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文档简介
Ellwood自由锻制造大型曲轴工艺和性能的说明JohnR.Paules.1.综述用于船用柴油机,气体压缩机、发电机组的柴油机曲轴可以用模锻或自由锻制造生产。本文论述了自由锻工艺制造曲轴的工艺和机械性能,涉及了曲轴曲臂的热扭曲。论述了达到特殊机械性能所要求钢的等级。讨论了钢的熔炼,浇铸,自由锻,热扭曲,热处理和机加工工艺。对比了没有加钙处理的不同含量硫钢(0.010%,0.006%)以及加钙处理的硫含量0.002%的钢的机械性能。通过加钙处理改变硫含量和硫化夹杂物决定了扭转曲臂和未扭转曲臂的机械性能。2.介绍大型锻钢曲轴用于压缩机,发电机和船用柴油机。成品曲轴重达25000kg,长度达9m,径和连杆径达500mm。缸数达12个。这取决于柴油机的/压缩机的/压缩机设计的转速从150rpm到1,000rpm,功率从3,000到20,000HP。图1显示了8缸的压缩机主轴缸数和柴油机类型。柴油机(图二所示)的曲轴。图1。成品压缩机8缸曲轴,8.5m长,6140kg图2装有图1中曲轴的8缸压缩机3.方法和材料3.1炼钢和锻造---曲轴钢的生产通过现代的洁净钢工艺控制材料的洁净度和非金属夹杂物碳含量,进一步的精练在精电磁搅拌脱除氧化物和达到成分。合金钢用电弧炉熔炼废钢生产。通过电弧炉的熔炼减少磷含量和练炉完成脱硫。通过控制加铝脱氧。在精练中通过吹氩气和均匀。真空脱气过程减少钢中氢气和氮气的含量。当化学成分和温度到正确的时候,钢水通过底部浇注到钢模。凝固和脱模后,钢锭加热均化,锻造。控制最佳的锻造温度和变形温度以获得好的晶粒度和机械性能。在经过热处理获得更好的机械性能,完成最后的机加工。3.2钢的等级---一些中会产生高的应力,要求更高的强度和耐疲劳的CrMo或NiCrMo系列的合金钢型曲轴的所用的合金钢的型号。表1大型曲轴常用合金钢等级(重量%)等的曲轴由低性能价格便宜的碳钢制成。然而大型柴油机和压缩机。表1列出大钢中氧化物夹杂物的量、硫化物类型和比例会形成各向异性(Ref.1,2,3).如果硫化物含量相对高并且硫化物形成长的MnS夹杂物(它会在热加工时延长)。横向的可锻性,韧性和疲劳寿命会大大地低于纵向的测试。然而如果硫含量很低和/或加钙改变硫化物为球状的不可变形的夹杂物,钢材的各向(横向和纵向)的机械性能更一致(横向性能接近纵向的性能)。3.3自由锻和全纤维锻---埃尔伍德曲轴集团公司用自由锻生产最大型的曲轴。与连续纤维锻的方法相比自由锻从开始的锻造成板坯结构如图3所示的第一步,模锻要用复杂的模具压出曲柄等。锻造冷却后,部”加工成主轴径,如图3的第炉中逐个加热到锻造温度,如图4,5,6。固定曲轴一端,液压机构扭转曲轴的杆径处于不同的角度。每次扭转后缓慢冷却。所有扭转完成后整个曲轴回火。二步。然后每个颈在部加热另一端,使曲柄连图3中形成的第三步中曲轴进行最后的热处理,包括正火,淬火和回火。图3中的第颜料渗透检测可以确保没有内部和表面却欠。四步是成品的曲轴。超声波检测,磁粉检测,拉伸试验和冲击试验检测证实要达到的机械性能。1.自由锻造2.扭曲前的机加工3.扭曲后4.成品图3大型自由锻扭转曲轴的生产步骤图4大型曲轴扭转设备。图5局部加热炉图6扭转前自动编程控制的加热3.4试制过程–为了评估大型扭转曲轴的性能中硫含量和夹杂硫化物的形态的影响,试验。以及检测了扭转曲臂部分宏观了3个轴的锻造,扭转和热处理和断面臂部分和未扭转曲结构,微观结构和机械性能。三个轴的钢材采用了4145钢,硫含量如下:1.0.010%S2.0.006%S3.0.002%S,加钙处理三个曲轴的锻造方式如图3。主轴径热扭转前加工到直径为432mm。每个扭转180度,缓慢冷却,回火。曲轴正火,调质到如下的最低的机械性能。表2表2试验曲轴的最低机械性能拉伸和深冲(CharpyV)性能如图74.结果宏观结构—图8,9显示偏析形式。图8显示在自由锻中未扭转的是纵向纤维,图9显示扭转的部分纵向纤维断开。图8图9拉伸性能---图10显示度(纵向和横向)。在扭转对其没有影响。硫含量0.010%的钢对回火有一点差异。三个试验曲轴的未扭转的拉伸强度。图11显示扭转的拉伸强和未扭转的曲臂部分,硫含量的改变和测试方向对拉伸强度没有影响。拉伸性能是等向的,扭转拉伸的可锻性-图12和13显示断面收缩率。图12中纵向测试时,未扭转的断面收缩率没有受到硫含量的影响。然而硫含量增加,测试方向从曲轴锻件轴向的45度向90度(横向)转向时,断面收缩率降低。图13显示扭转的收缩率低于未扭转的曲轴臂,并且随着硫含量增加而降低。当硫含量0.010%的钢不符合横向收缩率40%的要求是,硫含量0.006%和硫含量0.002%(加盖处理)的钢确实满足要求。图10未扭转的曲臂拉伸强度图11扭转的曲臂拉伸强度图12未扭转的曲臂的断面收缩率图13扭住的曲臂的断面收缩率延伸率是另一个可锻性的指标,图14和15显示显示未扭转的曲臂和扭转的曲臂的性能。与断面收缩率影响。当测试从45度转向90度(横向)时,。图15种扭转在所有的例子中13%的纵向延伸率和11%的横向延伸率图14未扭转的延伸率类似,为扭转的曲臂在纵向延伸率不受硫含量的高硫含量通常会降低可锻性在纵向和横向造成延伸率轻微的降低。然而,都能够到达。图15扭转的延伸率4.3V-冲击试验---图16和17显示扭转和未扭住的三个试验曲轴的V冲击试验。数据代表每个曲轴试样棒的平均冲击功。在这两个例子中,通常降低硫含量可以提高冲击性能。然而,当未扭转的显示由于不同方向的韧性降低时,扭转的曲臂在横向和纵向也显示类似的韧性水平。纵向的最小值25J和横向的最小值18J在所有的扭转的曲臂都达到要求。在扭转的曲臂中,横向的最小值要求在三个试验的曲轴中都达到要求但是当测试扭转的曲轴的纵向时,只有最低含硫量加钙处理的钢超过了最低值25J。图16未扭转曲臂的V型冲击功图17扭转曲臂的V型冲击功金相组织---图18到21是未蚀刻样品的微观结构显示了试验曲轴的非金属夹杂物的钢获得延长的MnS纤维状夹杂物,如图18。未扭转曲臂金属夹,0.006%S,纵向,100X,未蚀刻图18形态。高硫,非加钙处理的杂物。低硫,加钙处理的钢产生了球状Ca-O-S的夹杂物,如图19。当扭转时,这些材料使MnS夹杂物在扭转方向延长,如图20。然而如果夹杂物的形状有效的被控制,夹杂物不会造成在扭转方向夹杂物的延伸,如图21。蚀刻的微观组织结构如图22和23。图22是纵向为扭转曲臂的锻造流线,图23清晰显示扭转形成的流线。(注:有两个图22,实际另一个应是图23。)图235.讨论曲轴要满足周期弯曲应力并且设计为能抗疲劳。Nakamura(参见V型冲击韧性、和疲劳极限等在锻造方向要低于平行的3)和其他人已经揭示了这些,锻造曲轴拉伸的可短性、方向,因为非金属夹杂物向锻造方向延伸。模锻显示“连续晶粒流”通常使非金属夹杂物的方向向有利于疲劳寿命的方向延伸。然而,如Nakamura揭示的,在一些模锻曲轴关键部位的疲劳应力与不利的方向一致(通常是锻造流向)。自由锻,热扭转曲轴没有显示连续晶粒流。研究表明扭转的曲臂有纵向拉伸可锻性,V型冲击韧性类似于未扭转曲臂的横向的性能。当由于降低硫含量硫化物量减少以及使用加钙处理减少MnS的纤维夹杂物形状而形成球状不变形的Ca-O-S夹杂物时刻以达到子求的疲劳的可锻性,冲击韧性和要寿命。6.结论试验表明了由非金属夹杂物导致的材料的各向异性效果、金属机械性能的锻造流线和热扭转曲臂的自由锻曲轴的期望疲劳性能。我们得出以下结论:热扭转和改变硫含量对拉伸强度没有影响(即拉伸强
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