【摘 要】
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曲轴是发动机的关键部件,起着承受载荷传递动力的作用,其品质直接影响发动机的整体性能和使用寿命。连杆颈处于曲轴的偏心曲拐部位,在曲轴运转时经受着复杂的冲击载荷和强烈的摩擦,易导致轴颈表面磨损失效,需对连杆颈表面进行强化处理。感应淬火是实现连杆颈表面强化的关键工序,目的是提高曲轴的机械性能及疲劳强度,其工艺参数对曲轴连杆颈的性能影响显著。本文以桂林某厂生产的48Mn V钢X型曲轴连杆颈为研究对象,基于
【基金项目】
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广西自然科学基金（2020GXNSFBA297079）； 桂林市重点研发计划（20211B032068）；
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曲轴是发动机的关键部件,起着承受载荷传递动力的作用,其品质直接影响发动机的整体性能和使用寿命。连杆颈处于曲轴的偏心曲拐部位,在曲轴运转时经受着复杂的冲击载荷和强烈的摩擦,易导致轴颈表面磨损失效,需对连杆颈表面进行强化处理。感应淬火是实现连杆颈表面强化的关键工序,目的是提高曲轴的机械性能及疲劳强度,其工艺参数对曲轴连杆颈的性能影响显著。本文以桂林某厂生产的48Mn V钢X型曲轴连杆颈为研究对象,基于电磁感应加热数学模型和温度场有限元解法,建立连杆颈感应淬火有限元模型,获得温度场仿真结果。调整现有淬火工艺,开展对比实验研究,采用扫描电子显微镜考察感应淬火强化处理对显微组织的影响,采用残余应力检测、显微硬度测试、摩擦磨损实验、曲轴弯曲疲劳试验考察强化处理后连杆颈表面残余应力、显微硬度、耐磨损性能及疲劳极限载荷,通过优化感应淬火工艺参数,以期提升曲轴连杆颈的综合性能。研究表明:曲轴连杆颈感应加热的温度场分布呈现如下规律,感应加热后连杆颈表面迅速升温,连杆颈截面呈现表层温度最高、温度沿着径向逐渐降低。根据温度场分布规律预测了四种感应淬火工艺的连杆颈淬硬层深度。感应淬火处理后,曲轴连杆轴颈淬硬层深度分别为5.94mm、5.23mm、5.92mm、4.18mm,与仿真结果吻合,符合淬硬层深度工艺要求,截面由淬硬层、过渡层和基体三个区域组成。淬硬层显微组织为针状马氏体,过渡层组织由马氏体、铁素体及残余奥氏体组成,基体组织由珠光体和铁素体组成。对比四种感应淬火工艺处理的连杆颈显微组织和性能发现,在淬火工艺参数:轴颈线圈淬火能量3370k J、圆角线圈淬火能量为2500k J、电流频率为9k Hz、加热时间为17s、间隔时间为18s、冷却时间为20s、210℃保温回火2.5h处理下的试样表面显微组织与机械性能最佳。连杆颈淬硬层显微组织为针状马氏体,马氏体晶粒细化明显,连杆颈表面残余应力均呈现压应力状态,连杆轴颈、过渡圆角表面残余应力最大,分别为-829.4MPa、-884MPa、-831.9MPa。连杆轴颈和过渡圆角的硬度随着截面深度增加而下降,最高值位于连杆轴颈和两侧过渡圆角表面处,其值依次为720.9HV0.1、690HV0.1、667.1HV0.1,基体显微硬度稳定在220HV0.1左右,曲轴连杆轴颈耐磨性得到提升,平均摩擦系数和磨损量依次为0.54和0.32mg。此外,在该工艺参数下,曲轴连杆颈弯曲疲劳极限载荷为3750N·m,较于工厂现有感应淬火工艺试样,提升了约4.16%。
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