摘要：在发动机工作过程中，曲轴主要承受着来自连杆的力，同时还将这个力转化为转矩并通过曲轴输送出来以驱动发动机上的其它零部件进行运转。所以，曲轴是一个极其重要的机械零件。曲轴的研究吸引了较多科研人员的兴趣。对于复合铸造来说，是一种集合多种工艺的新型铸造技术，在制备高质量铸件产品方面具有较大的优势。为此，本文尝试采用超声辅助浇注的复合铸造技术制备48MnVCr新型机械曲轴试样，并进行了曲轴磨损性能和冲击性能的测试与分析，优化了48MnVCr新型机械曲轴的复合铸造工艺参数。
关键词：机械曲轴；复合铸造；超声辅助浇注；48MnVCr钢；超声振动；浇注温度
引言：
采用不同工艺参数进行了48MnVCr钢新型机械曲轴的超声辅助浇注复合铸造，并进行了曲轴磨损和冲击性能的测试与分析。结果表明：随浇注温度从1430℃增至1550℃、超声振动频率从15Hz逐步增大到75Hz，曲轴磨损和冲击性能均先提高后下降。曲轴的浇注温度和超声振动频率分别优选为1520℃、45Hz。
1.试验材料与方法
1.1试验材料与工艺
以复合铸造48MnVCr钢新型机械曲轴为研究对象，该曲轴主要用于中小型汽车，如丰田、三菱、五十铃、尼桑。曲轴的化学成分如表1所示。曲轴的制备工艺流程如图2所示。48MnVCr的熔炼在ZAZ型感应熔炼炉中进行，熔炼温度1600℃。在浇注过程中，启动自制的超声辅助浇注系统，进行超声辅助浇注的复合铸造。超声辅助浇注系统由超声换能器、USC203IA型超声电源以及内置浇注铁模的超声浇注室所组成。在复合铸造过程中，保持超声功率350W和超声辅助浇注时间12s均不变，仅改变浇注温度和超声振动频率。
1.2试验方法
在复合铸造48MnVCr新型机械曲轴试样的不同位置，用线切割分别随机切取3个磨损测试试样和冲击测试试样。磨损测试试样为圆片状，尺寸为准20mm×5mm。磨损性能在MMH-5型磨损试验机上测试，测试温度为室温，以试样本体为对磨材料，相对运动速度为120mm/min、磨损时间为10min、磨擦磨损转速为300r/min，压力200N，记录磨损体积，磨损体积越小说明曲轴试样的磨损性能越佳；反之磨损体积越大说明曲轴试样的磨损性能越差，并用JSM6510型扫描电镜观察曲轴试样磨损试验后的表面形貌。冲击测试试样为长条状，尺寸为55mm×10mm×5mm，选择深度为2mm的V型开口。冲击性能在SJ-50Z型摆锤冲击试验机上进行，测试温度为室温，记录冲击吸收能，其值越大说明曲轴试样的冲击性能越佳，反之冲击吸收能越小说明曲轴试样的冲击性能越差。
2.试验结果及讨论
2.1磨损性能
在超声振动频率45Hz、超声功率350W和超声辅助浇注时间12s均保持不变的情况下，不同浇注温度对复合铸造的48MnVCr新型机械曲轴试样的磨损体积的影响如图1所示。从图1可以看出，随浇注温度从1430℃增大到1550℃时，曲轴试样的磨损体积为先减小后增大的变化，曲轴磨损性能先提高后下降。当浇注温度为1430℃时，曲轴试样的磨损体积最大，达到27×10-3mm3，曲轴磨损性能最差；适当提高浇注温度有助于减小磨损体积，提高曲轴磨损性能，当浇注温度提高到1520℃时，曲轴试样的磨损体积最小，较1430℃浇注时减小了52%，曲轴磨损性能得到显著提高。但是，进一步提高浇注温度，曲轴试样的磨损体积将增大，曲轴磨损性能将变差。由此可以看出，为提高复合铸造48MnVCr新型机械曲轴的磨损性能，浇注温度优选为1520℃。
图1.浇注温度对曲轴磨损性能的影响：
在浇注温度1520℃、超声功率350W和超声辅助浇注时间12s均保持不变的情况下，不同超声振动频率对复合铸造的48MnVCr新型机械曲轴试样的磨损体积的影响如图2所示。从图2可以看出，随超声振动频率从15Hz增大到75Hz时，曲轴试样的磨损体积为先减小后增大的变化，曲轴磨损性能先提高后下降。当超声振动频率为75Hz时，曲轴试样的磨损体积最大，达到25×10-3mm3，曲轴磨损性能最差；适当减小超声振动频率有助于减小磨损体积，提高曲轴磨损性能，当超声振动频率减小到45Hz时，曲轴试样的磨损体积最小，较75Hz浇注时减小了48%，曲轴磨损性能得到显著提高[1]。但是，进一步减小超声振动频率，曲轴试样的磨损体积将增大，曲轴磨损性能将变差。由此可以看出，为提高复合铸造48MnVCr新型机械曲轴的磨损性能，超声振动频率优选为45Hz。
图2.超声振动频率对曲轴磨损性能的影响：
2.2冲击性能
在超声振动频率45Hz、超声功率350W和超声辅助浇注时间12s均保持不变的情况下[2]。经过实际测试得知，随浇注温度从1430℃逐步增大到1550℃时，曲轴试样的冲击吸收能为先增大后减小的变化，曲轴冲击性能先提高后下降。当浇注温度为1430℃时，曲轴试样的冲击吸收能最小，仅为31J，曲轴冲击性能最差；适当提高浇注温度有助于增大冲击吸收能，提高曲轴冲击性能，当浇注温度提高到1520℃时，曲轴试样的冲击吸收能最大，较1430℃浇注时增大了87%，曲轴冲击性能得到显著提高。但是，进一步提高浇注温度，曲轴试样的冲击吸收能将减小，曲轴冲击性能将变差。由此可以看出，为提高复合铸造48MnVCr新型机械曲轴的冲击性能，浇注温度优选为1520℃。在浇注温度1520℃、超声功率350W和超声辅助浇注时间12s均保持不变的情况下。随超声振动频率从15Hz逐步增大到75Hz时，曲轴试样的冲击吸收能为先增大后减小的变化，曲轴冲击性能先提高后下降。当超声振动频率为75Hz时，曲轴试样的冲击吸收能最小，仅为39J，曲轴冲击性能最差；适当减小超声振动频率有助于增大冲击吸收能，提高曲轴冲击性能，当超声振动频率减小到45Hz时，曲轴试样的冲击吸收能最大，较75Hz浇注时增大了49%，曲轴冲击性能得到显著提高；进一步减小超声振动频率，曲轴试样的冲击吸收能将减小，曲轴冲击性能将变差。由此可以看出，为提高复合铸造48MnVCr新型机械曲轴的冲击性能，超声振动频率优选为45Hz[3]。
结论：
简而言之，通过文章分析，首先，在48MnVCr新型机械曲轴的超声辅助浇注复合铸造过程中，浇注温度和超声振动频率对曲轴性能产生明显影响。随浇注温度从1430℃增至1550℃、超声振动频率从15Hz增大到75Hz，曲轴磨损和冲击性能均先提高后下降；其次，在其它工艺参数不变的情况下，1430℃浇注时复合铸造48MnVCr新型机械曲轴的磨损和冲击性能最差，1520℃浇注时曲轴磨损体积较1430℃浇注时减小52%，冲击吸收能较1430℃浇注时增大87%；再次，在其它工艺参数不变的情况下，75Hz超声振动时复合铸造48MnVCr新型机械曲轴的磨损和冲击性能最差，45Hz超声振动时曲轴磨损体积较75Hz超声振动时减小48%，冲击吸收能较75Hz超声振动时增大49%；最后，为了提高磨损和冲击性能，复合铸造48MnVCr新型机械曲轴的浇注温度和超声振动频率分别优选为1520℃、45Hz[4]。
参考文献：
[1]杨思一，丛建臣，孙海涛，等．球墨铸铁曲轴的铸造及热处理工艺[J]．铸造，2017，61（6）：651-653．
论文作者:丁亚东
论文发表刊物:《防护工程》2019年第5期
论文发表时间:2019/5/31
标签：曲轴论文; 超声论文; 磨损论文; 试样论文; 性能论文; 温度论文; 频率论文; 《防护工程》2019年第5期论文;