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STR重型汽车10L发动机连杆热处理质量提升

摘要：文章从STR重型汽车10L发动机连杆热处理方向出发,讨论了热处理工艺、网带热处理炉对10L发动机连杆内在质量和外观质量的影响,并针对目前生产过程中产品存在的质量问题逐一提出改善或解决方案,使10L发动机连杆热处理质量得到大幅提升,降低不合格率和废品率,为企业提高经济效益.

关键词：STR重型汽车；10L发动机；连杆；热处理；质量提升　　文献标识码：A

中图分类号：TG213　　文章编号：1009-2374（2016）35-0129-02　　DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.062

1　概述

连杆是汽车与船舶等发动机中的重要零件,它连接着活塞和曲轴,其作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动,并把作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率.连杆在工作中,除承受燃烧室燃气产生的压力外,还要承受纵向和横向的惯性力.连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能,又要求具有足够的钢性和韧性.

2　项目背景

10L发动机连杆是我公司STR重型汽车发动机中的重要部件,在服役过程中承受较大的应力和冲击,是关系到车辆行驶安全的关键部件.对于STR重型汽车10L发动机连杆,钢材成分40Cr热轧圆钢[技术要求：材料成分：C为0.40%～0.45%、Si为0.17%～0.37%、Mn为0.70%～1.00%、Cr为1.05%～1.25%、S为0.020%～0.035%、Mo≤0.10%、P≤0.025%、Al为0.020%～0.045%、H≤0.0002%、O≤0.0015%；非金属夹杂：A＋B＋C＋D≤5.0级,晶粒度5～8级、极差≤3级,脱碳层单边深度≤公称直径1%；低倍组织：疏松≤2级、偏析≤2级、不允许：白点、皮下气泡、裂纹、缩孔残余等；淬火硬度（离开淬火端下列距离mm处的HRC）：J9≥55、J15≥50、J30≥35（端淬温度：850&plun;5℃）],供货方石家庄钢铁有限公司,重汽技术中心要求我公司锻造成型后首先进行调质热处理,使锻件基体金相组织达到少量铁素体和细晶粒回火索氏体均匀分布、等级1～3级,晶粒度5～8级、级差≤3级,最小屈服强度RP0.2≥540N/mm2,抗拉强度Rm～780～930N/mm2,延伸率A5≥14%,收缩率Z≥45%,冲击功Aku2≥47J,非加工表面单边脱碳层深度不大于0.3mm、全脱碳层深度不大于0.1mm,锻件表面布氏硬度为233～276HB,淬火后布氏硬度为415～601HB,同时10L发动机连杆产品交货时外观质量也有严格要求：表面磕碰、硌伤等凹缺陷深度≤0.5mm、翘曲≤0.5mm、对称度≤0.8mm等.

3　项目目的

我公司使用网带热处理炉对STR重型汽车10L发动机连杆调质热处理,产品主要供给中国重汽济南动力部和杭州发动机中心.根据近期济南动力部和杭州发动机中心多次质量信息反馈,产品存在如下问题：（1）10L发动机连杆表面磕碰伤较多,所占比例约20%,虽满足后续加工要求,但表面磕碰硌伤等凹缺陷深度和面积达到锻件图工艺参数要求临界值,存在超差不合格的隐患,引起客户抱怨；（2）10L发动机连杆表面布氏硬度在锻件图工艺要求范围内呈现较大离散,造成后续切削加工时啮合变形较大,甚至部分产品啮合度不符合机械加工工艺参数要求,判定为不合格品,被要求退货.根据济南动力部2016年1月至今加工统计数据,10L发动机连杆机加工后一次啮合合格率为70%,另有22%通过技术质量评审后让步接收,其余8%不合格退货并索赔工时费用.

经过对磕碰硌伤等凹缺陷的多次验证和分析,磕碰缺陷主要源自淬火池内传送系统处,产生于工件出热处理淬火炉时,在下料口内翻转砸伤以及落入淬火油槽中时碰撞输送带钢板所致,在进入回火炉入料口前及由回火炉出炉落入回火水池时也有部分磕碰；经过对硬度分布离散大和啮合变形大问题的多次验证和分析,在相同调质温度、调质时间、相似淬火油温度、相同摆料方式等条件下,对不同批次30组数据、每组数据30个连续淬火硬度值进行测定和分析,淬火硬度处于中线值即477～539HB占整体比例约60%,处于中线至下线值即415～477HB占15%,处于中线至上线值即539～601HB占25%,原因主要为淬火不稳定,淬火油池循环性能较差,同时对于淬火油池性能稳定性监控水平低,造成出现异常情况时不能及时解决,影响产品的调质热处理内在质量.

4　项目方案

4.1　网带热处理炉升级改进

4.1.1　淬火炉落料口改造：将落料口改造成双排通道,实现前后侧同时落料,使工件落料分散,避免堆料,提高淬火均匀性和稳定性；将落料坡度降低,减慢落料速度,同时减少下料口折弯,降低工件在下料口内翻转磕碰次数和程度.

4.1.2　淬火冷却循环系统改造：将喷射装置进行改造,重新设计尺寸,增大循环和喷射流量；重新设计喷射方向,由竖直改为斜向,增大接触面积,避免仅单侧喷射,且延长接触时间,从而提高系统的淬火冷却均匀性和稳定性,提升产品质量.

4.1.3　对淬火油槽内的输送带进行改造,首先提升输送带高度,降低下料口和输送带间距离；其次在下料口下端挡板和输送带之间增加二级传送网带,减少工件直接与输送带钢板间接触造成的磕碰伤.

4.1.4　对淬火槽输送带钢板进行改造,尤其是钢板上焊接的防滑凸起,进一步降低工件接触时的磕碰程度；在淬火槽内增设自动控温装置,固定测量位置和深度,更靠近工件入淬位置,提高数据的真实性、稳定性和准确性.

4.1.5　回火炉炉门改造：在回火炉进料口和出料口设置尺寸匹配的专用保温炉门,以减少不必要的热耗散,同时提高炉体加热稳定性和保温均匀性.

4.1.6　回火炉炉顶保温层改造：重做炉顶保温层,增大保温层厚度,并增加保温导流罩,从而提高炉体的整体加热和保温性能.

4.1.7　回火炉出料口滑道改造：重新设计出料口滑道的长度、坡度以及滑道最前端落料口宽度,保证工件出回火炉后能够顺利及时地沿滑道进入水池中,避免滞留现象.

4.1.8　回火炉水冷系统的改造：增设履带传送装置,并配合回火池中转运料箱的改造,达到工件能够由出炉、落料、水冷、出水空冷的自动化循环操作.

4.2　热处理工艺设计优化

当网带热处理炉按照项目实施方案改造完毕后,炉体加热、保温、淬火冷却等方面性能得到大幅提升,并结合40Cr材料性能特点和使用特性,按照10L发动机连杆参数要求对热处理工艺进行设计和优化,满足实际生产需求,即：淬火880&plun;10℃,淬火油温75℃～90℃,淬火时间＞3min,淬火时间150min,回火时间180min,回火温度650℃&plun;20℃,出炉后入水,随履带出回火水池空冷.

4.3　网带热处理炉升级改进及热处理工艺设计优化完成后

4.3.1　选取同一炉号锻造成型的连杆,分三组每组各500件.

4.3.2　原材料成分检验,保证该炉号原材料成分满足技术要求.

4.3.3　每组严格执行热处理工艺进行生产,产品出炉后做好标识单独存放.

4.3.4　每组连杆锻件调质过程中按照10%比例对淬火后硬度进行抽检.

4.3.5　每组连杆锻件调质热处理后进行表面布氏硬度20%抽检,同时对该3组连杆锻件各送金相和性能检验,对比试验结果.

5　项目过程和结果分析

第一,原材料检验,结果如下：（1）材料成分：C为0.42%、Si为0.24%、Mn为0.82%、Cr为1.15%、S为0.026%、Mo为0.020%、P为0.014%、Al为0.032%、H≤0.0002%、O≤0.0015%；（2）非金属夹杂：A＋B＋C＋D＝4级、晶粒度7级、全脱碳层0.20mm；（3）低倍组织：疏松1级；偏析1级；无白点、皮下气泡、裂纹、缩孔残余等；（4）淬火硬度（离开淬火端下列距离mm处的HRC）：J9～58、J15～53、J30～42（端淬温度：850℃&plun;5℃）；经分析,连杆原材料成分符合技术要求,检验合格.

第二,每组连杆锻件按照热处理工艺参数设定并生产试验,即：淬火880℃,淬火油温75℃～90℃,淬火时间4.5min,淬火时间150min,回火时间180min,回火温度655℃,出炉后入水,随履带出回火水池空冷.

第三,对该150个淬火后布氏硬度数据进行离散型分析发现：淬火硬度处于中线值占整体比例由原约60%提升至95.8%,处于中线至下线值占1.9%,处于中线至上线值占2.3%,离散度大幅降低,淬火后硬度均匀性和稳定性得到极大提升.

第四,对调质热处理后三组连杆锻件分别送金相检验,结果如下：（1）第1组X500倍显微镜下金相组织F＋S回2级,晶粒度7级,最小屈服强度RP0.2为580N/mm2,抗拉强度Rm877N/mm2,延伸率A5为15%,收缩率Z为47%,杆部单边脱碳层深度0.20mm、全脱碳层深度0.06mm,冲击功Aku2为62J；（2）第2组X500倍显微镜下金相组织F＋S回2.5级,晶粒度7级,最小屈服强度RP0.2为566N/mm,抗拉强度Rm868N/mm,延伸率A5为15.2%,收缩率Z为48.2%,杆部单边脱碳层深度0.22mm、全脱碳层深度0.07mm,冲击功Aku2～57J；（3）第3组X500倍显微镜下金相组织F＋S回2级,晶粒度6.5级,最小屈服强度RP0.2为582N/mm2,抗拉强度Rm901/mm2,延伸率A5为16.4%,收缩率Z为49.7%,杆部单边脱碳层深度0.26mm、全脱碳层深度0.05mm,冲击功Aku2～68J.经分析,三组连杆金相组织和性能检验均符合锻件热处理工艺技术要求,合格率100%.

第五,每组按照20%数量各抽取100件连杆做表面布氏硬度检验,三组连杆抽检表面布氏硬度均符合工艺要求,合格率100%.

第六,对每组10L发动机连杆按照外观质量要求进行100%检测,翘曲和对称度5%抽检.经检测数据汇总,磕碰硌伤等凹缺陷比例明显下降,由原20%下降至约2.7%,同时翘曲、对称度抽检均符合工艺要求,合格率100%.

6　结语

经网带热处理炉和热处理工艺的共同优化和改进后,10L发动机连杆的表面磕碰硌伤等凹缺陷比例明显下降,由原20%下降至2.7%,同时淬火均匀性和稳定性得到极大提升,处于中值区域比例由60%提升至95.8%.

该批分组实验10L发动机连杆发往济南动力部进行后续试加工,反应良好,表面磕碰伤问题得到根本解决,客户不再抱怨,同时产品外观质量也得到保证.经济南动力部加工后数据统计,一次啮合合格率由原70%提升至96%,其他4%经技术质量评审后可做让步接收,不合格率和废品率得到极大降低,产品内在质量得到极大提升.

综上所述,济南铸锻中心生产的STR重型汽车10L发动机连杆热处理质量通过设备改造和技术改进后,得到显著提升,不仅符合连杆产品工艺技术要求,同时满足收货方需要,整体提升中国重汽STR重型汽车产品质量,为中国重汽集团在汽车行业作为龙头做出贡献.

参考文献

[1]　中国机械工程学会热处理专业分会,《热处理手册》编委会．热处理手册（第2卷）[M]．北京：机械工业出版社,2001．

（责任编辑：王　波）

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