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新型汽車曲軸鍛壓工藝的優(yōu)化

2019-1-17 來源：長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校作者：石慶國

摘要：研究了始鍛溫度、終鍛溫度和鍛壓變形量 3 個(gè)工藝參數(shù)對 38Mn VAl Mg 新型汽車曲軸彎曲疲勞性能和熱疲勞性能的影響。結(jié)果表明：隨始鍛溫度從 1050 ℃增加至 1150 ℃或終鍛溫度從 750 ℃增加至 950 ℃或鍛壓變形量從6%增加至 12%，新型汽車曲軸的彎曲疲勞性能和熱疲勞性能均先提高后下降，中值疲勞強(qiáng)度先增大后減小，熱疲勞試驗(yàn)后的主裂紋級別、網(wǎng)狀裂紋級別和熱疲勞裂紋級別均先減小后增大。始鍛溫度、終鍛溫度和鍛壓變形量分別優(yōu)選為1100 ℃、850 ℃、10%。

關(guān)鍵詞：鍛壓工藝；汽車曲軸； 38Mn VAl Mg 鋼；熱疲勞性能；彎曲疲勞性能

曲軸作為重要的汽車零件，吸引了眾多科研工作者和工程技術(shù)人員的研究興趣。在汽車曲軸的材料選擇、熱處理工藝和表面強(qiáng)化方面，人們進(jìn)行了較多的研究，也取得了較多的成果。但是，關(guān)于汽車曲軸鍛壓工藝的研究還較少。

鍛壓工藝對汽車曲軸的綜合性能有重要影響。隨著汽車曲軸性能要求的提高，現(xiàn)有的 40Cr、38Mn V 等材料往往難以滿足市場的需求。為此，本文對 38Mn VAl Mg 新型汽車曲軸進(jìn)行不同工藝的鍛壓試驗(yàn)，并進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)和熱疲勞試驗(yàn)。

通過彎曲疲勞性能和熱疲勞性能測試與分析，對新型汽車曲軸的鍛壓工藝進(jìn)行了優(yōu)化。

1 、試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為 38Mn VAl Mg 鋼，其化學(xué)成分如表1 所示。新型汽車曲軸的鍛壓工藝如表 2 所示。鍛壓變形量的計(jì)算公式為：鍛壓變形量=（鍛造前曲軸毛坯 1/2 長度處的橫截面積÷鍛造后曲軸鍛壓件 1/2長度處的橫截面積）×100%。新型汽車曲軸為尼桑FD6T 改進(jìn)后的曲軸，主軸頸 71 mm，連桿徑 60mm，中心距為 58 mm。

表 1 38Mn VAl Mg 鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表 2新型汽車曲軸的鍛壓工藝

疲勞試樣取自主軸頸、連桿和曲柄臂。對不同鍛壓工藝的新型汽車曲軸試樣，采用拉-壓加載對稱循環(huán)疲勞，在諧振式曲軸疲勞試驗(yàn) 機(jī)上，參照 QC/T637-2000《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)方法》進(jìn)行彎曲疲勞性能測試。試驗(yàn)循環(huán)為 1×107次，采用升降法測試，根據(jù)公式（1）得出試樣的中值疲勞強(qiáng)度，用以表征試樣的彎曲疲勞性能。參照 GB/T15824-2008進(jìn)行試樣熱疲勞性能測試，在 500～25℃冷熱循環(huán)1000 次后用 PG18 型金相顯微鏡觀察熱疲勞裂紋形貌，并依據(jù) GB/T15824-2008 進(jìn)行裂紋評級，用以表征試樣的熱疲勞性能。

用升降法測曲拐的疲勞極限M-1，最后確定曲軸的 M-1。

2 、試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 始鍛溫度的影響

采用不同的始鍛溫度、相同的終鍛溫度（850℃）和鍛壓變形量（10%）對 38Mn VAl Mg 新型汽車曲軸試樣進(jìn)行鍛壓試驗(yàn)。始鍛溫度對新型汽車曲軸試樣的彎曲疲勞性能影響如圖 1 所示。

圖 1 始鍛溫度對試樣彎曲疲勞性能的影響

從圖 1 可看出，隨始鍛溫度從 1050℃增加至 1150℃，新型汽車曲軸的中值疲勞強(qiáng)度先提高后下降。當(dāng)始鍛溫度為 1100℃時(shí)，新型汽車曲軸的中值疲勞強(qiáng)度最高（614 MPa）。

圖 2 不同始鍛溫度試樣彎曲疲勞斷口 SEM 照片

圖 2 是不同始鍛溫度鍛壓的 38Mn VAl Mg 新型汽車曲軸試樣彎曲疲勞斷口 SEM 照片。從圖 2 可看出，采用較低的始鍛溫度（1050℃）時(shí)，新型汽車曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)后斷口出現(xiàn)較多粗大的裂紋，試樣的彎曲疲勞性能較差；當(dāng)始鍛溫度升高到 1100℃時(shí)，新型汽車曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)后斷口中沒有出現(xiàn)明顯的粗大裂紋，僅有極小的裂紋，試樣的彎曲疲勞性能較 1050℃始鍛溫度試樣得到明顯改善。

當(dāng)始鍛溫度進(jìn)一步提高到 1150℃時(shí)，新型汽車曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)后斷口中的裂紋明顯增大，試樣的彎曲疲勞性能較 1100℃始鍛溫度試樣有所降低。這與試樣的中值疲勞強(qiáng)度測試結(jié)果一致。由此可以看出，始鍛溫度是影響鍛壓態(tài) 38Mn VAl Mg 新型汽車曲軸試樣彎曲疲勞性能的重要影響因素。

從改善 38Mn VAl Mg 新型汽車曲軸彎曲疲勞性能出發(fā)，始鍛溫度不宜過高也不宜過低，優(yōu)選為 1100℃。

始鍛溫度對新型汽車曲軸試樣的熱疲勞性能影響如圖 3 所示。根據(jù)國標(biāo) GB/T15824-2008，材料的熱疲勞裂紋級別等于主裂紋級別與網(wǎng)狀裂紋級別之和。熱疲勞裂紋級別數(shù)值越小，材料的熱疲勞性能越好；反之，熱疲勞裂紋級別數(shù)值越大，材料的熱疲勞性能越差。

從圖 3 可看出，隨始鍛溫度從 1050℃增加至 1150 ℃，新型汽車曲軸的主裂紋級別、網(wǎng)狀裂紋級別和熱疲勞裂紋級別均表現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢。當(dāng)始鍛溫度為 1100℃時(shí)，新型汽車曲軸的主裂紋級別、網(wǎng)狀裂紋級別和熱疲勞裂紋級別均最小，分別為 1、2、3 級。

圖 4 是不同始鍛溫度鍛壓的38Mn VAl Mg 新型汽車曲軸試樣熱疲勞試驗(yàn)后主裂紋形貌。

從圖 4 可看出，采用較低的始鍛溫度（1050℃）時(shí)，新型汽車曲軸熱疲勞試驗(yàn)后主裂紋較粗，與國標(biāo) GB/T 15824-2008 規(guī)定的 3 級主裂紋相一致；當(dāng)始鍛溫度升高到 1100℃時(shí)，新型汽車曲軸熱疲勞試驗(yàn)后主裂紋細(xì)小，與 GB/T 15824-2008 規(guī)定的 1級主裂紋相一致。

當(dāng)始鍛溫度進(jìn)一步提高到 1150℃時(shí)，新型汽車曲軸熱疲勞試驗(yàn)后主裂紋較粗，與國標(biāo)GB/T 15824-2008 規(guī)定的 2 級主裂紋相一致。這與試樣的熱疲勞試驗(yàn)的裂紋級別測試結(jié)果一致。由此可以看出，始鍛溫度是影響鍛壓態(tài) 38Mn VAl Mg 新型汽車曲軸試樣熱疲勞性能的重要影響因素。

從改善38Mn VAl Mg 新型汽車曲軸熱疲勞性能出發(fā) ，始鍛溫度不宜過高也不宜過低，優(yōu)選為 1100℃。

2.2 終鍛溫度的影響

采用不同的終鍛溫度、相同的始鍛溫度（1100℃）和鍛壓變形量（10%）對 38VAl Mg 新型汽車曲軸試樣進(jìn)行鍛壓試驗(yàn)。終鍛溫度對新型汽車曲軸試樣的彎曲疲勞性能影響如圖 5 所示。

從圖可看出，隨終鍛溫度從 750℃增加至 950℃，新型汽車曲軸的中值疲勞強(qiáng)度也表現(xiàn)出先提高后下降。當(dāng)終鍛溫度為 850℃時(shí)，新型汽車曲軸的中值疲勞強(qiáng)度最大（614 MPa）。采用不同的終鍛溫度、相同的始鍛溫度（1100 ℃）和鍛壓變形量（10%）對 38Mn VAl Mg 新型汽車曲軸試樣進(jìn)行鍛壓試驗(yàn)，終鍛溫度對新型汽車曲軸試樣的熱疲勞裂紋級別影響如圖 6 所示。

根據(jù)GB/T 15824-2008，材料的熱疲勞裂紋級別等于主裂紋級別與網(wǎng)狀裂紋級別之和。熱疲勞裂紋級別數(shù)值越小，材料的熱疲勞性能越好；反之，熱疲勞裂紋級別數(shù)值越大

，材料的熱疲勞性能越差。

從圖 6 可以看出，隨終鍛溫度從 750℃增加至 950℃，新型汽車曲軸的主裂紋級別、網(wǎng)狀裂紋級別和熱疲勞裂紋級別均表現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢。當(dāng)終鍛溫度為 850℃時(shí)，新型汽車曲軸的主裂紋級別、網(wǎng)狀裂紋級別和熱疲勞裂紋級別均最小，分別為 1、2、3 級。

由此可以看出，終鍛溫度是影響鍛壓態(tài) 38Mn VAl Mg新型汽車曲軸試樣疲勞性能的重要影響因素。從改善 38Mn VAl Mg 新型汽車曲軸彎曲疲勞性能和熱疲勞性能出發(fā)，終鍛溫度不宜過高也不宜過低，優(yōu)選為850 ℃。

2.3 鍛壓變形量的影響

采用不同的鍛壓變形量、相同的始鍛溫度（1100℃）和終鍛溫度（850 ℃）對 38Mn VAl Mg 新型汽車曲軸試樣進(jìn)行鍛壓試驗(yàn)。鍛壓變形量對新型汽車曲軸試樣的彎曲疲勞性能影響如圖 7 所示。

從圖可看出，隨鍛壓變形量從 6%增加至 12%，新型汽車曲軸的中值疲勞強(qiáng)度先提高后下降。當(dāng)鍛壓變形量為 10%時(shí)，新型汽車曲軸的中值疲勞強(qiáng)度最大（614MPa）。采用不同的鍛壓變形量、相同的始鍛溫度和終鍛溫度，對 38Mn VAl Mg 新型汽車曲軸試樣進(jìn)行鍛壓試驗(yàn)。

鍛壓變形量對新型汽車曲軸試樣的熱疲勞性能影響如圖 8 所示。

從圖 8 可看出，隨鍛壓變形量從6%增加至 12%，新型汽車曲軸的主裂紋級別、網(wǎng)狀裂紋級別和熱疲勞裂紋級別均表現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢。

當(dāng)鍛壓變形量為 10%時(shí)，新型汽車曲軸的主裂紋級別、網(wǎng)狀裂紋級別和熱疲勞裂紋級別均最小，分別為 1、2、3 級。由此可看出，鍛壓變形量是影響鍛態(tài) 38Mn VAl Mg

新型汽車曲軸試樣彎曲疲勞性能和熱疲勞性能的重要影響因素。

從改善38Mn VAl Mg 新型汽車曲軸彎曲疲勞性能和熱疲勞性能出發(fā)，鍛壓變形量不宜過大也不宜過小，優(yōu)選為 10%。

3 、結(jié)論

（1）隨始鍛溫度從 1050 ℃ 增加至 1150 ℃ ，新型汽車曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)的中值疲勞強(qiáng)度先提高后下降，熱疲勞試驗(yàn)后的主裂紋級別、網(wǎng)狀裂紋級別和熱疲勞裂紋級別均先減小后增大。

（2）隨終鍛溫度從 750 ℃增加至 950 ℃，新型汽車曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)的中值疲勞強(qiáng)度先提高后下降，熱疲勞試驗(yàn)后的主裂紋級別、網(wǎng)狀裂紋級別和熱疲勞裂紋級別均先減小后增大。

（3）隨鍛壓變形量從 6%增加至 12%，新型汽車曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)的中值疲勞強(qiáng)度先提高后下降，熱疲勞試驗(yàn)收的主裂紋級別、網(wǎng)狀裂紋級別和熱疲勞裂紋級別均先減小后增大。

（4） 38Mn VAl Mg 新型汽車曲軸在鍛壓過程中，始鍛溫度、終鍛溫度和鍛壓變形量均不宜過高也不宜過低，分別優(yōu)選為 1100℃、850℃、10%。

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