按《GB/T31310-2014金属材料残余应力测定钻孔应变法》方法，在图纸《ZC FQHKN 006》要求的位置检测试样的表面应力。
5.按照GB/T230.1-2009《金属材料洛氏硬度试验第1部分:试验方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、标尺)》和GB/T4340-2009《金属材料维氏硬度试验》进行试样表面硬度的检测。洛氏硬度的检测在试样每120°处检测3个点，记录HRC值。维氏硬度的检测数据选择三个同炉小试样进行检测，记录HV1值。
对于仅进行渗氮的试样，其硬度检测结果为607.49HV，采用渗氮+豪克能处理的试样，其硬度为629.92HV，硬度提升了22.43HV(2HRC)，提升率为3.7％。
试样经过毫克能处理前后表面硬度检测结果如表2所示：
表2毫克能处理前后表面硬度检测结果
本发明相对于现有技术，具有以下有点：
1)通过一次强化处理使曲轴表面具有稳定强化状态。
2)通过豪克能二次加工工艺强化处理，高硬度表面的压应力有大幅度的提升，一般提升3-4倍。
3)通过豪克能二次加工工艺强化处理，高硬度表面的粗糙度值有大幅度的下降，一般降为原粗糙度1/4-1/2。
4)通过豪克能二次加工工艺强化处理，高硬度表面的微观缺陷消除。
5)通过两次强化叠加处理，提升了曲轴的总体疲劳强度。
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于渗氮的合金钢曲轴轴颈圆角、表面二次强化方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：曲轴的一次强化工艺：在合金结构钢材质的曲轴在精加工后，进行表面渗氮强化处理；
步骤2：曲轴轴颈的抛光工艺：将一次强化的轴颈表面进行抛光处理，消除轴颈表面的螺旋形状的加工纹路；
步骤3：曲轴轴颈圆角及表面的二次强化：通过豪克能技术对曲轴轴颈工作部位进行强化处理。
2.如权利要求1所述的一种基于渗氮的合金钢曲轴轴颈圆角、表面二次强化方法，其特征在于：在所述步骤1中，曲轴渗氮处理包括以下步骤：将曲轴(2)放置在底板(3)上，罩上马弗罩(1)，用石英砂将所述马弗罩(1)和所述底板(3)密封，推入加热炉炉体(4)中升温至400℃-600℃，在升温过程中向所述马弗罩(1)中通入NH3气体，使所述马弗罩(1)内部充满NH3气；在400℃-600℃下保温40h-60h，使所述曲轴(2)表面覆盖一层渗氮层。
3.如权利要求2所述的一种基于渗氮的合金钢曲轴轴颈圆角、表面二次强化方法，其特征在于：在所述步骤1中，渗氮层深度为0.25mm-0.4mm，表面硬度为550HV1±50HV1。
4.如权利要求1所述的一种基于渗氮的合金钢曲轴轴颈圆角、表面二次强化方法，其特征在于：在所述步骤2中，曲轴轴颈的抛光包括以下步骤：
步骤2.1：对曲轴轴颈圆角进行抛光处理；
步骤2.2：对轴颈进行第一次抛光处理，使轴颈精度提高；
步骤2.3：对轴颈进行第二次抛光处理。
5.如权利要求4所述的一种基于渗氮的合金钢曲轴轴颈圆角、表面二次强化方法，其特征在于：在所述步骤2.1至所述步骤2.3中，分别采用木质抛光蹄(5)240#粒度砂布、抛光蹄(5)和600#粒度的砂带以及800#粒度的砂带包裹抛光蹄(5)对进行抛光处理。
6.如权利要求5所述的一种基于渗氮的合金钢曲轴轴颈圆角、表面二次强化方法，其特征在于：在所述步骤2.1中，经过抛光处理后，曲轴轴颈圆角处的粗糙度为Ra0.4。
7.如权利要求6所述的一种基于渗氮的合金钢曲轴轴颈圆角、表面二次强化方法，其特征在于：在所述步骤2.3中，经过抛光处理后，曲轴轴颈表面粗糙度值小于Ra0.2。
8.如权利要求1所述的一种基于渗氮的合金钢曲轴轴颈圆角、表面二次强化方法，其特征在于：在所述步骤3中，通过豪克能技术对曲轴轴颈工作部位进行强化处理包括以下步骤：
步骤3.1：采用豪克能技术对轴颈开档端面(7)、圆角(8)、轴颈直线部分(9)进行连续一次性处理；
步骤3.2：使用执行器(6)从轴颈(10)一侧所述轴颈开档端面(7)开始连续通过所述圆角(8)、所述轴颈直线部分(9)和所述轴颈(10)另一侧所述轴颈开档端面(7)，对轴颈进行豪克能技术处理；
步骤3.3：重复步骤3.2对曲柄销进行豪克能处理。
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2023
- 2023-10-19 CN CN202311360130.1A patent/CN117626169A/zh active Pending
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