玉柴配司——中国球铁曲轴研究及应用的排头兵！

中南海间谍

随着车用柴油机的不断强化和功率的提高，由传统材料和工艺制成的曲轴正面临着安全可靠性和制造成本的严重挑战。因此，有关不同功率柴油机曲轴的材质及工艺研究，多年来一直受到国内外企业学术界的极大关注。
曲轴主要承受交变的弯曲扭转载荷和一定的冲击载荷，轴颈表面还受到磨损。曲轴在使用过程中的主要失效方式有疲劳断裂和轴颈表面的严重磨损两种。曲轴的性能除与材料有关外，还主要取决于热处理及其表面强化工艺。
目前车用曲轴材料有球铁和钢两大类，与国外相比，美国及欧洲等发达国家中球铁曲轴在柴油机上的应用比例远远高于国内。对于功率低于140Ps的柴油机，国内普遍采用球铁曲轴，大于140PS后很多用钢轴（调质钢或非调质钢等），造成这现象主要是源于球铁材料的延伸率低，铸造生产一致性达不到要求以及对强化工艺认识不足所致。与钢曲轴相比，正火球铁曲轴具有重量轻、成形性好、吸震性好、耐磨性好、缺口敏感性小、加工性好、成本低及疲劳扭矩高的优点，经强化后，可突破传统 “铁不如钢”的观念。本文旨在通过玉柴机器配件制造有限公司成功稳定生产QT800-6牌号强化曲轴－大批量运用到210~260Ps功率段柴油机的事实，以及在300Ps机型上的市场验证，表明正火球铁曲轴材料还有很大的发展潜力、在更高功率的柴油机上应用是有可能的；证明球铁曲轴是在满足设计要求前提下首选的材料。进而希望引起国内同仁对这一领域关注并进行深入研究，造福于社会。
二、QT800-6材料参数
1.　材料检验
正火QT800-6曲轴本体机械性能工艺要求为：抗拉强度≥800Mpa 、延伸率≥5.5%、冲击≥25 J/C㎡、硬度HB250-310，以下QT800-6的检验情况：
牌号        检验项目        平均强度
（Mpa）        平均延伸率
（%）        平均冲击
J/C㎡        平均硬度
（HB）
QT800-6        试块        944        7.03        62        285
        本体        881        6.88        64        279
QT900-2        试块        967        4.02        42        296
        本体        935        3.81        39        288
与普通QT800-2、QT900-2曲轴相比，正火QT800-6曲轴在保持高强度情况下，延伸率和冲击得到极大提高，而不同于普通球铁材料。对过程控制来说，由于工艺范围相对较窄，需对原材料、熔化和热处理等关键控制点进行严控，使生产工艺稳定受控。
2.　材料对比及理论计算（非强化）
材料        42CrMo        QT800-6        备注
弹性模量(N/mm2)        2.06×105        1.60×105       
泊松比        0.30        0.28       
密度(Kg/mm3)        7.85×10-6        7.35×10-6       
钢材料疲劳强度σ-1 (N/mm2)        690.00        390       
最终拉伸强度 (N/mm2)        1100        900       
布氏硬度 (HB)        298        278       
屈服强度 (N/mm2)        900        480       
理论计算圆角疲劳强度σ-1 ( N/mm2)        767.9        390       
将上述两种材料用于同一种曲轴进行CAE计算，计算分析用到的机油压力和机油温度数据均来自试验结果，得出以下计算结果：
2.1　两根曲轴主轴颈圆角和连杆轴颈圆角的弯曲应力不变，影响合成应力大小为扭转应力，QT800-6曲轴的扭转应力要比42CrMo曲轴要大一点，但最终两者的合成应力相差不大，主轴颈最大的圆角应力值不大于220MPa，连杆轴颈最大圆角应力值不大于210MPa，曲轴的应力水平均在曲轴材料应力许可值之下。
2.2　由于材料的差异，QT800-6曲轴的轴颈弯曲和合成负荷的可靠性安全系数均比42CrMo曲轴低，QT800-6材料的曲轴结构主轴颈和连杆轴颈圆角弯曲应力的安全系数均大于AVL的推荐值1.6，但其合成应力安全因子最低达1.5，小于1.6，从计算所用参数来看，需要QT800-6曲轴圆角的弯曲疲劳强度提高到400MPa以上才能达到要求。这也是国内根据理论计算结果不敢用球铁曲轴的主要原因之一。
3.　试验测定
上面所计算的曲轴均是不强化的情况下进行，而由于滚压强化技术的不断提高，加上CAE计算无法考虑到经滚压强化，疲劳试验结果可提高50%以上的结果，造成理论计算球铁轴的圆角疲劳应力过低。对于QT800-6来说，由于延伸率提高，更加能稳定提高疲劳试验值，为验证QT800-6和42CrMo两种材料曲轴圆角经强化后的实际应力，我们用试验进行测定，试验方法如下：
QT800-6曲轴试件经圆角滚压强化，而42CrMo曲轴试件经氮化处理，在若干曲轴疲劳试验试样连杆颈两侧圆角应力处各贴有应变片，贴片方向平行于曲轴轴线，以测定试件在动载下的弯曲应力，应变信号通过应变仪放大后测取。根据测得的应变值可计算出QT800-6曲轴圆角的应力为896N/mm2，远远大于CAE理论计算所得的390 N/mm2，也就是说，采用曲轴圆角强化后，圆角处的应力可提高2.3倍。而对应的42CrMo曲轴，试验测定结果为972N/mm2与计算结果767 N/mm2相差1.3倍。从实际试验测试的结果来看，QT800-6和42CrMo曲轴的圆角疲劳应力基本相同，经滚压强化后，球铁曲轴完全可达到调质钢氮化后的水平。
三、设计计算及验证
玉柴公司近几年对球铁曲轴的应用来看，柴油机功率从85~260Ps，断轴率均低于0.01%，现分别对轻、中、重三类发动机所用曲轴进行分析计算，计算结果如下：
        轻机曲轴        中机曲轴        重机曲轴
发动机缸径mm        92        108        126
主轴颈直径mm        70        85        100
主轴颈圆角半径mm        2.5        3.5        5
连杆颈直径mm        56        70        82
连杆颈圆角半径mm        2.5        3.5        5
曲柄臂厚度h（包括台肩）mm        23        28        29
主轴颈宽mm        32        36        46
连杆颈宽mm        32        40        46
轴颈重叠处曲柄臂的宽mm        110        140        147.44
主轴颈和连杆颈中心距mm        50        62.5        65
重叠度u        13        15        26
普芬德尔计算ak        5.767        6.510        5.560
最大爆压MPa        16        14        16
名义弯矩N/m㎡        1096        1731        2805
实测疲劳试验结果N.m        2000        3500        5300
安全系数        1.82        2.02        1.89
从计算结果来看，三类曲轴均能满足设计要求，同时加上疲劳试验进行验证，安全系数的实际结果基本上与用普芬德尔计算方法所得一致。可确认，通过理论计算分析可确认重机曲轴应用球铁曲轴是可行的。为验证此计算结果，我们在2006年开始，针对国内一款缸径为126mm的六缸重机曲轴采用QT800-6进行生产，并开始批量投入市场进行验证，截止到2008年8月止，已投放的一千多条经滚压强化的QT800-6球铁曲轴并没有出现断轴故障，而这些曲轴均投放在300Ps以上的机型。因此，我们认为，300Ps以上的重型发动机应用球铁曲轴是可行的。
四、QT800-6的应用
1.　设计上直接采用球铁轴：
1.1　玉柴QT800-6曲轴YC6108ZQ、YC6105ZQC系列机型上应用，装机最大功率为180Ps，该产品至今已配套装机超过41万台，外反馈故障率低于200PPM；
1.2　在 YC4108ZQ、YC4108ZLQ、YC4D120～140机型上使用，覆盖功率115～140Ps。该产品至今已配套装机超过7万台，统计外反馈故障率小于200PPM；
1.3　在YC4F工程机上使用，功率小于90Ps。已配套装机2683台，未曾发生断轴现象。
2.　原用锻钢材料，后逐步用QT800-6材料代替的曲轴
2.1　E0200曲轴代替1530钢轴（42CrMo）在YC4E曲轴基本实现全面代钢。截止目前，E0200曲轴代钢已经装机5万多条。统计外反馈故障率小于200PPM，为玉柴曲轴在更大范围内代钢奠定了基础。
2.2　430D曲轴代替J3600钢轴（42CrMo）——2006年7月开始代钢，应用于YC6105ZLQ（即YC6J）机型，装机最大功率为220Ps。至今已装机34571台，目前还未发现有断裂现象。
2.3　A3100曲轴以QT800-6材料代替42CrMo钢轴——技术中心已2008年4月批准在YC6A（YC6108ZQB/YC6108ZLQB）260Ps（含）及以下机型批量装机验证，2008年5月已经装机出厂。
2.4　F7000曲轴代替F3000钢轴（42CrMo）——2007年9月开发成功，采用沉割槽滚压+轴颈表面淬火强化，疲劳弯矩已达到2200N.m，其安全系数在2.0以上，完全可以替代钢轴使用，已进行小批量装机应用。
综合上述玉柴曲轴以铁代钢的应用情况，在玉柴的系列机型中除结构强度较差的6G、4G、6L外都已逐步实现以QT800-6材料代替42CrMo锻钢材料。而这三种机型的曲轴通过在结构上进行适当的修改，代钢也是完全有可能的。
五、一致性
1.　过程控制：
  　1.1　主要工艺设备：
造型：国内第一条自动化铁型覆砂造型线
熔化：中频炉熔炼+欧洲进口增碳工艺+特殊合金化和孕育工艺
热处理：箱式炉热处理+特殊工艺，稳定性好
加工和强化：国际先进加工工艺和德国进口滚压强化工艺
检验控制：超声波和磁粉探伤检验、红外线化学分析、快速金相、ACP和直读光谱仪、电镜能谱、显微硬度计及性能试验、疲劳试验系统分析仪器设备控制。
1.2　过程关键参数和特性控制：
　 1.2.1　熔化关键材料控制：厂家生产控制、进货检验、材料试用，再投入生产
1.2.2　化学成分：Mg残波动97%以上控制在±0.004%的范围内，Re残波动99%以上控制在±0.002%的范围内，每炉全检。
1.2.3　热处理温度控制：±1℃，每炉监控
1.2.4　热处理冷却：冷却水流量和水压控制，每炉监控
1.2.5　球化质量控制：快速金相每包检验；热处理后每包检验
1.2.6　机械性能：试块热处理后每包检验；本体1000条抽检一条
1.2.7　加工控制：首检全尺寸检验，正常生产500条尺寸全检验
1.2.8　淬火控制：每天抽检10-20条表面硬度，1000条抽检一条本体
1.2.9　可靠性控制：1000条抽检一条疲劳试验
1.3　综合性能一致性得到较大提高：
1.3.1　试块：
年度        月份        抗拉强度平均        延伸率平均        冲击值平均        硬度平均
                （Mpa）        （%）        J/C㎡        （HB）
2002年        1月        949         7.4         46         283
        2月        967         7.2         52         286
        3月        955         6.9         59         286
        4月        950         7.2         66         283
        5月        945         7.0         66         284
        6月        940         6.8         62         281
        7月        928         6.6         64         285
        8月        940         6.9         65         288
        9月        936         7.0         68         289
        10月        940         7.0         67         289
        11月        924         7.2         67         285
        12月        939         7.1         63         287
        标准差        11.08         0.19         6.38         2.24
2007年        1月        978         7.4         63         289
        2月        987         7.3         63         289
        3月        979         7.4         60         290
        4月        973         7.4         60         289
        5月        970         7.3         60         289
        6月        967         7.2         60         288
        7月        954         7.2         60         289
        8月        956         7.1         61         288
        9月        963         7.0         59         288
        10月        965         7.0         57         289
        11月        972         6.9         58         289
        12月        972         7.23         57         289
        标准差        8.99         0.17         1.90         0.51
1.3.2　本体表面正常截面稳定性（进货检验数据）：
时间        项目        抗拉强度        延伸率        冲击值        硬度        本体数
                （Mpa）        （%）        J/C㎡        （HB）       
2002年        平均值        881        6.88        64        279        41条
        标准偏差        21.27         0.74         5.25         4.46        
2007年        平均值        956         7.01         62         280         60条
        标准偏差        9.84         0.26         2.55         3.39        
1.3.3　本体表面正常截面和心部危险截面差异性（进货检验数据）：
时间        项目        抗拉强度        延伸率        本体数
                （Mpa）        （%）       
2004年        差异平均值        　82.46        　0.68        51条
        差异标准偏差        　21.52        　0.54       
2007年        差异平均值        43.62　         0.32        60条
        差异标准偏差        　11.17        　0.34       
      注:冲击和硬度只检验心部危险截面
   从上述数据分析，QT800-6曲轴性能的一致性得到很大提高，本体的均一性也得到大大提高。
年度        1月        2月        3月        4月        5月        6月        7月        8月        9月        10月        11月        12月
2007（%）        3.37        2.88        2.58        2.51        2.74        2.96        3.32        2.80        2.29        3.01        2.93        3.92
2008（%）        2.14        2.72        2.77        2.37        2.72        2.72        ----        ----        ----        ----        ----        ---
2.　质量水平稳定（废品率，包括内废和外废）：
六、生产能力
1、现有两条自动化铁型覆砂造型线，分开单独进行生产，具备30万条/年的铸造生
产能力；09年6月新建设车间投入使用，届时整个公司将具备50万条/年的铸造生
产能力。
     2、拥有玉柴内部一条（六缸，年产量7万）、陆川基地三条（六缸一条，年产量3万；
四缸两条，年产量15万条）、开发区（四缸六缸各一条，年产量分别为10万和5
万）基地两条合计6条曲轴机加工线。各生产线可单独生产，互不影响。具备四缸
曲轴25万条/年、六缸曲轴15万条/年的生产能力。
七、优势
QT800-6曲轴与锻钢曲轴比较具有以下优势：
1.　重量比钢轴轻约10%，使整机重量下降；
2.　润滑性能比钢轴好，使曲轴更耐磨；
3.　减震性能比钢轴好，可降低整机噪音；
4.　制造成本比钢轴低，每条曲轴可比钢轴节约成本15%以上（与曲轴的大小及钢轴的材料有关），经济效益显著。
5.　新品毛坯开发周期短，成本低。
6.　球铁曲轴每拐都有平衡重，可减小轴系不平衡力矩，降低对轴承的偏磨。
八、推广应用前景
综合上述分析，可以得出以下几条结论：
1.　玉柴配司QT800-6曲轴生产制造技术已经非常成熟、质量稳定，并在玉柴机器配套领域不断得到广泛应用。
2.　QT800-6材料代替锻钢材料生产曲轴具有明显的优势，尤其具有良好的经济效益。
3.　在QT800-6基础配以合理的曲轴结构设计、加工工艺和强化工艺，正火球铁曲轴完全可以用在210~260Ps功率段的，甚至300Ps或者更高功率的柴油机上使用是有可能的。
4.　国内主流柴油机应用QT800-6曲轴的前景分析：
4.1　轻机方面，功率低于150Ps机型（缸径85mm到110mm间，行程在125mm内的四缸机），排放达欧II和欧III机型仍有很大程度采用钢轴，从玉柴4E系列用QT800-6代42CrMo的批量应用即可验证，在这范围内所涉及到国内外的所有四缸机均可采用球铁QT800-6曲轴。
4.2　中机方面，功率低于260Ps机型（缸径100mm到114mm间行程在135mm内，的六缸机），排放达欧II和欧III机型基本上都是用钢轴，从玉柴6A、6J系列批量应用QT800-6可确认，在这范围内所涉及到大柴、锡柴、上柴、康明斯等厂家的CA6DE1、6DF2、6114、6CT国内这功率范围内的主导机型可采用球铁QT800-6曲轴。
4.3　重机方面，功率在400Ps以下机型（（缸径113mm到120mm间，行程在145mm内的六缸机）涉及到的重汽、维柴、康明斯等重型车用及船用柴油机，我们通过理论计算、疲劳试验、市场投放验证均可确认，重型柴油机也可应用QT800-6球铁曲轴。

业务电话：13877556317   甘先生
E-mail:ganyoucheng0807@sohu.com

yuzhou1107

楼主确实是曲轴性能，工艺研究方面的高手，条理和思路清晰，分析全面，今天通过这段资料，增加了对曲轴的生产制造工艺和控制方法的了解。