一种强化发动机曲轴微合金的制作方法

1.本发明属于发动机曲轴制备领域，具体地说是一种强化发动机曲轴微合金。


背景技术：

2.曲轴作为发动机最核心的装配单元，拥有较为复杂的几何形状，如图1所示。在发动机实际运行过程中，其工作条件非常恶劣，工作时发动机产生的力通过连杆传递到曲轴上，然后转变为转矩，将其输出到发动机的其它部件，驱动发动机整体工作运转。曲轴因此受到持续变化的、较为复杂的作用力，并承受跟随活塞运动产生的弯曲、扭转复合载荷，尤其是柴油发动机的曲轴，在工作中与轴承发生摩擦的相对速度特别大，产生较高的温度和磨损，进而在曲轴许多部位产出弯曲、扭转、剪切、拉压等交变应力。由于曲轴在发动机中的重要作用，及其恶劣工作环境和复杂的受力性，要求其必须要具备较好的表面强度、抗拉强度、疲劳强度和耐磨性，同时曲轴内部要有良好的韧性。如果曲轴材料心部的致密度不好，存在严重的疏松、偏析等缺陷会使曲轴耐疲劳性能变差，从而引发疲劳裂纹的出现和扩展变大，引起曲轴断裂损坏。
3.良好的淬透性是曲轴钢的一个重要特性，指钢淬火时获得马氏体的能力。然而，因为化学成分不同，材料接受淬火的能力也就不同，从工件表层到中心不同距离的截面上得到马氏体组织的程度也不同，如果材料淬火后转变形成的马氏体组织越多，那么该材料的淬透性就愈高。为了更好的提高曲轴材料性能的均匀性，更好的发挥曲轴的机械性能，所需加工材料必须具有较好的淬透性。若材料淬透性较差，则加工后的曲轴表面与心部性能在性能上则存在较大差异，经过回火后，心部的强度和韧性将和表面差距较大，无法满足曲轴的稳定运转，必须选用淬透性良好的钢种。


技术实现要素：

4.本发明提供一种强化发动机曲轴微合金，用以解决现有技术中的缺陷。
5.本发明通过以下技术方案予以实现：
6.一种强化发动机曲轴微合金，包括如下物质：c:0.41-0.43％，si：0.20-0.30％，mn:0.65-0.75％，p≤0.015％，s：0.012-0.025％，cr:1.08-1.20％，mo：0.15-0.25％，v：0.02-0.04％，ni≤0.01％，cu≤0.01％，ti≤0.0015％，al：0.010-0.020％,余量为fe。
7.如上所述的一种强化发动机曲轴微合金，其制备方法包括如下步骤：
8.步骤一：热装铁水冶炼，在装料前检测留渣和氧化性，根据检测情况判断加入按照100-120kg/t的量优质石灰，钢水在1530℃-1580℃采用大渣量循环流渣操作，快速脱p；对钢水定时取样检测，电炉出钢前终点c≤0.06％、p≤0.001％，ti≤0.0003％，出钢温度1650℃-1660℃；
9.步骤二：钢水到站送电化渣后扒渣处理，扒渣后喂入直径13mmal线40-70m，进行二次渣料配入二，次渣系配比按照：石灰8-9kg/t加入，进行送电化渣,化渣过程可根据炉渣流动性按照5-7kg/t的量加入萤石调整；化渣完成后温度控制在1600-1610℃吊包至vd抽空，
真空前al按照0.010-0.030％左右控制，不倒渣，极限真空≤20pa,保持时间≥20min后破空取样进行成分检测，钢包吊至精炼工位，送入lf精炼炉；
10.步骤三：钢包入lf精炼炉先升温至1560-1610℃，视情况补加石灰3-5kg/t，化渣过程根据情况可加入萤石调渣；加入低钛工业纯硅粉40-60kg、碳粉20-40kg进行扩散脱氧(分多批次少量加入)，渣转白后，保持20min以上，当s≤0.001％，ti≤0.0005％,其它成分满足要求后，加入碳化稻壳7-9袋(烘烤)，每袋重量为10kg，保证全部覆盖，lf精炼炉出钢温度1591-1596℃；
11.步骤四：lf精炼炉送出的钢水在浇注温度为1581℃-1584℃，液相线1527℃以及氩气全程保护的条件下进行浇注，浇注完成后冷却，得钢锭。
12.如上所述的一种强化发动机曲轴微合金，所述的步骤一中严禁带渣出钢；钢包必须保证无残钢和残渣，或者使用低钛轴承钢专用新包，电炉出钢10吨左右先加低钛工业硅90kg，后加电石50kg，石灰100kg，低钛预熔精炼渣400kg，根据渣况按照5-7kg/t的量加入萤石，出钢3/4时全部加完。
13.如上所述的一种强化发动机曲轴微合金，所述的步骤四中浇注过程中按照3袋/支钢锭的量加入碳化稻壳：2袋/支钢锭的量加入发热剂，所述碳化稻壳和发热剂采用吊挂+筛网方式加入，距离底部250-280mm吊挂1袋的碳化稻壳和1袋的发热剂，每袋重量为10kg，其余筛网加入。
14.如上所述的一种强化发动机曲轴微合金，所述的步骤四中的浇注模具中保温板厚度为55mm，高度为350mm，保温板下底距离钢锭模上沿930mm，浇注高度300mm，在300mm-320mm处划线。
15.如上所述的一种强化发动机曲轴微合金，所述的步骤四中浇注前模具模温为：40-80℃。
16.如上所述的一种强化发动机曲轴微合金，所述的浇注过程为：
17.7t浇注6支钢锭的锭身浇注时间为：14-16min，锭身浇注速度为：2.4-2.6t/min，帽口浇注时间：7-8min，帽口浇注平均速度：0.6-1.0t/min，脱模时间：5h，冷却方式：热送；
18.7t浇注5支钢锭的锭身浇注时间为：13-15min，锭身浇注速度为：2.1-2.3t/min，帽口浇注时间：7-8min，帽口浇注平均速度：0.4-0.9t/min，脱模时间：5h，冷却方式：热送。
19.本发明的优点是：本发明通过化学成分设计，添加0.02％-0.04％含量的微合金v进行强化，提高曲轴钢42crmo的淬透性和力学性能，结合控温轧制，最终曲轴材料强度和冲击韧性等性能均得到提高，达到设计要求。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是发动机曲轴示意图；
22.图2是本发明检测加钒后的淬透性的检测结果示意图；
23.图3是本发明的硬度检测试样的制备及其测量点位置分布图；
280mm吊挂1袋的碳化稻壳和1袋的发热剂，每袋重量为10kg，其余筛网加入。
38.优选的，所述的步骤四中的浇注模具中保温板厚度为55mm，高度为350mm，保温板下底距离钢锭模上沿930mm，浇注高度300mm，在300mm-320mm处划线。
39.优选的，所述的步骤四中浇注前模具模温为：40-80℃。
40.优选的，所述的浇注过程为：
41.7t浇注6支钢锭的锭身浇注时间为：14-16min，锭身浇注速度为：2.4-2.6t/min，帽口浇注时间：7-8min，帽口浇注平均速度：0.6-1.0t/min，脱模时间：5h，冷却方式：热送；
42.7t浇注5支钢锭的锭身浇注时间为：13-15min，锭身浇注速度为：2.1-2.3t/min，帽口浇注时间：7-8min，帽口浇注平均速度：0.4-0.9t/min，脱模时间：5h，冷却方式：热送。
43.实施例1成分设计
44.为提高材料淬透性，在保持初次内控成分的基础上进行微合金化强化处理，本设计试验方案为：保持钢中各元素的成分区间按照优化内控成分不变的基础上，添加微合金元素v对42crmo曲轴钢进行强化，v含量按照0.02％-0.04％的设计范围进行添加，通过淬透性计算软件进行测算，得到该优化设计方案材料的淬透性数据见图2。可见其中j9硬度区间为56-58hrc，j14硬度区间为51-55hrc，j20硬度区间为44-51hrc。
45.根据以上测算分析，在初次优化内控成分的基础上进行加钒强化，材料的淬透性理论上可以满足曲轴钢技术要求。
46.实施例2加钒强化后数据
47.末端淬透性对比
48.依照gb/t225-2006《钢淬透性的末端淬火试验方法》的规定，将试样两个平行相对的位置磨掉0.5mm后形成平面，并在该平面上从淬火端开始测量1.5、3、5、7、9、11、13、15mm处8个点，15mm以后每隔5mm取一个点至40mm处分别进行标识。分别检测以上各点的洛氏硬度值，然后绘制出材料的端淬曲线。硬度测量点的位置如图3所示。
49.淬透性结果对比
50.曲线对比分析：
51.由图4可知，j1.5、j3点两个样品的硬度值相差很小，j1.5点加钒前后样品硬度值分别为56.2hrc和56.35hrc。由试验方法可知，该两点距离冷却喷水端最近，水直接喷淋在测量点上，冷却速度较快，比较容易得到马氏体组织，此处的硬度值主要决定因素为基体中的c含量，加v强化对距离水冷端较近位置影响较小。
52.从j9点开始，两个样品在同一距离处的硬度值差距逐渐变大，j9点加钒前后硬度值分别为53.6hrc和54.7hrc，j11点样品硬度值分别为52.6hrc和54.4hrc，j15点样品硬度值分别为48.5hrc和51.1hrc，通过淬透性对比曲线可以看出，不加v强化的样品随距离的增加，硬度数值下降较快，而加v强化后样品，在同一距离处硬度值均大于普通样品。通过对比同距离加钒前后样品的硬度值，可以发现：通过加v强化可减缓42crmo材料的硬度下降的趋势。
53.普通42crmo样品从j30点开始(加v强化42crmo从j35点开始)，淬透性曲线逐渐趋于平稳，两个样品的淬透性曲线整体形状基本一致，但是加v强化样品硬度值一般要高于普通样品3.5-5.5hrc，由以上对比可见，通过加v强化后提高了材料的淬透性。
54.金相组织检测
55.进行端淬试验后，在加钒前后样品j9、j15、j20三个位置分别取样，进行金相检测分析，如图6-8所示：
56.由图6金相组织可以看出，普通42crmo钢样品在j9处的组织由贝氏体+马氏体组成，其中贝氏体的含量较多；当42crmo钢中添加微合金元素v强化以后，相同j9位置处的组织也主要是贝氏体+马氏体组成，但样品中马氏体数量较加钒前样品明显有所增加，马氏体针细小，分布均匀，马氏体的增多提高了材料硬度和强度。
57.由图7-8金相组织可以看出，同样的随着端淬距离的延续，通过上述试验检测图片可以看出，j15处加钒42crmo比普通42crmo钢马氏体数量明显要多，j20处加钒42crmo马氏体量未见明显减少，普通42crmo钢马氏体数量已明显减少较多，从而无法保证曲轴钢进一步深层次的淬透。
58.由以上j9、j15、j20三个距离点的金相组织可以看出，随着距离端淬喷水端的延伸，加钒强化和未加钒的普通材料马氏体数量均减少，但是，未加钒强化的数量减少速度更加明显。由于马氏体的减少，普通材料的硬度和强度相比较加钒强化材料有了一定的降低，由此可见，加钒后对材料淬透性起到了提升作用。
59.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。