.580· 工程科学学报，第40卷，第5期 shaft,which is another cause of the formation of bainite.Therefore,the quality of the rolled material should be strictly controlled.The above results provide directions for improving the quality of the rolled material,optimization of the crankshaft forging process,and opti- mization of the cooling process after forging. KEY WORDS non-quenched and tempered steel;crankshafts;die forging;microstructure;numerical simulation 非调质钢是在中、高碳钢基础上添加一定量的 主轴颈 连杆轴颈 微合金元素，使之在变形后不经淬火+回火工艺，即 取样部位 取样部位 可达到与调质钢相当力学性能的钢种，与调质钢相 比，非调质钢具有节能减排、工艺简单、生产周期短、 成本低等优点[-).随着我国汽车产量和保有量的 快速增加，节能减排的压力不断增大，非调质钢在汽 车零部件中的使用越来越受到重视. 曲轴是汽车发动机的核心零部件，工作时，曲轴 [3■2■I飞边 长时间承受冲击载荷和惯性力，其各部分产生弯曲、 扭转、剪切、拉压等交变应力，服役条件非常恶 劣[6-8)].曲轴的性能很大程度上影响着发动机的可 靠性和寿命，这对曲轴的内在显微组织提出了很高 1一边部：2一1/2半径：3一心部 图1曲轴取样示意图 要求.由于曲轴形状复杂，模锻变形9-)金属流动 Fig.1 Sampling sections of crankshaft 性大，温度、应力和应变分布很不均匀，这些因素会 对锻造后非调质钢曲轴的显微组织[12-6]产生很大 1.2 数值模拟方案 的影响，并进一步影响到曲轴的力学性能 使用Deform-3D数值模拟软件模拟实际锻造 1538MV材料是一种珠光体+铁素体非调质 工艺，分析锻造后的应力应变分布、温度场及金属流 钢，目前对其在曲轴上的应用研究较少.本文结合 动情况.模具设定为刚体，坯料材料选择为45号 数值模拟和曲轴实物显微组织分析，研究了模锻变 钢.根据现场实际情况选择了模拟的参数和边界条 形对曲轴用非调质钢1538MV显微组织的影响，为 件.模具初始温度为200℃，坯料初始温度为1150 曲轴模锻工艺和锻后冷却制度的优化提供了依据. ℃.模具压下速度为240mms-1.坯料与模具间的 摩擦系数为0.4.坯料与模具间的传热系数为 1研究方案 10000Wm2.K-1,坯料与空气间的传热系数为10 1.1实验材料及方法 W.m-2.K-1 实验选用的轧材和曲轴锻件取自国内某锻造 2数值模拟结果 厂，其化学成分如表1所示.轧材直径为83mm,曲 轴主轴颈直径为63mm,连杆轴颈直径为43mm. 2.1模锻过程中的金属流动 表1化学成分（质量分数） 如图2所示，对轧材圆棒的横截面沿圆周方向 Table 1 Chemical composition % 进行标记，模拟模锻变形后曲轴主轴颈、连杆轴颈的 C Si Mn Cr V 金属流动情况.可以看出，曲轴的模锻变形很不均 0.380.561.39≤0.0150.61 0.160.08 匀，轧材心部的金属流向主轴颈的心部和连杆轴颈 分型面内侧的边部，轧材1/2半径的金属流向主轴 如图1所示，在轧材、曲轴主轴颈、曲轴连杆轴 颈分型面的边部和连杆轴颈的心部，轧材边部的金 颈上分别取样，使用体积分数为4%的硝酸酒精溶 属流向主轴颈的飞边和连杆轴颈分型面外侧的 液浸蚀，观察锻造后的显微组织.另外，采用电解双 边部. 喷的方法制备透射试样，观察轧材和曲轴中的珠光 2.2模锻后的温度分布 体片层形貌，按国标用截线法测量品粒尺寸，利用 模锻后曲轴主轴颈和连杆轴颈的温度分布如图 Image tool图像分析软件测量金相组织含量.实验 3所示.可见，锻造变形后，锻件与模具以及空气之 使用的仪器为ZEISS AxioScopeAl光学显微镜和 间的传热导致锻件表面温度相对较低，而主轴颈和 JEM21O0HR透射电子显微镜. 连杆轴颈心部温度较高.另外，由于剧烈变形升温，工程科学学报,第 40 卷,第 5 期 shaft, which is another cause of the formation of bainite. Therefore, the quality of the rolled material should be strictly controlled. The above results provide directions for improving the quality of the rolled material, optimization of the crankshaft forging process, and opti鄄 mization of the cooling process after forging. KEY WORDS non鄄quenched and tempered steel; crankshafts; die forging; microstructure; numerical simulation 非调质钢是在中、高碳钢基础上添加一定量的 微合金元素,使之在变形后不经淬火 + 回火工艺,即 可达到与调质钢相当力学性能的钢种,与调质钢相 比,非调质钢具有节能减排、工艺简单、生产周期短、 成本低等优点[1鄄鄄5] . 随着我国汽车产量和保有量的 快速增加,节能减排的压力不断增大,非调质钢在汽 车零部件中的使用越来越受到重视. 曲轴是汽车发动机的核心零部件,工作时,曲轴 长时间承受冲击载荷和惯性力,其各部分产生弯曲、 扭转、剪 切、 拉 压 等 交 变 应 力, 服 役 条 件 非 常 恶 劣[6鄄鄄8] . 曲轴的性能很大程度上影响着发动机的可 靠性和寿命,这对曲轴的内在显微组织提出了很高 要求. 由于曲轴形状复杂,模锻变形[9鄄鄄11] 金属流动 性大,温度、应力和应变分布很不均匀,这些因素会 对锻造后非调质钢曲轴的显微组织[12鄄鄄16] 产生很大 的影响,并进一步影响到曲轴的力学性能. 1538MV 材料是一种珠光体 + 铁素体非调质 钢,目前对其在曲轴上的应用研究较少. 本文结合 数值模拟和曲轴实物显微组织分析,研究了模锻变 形对曲轴用非调质钢 1538MV 显微组织的影响,为 曲轴模锻工艺和锻后冷却制度的优化提供了依据. 1 研究方案 1郾 1 实验材料及方法 实验选用的轧材和曲轴锻件取自国内某锻造 厂,其化学成分如表 1 所示. 轧材直径为 83 mm,曲 轴主轴颈直径为 63 mm,连杆轴颈直径为 43 mm. 表 1 化学成分(质量分数) Table 1 Chemical composition % C Si Mn P S Cr V 0郾 38 0郾 56 1郾 39 臆0郾 015 0郾 61 0郾 16 0郾 08 如图 1 所示,在轧材、曲轴主轴颈、曲轴连杆轴 颈上分别取样,使用体积分数为 4% 的硝酸酒精溶 液浸蚀,观察锻造后的显微组织. 另外,采用电解双 喷的方法制备透射试样,观察轧材和曲轴中的珠光 体片层形貌,按国标用截线法测量晶粒尺寸,利用 Image tool 图像分析软件测量金相组织含量. 实验 使用的仪器为 ZEISS AxioScopeA1 光学显微镜和 JEM 2100HR 透射电子显微镜. 1—边部;2—1 / 2 半径;3—心部 图 1 曲轴取样示意图 Fig. 1 Sampling sections of crankshaft 1郾 2 数值模拟方案 使用 Deform鄄鄄 3D 数值模拟软件模拟实际锻造 工艺,分析锻造后的应力应变分布、温度场及金属流 动情况. 模具设定为刚体,坯料材料选择为 45 号 钢. 根据现场实际情况选择了模拟的参数和边界条 件. 模具初始温度为 200 益 ,坯料初始温度为 1150 益 . 模具压下速度为 240 mm·s - 1 . 坯料与模具间的 摩擦系 数 为 0郾 4. 坯 料 与 模 具 间 的 传 热 系 数 为 10000 W·m - 2·K - 1 ,坯料与空气间的传热系数为 10 W·m - 2·K - 1 . 2 数值模拟结果 2郾 1 模锻过程中的金属流动 如图 2 所示,对轧材圆棒的横截面沿圆周方向 进行标记,模拟模锻变形后曲轴主轴颈、连杆轴颈的 金属流动情况. 可以看出,曲轴的模锻变形很不均 匀,轧材心部的金属流向主轴颈的心部和连杆轴颈 分型面内侧的边部,轧材 1 / 2 半径的金属流向主轴 颈分型面的边部和连杆轴颈的心部,轧材边部的金 属流向主轴颈的飞边和连杆轴颈分型面外侧的 边部. 2郾 2 模锻后的温度分布 模锻后曲轴主轴颈和连杆轴颈的温度分布如图 3 所示. 可见,锻造变形后,锻件与模具以及空气之 间的传热导致锻件表面温度相对较低,而主轴颈和 连杆轴颈心部温度较高. 另外,由于剧烈变形升温, ·580·