| 柴油机连杆调质工艺的研究 | |
| 作者：沈阳工业大学 王延和 葛景岩 郭晓光 | |
关键词：柴油机连杆；调质处理；硬度；显微组织 7 U7 {8 \2 j- y$ \* R5 X 连杆是柴油机的重要部件，不但要有高的抗拉、压强度和高的疲劳强度，而且要有足够的刚性和韧性。连杆的损坏形式主要是疲劳断裂，常发生在连杆的3个高应力区，如图1中a、b、c区。通常连杆是以调质状态在发动机里服役，其寿命首先取决于调质工艺质量，即它的金相必须是1～4级晶粒度的细的回火索氏体(可有少量托氏体和极少量铁素体)；其次，是硬度应在HB207～289(因不同柴油机型号而异)；第三，应经磁力探伤确保无裂纹(JBIT6722-93)。 http://car.newmaker.com/nmsc/u/art_img/20046/2004622195721109.gif 6 y0 q( S& J; P. H 通过探索、研究、试验，作者制定了一套连杆调质新工艺，经过几年的生产实践，处理了各种规格型号的连杆如S195、D175、R180、ZH1105等十几个品种数百万件。 图1 柴油机连杆示意图 1 工艺 . m7 T% z( a5 [$ k 1.1 产品名称、规格、材料 以S195柴油机连杆为主要研究对象，见图1。其材料为GB699—35中规定的45号钢。 1.2 设备 采用哈尔滨松江电炉厂生产的HL-270震底式热处理生产线进行调质生产，淬火炉功率105kW，每小时生产量250kg。 + B2 ^5 @, j- O+ W2 C& Q$ e! j* ^ 1.3 工艺试验 + i C& a1 g. D 对加热温度、加热时间、淬火介质进行了一系列试验，结果见表1。最后确定图2所示现行工艺。 / A: u6 d$ n" u0 G# W 表1 淬火介质试验结果 工艺 介质温度℃ 淬火温度℃ 淬火硬度/HRc 金相组织(回火后) 开裂比例 # ?; Q; ]+ W: c p. M; u 10%～15%NaCl ＜50 830 850 840 47～55 1～4级 15% ' B) E, d) [/ N4 ^+ y3 r" u 比重1.4～1.45的CaCl2 ＜50 830 850 840 38～45 4～6级 2% 比重1.25～1.28的CaCl2 ＜50 830 850 840 48～56 1～4级 2% 4 m! v& U# ~2 ?( M, Y, W! \* a 比重1.20～1.28的Cacl2 ＜50 830 850 840 50～58 1～4级 5.2% 4 F* B( H. O! K9 n http://car.newmaker.com/nmsc/u/art_img/20046/20046221111538356.gif 2 分析讨论 *冷却介质为比重1.25～1.28的CaCl2水溶液 图2 试验用热处理工艺 7 N1 i( Y" M. K8 p 2.1 关于淬火介质的确定 我们选择比重为1.25～1.28的CaCl2水溶液作为淬火介质，这是因为和几种常用的介质相比较，CaCl2水溶液的冷却速度适中，既能达到金相组织的要求，开裂又较少，价格较便宜，配制、管理、调节方便，性能稳定。据有关资料介绍，CaCl2应在饱和状态使用，但我们实验的结果表明， 比重在1.25～1.28时较好。另据资料介绍，CaCl2的使用温度在20～70℃，本实验表明一般不能超过50℃，否则很难达到金相组织和硬度的要求。 4 |8 W6 ^7 g9 E# _" N ( q" @' d: H1 r1 z. Z* ]( H6 o$ l; { 在开始使用比重1.25～1.28的CaCl2介质时经金相检验发现，99%的视场都在1～4级范围。但在图1d处有时超过5级成网状铁素体；同时发现在图1e处(锻件为不通孔)出现裂纹，严重的甚至整个一圈都掉了。经分析认为这两种情况是冷却速度在各个部位不一致所致。于是我们在介质槽中安装了搅拌机、循环泵，使连杆各部位冷却速度趋于一致，使金相也达到要求，开裂情况大为减少。 4 j8 m5 ]9 Q& P3 ^ ^$ M 2.2 关于淬火加热温度和时间的确定 $ L* X5 j& F8 P# S' p; w0 v/ @ 一般淬火温度超过860℃则开裂倾向增加，若温度太低或加热时间过短易发生硬度不足的情况，也可能出现未溶解的块状铁素体，所以一般选择在830～850℃，由于淬火炉分三个加热区，所以我们采用了“低、高、低”的三段温度，即第一、二、三区分别为830℃、850℃、840℃，这样既保证了铁素体完全溶解，又不致造成开裂。 ( Z6 L* J% `1 K+ r2 F# q3 q/ O 加热时间据S195的有效厚度定为40～50min。 # U8 u' s- A3 F8 e1 `3 R0 ?, } - {/ A6 N q6 o8 q6 \ g0 t 2.3 回火温度、时间的选择 回火温度的选择主要依据产品的具体调质硬度以及淬火抽查的硬度而定，一般在500～600℃。回火一要及时，二要充分，一般回火时间在自然介质加热的情况下定为60～90min。若回火不及时或不充分，则可能造成开裂。我们曾发现回火时间过短的连杆，当时经磁力探伤未发现裂纹，而几天后再探伤却出现了裂纹，所以回火虽然和金相组织无直接关系，但对于硬度、开裂影响很大，应予以重视。 ! x3 P& I3 s8 ?0 U6 f 2.4 非工艺因素的影响 使用中发现有些非工艺因素影响金相、硬度和开裂情况，如曾发现数批钢材(其中最大一批达170t)不合格，锻打时已开裂，因没有中间磁力探伤而未及时发现，致使调质后大批开裂。另外，C含量波动范围较大，也给工艺执行带来麻烦，有时会因C量过低而达不到金相组织的要求，有时又因C量过高而造成开裂。还曾发现因频繁停炉，造成大批产品焖在炉子里引起开裂、脱C。 / N* X* [3 S: T7 g) E8 e0 F 3 结论 & r" A2 k' `/ y* `+ H7 p1 v% o (1)上述工艺经5年应用，证明是可靠的。 (2)应对钢材进行顶锻试验，严把质量关，有效地降低非工艺因素的次品。 + h w/ g7 J- H7 y: T& r! w3 W (3)应加强设备维修，仪器仪表要定期检测避免因频繁停炉造成产品损失。 |
| 磨削裂纹产生机理与防止措施 3 I5 U" A2 V/ {9 s$ p [size=-1]郑州郑工机械集团有限责任公司 (450051) 杨金晓 李晓玲 |
磨削加工在机械制造行业中广泛地被应用，经热处理淬火的碳素工具钢和渗碳淬火钢零件，在磨削时与磨削方向基本垂直的表面常常出现大量的较规则排列的裂纹--磨削裂纹，它不但影响零件的外观，更重要的是还直接影响零件的质量。& i, `3 i# R) _" e 一、磨削裂纹的产生机理) ?$ r% D. j& Y4 F' F 磨削裂纹的产生是磨削热引起的，磨削时零件表面的温度可能高达820～840℃或更高。 Z9 v! h7 |. J* y 淬火钢的组织是马氏体和一定数量的残余奥氏体，处于膨胀状态(未经回火处理尤为严重)。如果将其表面快速加热至100℃左右并迅速冷却时，必然将产生收缩，这是第一次收缩。这种收缩仅发生在表面，其基体仍处于膨胀状态，从而使表面层承受拉应力而产生微裂纹，这是第一种裂纹。当温度升至300℃时，表面再次产生收缩，从而产生第二种裂纹。马氏体的膨胀收缩随着钢中含碳量的增加而增大，故碳素工具钢和渗碳淬火钢产生磨削裂纹尤为严重。) {4 T; X- s2 ]1 l* }' r2 S 淬火钢中的残余奥氏体，在磨削时受磨削热的影响即发生分解，逐渐转变为马氏体，这种新生的马氏体集中于表面，引起零件局部体积膨胀，加大了零件表面应力，导致磨削应力集中，继续磨削则容易加速磨削裂纹的产生；此外，新生的马氏体脆性较大，磨削也容易加速磨削裂纹的产生。另一方面，在磨床上磨削工件时，对工件既是压力，又是 拉力，助长了磨削裂纹的形成。( `7 C. c+ n M; a% O Q 如果在磨削时冷却不充分，则由于磨削而产生的热量，足以使磨削表面薄层重新奥氏体化，随后再次淬火成为淬火马氏体。因而使表面层产生附加的组织应力，再加上磨削所形成的热量使零件表面的温度升高极快，这种组织应力和热应力的迭加就可能导致磨削表面出现磨削裂纹。 二、磨削裂纹的特征 磨削裂纹与一般淬火裂纹明显不同，磨削裂纹只发生在磨削面上，深度较浅，且深度基本一致。较轻的磨削裂纹垂直于或接近垂直于磨削方向的平行线，且规则排列的条状裂纹，这是第一种裂纹。较严重的裂纹显龟甲状(封闭网络状)，其深度大致为0.03-0.15mm。用酸腐蚀，裂纹明显易见。这是第二种裂纹。 三、磨削裂纹的防止措施# n" S8 n! t! q- | 1．磨削工艺方面 (1)磨削裂纹的产生是因为磨削热所致，所以降低磨削热是解决磨削裂纹的关键。一般所采用的湿磨法，无论如何注入切削液，切削液都不可能在磨削的同时进入磨削面，因而无法降低磨削点位置的磨削热。切削液只能是使砂轮和零件的磨削点在+ b1 }) ^$ ^/ e7 P& F 磨削走过后瞬时受到冷却，同时切削液对零件的磨削点起淬火作用，因而事实上加大了磨削裂纹的产生。如果采用于磨法，背吃刀量选择较浅的磨法，可减少磨削裂纹。但是这种方法效果不是很显著，而且灰尘飞扬，影响工作环境，不宜采用。 (2)选用硬度较软、粒度较粗的砂轮来磨削，可以降低磨削热。但如果粒度太粗时会影响工件的表面粗糙度。对于表面粗糙度质量要求高的工件，不能采用此法，因而受到一定的限制。! a9 f% ?) E. W5 S& c' h (3)分粗精磨，即粗磨选用粒度较粗的软砂轮磨削，便于强力磨削，提高效率，然后再用粒度细的砂轮进行精磨(背吃刀量较浅)。分开两台磨床进行粗磨和精磨，这是一种比较理想的方法。( {1 r5 e5 t8 I8 a, e& E S (4)刚出炉的工件，必须待工件自然冷却后(冷却到常温)才能进行磨削。如果在时间允许的情况下，最好让工件自然时效1～2个月，消除应力后再进行磨削，这也会收到很好的效果。 (5)选用粒度较为锋利的砂轮，PA36～46K，及时清除砂轮表面积屑，减少背吃刀量，增加走刀(磨削)次数，减小工作台速度，取＜=1～2m/min，也是一种有效的减少磨削裂纹的途径。 2．热处理方面 ( t* R/ s' u% g3 c: j 从以上分析知道，产生磨削裂纹的根本原因在于淬火件的马氏体组织是一种膨胀状态，有应力存在，要减少和消除这种应力，应进行去应力回火即淬火后应马上进行回火处理。 第一种磨削裂纹是工件在快速加热至100℃左右，并迅速冷却而产生的。所以，为防止这第一种磨削裂纹，工件应在150～200℃左右回火。第二种磨削裂纹是工件在磨削中继续升温至300℃时，表面再次产生收缩而产生的。所以，为防止这第二种磨削裂纹，则应将工件在300℃左右回火。回火时间必须在4h以上，应该注意工件在300℃回火时会使工件硬度下降，有时不宜采用。 有时经过一次回火后仍可能产生磨削裂纹，这时可以进行二次回火或人工时效，这个方法非常有效。' F; _; r7 z: h+ P- j 如果零件硬度要求不高，而零件外观表面要求较高时，可以将回火温度提高到400℃以上回火，即调质处理，这时零件表面不会再出现磨削裂纹现象。 3．在零件材质方面& k7 X1 R8 ^% ~ 当零件硬度要求较高而不能在300℃以上回火时，便要在零件材质上想办法。在前面分析中我们知道，马氏体的膨胀收缩率随着钢中含碳量的增加而增大，故碳素工具钢(T8以上)和渗碳淬火钢产生磨削裂纹尤为严重。所以，当零件硬度和表面外观质量均要求较高时，便不能选用碳素工具钢和渗碳淬火钢，而应选用诸如lCrl3、16Mn等钢种。对于零件表面外观质量要求较高，而零件又是急件时，在时间上不允许自然时效l～2个月(出炉后的零件)；或者因磨削工艺方面受到限制：如使用砂轮方面受到限制、磨床数量少，零件磨削工作量大等因素而无法分开磨床来粗精磨；或者由于车间工人环境清洁优美，也不便于采用干磨法等。这时只能在零件材质上考虑，只能选用含碳量低的lCrl3、40Cr等钢种，而不可能选用T8以上的碳素工具钢或渗碳淬火钢。& r/ f* `/ K* L 总之，只要在磨削工艺方面、零件热处理方面和零件材质方面综合考虑，我们便可以有效地防止磨削裂纹的产生。 |
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