感应淬火对38MnVS6曲轴弯曲疲劳性能的影响

感应淬火对38MnVS6曲轴弯曲疲劳性能的影响
任俊成;李勇;衡俐琼;李欣;付益平
【摘要】为验证感应淬火对38MnVS6非调质钢曲轴疲劳性能的提升作用,通过圆角及轴颈感应淬火处理对曲轴表面进行了强化,曲轴弯曲疲劳台架试验结果表明,其99.99％存活率的弯曲疲劳极限相对于不强化的曲轴提高了68％,优于原调质钢曲轴.结合曲轴成品取样获取的非调质钢锻态性能数据和CAE计算结果,基本判断
38MnVS6感应淬火曲轴满足该曲轴的静力学强度要求和疲劳性能要求.
【期刊名称】《汽车工艺与材料》
【年(卷),期】2018(000)001
【总页数】5页(P64-67,72)
【关键词】38MnVS6非调质钢;曲轴;感应淬火;疲劳
【作者】任俊成;李勇;衡俐琼;李欣;付益平
【作者单位】东风汽车公司技术中心,武汉 430058;东风汽车公司技术中心,武汉430058;东风汽车公司技术中心,武汉 430058;东风汽车公司技术中心,武汉430058;东风汽车公司技术中心,武汉 430058
【正文语种】中文
【中图分类】TK422+.4
1 前言
曲轴服役条件苛刻、形状复杂。

发动机工作时，气缸内燃气燃烧产生的爆发压力通
过活塞和连杆频繁作用到曲轴上；同时，曲轴还受到自身质量惯性力、冲击载荷、排气阻力等，导致曲轴的应力分布极不均匀。

因此，曲轴材料要求较高，弯曲疲劳断裂是其最常见的失效方式，一般选用调质钢制造，也有少量采用球墨铸铁或非调质钢等。

非调质钢可以通过加入微合金元素、控锻控冷等技术，获得相当于调质钢的力学性能，省略了调质工序。

日本90%以上的曲轴采用非调质钢制造，德国约70%的曲轴采用非调质钢制造[1,2]。

选取某1.5 L自然吸气发动机曲轴作为目标载体，该曲轴现行设计材料为42CrMo 材料，经锻造调质后，通过离子氮化进行表面强化，工艺复杂、工序多且能耗大，采用国内某钢厂生产的Φ90 mm的38MnVS6材料制造，可节省工序，减少耗能，提高加工效率，具有一定的经济效益。

通过对38Mn⁃VS6曲轴和42CrMo曲轴性能进行对比，探讨38Mn⁃VS6材料制造该曲轴的可行性。

2 曲轴生产工艺
非调质钢曲轴锻造工艺流程为：下料→变频加热→辊锻→锻造→切边热校正→控温冷却→抛丸清理→探伤→防锈→入库。

根据文献[3]，变频加热温度为1 050～1 250℃、终锻温度为900～950℃时，38MnVS6硬度高、韧性好，综合性能最佳。

为此，结合热处理工艺试验，选定（1 200±50）℃作为始锻温度，900～950℃
作为控温冷却的初始温度；锻造过程中，通过红外线测温仪对每根曲轴的始锻温度和终锻温度进行监测、记录。

结合供应商设备现状，选择挂置空冷的冷却方式。

对38MnVS6曲轴采用圆角表面感应淬火+轴颈表面感应淬火处理方法进行强化。

目前国内CAE静强度仿真分析中，对有表面强化的零件往往代入软件自带的表面
强化系数进行零件强度仿真计算，而非实测的强化系数，导致结果与实际可能存在差异。

因此，在做1组感应淬火非调质钢曲轴的同时，做一组无表面强化的曲轴，通过同样的试验进行对比，探究感应淬火工艺对曲轴疲劳强度的影响，为以后
CAE仿真计算提供参考。

原42CrMo调质钢曲轴的表面强化工艺为氮化处理，非调质钢曲轴改为感应淬火表面强化工艺后，还需增加“回火检跳动”工序。

曲轴表面感应淬火要求表面无脱碳，感应淬火硬度≥57 HRC、回火后硬度52～56 HRC，感应淬火层深符合图纸规定，各轴颈的圆周跳动增量≤0.40 mm。

主要机加工及表面强化流程为：毛坯检验→精车主轴颈连杆颈→中频淬火→回火检跳动→静磨主轴颈连杆颈→探伤→动平衡→轴颈抛光→成品。

3 试验方案
3.1 曲轴材料
对曲轴锻前的原材料的化学成分、低倍组织、非金属夹杂物、拉伸性能、冲击性能进行检验，确保原材料符合标准要求。

从锻后成品曲轴上取样，进行材料性能试验，包括基体及感应淬火区的金相组织分析、感应淬火硬化层深、拉伸性能和拉压疲劳性能。

目前，CAE仿真计算时采用的材料性能数据多为软件自带的国外材料数据，或直接用标准规定的抗拉强度通过公式估算拉压疲劳强度和脉冲疲劳强度，前者不一定符合我国国情，后者有很大误差，因而计算出来的数据可靠性差。

通过实测38MnVS6曲轴的拉伸性能和疲劳性能，为CAE仿真计算提供真实性能数据，确保计算结果的可靠性。

疲劳试验按GB/T 3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》在PLG-200试验机上进行加载，采用圆柱型标准光滑试样，应力比R=-1，疲劳试验通过周次取107次。

采用升降法测试材料的条件疲劳极限，采用成组法测试材料的S-N曲线。

3.2 曲轴弯曲疲劳台架试验
通过弯曲疲劳台架试验验证曲轴成品的疲劳性能。

按QC/T 637-2000《汽车发动机曲轴弯曲疲劳强度试验方法》，在PDC-2型电
动谐振式曲轴疲劳试验装置上进行试验。

对有、无表面感应淬火强化的2组曲轴
进行弯曲疲劳台架试验，用配对升降法测定存活率为50%和99.9%时的曲轴疲劳
极限弯矩M-1，并与原42CrMo调质钢曲轴进行对比。

3.3 曲轴仿真计算
对曲轴在不同工况下的静强度进行CAE仿真计算，获取危险工况下的曲轴应力分布，校核曲轴材料力学性能是否满足曲轴设计强度；对不同转速危险工况进行组合，对曲轴整体进行疲劳仿真，计算安全系数，并与42CrMo曲轴进行对比。

4 试验结果及分析
4.1 曲轴原材料试验结果
曲轴原材料的化学成分、低倍组织检验结果和非金属夹杂物检验均合格；在原材料上截取试棒，经1 100～1 200℃保温30 min后进行空冷处理，再加工成标准拉
伸试样及冲击试样，材料纵向力学性能结果见表1～2。

表1 冲击吸收功和硬度试验结果试验项目冲击吸收功KU2/J硬度（HBW）试样1 37 262试样2 25 264要求值≥20 255～302
表2 拉伸试验结果试验项目试样1试样2试样3试样4试样5要求值
4.2 曲轴取样材料性能试验
4.2.1 拉伸性能试验
在38MnVS6曲轴的两端和中间部位分别取样进行拉伸试验，结果见表5。

38MnVS6两端取样的力学性能优于中部，这是因为两端取样试样的纵向与锻造流线平行，而中间部位取样试样的纵向则与锻造流线有一定角度的交叉；38MnVS6的抗拉强度略低于调质态42CrMo。

表3 38MnVS6室温拉伸性能结果试样Rm/MPaRp0.2/MPaA/%Rp0.2/Rm
4.2.2 拉压疲劳试验
由于曲轴断裂一般发生在连杆颈处，因此在轴颈附近取疲劳试样。

按GB/T 3075-
2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》进行轴向拉压疲劳试验，应力比为-1，指定循环周次为1.00×107。

以升降法测得疲劳极限，成组法选取6级高应力水平、每个水平4～5根试样进行S-N曲线左支数据的获取，通过数据拟合绘制完整的
S-N曲线图（图1）。

图1 S-N曲线
按GB/T 24176标准规定对试验数据进行处理，存活率50%情况下的疲劳极限为351.1 MPa。

置信度90%，存活率90%情况下的疲劳强度下极限为321.7 MPa。

42CrMo调质钢旋转弯曲疲劳极限σ-1为504 MPa[4]，根据经验公式σ-
1p=0.85σ-1计算，对称拉压疲劳极限σ-1p为427 MPa，高于非调质钢
38MnVS6的351.1 MPa。

但从成品角度看，调质钢42CrMo曲轴表面经过氮化
强化、非调质钢38MnVS6曲轴表面经过感应淬火后，材料的疲劳性能有不同程
度的提升，二者高低还需试验证实。

由曲拐疲劳试验和CAE仿真疲劳分析结果可
以看到，二者均能达到曲轴疲劳性能要求，安全系数较大，非调质钢经感应淬火后台架疲劳极限弯矩甚至高于调质钢氮化曲轴。

4.2.3 感应淬火区分析
对曲轴主轴颈和连杆颈分别取样进行感应淬火区分析，验证感应淬火质量。

曲轴各感应淬火区域宏观形貌见图2，各区域有效硬化层深检验结果均合格，未发现淬火裂纹、变形过大的情况；感应淬火区表面硬度52～56 HRC，比基体硬度提高约1倍，理论上其强度也有相当提升。

图2 曲轴各感应淬火区域宏观形貌
对各区域的金相组织进行分析，结果见图3。

曲轴基体组织（图3a和图3b）为铁素体加珠光体，过渡区（图3c和图3d）为铁素体、珠光体和马氏体的混合组织，感应淬火层组织（图3e和图3f）为细针状马氏体，这种组织可使表面强度提高而内部仍能保持良好韧塑性。

同时，由于感应淬火热效率高、表面氧化脱碳少，零件
表面存在残余压应力、次表层和过渡区存在残余拉应力，也能显著提高零件的抗拉强度、表面硬度、表面耐磨性及疲劳强度等力学性能。

4.3 曲轴弯曲疲劳试验和有限元分析
4.3.1 曲轴弯曲疲劳试验
对38MnVS6感应淬火曲轴和无表面强化曲轴进行了曲轴弯曲疲劳的台架试验，曲轴断裂部位均在连杆颈圆角处，与42CrMo曲轴一致，试验结果见表4。

由表4数据可知，38MnVS6感应淬火曲轴的疲劳极限弯矩高于42CrMo曲轴，曲轴名义工作弯矩为249 N·m，计算得存活率99.9%时的安全系数为2.48，满足安全系数大于1.5的要求；38Mn⁃VS6曲轴的轴颈和圆角经感应淬火强化后，其99.99%存活率的弯曲疲劳极限提高了68%，强化效果明显。

4.3.2 曲轴有限元分析
图3 感应淬火各区域金相组织
表4 曲轴弯曲疲劳试验结果曲轴安全系数50%存活率疲劳极限弯矩M-1/N·m 412.9 665.7 620 N50%38MnVS6，无表面强化38MnVS6，感应淬火强化
42CrMo调质，渗氮处理1.66 2.67 2.49 99.9%存活率疲劳极限弯矩
M99.9%/N·m 368.4 617.1 578.9安全系数N99.9%1.48 2.48 2.32
对38MnVS6感应淬火曲轴和42CrMo氮化曲轴进行危险工况静力学强度分析和疲劳强度分析。

二者均为锻钢。

CAE仿真计算的前处理过程、用CATIA建模、HyperMesh网格划分、Abaqus/FEMFAT进行求解。

试验所得38MnVS6的抗拉强度、屈服强度（取实测最小值）、对称拉压疲劳强度及调质42CrMo数据[4]（表5）代入CAE仿真计算中进行危险工况静力学强度分析和疲劳强度分析。

表5 材料数据参数性能抗拉强度/MPa屈服强度/MPa对称拉压疲劳强度/MPa 38MnVS6基体931 623 351.1 42CrMo基体1 134 930 427
危险工况应力分析结果（图4）表明，两种材料的曲轴在3 000/min点火时有最大应力值（260 MPa），位于四缸连杆轴颈圆角处。

38MnVS6和调质42CrMo 两种材料本身的屈服强度分别为623 MPa、930 MPa，远高于260 MPa，静力学强度安全系数分别为2.4、3.6；考虑到此处分别有表面淬火强化、氮化强化，对应强度和安全系数会更高。

图4 最大应力值258.3 MPa时曲轴MISES应力分布
疲劳分析结果表明，循环次数107、存活率90%时的38MnVS6感应淬火曲轴的疲劳安全系数为1.77，42CrMo氮化曲轴的疲劳安全系数为1.98，均大于安全系数1.5的要求值，危险应力点均位于连杆颈圆角处。

5 结论
a.试验研究了感应淬火对提升非调质钢速器和输入轴部件来说，其承载的动力只有理论值的一半。

因此，此种方式的试验，可以考核到主从动锥齿轮和主从动圆柱齿轮的疲劳寿命，对于其它部件而言，尚未完全考核到疲劳耐久强度。

由于同一型式产品的贯通桥和后桥，在产品设计的时候有很多部件是通用的。

对于贯通桥中的主从动锥齿轮副和后桥的主从动锥齿轮副是一致的产品设计，故若要针对主从动锥齿轮副进行台架试验，对于贯通桥来说，在保证除主从动锥齿轮副以外的其他部件都满足设计要求的前提下，应用锁止轴间差速锁的方式进行台架试验，仍是可行的。

这种方式台架试验可以替代后桥的齿轮弯曲疲劳试验，节省了试验成本，缩短了试验时间和产品开发周期。

4 结论
a.对于贯通桥总成一个输入、三个输出的特殊结构，针对不同的考核部位，可以应用按照实车传递扭矩方式和按照锁止轴间差速锁方式这两种方式进行寿命台架试验验证。

b.在保证贯通桥额定输出扭矩的前提下，不同动力传递路线中，方案二的轴间差速
器和输入轴部件承载的动力是方案一的二分之一。

c.按照实车传递扭矩方式和按照锁止轴间差速锁方式进行贯通桥的寿命试验，两者均可以对贯通桥总成的主从动锥齿轮副进行真实有效的考核。