1 前言
曲轴是在不断周期变化的载荷下，在往复和旋转惯性力和力矩(扭矩和弯矩)共同作用下做功的；其次曲轴各轴颈在很高的比压下，以很大的相对速度与轴承发生滑动摩擦，产生较高的温度和磨损，服役条件十分恶劣。因此，曲轴材料必须有较高的抗拉强度、疲劳强度、较高的硬度及耐磨性，心部有一定的韧性。据有关资料统计，曲轴失效形式主要是弯曲疲劳断裂和轴颈磨损。
我公司柴油机制造设备是根据引进技术的加工工艺要求而配置的，按要求采用S53C(调质钢)锻造曲轴毛坯，组织试生产。但国内锻造曲轴毛坯因调质处理质量不稳定，硬度均匀性差，切削性能差，导致加工刀具寿命短，生产效率低，经常停产，造成生产成本高，生产压力大的被动局面。为此，通过调研，我们决定用非调质钢制造曲轴。
S53C钢调质状态下与正火状态下的力学性能指标如表1所示。
表1 S53C钢力学性能及曲轴表面硬度数据表
热处理状态 σs/MPa σb/MPa δ(%) Ψ(%) αKU/-2 HBS 表面氮碳共渗HV0.1
调质
正火 ≥588
≥392 ≥780
≥647 ≥14
≥15 ≥35 ≥59 229～285
183～255 ≥500
≥500
我们的主要任务是选择一种非调质钢制造柴油机曲轴，既要满足S53C钢主要力学性能指标(特别是抗拉强度、疲劳强度)，又能大大地改善其切削性能，提高生产效率，降低生产成本。依据我国非调质钢冶炼水平和现有非调质钢，我们选定49MnVS3钢为研究对象。用49MnVS3钢与S53C钢进行了对比性试验。只要49MnVS3钢的锻造成形性、加工切削性能、疲劳台架试验、装车路试使用性能达到或超过S53C钢的性能，我们就认为能够替代调质钢制造柴油机曲轴。
2 对比试验及分析
2.1 锻造成形工艺试验
非调质钢曲轴的锻造成形，主要是控制锻件的加热温度，始、终锻温度和控冷速度，有效地保证曲轴锻件的综合力学性能及曲轴的加工性能和使用寿命。
曲轴锻造工艺流程如下：
下料→中频加热→预锻→终锻→切边→热校→控冷→喷丸→检测(硬度、力学性能、探伤等)→机加工。
依据曲轴毛坯厂生产经验和生产实际，以及两种钢的热加工参数，我们制定了两种钢的对比锻造工艺，如表2所示。
表2 曲轴锻造工艺对比试验参数表
材质 加热温度/℃ 始锻温度/℃ 终锻温度/℃ 控冷方式 锻造方式 锻后处理设备
S53C钢
49MnVS3钢 1200±10
1190±10 1150±20
1150±20 1050±30
1030±30 锻后调质
风→控冷 模锻
模锻 调质专用线
控冷专用线
2.2 切削性能试验及氮碳共渗处理
用S53C钢和49MnVS3钢的曲轴毛坯，在曲轴加工线上进行了对比切削性能试验。主要考核其刀具的使用寿命及切削力的大小。其数据见表3。
表3 两种材质曲轴切削刀具寿命比较
工序名称 加工调质钢刀具
寿命 件/套 加工非调质钢
刀具寿命 件/套 提高刀具
寿命(%)
车大、小头
车端面
车-拉轴颈
钻油孔
钻飞轮孔 4000
3800
2000
1000
1500 7200
7000
5000
1800
2000 80
84
150
80
33
注：1.表中数据S53C钢为生产记录每套刀具推算平均寿命数，49MnVS3钢为生产试验样本每套刀具平均寿命数。2.表中工序为曲轴加工中切削量大的工序，切削量小的工序没有列入表中。其中车-拉轴颈指加工瓶颈工序。
非调质钢曲轴因49MnVS3钢锻件未经调质处理，室温组织为珠光体和铁素体，硬度均匀，工件表面硬度差＜20HBS，断面硬度差＜15HBS，且钢中含有较高的硫，从而显著改善切削性能。从表3可以看出，切削量大的工序，刀具使用寿命提高得大，特别是解决了车-拉轴颈工序(调质钢曲轴加工瓶颈工序)的切削加工问题，并使刀具使用寿命提高了150%以上。切削量小的工序刀具使用寿命提高达30%左右。
曲轴磨削加工后，必须进行表面硬化处理，以提高轴颈的耐磨性能和疲劳强度，延长曲轴的使用寿命。柴油机曲轴采用气体氮碳共渗工艺进行表面硬化处理。非调质钢曲轴气体氮碳共渗结果怎样呢？为此我们进行了氮碳共渗工艺试验及耐磨性能试验。试验方法是用49MnVS3钢曲轴进行与S53C钢曲轴相同工艺处理，检测其氮碳共渗质量，试验结果表明非调质钢曲轴氮碳共渗后的质量与S53C钢曲轴相当，可满足曲轴各项技术要求。
2.3 金相组织及分析
非调质钢曲轴毛坯因坯料直径较大(φ115mm)，加热温度高(1190℃)，时间长，锻造比因部位不同，其室温金相组织也不同。曲轴表面变形大，冷速大，金相组织为较细的珠光体加断续网状铁素体，晶粒度为4～6级，硬度高达240～260HB；而心部组织因变形小，冷速小，金相组织为较粗的珠光体加断续网状铁素体，晶粒度为3～5级，硬度为230～245HB。非调质钢曲轴锻后金相组织、硬度、晶粒度可见表4所示。另外，从试验中还可得出，工件加热温度、终锻温度偏高，冷却速度较低时，晶粒粗大，切削性能好，但韧性差，疲劳强度低。
2.4 力学性能
力学性能检测主要做抗拉试验和冲击试验。根据曲轴服役条件，曲轴直径的大小。试样的尺寸均为标准试样。
试验方法是每批次取2件曲轴，做4个抗拉试样，4个冲击试样，进行两种材质的对比试验，其试验结果见表4所示。
表4 两种材质曲轴力学性能及金相组织对比数据表
材质 σs/MPa σb/MPa 屈强比 δ(%) Ψ(%) αKu/-2 HBS 金相组织 晶粒度
S53C钢
49MnVS3钢 535～545
491～497 790～810
804～821 0.660
0.608 17～19
16～18 58～60
33～36 65～75
20～45 235～246
236～245 S网＋F少
P＋F断网 5～7级
3～5级
从表4中可以看出，两种钢的抗拉强度、屈服强度基本相同，但由于金相组织结构不同，调质钢韧性比较好，非调质钢晶粒粗大，铁素体呈断续网状，导致韧性较差。
2.5 疲劳强度及耐磨性能
曲轴疲劳性能的好坏，直接影响着曲轴装机后的使用寿命，所以进行曲轴疲劳试验是非常必要的。非调质钢曲轴表面硬化质量、抗拉强度与调质钢相当，但韧性较差，为此我们又进行了两种材质曲轴疲劳性能的对比试验。按JB3258《汽车发动机曲轴疲劳台架试验方法》的要求，用两种钢曲轴成品各随机抽取5件曲轴，在DC-1型电磁激振疲劳试验机上进行疲劳强度试验，采用升降法求疲劳极限，再根据疲劳强度计算出安全系数来判断曲轴是否符合技术要求。具体试验结果见表5所示。
曲轴耐磨试验是用两种材质按试验要求做成试块，在MM-200型磨损试验机上进行等条件下耐磨试验，再比较磨损体积的大小。具体试验结果见表5所示。
表5 曲轴弯曲疲劳强度、安全系数、耐磨性能对比数据表
材质 疲劳强度/MPa 安全系数 磨损压力/N 磨损时间/h 摩擦副 磨损体积/mm3
S53C钢
49MnVS3钢 1035
1035 1.56
1.56 250
250 19
19 高速钢
高速钢 6.114
6.521
从表5中可以看出49MnVS3钢曲轴疲劳强度、安全系数均与S53C钢相同，磨损量比S53C钢略微大一点。按JB3258《汽车发动机曲轴疲劳台架试验方法》要求，曲轴安全系数＞1.3就可以满足曲轴性能要求，故49MnVS3钢曲轴达到S53C钢水平，能够满足我公司柴油机曲轴的性能要求。
2.6 台架试验
台架耐久试验是考核曲轴装机后使用性能及寿命的一种强化试验。我们用49MnVS3钢曲轴装机两台，进行600h耐久台架试验。首先磨合50h，再进行550h强度试验后，检查曲轴的变形量及轴颈磨损状态，再与S53C钢曲轴600h台架试验结果进行比较。通过两轮600h耐久台架试验后，检查非调质钢曲轴的变形量和轴颈磨损量，均与S53C钢台架试验结果相当，符合曲轴台架耐久试验的技术要求。
2.7 装车路试
49MnVS3钢曲轴在进行台架疲劳试验和台架耐久试验后，接着要进行装车路试，进一步检测其可靠性、可行性和替代性。我们的方法是用49MnVS3钢曲轴装配3台发动机装车进行三万公里路试，在各种不同的路况下，行驶不同路程，检测曲轴的变形、磨损及其他失效内容。试验结果证明49MnVS3钢曲轴达到S53C钢曲轴的技术水平，完全能满足柴油机对曲轴的技术要求。
3 经济效益分析
用49MnVS3钢替代S53C钢制造我公司柴油机曲轴，不但能满足其性能和各项技术要求，解决切削加工中生产实际问题，使我公司发动机生产逐步走上正常轨道，而且能较大幅度地降低柴油机曲轴的制造成本，产生显著的经济效益。
49MnVS3钢柴油机曲轴的经济效益主要由两部分组成。一部分是材料国产化后(49MnVS3钢材由国内供应，S53C钢材需进口)，降低了原材料采购价，取消了锻件调质处理工序，减少了废品率，简化工序，缩短了生产周期，降低了制造成本。另外，由于49MnVS3钢中硫含量较高，组织结构稳定，硬度均匀，表面硬度差较小，大大地改善了曲轴切削加工时的切削性能，提高了生产效率和刀具使用寿命，较大幅度地降低了加工制造成本。从表3中可以看出49MnVS3钢曲轴切削量大的工序，刀具使用寿命提高80%～150%，切量小的工序也提高了30%左右。49MnVS3钢曲轴投产后，我们用数理统计的方法分析了一段时间的生产记录，分析结果证明：每件49MnVS3钢曲轴的加工制造成本可节省48元左右，加上降低曲轴毛坯采购价95元／件，实际每件49MnVS3钢曲轴可节约制造成本143元左右。自投产以来我们已生产49MnVS3钢曲轴4万余件，经济效益达600余万元。
4 结论
(1) 49MnVS3钢曲轴经各类性能试验证明，能满足我公司柴油机曲轴技术要求，可替代调质钢制造曲轴。
(2) 49MnVS3钢曲轴可省略调质处理工序，简化生产工序，降低废品率，产品质量稳定，适用于规模大、自动化程度高的曲轴生产线。
(3) 采用49MnVS3钢制造柴油机曲轴，可产生显著的经济效益，每件曲轴可望降低制造成本143元左右。
(4) 49MnVS3钢的塑性、韧性比S53C钢稍差，可用降低含碳量改进锻造工艺参数的方法，逐步达到调质钢的水平。
