新型汽車曲軸鍛壓工藝的優化
2019-1-17 來源： 長春汽車工業高等專科學校 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 個工藝參數對 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 ，中值疲勞強度先增大后減小 ，熱疲勞試驗后的主裂紋級別、網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選為1100 ℃、850 ℃、10%。
關鍵詞：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化方面，人們進行了較多的研究，也取得了較多的成果。 但是，關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 新型汽車曲軸進行不同工藝的鍛壓試驗， 并進行彎曲疲勞試驗和熱疲勞試驗。
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行了優化。
1 、試驗材料及方法
試驗材料為 38Mn VAl Mg 鋼， 其化學成分如表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 鋼的化學成分(質量分數，%)
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-壓加載對稱循環疲勞， 在 諧振式曲 軸疲勞試驗 機上 ， 參照 QC/T637-2000《汽車發動機曲軸彎曲疲勞試驗方法 》進行彎曲疲勞性能測試。 試驗循環為 1×107次，采用升降法測試，根據公式（1）得出試樣的中值疲勞強度，用以表征試樣的彎曲疲勞性能。 參照 GB/T15824-2008進行試樣熱疲勞性能測試， 在 500～25℃冷熱循環1000 次后用 PG18 型金相顯微鏡觀察熱疲勞裂紋形貌，并依據 GB/T15824-2008 進行裂紋評級，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 、試驗結果及討論
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行鍛壓試驗。 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度先提高后下降。 當始鍛溫度為 1100℃時，新型汽車曲軸的中值疲勞強度最高（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，新型汽車曲軸彎曲疲勞試驗后斷口出現較多粗大的裂紋， 試樣的彎曲疲勞性能較差； 當始鍛溫度升高到 1100℃時，新型汽車曲軸彎曲疲勞試驗后斷口中沒有出現明顯的粗大裂紋， 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。
當始鍛溫度進一步提高到 1150℃時，新型汽車曲軸彎曲疲勞試驗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度測試結果一致。由此可以看出，始鍛溫度是影響鍛壓態 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， 始鍛溫度不宜過高也不宜過低，優選為 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。 根據國標 GB/T15824-2008，材料的熱疲勞裂紋級別等于主裂紋級別與網狀裂紋級別之和。熱疲勞裂紋級別數值越小，材料的熱疲勞性能越好；反之，熱疲勞裂紋級別數值越大，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、網狀裂紋級別和熱疲勞裂紋級別均表現出先減小后增大的變化趨勢。 當始鍛溫度為 1100℃時，新型汽車曲軸的主裂紋級別、 網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后主裂紋形貌。
從圖 4 可看出，采用較低的始鍛溫度（1050℃）時，新型汽車曲軸熱疲勞試驗后主裂紋較粗，與國標 GB/T 15824-2008 規定的 3 級主裂紋相一致；當始鍛溫度升高到 1100℃時，新型汽車曲軸熱疲勞試驗后主裂紋細小， 與 GB/T 15824-2008 規定的 1級主裂紋相一致。
當始鍛溫度進一步提高到 1150℃時，新型汽車曲軸熱疲勞試驗后主裂紋較粗，與國標GB/T 15824-2008 規定的 2 級主裂紋相一致。 這與試樣的熱疲勞試驗的裂紋級別測試結果一致。 由此可以看出， 始鍛溫度是影響鍛壓態 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 ， 始鍛溫度不宜過高也不宜過低，優選為 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行鍛壓試驗。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度也表現出先提高后下降。 當終鍛溫度為 850℃時， 新型汽車曲軸的中值疲勞強度最大（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行鍛壓試驗， 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GB/T 15824-2008，材料的熱疲勞裂紋級別等于主裂紋級別與網狀裂紋級別之和。 熱疲勞裂紋級別數值越小，材料的熱疲勞性能越好；反之，熱疲勞裂紋級別數值越大
，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、 網狀裂紋級別和熱疲勞裂紋級別均表現出先減小后增大的變化趨勢。 當終鍛溫度為 850℃時，新型汽車曲軸的主裂紋級別、網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 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，終鍛溫度不宜過高也不宜過低，優選為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行鍛壓試驗。 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度先提高后下降。 當鍛壓變形量為 10%時，新型汽車曲軸的中值疲勞強度最大（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行鍛壓試驗。
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 、網狀裂紋級別和熱疲勞裂紋級別均表現出先減小后增大的變化趨勢。
當鍛壓變形量為 10%時，新型汽車曲軸的主裂紋級別、 網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 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， 鍛壓變形量不宜過大也不宜過小， 優選為 10%。
3 、結論
（1） 隨始鍛溫度從 1050 ℃ 增加至 1150 ℃ ， 新型汽車曲軸彎曲疲勞試驗的中值疲勞強度先提高后下降，熱疲勞試驗后的主裂紋級別、網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的中值疲勞強度先提高后下降，熱疲勞試驗后的主裂紋級別、網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的中值疲勞強度先提高后下降，熱疲勞試驗收的主裂紋級別、網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，分別優選為 1100℃、850℃、10%。
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