曲轴感应淬火及残余应力的仿真与试验研究

曲轴在感应淬火时产生应力集中或应力分布不均会导致曲轴变形过大而失效。本文采用有限元方法对曲轴加热和冷却过程及残余应力进行了仿真,并对轴颈显微组织、轴颈淬硬层深度及曲轴残余应力进行了测试分析。结果表明,轴颈淬硬层为细针状马氏体,基体为回火索氏体,表面平均硬度为52.8 HRC,心部硬度为26.0~30.0 HRC,淬火后轴颈表面残余压应力为-154.3~-254.9 MPa;连杆颈淬硬层深度为4.0 mm,过渡圆角处淬硬层深度为2.1 mm。曲轴感应淬火后淬硬层深度预测和残余应力的仿真结果与试验结果基本一致,仿真可预测淬硬层深度。     

微合金中碳钢48MnV曲轴连杆轴颈感应淬火工艺的优化

采用对比试验法,以淬火功率、回火条件、加热时间、冷却时间等作为变量,研究了微合金中碳钢48MnV曲轴连杆轴颈感应热处理的最佳工艺。结果表明,优化的感应热处理工艺为淬火功率165 kW,电流频率9 kHz,加热时间17 s,冷却间隔时间1 s,冷却时间20 s, 210℃回火2.5 h。在优化的感应热处理工艺下,连杆轴颈淬硬层显微组织为细小均匀针状马氏体;轴颈表面、两侧过渡圆角距表面0.25 mm处的最高硬度依次可达720.9、690.0和667.1 HV,耐磨性显著提高;连杆轴颈、过渡圆角表面残余应力呈现为压应力,靠芯轴端过渡圆角残余应力高达-884.0 MPa,靠法兰端过渡圆角残余应力为-831.9 MPa;试样的疲劳极限载荷最高,高达3750 N·m。感应热处理后残余压应力越大,越有利于提高曲轴连杆轴颈的弯曲疲劳强度。     

42CrMo钢高频感应淬火及回火对组织及硬度的影响

采用高频感应加热对42CrMo活塞杆进行表面淬火,然后对其进行200℃×2 h回火。采用VHX-600K金相显微镜和HXD-1000硬度仪对其进行组织观察和硬度分析。结果表明,42CrMo经高频感应加热表面淬火以及淬火+回火工艺处理后,淬硬层为马氏体组织,过渡区为马氏体与回火索氏体的混合组织,基体为回火索氏体。两种处理条件下淬硬层的深度分别为1.9、1.8 mm,平均硬度分别为435、415 HV0.1,可满足实际要求。     

发动机的曲轴材料42CrMo磨削淬硬及磨损试验

在MM7132平面磨床上对曲轴用材料-42CrMo钢进行了磨削淬火实验、在ML-100磨粒磨损试验机上进行了磨损试验,提高了农用柴油发动机的曲轴强度及耐磨性,42CrMo钢淬硬层的最高硬度达到了860HV,淬硬层的厚度达到了1．5mm;淬硬层由条状马氏体组成,过渡区由少量马氏体及回火索氏体组成;磨削淬火后试件的耐磨性提高了3倍。     

表面淬火工艺对大型轴承套圈用42CrMo钢淬硬层的影响

对42CrMo中碳轴承钢进行不同温度中频感应加热及淬火介质的表面淬火处理,并使用洛氏硬度计、光学显微镜、扫描电镜及透射电镜对淬火试样不同区域组织及硬度进行测试分析。结果表明,经表面淬火处理后,按硬度由大到小试样可分为淬硬区、过渡区及基体3个区域,随着表面淬火加热温度的升高,表面淬硬层的深度增加,并且相对于水淬,油淬的淬硬层深度显著减少。组织分析表明,水淬淬硬区组织均为马氏体,而油淬工艺由于冷速较慢,淬硬层组织为马氏体+铁素体组织,不同表面淬火工艺条件下过渡区组织均为马氏体+回火索氏体,基体为原始调质态的回火索氏体。淬硬区、过渡区及基体的组织差异导致不同区域的硬度差异。实际应用中应根据所需淬硬层深度选择合适的水淬加热温度。     

砂轮粒度、砂轮转速对42CrMo钢磨削淬硬层的影响

在MM7132平面磨床上对正火态的42CrMo钢进行了磨削淬火试验,研究了砂轮粒度及砂轮转速对淬硬层深度及组织的影响。结果表明:磨削深度在0.1～0.6 mm变化时,砂轮粒度对淬硬层深度影响不明显,砂轮转速由1500 r/min增加至3000 r/min过程中,磨削淬火的工艺稳定性得到提高。磨削淬火后,42CrMo钢的完全淬硬区显微硬度为510～850 HV,完全淬硬区由细小的板条状马氏体组成,过渡区由马氏体、铁素体、珠光体以及回火索氏体组织组成。     

磨削深度及原始组织对42CrMo磨削淬硬层的影响

在磨削深度为0.1～0.6 mm的条件下对调质态、正火态及退火态42CrMo钢进行了磨削淬火试验。结果表明:磨削淬火后,三种原始组织试样磨削淬火后的完全淬硬区显微硬度为510～878 HV。正火、调质及退火态试件的淬硬层厚度分别为1.75、1.5和1.25 mm。磨削淬火后,调质态的42CrMo钢完全淬硬层组织为略大的板条状马氏体组织,正火态的42CrMo钢完全淬硬层的马氏体组织最为细小,退火态的42CrMo钢完全淬硬层板条状马氏体尺寸居于二者之间。     

中频感应淬火及回火对45Mn钢组织和硬度影响

本文研究中频感应淬火及回火对45Mn钢棒组织和硬度的影响。研究表明:45Mn钢经过中频感应淬火后,从表面到心部分别为淬硬区、过渡区和热影响区,淬硬区为细密均匀的针状马氏体,过渡区为淬火马氏体+屈氏体,热影响区为屈氏体+珠光体。中频感应回火后,淬硬区为回火索氏体,过渡区为回火索氏体+珠光,心部热影响区为索氏体+珠光体以及沿晶界分布的网状铁素体。870℃淬火时淬硬区宽度为8.7 mm,过渡区宽度为6.2 mm,经550℃回火后淬硬区与过渡区宽度变化不明显。     

对淬硬层有特殊要求的曲轴中频感应热处理

6R22HF柴油机曲轴(42CrMo4V制,主要尺寸见图1),预先经调质处理,加工后对主轴颈及连杆轴颈进行感应加热表面淬火。淬火质量要求:表面硬度为HRC55±5;淬硬区的形状和深度见图2(按照ISO3754规定的维氏硬度法测定,a、b、C点硬度为450HV_5);淬硬层显微组织,表面为细针状马氏体,过渡区为屈氏体+马氏体。为达到上述硬化层形状及金相组织要求,我们通过工艺试验取得成功,并得到国家船检部门的认可。     

感应淬火对半轴用非调质钢高周疲劳性能的影响

利用旋转弯曲疲劳试验方法对比研究了一种半轴用铁素体+珠光体型非调质钢感应淬火前后高周疲劳性能的变化。结果表明,试验钢试样感应淬火后表层形成了厚度约1.2 mm、平均显微硬度约650 HV0.3的马氏体组织淬硬层。该淬硬层具有较高的残余压应力和十分细小的原奥氏体晶粒。感应淬火处理后,试验钢的疲劳耐久极限从420 MPa提高到716 MPa。疲劳断口的SEM观察表明,未经感应淬火试样的疲劳裂纹均起源于试样的表面基体,而经表面感应淬火后的疲劳裂纹则起裂于淬硬层边界附近的内部基体。     

淬火与回火工艺对42CrMo钢显微组织和奥氏体晶粒长大规律的影响

研究了860～940℃淬火与200～600℃回火对42CrMo钢显微组织的影响,并用金相截线法对奥氏体晶粒尺寸进行测量,建立了42CrMo钢奥氏体晶粒生长动力学方程。结果表明,随着淬火温度和保温时间的增加,42CrMo钢中残留碳化物数量明显减少,碳化物由片状逐渐变为颗粒状。随着淬火温度的升高,板条马氏体组织变得越来越均匀细小。随着回火温度的升高,钢的显微组织向回火屈氏体、回火索氏体转变,当回火温度为600℃时,得到的回火索氏体组织更均匀密集。基于Beck模型的42CrMo钢奥氏体晶粒生长规律的拟合结果,得出奥氏体晶粒长大激活能为2.62×10³ J·mol^-1。     

回火温度对42CrMo钢棒感应调质组织及力学性能的影响

以42CrMo钢棒为对象,使用中频感应加热进行调质处理,研究了不同回火温度(500、550、600、650及700 ℃)对42CrMo钢棒组织及力学性能的影响。结果表明,随着回火温度的升高,42CrMo钢的显微组织均为回火索氏体,碳化物由不均匀分布细针状逐渐转变为短棒状,长宽比减小。随着回火温度升高至600 ℃,碳化物转变为弥散分布的颗粒状,650 ℃时颗粒状碳化物出现偏聚,700 ℃时回火索氏体快速粗化,硬度、抗拉强度与屈服强度呈现连续下降趋势,断后伸长率与断面收缩率呈连续小幅度上升趋势。     

激光表面淬火对铬钼铸铁组织和硬度的影响

采用TH-3DC3000型激光加工系统对铬钼铸铁进行了激光表面淬火处理,研究了不同激光功率和扫描速度对铬钼铸铁显微组织、表面硬度及硬化层深度的影响。结果表明,经激光表面淬火后,铬钼铸铁的组织由硬化区、过渡区和基体3个区域组成,硬化区组织为隐晶马氏体、残留奥氏体和球状石墨,过渡区组织为隐晶马氏体、珠光体和球状石墨,基体组织为铁素体、珠光体和球状石墨。在激光表面淬火未对试件产生过热影响时,激光功率的增大和扫描速度的降低均会提升铬钼铸铁的表面硬度和硬化层深度。在5 mm×20 mm的矩形激光光斑下,确定最优的参数组合为激光功率2300 W、扫描速度0.003 m/s,采用该参数组合对铬钼铸铁进行激光淬火处理时,表面硬度为760 HV0.3,硬化层平均硬度为724 HV0.3,硬化层深度可达1.4 mm以上。     

碳钢及合金钢搭接激光淬火回火软化特征

进行了459、Cr2Mo和W18Cr4V钢多道搭接激光淬火实验,结果表明,激光淬火表面都存在搭接区的回火软化现象,45钢软化区宽度最大,W18Cr4V钢软化区宽度最窄。在搭接回火区,45钢组织主要为回火索氏体和和少量回火马氏体,9Cr2Mo钢的主要为回火马氏体、索氏体和少量碳化物,而W18Cr4V的组织由针状马氏体和少量的粒状碳化物构成。根据马氏体回火过程中的碳原子扩散特征,分析和计算了碳扩散激活能和回火时间对马氏体组织的影响。     

感应淬火对Cr12MoV钢轧辊硬度和硬化层深度的影响

针对Cr12MoV钢轧辊感应淬火易开裂及硬化层深度的问题,研究了预热温度、淬火加热温度、感应圈移动速度和电源频率对Cr12MoV钢轧辊的硬度、开裂和硬化层深度的影响,探索了Cr12MoV钢轧辊具备高硬度不开裂及厚硬化层的方法。结果表明,Cr12MoV钢轧辊调质态硬度低于32 HRC与预热温度高于450 ℃时,能避免淬火开裂;随着感应淬火温度或感应圈移动速度提高,淬火Cr12MoV钢轧辊硬度出现先升高后降低的趋势,但无法明显影响硬化层深度;而随着感应电源频率降低,淬火Cr12MoV钢轧辊硬化层深度明显增加,但对淬火件硬度影响较小。     

42CrMo钢折弯模具激光表面强化

利用扫描电镜、电子背散射衍射技术等手段研究了42CrMo钢折弯模具的激光表面淬火特性。研究结果表明,激光扫描速度、功率、工件厚度等对淬硬层深度及硬度有显著影响。在激光功率2200 W、扫描速度1800 mm/min、光斑ϕ2 mm、辅助水冷、一道次扫描条件下,折弯模具刀刃硬度和淬硬层厚度分别达到734 HV0.2和1.05 mm,且刀刃两侧的硬度分布均匀。激光淬硬层组织为细小的马氏体,尤其靠近基体处。     

磨削深度对42CrMo钢磨削强化层的影响

研究了磨削深度对42CrMo钢强化层组织与硬度的影响。结果表明,在不同磨削深度条件下,强化层的马氏体粗细不均,表层显微硬度随磨削深度先增加后降低,完全强化层显微硬度在720～800 HV0.1之间,比基体硬度提高了2倍。随着磨削深度的增加,强化层厚度最小值也增加,在磨削深度为0.6 mm时强化层厚度可达1.8 mm。