乘用车曲轴控温冷却工艺研究_锻造与冲压_

本文通过对非调质钢乘用车曲轴加热温度、控温冷却工艺及38MnVS6材料乘用车曲轴硬度与性能对应关系的研究，找到适合曲轴的加热温度、控温冷却工艺及硬度控制范围，实现了曲轴的批量生产。

目前，非调质钢在汽车等行业的应用已日趋广泛。由于非调质钢最终不经调质处理，节约了调质处理所需的能源、提高了生产率、提升了产品质量，大幅度的降低了锻件的成本；同时，有利于锻件的机加工，是节约能源，保护环境的一种有效的工艺方法。乘用车曲轴也已经开始使用非调质钢，但是由于国内对曲轴控温冷却研究数据较少，同时客户只提供给我司性能要求，我们必须将性能要求转化为生产现场可控的硬度要求，因此，有必要对曲轴38MnVS6材料非调质钢控温冷却工艺进行研究，并找到此材料曲轴的硬度与性能对应关系，为曲轴38MnVS6材料非调质钢的生产提供数据支持。

试验方法

本文主要通过对不同加热温度下空冷试样进行硬度测定及38MnVS6非调质钢在不同温度下空冷得到的组织形貌，确定38MnVS6非调质钢曲轴的电加热温度；通过对空冷和风冷后试样的显微组织及硬度检验，确定控温冷却工艺；通过大量的实际测量数据，找到硬度与强度的对应关系，将机械性能转变为现场可控的硬度要求。

试验过程

曲轴产品的要求如表1所示，38MnVS6材料化学成分要求如表2所示。

表1 曲轴产品要求

对不同加热温度下空冷试样进行硬度测定，取3点的平均值，结果如图1所示。在950～1050℃温度范围内，硬度随温度升高而快速升高，这说明38MnVS6中的V在奥氏体中的固溶随温度的升高而增多，在随后的冷却过程中弥散析出V的碳(氮)化物，弥散强化作用增加。在1100～1220℃温度区间，硬度升高趋势变缓，表明在1050℃左右时，钢中的V已全部溶入奥氏体中，硬度的升高是由于冷却时珠光体比例增大所致。在1220～1300℃温度范围内，硬度随温度升高而快速降低，造成这种现象的原因主要是析出的V的碳化物又聚集长大，弥散强化作用减弱。

表2 38MnVS6材料化学成分要求

图1 不同加热温度下硬度变化曲线

图2所示为38MnVS6非调质钢在不同温度下空冷得到的组织形貌。1000℃时组织仍保持细晶粒状态，表明在该温度下钢中仍有较多的V未溶解，钉扎晶界作用明显，如图2（a）所示；1050℃时，局部区域晶粒急剧长大，呈混晶形态，如图2（b）所示；至1150℃时晶粒已全面长大，如图2（c）所示；随着温度的升高晶粒继续增大，如图2（d）所示。表明1050℃温度下，V开始大量溶解，且在1050～1100℃温度范围内，已全部溶入奥氏体中，对晶界的钉扎作用消失，晶粒开始快速长大。由上述分析可知，38MnVS6非调质钢的锻造加热温度一般在1050℃以上时，其V可全部溶入奥氏体中，实现弥散强化，但当温度达1200℃以上时，V的碳氮化物颗粒将长大，弥散强化作用减弱，钢的硬度、强度开始下降。因此，加热温度最好选择在1200℃以下，但要想锻打充满情况好，加热温度的下限温度为1180℃，20℃的电加热范围太窄，现场无法控制。故与钢厂研究加入Ti元素，细化晶粒。Ti元素细化晶粒的加热温度可以达到1250℃；根据实际晶粒度检验情况确定锻打加热温度为1180～1220℃。

图2 38MnVS6非调质钢在不同温度下空冷的组织形貌

经过试验发现，空冷和风冷后试样的显微组织均为珠光体和铁素体，与空冷相比，风冷试样的显微组织铁素体平均尺寸减小，而铁素体百分含量相差不大，即铁素体分布变得更加弥散。这是由于冷却速度加快引起相变过冷度增大，使先共析铁素体形核率增加，从而形成较多细小铁素体颗粒。细小弥散分布的铁素体颗粒有利于提高钢的塑韧性。此外，风冷得到的珠光体组织片间距较空冷小，有利于硬度的提高。

故锻后先进行快速冷却，以获得较细的晶粒度，在珠光体转变区进行缓慢冷却，起到均匀组织和增加塑性的作用。根据38MnVS6的冷却曲线（图3），即先进行风冷，再在600℃左右进行保温缓慢冷却，再进行空冷，取得了良好的效果。