[发明专利]一种锻钢曲轴材料的表面可控复合强化方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料表面强化技术领域，具体涉及一种锻钢曲轴材料的表面可控复合强化方法。

背景技术

作为发动机中的核心运动部件之一，曲轴的质量、性能和可靠性等直接关系到发动机乃至车辆或船舶的使役性能、安全性能和使用寿命。发动机工作时，曲轴承受较大的交变弯曲应力和扭转应力，且应力分布极不均匀，在复杂应力的综合作用下应力集中部位容易产生疲劳裂纹，导致曲轴发生疲劳断裂，严重影响发动机的安全性能。其中，曲轴的主轴颈与曲柄的过渡圆角处和连杆轴颈与曲柄的过渡圆角处应力集中程度最为严重，它们往往是疲劳裂纹的起裂源。因此，如何提高曲轴的强度、刚度、摩擦磨损和疲劳性能是曲轴设计与制造的关键问题。

现有提高发动机曲轴性能的方法主要是采用增大曲轴尺寸、氮化、中频淬火、圆角滚压等方法。曲轴主轴颈与曲柄过渡圆角、连杆轴颈与曲柄过渡圆角部位的横断面尺寸增加后可减小曲轴不同部位的应力，一定程度上提升其疲劳寿命，但是曲轴尺寸的提高带来了发动机自重的增加，不符合当前汽车或船舶轻量化的发展目标。氮化技术被曲轴制造行业所采用，经过氮化之后的曲轴材料表面产生了高硬度的表面氮化层，其厚度从几十微米至几百微米不等，提高了曲轴的磨损及疲劳性能。由于经过氮化之后的曲轴往往会发生较大的变形，后续还需矫直以及精加工等工序处理，而精加工会切削掉一定厚度的氮化层，大大降低了曲轴的强化效果；同时，由于氮化层与基体结合强度的限制，在苛刻的使役环境中容易出现氮化层与基体之间的剥离。氮化工艺还具有高能耗、高污染、长周期的特点，在节能减排的要求下，曲轴制造业正逐渐减少氮化工艺的使用。作为比较成熟的表面强化技术，中频感应淬火具有效率高、质量好、成本低等优势，它在曲轴强化领域得到了广泛应用。经过中频淬火之后，曲轴表面硬度大幅度提升，疲劳强度和耐磨性也有不同程度的提高。但是中频淬火技术本身也存在一定的局限性，比如对表面硬度要求比较高(HRC57以上)的曲轴如果采用中频淬火进行处理，其工艺过程稳定性难以控制，表面淬硬层具有高硬脆性的特点，容易产生裂纹并发生与基体的剥离，淬火之后的曲轴变形也较大，增加了后续矫直及精加工的难度。圆角滚压技术可以对铸铁材质的曲轴进行表面强化，经过圆角滚压之后，曲轴主轴颈与曲柄过渡圆角、连杆轴颈与曲柄过渡圆角部位引入厚度可达几百微米的残余压应力层，减小了表面粗糙度，提高了铸铁曲轴的疲劳性能。但是圆角滚压技术对合金钢材质的曲轴强化效果远远低于铸铁材质的曲轴，表面硬度及疲劳性能提升的幅度有限。如何低成本、高质量地对发动机曲轴材料进行强化是曲轴制造领域亟待解决的关键技术问题。

表面机械滚压纳米化技术是利用位移控制式表面机械滚压的方式使待处理材料表面发生严重塑性变形，材料表层区域的组织结构在大应变、高应变速率的条件下由微米级的粗晶结构演变为梯度纳米晶结构。材料表面组织结构发生纳米化之后，其硬度及部分性能出现不同程度的提升，从而实现材料的强化。由于锻钢曲轴材料可通过特殊的热处理工艺进行强化，在此基础上可对其进行表面机械滚压纳米化处理以进一步强化。因此对锻钢曲轴材料结合热处理及表面机械滚压纳米化处理的表面可控复合强化处理是可行的。

发明内容

本发明的目的是提供一种锻钢曲轴材料的表面可控复合强化的方法，该方法将热处理(调质处理或中频淬火+低温回火处理)与表面机械滚压纳米化处理相结合，对锻钢曲轴用42CrMoA合金钢进行表面可控复合强化处理。

本发明的技术方案是：

一种锻钢曲轴材料的表面可控复合强化的方法，该方法是将热处理与表面机械滚压纳米化处理相结合，对锻钢曲轴材料回转件进行的表面可控复合强化处理；所述表面可控复合强化过程为：首先对锻钢曲轴材料回转件进行热处理，然后在其表面进行表面机械滚压纳米化处理，从而在锻钢曲轴材料回转件的表面形成梯度组织细化结构层；所述锻钢曲轴材料为42CrMoA合金钢。

所述热处理过程为调质处理；或者，热处理过程为依次进行的中频淬火和低温回火处理。所述调质处理过程为正火预处理、淬火、高温回火和时效依次进行，其中：所述正火预处理温度为860-900℃，保温时间为200-300min；所述淬火温度为830-860℃；所述高温回火温度为620-660℃，保温时间为300-350min；所述时效温度为580-650℃，时效时间为300-400min。所述锻钢曲轴材料回转件经调质处理之后，回转件材料均为回火索氏体组织，硬度达到HRC28以上。