專利名稱：微合金鋼曲軸軸頸與圓角磨削強化一體工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微合金鋼曲軸軸頸與圓角磨削強化一體工藝，屬于金屬磨削加工
背景技術(shù)：
微合金鋼又稱微合金非調(diào)質(zhì)鋼，是在鋼中加入微合金元素釩(V)、鈮(Nb)或鈦(Ti)，通過控溫軋(鍛)和控溫冷卻工藝后獲得的力學(xué)性能達(dá)到了調(diào)質(zhì)鋼水平的新型節(jié)能鋼。利用微合金鋼制造機械零件時可省去調(diào)質(zhì)熱處理工序，因而也省去了相應(yīng)的熱處理設(shè)備，簡化了生產(chǎn)工藝，降低了能耗，提高了材料的利用率，降低了制造成本，被當(dāng)今譽為“綠色鋼材”。1970德國Gerlach公司研制出世界上第一個微合金非調(diào)質(zhì)鋼鋼種49MnVS3，替代CK45鋼制造出汽車曲軸，1972年進(jìn)入工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。1973年爆發(fā)了中東戰(zhàn)爭，在世界范圍產(chǎn)生了石油危機，迫使人們對節(jié)能降耗技術(shù)十分關(guān)注，因此，以節(jié)減能耗為特點的微合金非調(diào)質(zhì)鋼在先進(jìn)國家得到迅速的發(fā)展，以日本汽車工業(yè)為例，到1998年，具有代表性的六個汽車公司的曲軸已普遍使用微合金鋼制造。我國微合金鋼經(jīng)過近20年的研究開發(fā)與推廣應(yīng)用，目前已有相當(dāng)比例的汽車曲軸采用微合金鋼制造，如上海大眾、江鈴汽車采用49MnVS3微合金鋼制造曲軸，一汽、二汽采用48MnV微合金鋼制造曲軸，并呈現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢。
微合金非調(diào)質(zhì)鋼具有降低能耗的優(yōu)點，不過，美中不足的是，微合金非調(diào)質(zhì)鋼曲軸的制造雖然擺脫了調(diào)質(zhì)熱處理工序，但曲軸軸頸與圓角的表面強化處理，仍然需要采用傳統(tǒng)的高頻或中頻感應(yīng)加熱淬火工藝。國內(nèi)外許多鋼廠和汽車制造廠迫切希望微合金非調(diào)質(zhì)鋼的表面強化處理能在切(磨)削加工過程中自然形成，從而使微合金非調(diào)質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)零件在制造過程中徹底擺脫掉熱處理工序。事實上，表面感應(yīng)加熱淬火后的微合金非調(diào)質(zhì)鋼曲軸軸頸與圓角表面一般還要進(jìn)行磨削加工，以獲得所要求的尺寸精度、形狀精度和表面質(zhì)量。磨削一般總要消耗比切削高得多的能量，以去除單位體積碳鋼計算，磨削比能常高達(dá)60～200J/mm3，而切削比能僅在8～10J/mm3。磨削時額外消耗的大量能量最終幾乎都轉(zhuǎn)化成了熱能，其中約有60～95％(普通切削時僅為10％)的熱能進(jìn)入工件并聚集在工件表面層內(nèi)，在表層形成極大的溫度梯度，從而引起已淬硬工件材料表層相變、塑性變形、顯微裂紋及殘余應(yīng)力等，對工件的強度、硬度、疲勞強度、耐磨性等有很大影響。由此可見，目前國內(nèi)外普遍采用的先將非調(diào)質(zhì)鋼曲軸軸頸與圓角表面感應(yīng)淬火強化處理，然后再磨削加工的工藝至少存在以下弊端一是零件在表面淬火后所進(jìn)行的磨削加工可能會對已淬硬表層造成熱損傷；二是磨削產(chǎn)生的大量熱能沒能很好利用；三是能耗大，工藝路線長，生產(chǎn)效率低，制造成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種微合金鋼曲軸軸頸與圓角磨削強化一體工藝，以省去現(xiàn)有技術(shù)中感應(yīng)加熱表面淬火工序，降低能耗，簡化工藝，消除磨削熱產(chǎn)生的消極作用，充分有效地利用磨削熱形成強化層，提高耐磨特性與疲勞強度。
一種微合金鋼曲軸軸頸與圓角磨削強化一體工藝，包括以下步驟(1)、完成曲軸磨削加工前序工序，并保留單邊磨削余量；(2)、將曲軸安裝在曲軸軸頸與圓角專用磨床上；(3)、成型修整砂輪；(4)、粗磨，并確保磨削強化時的磨削深度均勻；其特征在于還包括以下步驟(5)、磨削強化曲軸軸頸與圓角，其中磨削強化參數(shù)為工件進(jìn)給速度Vw0.05～0.6m/min；磨削深度ap0.1～0.5mm；砂輪剛玉砂輪，磨料粒度60#～100#；砂輪速度Vs20～50m/s；冷卻方式干磨或乳化液或低溫氣體；磨削方式切入式順磨或逆磨；砂輪修整金剛石修整筆；(6)、精密磨削，達(dá)到要求。
本發(fā)明提供利用磨削加工中的磨削熱替代感應(yīng)熱源對微合金非調(diào)質(zhì)鋼曲軸軸頸與圓角表面進(jìn)行強化處理，即將磨削加工與表面強化復(fù)合為一體的工藝方法。省去了感應(yīng)加熱表面淬火工序與熱處理設(shè)備，降低了能耗，簡化了生產(chǎn)工藝，主動消除了磨削熱產(chǎn)生的消極作用，充分有效地利用了磨削熱，形成亞微米尺度馬氏體組織，顯微硬度可達(dá)HV700～HV1500；也可以形成納米尺度馬氏體組織(長度＜100nm)，顯微硬度高達(dá)HV1500以上，甚至HV4000以上。殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，硬化深度可達(dá)1.5mm以上。疲勞強度與耐磨性比感應(yīng)淬火明顯提高。


圖1是具體實施例1中磨削強化層放大400倍的顯微硬度圖。
圖2是具體實施例1中磨削完全硬化區(qū)放大800倍的金相組織形貌照片。其中圖2(a)為表面層；圖2(b)為中間層；圖2(c)為里層。
圖3是具體實施例1中過渡區(qū)放大800倍的金相組織形貌照片。
具體實施例方式
微合金鋼曲軸軸頸與圓角表面的磨削強化處理工藝，其具體實施步驟如下(1)、完成曲軸磨削加工前序工序，并保留單邊磨削余量，以備不經(jīng)過感應(yīng)加熱表面淬火工藝而直接進(jìn)行磨削；(2)、將曲軸安裝在曲軸軸頸與圓角專用磨床上；(3)、成型修整砂輪；(4)、粗磨，以確保磨削強化時的磨削深度均勻；(5)、磨削強化曲軸軸頸與圓角，其中磨削強化參數(shù)為工件進(jìn)給速度Vw0.05～0.6m/min；磨削深度ap0.1～0.5mm；砂輪剛玉砂輪，磨料粒度60#～100#；砂輪速度Vs20～50m/s；冷卻方式干磨、乳化液、液氮等低溫氣體；磨削方式切入式順磨或逆磨；砂輪修整金剛石修整筆；(6)、精密磨削，達(dá)到要求。
磨削強化參數(shù)與強化效果對應(yīng)關(guān)系為(1)、在給定的工件進(jìn)給速度Vw0.05～0.6m/min范圍內(nèi)，低的或高的工件進(jìn)給速度都不能獲得最大的硬化層深度，最佳強化效果對應(yīng)進(jìn)給速度范圍的中間處；(2)、在給定的磨削深度ap0.1～0.5mm范圍內(nèi)，硬化層深度隨磨削深度的增加而增大，但過大的磨削深度易導(dǎo)致砂輪堵塞，最佳磨削深度為0.3mm左右；(3)、砂輪的線速度對磨削硬化深度的影響不大，但對硬化層的組織形貌影響較大，進(jìn)而影響硬化層的耐磨性與疲勞強度，較佳的砂輪速度為25～30m/s；(4)、冷卻方式的不同對強化效果影響較大，干磨可以獲得最大的硬化層厚度，但表面粗糙度大，易氧化；液氮冷卻表面無氧化，但硬化層厚度較??；乳化液冷卻可以獲得較好的綜合強化效果。
該磨削強化工藝實施方式不僅適用于微合金鋼曲軸軸頸與圓角，也同樣適用于任何其它既需要感應(yīng)淬火又要磨削加工的鋼制零件。
下面按照前述具體實施步驟列舉幾個具體實施例實施例1(最佳實施方式)表1實施例1的磨削強化參數(shù)

下面結(jié)合實施例1的磨削強化后的48MnV微合金鋼曲軸軸頸與圓角的金相組織照片(附圖1～3)，對本發(fā)明進(jìn)一步說明磨削強化效果及強化機理。
圖1是本發(fā)明的磨削強化層顯微硬度圖。三點的硬度值從上到下依次為HV4094.5、HV3524.3、HV840.1(HRC64.5)，表層厚約70μm的點狀黑色區(qū)域為超級硬化區(qū)，顯微硬度高達(dá)HV1500以上，壓痕四周呈現(xiàn)出的塑性變形表明超硬強化層硬而不脆，具有超級耐磨特性和疲勞強度。超級硬化區(qū)下方的白色區(qū)域為通常的硬化區(qū)，顯微硬度可達(dá)HV700～HV1500，硬化深度可達(dá)1.5mm以上。
圖2是完全硬化區(qū)放大800倍的金相組織形貌照片，組織為針狀馬氏體，但針狀馬氏體的大小、粗細(xì)沿硬化層深度方向并不相同。如圖2(a)所示，表面層是細(xì)小(納米尺度)均勻的針狀馬氏體；如圖2(b)所示，中間層是略微粗大均勻的針狀馬氏體；如圖2(c)所示，里層是比中間層略微細(xì)小均勻的針狀馬氏體。完全硬化區(qū)針狀馬氏體組織形貌由表及里呈現(xiàn)出“細(xì)→粗→細(xì)”的變化規(guī)律。而感應(yīng)加熱表面淬火的完全硬化區(qū)馬氏體組織通常呈現(xiàn)出“粗→細(xì)”的變化規(guī)律。
在材料一定時，磨削強化組織及其性能取決于磨削升溫速度、最高溫度、溫度作用時間及冷卻速度。也與砂輪作用下的機械應(yīng)力場在工件表層形成的彈塑性變形密切相關(guān)，因為外加應(yīng)力場對馬氏體形核、長大及最后組織影響非常大。
組織形貌呈現(xiàn)出“細(xì)→粗→細(xì)”變化規(guī)律的原因，是由于磨削強化的升降溫速度快，Ac3以上磨削溫度作用時間短，為使材料表層組織完全奧氏體化，磨削強化溫度通常高于感應(yīng)淬火溫度，奧氏體形核率因此提高。另外，砂輪對工件表層的滑檫、刻劃、切削增加了相界面上碳濃度分布的不均勻性，加大了位錯密度和原子排列不規(guī)則性，材料表面層處于能量較高的狀態(tài)，容易獲得奧氏體形核所需要的濃度起伏、結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏，進(jìn)一步加快了奧氏體形核率，使得形成的奧氏體晶粒較為細(xì)小。溫度場與機械應(yīng)力場偶合作用的最終結(jié)果不僅可以形成細(xì)粒度的奧氏體，而且奧氏體晶粒的亞結(jié)構(gòu)中含有大量位錯與孿晶，這種亞結(jié)構(gòu)在快速冷卻至馬氏體相變溫度時能夠增加馬氏體形核數(shù)量，抑制馬氏體的長大，最終形成細(xì)小的針狀馬氏體。這是與感應(yīng)加熱表面淬火表面層組織形成機理不同的地方，也是形成納米尺度馬氏體超硬強化層的主要原因。
在中間層，加熱溫度仍處于較高水平，但因機械應(yīng)力場的影響較小，奧氏體晶粒亞結(jié)構(gòu)中位錯密度降低。另外，中間層冷卻時間相對較長，奧氏體晶粒的扭曲變形容易得到恢復(fù)。綜合作用的結(jié)果，馬氏體容易長大，得到略微粗大的馬氏體組織。
在距表面更深的里層，由于磨削力影響極小或無影響，奧氏體晶粒度大小僅與加熱溫度有關(guān)。雖然該區(qū)域加熱溫度低，但仍高于Ac3，因而形成了更為細(xì)小的馬氏體組織。
圖3是過渡區(qū)與基體交叉區(qū)的組織形貌。過渡區(qū)加熱溫度為Ac1～Ac3，高溫狀態(tài)下是奧氏體和鐵素體，淬火后得到馬氏體和鐵素體，馬氏體比完全硬化區(qū)里層的馬氏體更加細(xì)小。過渡區(qū)的下方加熱溫度低于Ac1，未發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，強化后為原始基體組織珠光體+鐵素體，其中網(wǎng)狀白色區(qū)域為鐵素體。
另外，從圖2可以看出，完全硬化區(qū)組織致密，無裂紋出現(xiàn)，其原因是高溫下的奧氏體在迅速冷卻后轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，馬氏體的比容比奧氏體大，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的區(qū)域膨脹，結(jié)果表現(xiàn)出殘余壓應(yīng)力，砂輪的機械作用也會在工件表層形成殘余壓應(yīng)力。通常磨削強化后的殘余應(yīng)力分布類似于表面感應(yīng)淬火后的殘余應(yīng)力分布，強化層為殘余壓應(yīng)力。因此，磨削強化工藝可提高工件材料的疲勞強度。
實施例2表2實施例2的磨削強化參數(shù)

在表2所示實施例中，可形成厚度大于0.6mm的馬氏體強化層，強化層的顯微硬度最高可達(dá)HV900以上，表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。
實施例3表3實施例3的磨削強化參數(shù)

在表3所示實施例中，可形成厚度大于1.4mm的馬氏體強化層，強化層的顯微硬度最高可達(dá)HV900以上，表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。
實施例4表4實施例4的磨削強化參數(shù)

在表4所示實施例中，可形成厚度大于0.4mm的馬氏體強化層，強化層的顯微硬度最高可達(dá)HV800以上，表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。
實施例5表5實施例5的磨削強化參數(shù)

在表5所示實施例中，可形成厚度大于1.3mm的馬氏體強化層，強化層的顯微硬度最高可達(dá)HV850以上，表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。
實施例6表6實施例6的磨削強化參數(shù)

在表6所示實施例中，可形成厚度大于0.7mm的馬氏體強化層，強化層的顯微硬度最高可達(dá)HV850以上，表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。
實施例7表7實施例7的磨削強化參數(shù)

在表7所示實施例中，可形成厚度大于1.5mm的馬氏體強化層，強化層的顯微硬度最高可達(dá)HV850以上，表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。
實施例8表8實施例8的磨削強化參數(shù)

在表8所示實施例中，可形成厚度大于0.8mm的馬氏體強化層，強化層的顯微硬度最高可達(dá)HV850以上，表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。
實施例9表9實施例9的磨削強化參數(shù)

在表9所示實施例中，可形成厚度大于1.6mm的馬氏體強化層，強化層的顯微硬度最高可達(dá)HV850以上，表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。
權(quán)利要求
1.一種微合金鋼曲軸軸頸與圓角磨削強化一體工藝，包括以下步驟(1)、完成曲軸磨削加工前序工序，并保留單邊磨削余量；(2)、將曲軸安裝在曲軸軸頸與圓角專用磨床上；(3)、成型修整砂輪；(4)、粗磨，并確保磨削強化時的磨削深度均勻；其特征在于還包括以下步驟(5)、磨削強化曲軸軸頸與圓角，其中磨削強化參數(shù)為工件進(jìn)給速度Vw0.05～0.6m/min；磨削深度ap0.1～0.5mm；砂輪剛玉砂輪，磨料粒度60#～100#；砂輪速度Vs20～50m/s；冷卻方式干磨或乳化液或低溫氣體；磨削方式切入式順磨或逆磨；砂輪修整金剛石修整筆；(6)、精密磨削，達(dá)到要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微合金鋼曲軸軸頸與圓角磨削強化一體工藝，其特征在于所述的磨削強化曲軸軸頸與圓角這一步驟，其中磨削強化參數(shù)為工件進(jìn)給速度Vw0.2m/min；磨削深度ap0.3mm；砂輪剛玉砂輪，磨料粒度80#；砂輪速度Vs25m/s；冷卻方式乳化液。
全文摘要
一種微合金鋼曲軸軸頸與圓角磨削強化一體工藝，屬金屬磨削領(lǐng)域。其特征在于不經(jīng)過感應(yīng)加熱表面淬火工藝而直接進(jìn)行曲軸軸頸與圓角的磨削，其中關(guān)鍵磨削參數(shù)為工件進(jìn)給速度Vw0.05～0.6m/min；磨削深度a
文檔編號B24B5/00GK1899763SQ200610088218
公開日2007年1月24日 申請日期2006年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月4日
發(fā)明者肖冰, 蘇宏華, 徐鴻鈞, 傅玉燦, 徐九華 申請人:南京航空航天大學(xué)