汪 娜，劉克銘，陳明非

(1.沈陽北方交通重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110142;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0 前言

發(fā)動機在工作過程中，曲軸承受著巨大的方向不斷變化的彎矩及扭矩，同時經(jīng)受著長時間高速運轉(zhuǎn)的磨損，曲軸將活塞、連桿的作用力傳遞給離合器、變速器等，實現(xiàn)直線往復(fù)運動向旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)變，要求曲軸具有較高的剛度、疲勞強度和良好的耐磨性能［1-4］。在發(fā)動機工作過程中曲軸的工作性能直接決定了發(fā)動機的總體工作可靠性。要求主軸頸及連桿軸頸的尺寸精度為IT6級、表面粗糙度為1.6～0.8 μm及較高的形狀精度及位置精度。為了提高曲軸的耐磨性，在磨削加工后要對曲軸進行淬火熱處理。本文對曲軸材料42CrMo鋼進行了磨削淬硬試驗及磨損試驗［5-8］，分析影響曲軸磨削淬的硬度及耐磨性。

1 試驗方法

在MM7132A精密臥軸矩臺平面磨床上用WA60L6V砂輪對調(diào)質(zhì)態(tài)42CrMo鋼進行磨削淬硬試驗，研究淬硬層組織、淬硬層硬度及淬硬層深度的變化規(guī)律。試樣尺寸為28 mm×10 mm×10 mm，砂輪轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，磨削深度ap為0.1～0.6 mm，磨削速度vs為28 m/s，進給速度vw為45 mm/min，濕磨，磨削方式為切入式逆磨。用HVS-10型維氏硬度儀測試試件的硬度。

試驗材料選為某柴油發(fā)動機曲軸所用材料調(diào)質(zhì)態(tài)42CrMo鋼作為試樣，研究磨削淬火淬硬層組織及淬火后的耐磨性，磨削淬火是利用磨削中產(chǎn)生的大量的熱量使工件表層溫度在短時間內(nèi)升到Ac3即奧氏體化以上溫度，在試件快速冷卻過程中產(chǎn)生大的溫度梯度，從而達到馬氏體相變溫度，在相變驅(qū)動力的作用下，實現(xiàn)由奧氏體組織向馬氏體組織的轉(zhuǎn)變［9-10］。

磨粒磨損試驗機進行磨損試驗，分析磨損性能的變化，試驗中參數(shù):ML-100型磨損試驗機，轉(zhuǎn)速60 rad/min，載荷為70 N，砂紙粒度為360目，試驗時間為30 min;稱量磨損失重的感應(yīng)分析天平型號為FA1004N，其精度為0.1 mg。用SSX-550型掃描電鏡觀察淬硬層的組織及試件及基體磨損后表面的磨損形貌［11-12］。

2 顯微硬度試驗及磨損試驗結(jié)果

2.1 顯微硬度分析

沿磨削表面垂直方向進行硬度測試試驗，選取的載荷為100 g，加載時間為10 s，得到距加工表面不同深度顯微硬度的變化如圖1所示。

圖1 距加工表面不同深度顯微硬度的變化Fig.1 Variation of microhardness at different depth from grinding surface

由圖1可知，在不同磨削深度條件下淬硬層的深度變化范圍為1.5～2.25 mm，顯微硬度的最高值高達860 HV，說明在該試驗條件下試件表層組織得到了強化，其硬度為基體硬度210 HV的4倍多，且增大磨削深度時，淬硬層厚度將有所增加。

2.2 電鏡試驗過程及分析

用4%硝酸酒精溶液腐蝕制成金相試樣，觀察強化層顯微組織變化，為了便于觀察強化效果，磨削淬火后將試件沿淬硬層深度方向切取并進行研磨拋光，得到的掃描電鏡試驗照片如圖2所示。

圖2 掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 Photographs taken through SEM

由圖2a可知，隨著距磨削表面的深度增大磨削機械應(yīng)力減小，溫度梯度減小，奧氏體的錯密度及變形量減少，馬氏體相變的驅(qū)動力減小，故過渡區(qū)由少量的條狀馬氏體及回火索氏體組成，生產(chǎn)少量的條狀馬氏體;回火索氏體的產(chǎn)生是由于冷卻強度不足造成的，所以其顯微硬度較完全淬硬區(qū)下降。由圖2b可知，完全淬硬區(qū)的組織由條狀馬氏體組成，在磨削淬火過程中產(chǎn)生大量的磨削熱，試件表層組織達到奧氏體化溫度并在快速冷卻過程中形成大量位錯，該位錯在促進馬氏體形核的同時，阻礙了馬氏體晶粒的長大速度，是大梯度溫度場和應(yīng)力場綜合作用的結(jié)果，生產(chǎn)大量的條狀馬氏體組織。由圖2c可知，基體是鐵素體及滲碳體。

2.3 磨損試驗

磨削淬火試件與調(diào)質(zhì)態(tài)基體的耐磨性試驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:在磨損輪轉(zhuǎn)速、加載載荷等相同的條件下，隨著磨損試驗時間的增加，兩試樣的磨損量均正比例增大，但是磨削淬火試件的磨損量小于調(diào)質(zhì)態(tài)基體。加載30 min時調(diào)質(zhì)態(tài)基體磨損量為0.012 g，磨削淬火試件的磨損量為0.0046 g，磨削淬火強化層耐磨性提高了3倍。

圖3 磨削淬火試件與調(diào)質(zhì)態(tài)試件的耐磨性試驗結(jié)果Fig.3 Wear resistance experiment results of grind-quenched and tempered 42CrMo steel crankshafts

載荷為35 N、試驗時間為30 min時，磨削淬火試件與調(diào)質(zhì)態(tài)基體的磨損形貌掃描電鏡照片如圖4所示。磨削淬火后試件的表層強度和硬度均得到了提高。磨損后試件表面形貌都存在深淺、寬窄不等的劃痕、犁溝。由圖4a可知，調(diào)質(zhì)態(tài)基體劃痕或犁溝兩側(cè)有明顯的毛刺，磨削表面劃痕或犁溝較深、較寬。由圖4b可知，磨削淬火試件的磨損表面劃痕或犁溝兩側(cè)比較光滑，劃痕或犁溝較窄、較淺，其耐磨性也相應(yīng)得到顯著提高。

圖4 調(diào)質(zhì)態(tài)與磨削淬火試樣的磨損形貌Fig.4 Wear morphology of grind-quenched and tempered 42CrMo steel crankshafts

3 結(jié)論

結(jié)果表明:磨削淬火試件的耐磨性較原始調(diào)質(zhì)態(tài)試件提高了3倍以上。淬硬層的最高硬度值達到了860 HV，淬硬層深度達到了1.5 mm，淬硬層由條狀馬氏體組成、過渡區(qū)由少量條狀馬氏體及回火索氏體組成、基體由鐵素體及滲碳體組成。

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