非调质钢1538MV曲轴成形技术及组织性能控制研究

非调质钢1538MV曲轴成形技术及组织性能控制研究曲轴是汽车发动机的核心零部件,服役条件非常恶劣,要求其具有足够的强

度和高的冲击韧性。非调质钢以其节能环保和低成本等优点,在曲轴生产上代替传统的调质钢已经获得了广泛的应用。

目前,由于曲轴原始坯料质量、成形技术以及锻后冷却制度控制不严,非调质钢生产的曲轴疲劳寿命往往偏低。曲轴综合质量的控制要实现“控形和控性”的目的,因此,曲轴质量的控制是一个系统工程。

本文以曲轴用非调质钢1538MV为研究对象,围绕曲轴控形和控性两个主题,对原始坯料基础特性、曲轴成形技术、模锻过程中组织演变及性能进行了系统的研究,结合数值模拟技术对曲轴控形和控性工艺进行了优化,力求进一步促进微

合金非调质钢在汽车及其他机械制造行业中的应用。通过对高温热变形行为研究,构建了 1538MV钢的本构方程,通过线性回归的方法计算出了 1538MV钢双曲正

弦形式的Arrhenius本构方程的材料参数。

采用4阶多项式进行应变补偿,判定系数为R2=0.9857,具有比较高的相关性。明确了满足曲轴晶粒等级要求的热变形温度为1130℃,应变速率要大于0.1 s-1,最小参数Z=2.3E+12,通过数据拟合的方法得到了动态再结晶奥氏体平均晶粒尺

寸D与Z参数的数学表达式。

为曲轴锻造工艺的制定和优化提供理论依据。通过对相变规律研究,明确了1538MV钢相变规律,1538MV钢先后发生了铁素体和珠光体、贝氏体、马氏体相变,随着冷速的增加,相变开始温度逐渐降低。

获得全铁素体和珠光体组织的临界冷速小于1℃·s-1;发生贝氏体转变的临界冷速约为1℃·C-1,发生马氏体转变的临界温度约为5℃·s-1。通过对曲轴成

形技术研究,明确了曲轴成形技术特点。

通过多场耦合分析,获得了曲轴成形过程中相应变形参数。结果表明曲轴成形过程金属流动性大,温度、应力和应变分布很不均匀。

通过对曲轴模锻变形过程中组织演变规律的研究,结果表明,曲轴较高的锻造温度和较小的变形量使得曲轴的锻后组织较原始坯料有所粗化。曲轴模锻过程中温度和变形量分布不均导致了曲轴组织的不均匀。

曲轴锻后冷却制度对曲轴显微组织有显著影响,曲轴锻后应采用分段控制冷却制度,并揭示了曲轴中异常贝氏体组织产生的原因。为原始坯料质量的控制、锻造工艺的优化以及冷却制度的制定提供了依据。

研究表明曲轴锻后组织有所粗化,且铁素体含量减少,铁素体晶粒尺寸降低,珠光体片层间距略微细化,V的纳米析出物趋于细小弥撒分布,基于上述显微组织特征的变化,使得曲轴的强度增加,而塑性有所降低。通过热模拟实验,研究了不同的工艺条件对曲轴显微组织的影响,明确了变形量、变形温度、应变速率和冷却速度对非调质钢1538MV组织的影响规律。

要实现1538MV非调质钢控性的目的,在锻造过程中必须达到一定的变形量,降低变形温度能够改善钢的显微组织,增大应变速率,可以细化奥氏体晶粒,冷却速度增加,可以细化奥氏体晶粒,但也使珠光体的形态发生了扭曲,会降低材料的塑性,并且冷却速度过快还会造成异常组织的产生。结合数值模拟技术,优化了465型曲轴成形工艺,结果表明要保证锻件充满成形,且模锻设备吨位不能超载,曲轴终锻变形量设计要合理,始锻温度不宜过低,465型曲轴较佳锻造工艺为变形温度1130℃,预锻到终锻平衡块的截面缩减量为12%。

曲轴锻后采用分段控制冷却制度,并对现场进行了工艺移植,通过现场工艺

试验,测得曲轴疲劳极限弯矩为883.33 N·m,疲劳极限弯矩提高了 6.3%。所得疲劳极限弯矩置信度为95%,误差小于5%。