汽车发动机曲轴.doc

汽车发动机曲轴材料的选择及工艺设计曲轴是汽车发动机最关键的零部件之一，曲轴的性能很大程度上影响着发动机的可靠性和寿命。曲轴在发动机中承担的最大的负荷和全部的功率，承担着强大的方向不断变化的弯曲和扭矩，同时承受着长时间的高速运转的磨损。圆角过渡处处于薄弱环节，主轴颈与圆角的过渡处更为严重。因而需要合适的热处理工艺，以保证其达到所要求的各项性能指标。图1 汽车发动机曲轴1 汽车发动机曲轴的工作条件及性能要求1.1 汽车发动机曲轴的工作条件曲轴工作过程中，往复的惯性力和离心力使之承受很大的弯曲-扭转应力；发动机曲轴将长时间处于高速旋转状态，因此轴颈表面容易磨损，且轴颈与曲臂的过渡圆角处最为薄弱。除曲轴的材质，加工因素外，曲轴的工作条件（温度、环境介质、负荷特性）等都是影响曲轴服役的重要因素。由此服役条件，汽车发动机曲轴常会发生两种形式的破坏：1）疲劳断裂：多数断裂时曲柄与轴颈的圆角处产生疲劳裂纹，随后向曲柄深处发展，造成曲柄的断裂，其次是曲柄中部的油道内壁产生裂纹，发展为曲柄处的断裂。2） 轴颈表面的严重磨损。因曲轴长时间处于高速旋转状态，因此表面会遭受严重磨损。（如图2） 图2汽车发动机曲轴磨损图1.2 汽车发动机曲轴的机械性能要求及技术要求由于发动机曲轴的服役条件比较苛刻，这就给了曲轴材料较高的要求。曲轴材料需要有较高的强度、冲击韧性、耐磨性。一般采用锻造钢和球墨铸铁，锻钢需要进行热处理采用调质，即淬火后高温回火，使材料具有较高的综合机械性能，轴径表面再进行表面淬火，提高表面硬度及耐磨性。球墨铸铁曲轴采取等温回火、中频淬火、激光淬火等热处理工艺。2 材料的选择及加工工艺路线2.1 材料的选择 2.1.1 选材要求首先，应满足曲轴的力学性能，它取决与发动机设计的强度水平。其次，考虑曲轴的疲劳强度和耐磨性。（与材料本身的成分及热处理后的性能有关）2.1.2 曲轴材料的要求根据JBT6727。曲轴对材料的要求如下：1）钢的含碳量要精选，含碳量的变化范围应不大于0.05(质量分数)；钢的含S .P量应不大于0.0025（质量分数）。2）钢的非金属夹杂物，脆性夹杂物，塑性夹杂物应不超过GB10561规定的2.5级。3）钢的淬透性应按GB255进行测定，其淬透性曲线应在所用的钢号的淬透性范围内。2.1.3 曲轴常用材料汽车发动机曲轴常用材料以及其力学性能如下表：各种适合曲轴材料的化学成分及机械性能（质量分数）钢号主要化学成分CMnSiCrNiMo450.420.50.50.80,170.3740Cr0.370.450.50.80.20.40.81.1040CrNi0.370.440.50.80.20.40.470.751.01.440CrNiMoA0.370.440.50.80.20.40.60.91.251.750.150.2535CrMo0.370.4o.470.70.20.40.81.100.150.25钢号bMPasMPa5ak(Jcm-2)毛坯尺寸mm4590075010456010040Cr1000800945602540CrNi10008001045702540CrNiMoA100085012451002535CrMo1000850124580252.1.4 曲轴材料的确定由于曲轴需要承受交变的弯曲-扭转载荷以及发动机的大的功率，因此，要求其具有高的强度，良好的耐磨、耐疲劳性以及循环韧性等。由上表各种材料的性能可以看出45钢的屈服强度较小所以排除。40Cr钢的抗冲击能较低排除。其余三种钢对比而言，40CrNi钢的屈服强度和抗冲击能都稍逊于其他两种，予以排除。40CrNiMoA和35CrMo这两种钢都较为合适，但35CrMo没有贵金属Ni，成本较低。因而，根据曲轴材料的要求，各项技术要求，及材料的成分，机械性能，淬透性，同时需考虑成本的经济性，最终选择不含贵金属的且各项性能指标优良的35CrMo作为汽车发动机的材料。2.2 加工工艺路线（锻坯）调质（淬火+高温回火）矫直清理检验粗加工去应力退火精加工高频淬火+低温回火矫直磨削检验 3 热处理工艺的制定及热处理工艺曲线3.1 35CrMo曲轴热处理的技术要求35CrMo曲轴材料的热处理技术要求如下表：材料预备热处理HBS最终热处理淬硬层深度HRC35 CrMo调制216269高频淬火低温回火35mm53583.2 35CrMo曲轴热处理工艺曲线热处理工艺曲线如图3所示：17 图3 汽车发动机曲轴热处理工艺曲线3.3 热处理工艺及分析3.3.1 原始材料的组织与性能35CrMo原始状态从其显微组织图上可观察到其组织为铁素体基体上分布着层片状的珠光体（F+P）。其组织结构均匀。其硬质值处于3033HRC之间。 3.3.2 调质工艺及分析 3.3.2.1 调质工艺参数的确定淬火温度：35CrMo是亚共析钢，根据铁碳相图可以得出其AC3约为807，AC1约为757。由于35CrMo是亚共析钢，所以淬火温度取AC3温度+30 50,所以可确定出材料的淬火温度应为850较合适。其保温时间可由经验公式t（1.21.5）D ，具体保温时间应根据曲轴的厚度来确定，此处暂定为25min。回火温度低于AC1的某个温度，选取560比较合适。 T（） 850 25min 560 60min 油冷 油冷 t（min） 0 图4 调质工艺图淬火介质：油淬 回火温度：560 保温时间: 1h回火介质：油 加热设备：箱式电阻炉 3.3.2.2 组织性能分析试样经淬火（未回火）后的金相组织如图可以看出其显微组织为板条马氏体。硬度测得在5153HRC之间，且硬度分布均匀。淬火时，冷却介质选用油淬。这是因为油冷冷速在500350时最快，其下比较慢。这种冷却特性是比较理想的，因而正好使钢的过冷奥氏体组织在最不稳定的区域有最快的冷速，如此，可获得最大的淬硬层深度；而在马氏体转变区有最小的冷却速度，可使组织应力减至最小，故减小了变形开裂倾向，有利于后续加工及处理。由于淬火后获得的马氏体组织不够稳定，因此，需要高温回火获得稳定的组织，回火索氏体。调制后获得索氏体晶粒均匀细密，具有良好的硬度与韧性，其硬度值在32HRC左右，且硬度值分布均匀，符合曲轴的技术要求。由于随回火温度的升高，马氏体的塑性韧性上升，强度硬度下降，因而，调质获得的组织具有良好的综合性能，使强度、塑性、韧性得到了良好的配合，且改善了材料的机械加工性能，并为后续的热处理及加工做了组织上的准备。 3.3.3 去应力退火工艺及分析在热处理、切削加工和其他工艺过程中，制品可能产生内应力。多数情况下，在工艺过程结束后，金属内部将保留一部分残余应力。残余应力可导致工件破裂、变形或尺寸变化，残余应力也提高金属化学活性，在残余拉应力作用下特别容易造成晶间腐蚀破裂。因此，残余应力将影响材料的使用性能或导致工件过早失效。所以需要去应力退火来消除之前加工过程中产生的残余应力。 T（） 550保温2.5h 空冷 0 t（h） 图5 去应力退火工艺图进行去应力退火时，金属在一定温度作用下通过内部局部塑性变形(当应力超过该温度下材料的屈服强度时)或局部的弛豫过程(当应力小于该温度下材料的屈服强度时)使残余应力松弛而达到消除的目的。在去应力退火时，工件一般缓慢加热至较低温度(一般小于回火温度20)，保温一段时间后，缓慢冷却，以防止产生新的残余应力。 3.3.4 高频淬火和低温回火工艺及分析目的：在工件表面一定深度内获得马氏体组织，而其心部仍保持着表面淬火前的组织状态，以获得表面层硬而耐磨，心部又有足够塑性、韧性的工件。加热设备:GP25A高频淬火炉淬火温度：860930（普通淬火温度+30200）冷却介质：水冷 回火温度：160保温时间：1.5h 回火介质：水 T（） 160保温1.5h 油冷 0 t（h） 图6 低温回火工艺图 经过高频淬火后，试样心部依然保持原来的组织不变，心部组织为颗粒大小均匀综合性能良好的回火索氏体。其表层组织为细小的层针状马氏体。表层与心部的过渡区域：其表层为针状马氏体，而心部则保存了原始的组织与性能。高频淬火时必须注意把握好温度和时间，时间过长表面将得不到我们需要的细小的层针状马氏体，而是粗大的组织，这种组织的硬度低于曾针状马氏体，而达不到我们的要求。调质态的35CrMo虽然具有良好的综合性能，但是曲轴的表面要求有良好的耐磨性，调制态的硬度远远不够，因此需要进行高频淬火来增加表面硬度及其耐磨性。由于高频淬火时，奥氏体成分不均匀，奥氏体晶粒得到了细化，且有残余压应力的存在，所以一般高频淬火或的硬度比普通加热淬火硬度高 23个洛氏硬度单位，其抗疲劳性能和耐磨性都得到了显著的提高。 35CrMo在高频淬火后表层硬度值达到5355HRC之间，硬度在表层分布均匀。高频淬火后，为了降低残余应力和钢的脆性，而又不至于降低硬度，因此需要进行低温回火。回火温度取160，保温1.5小时。4 热处理过程中可能产生的缺陷及补救措施 1） 烧伤 产生原因：零件不干净，毛刺未去净；孔、槽未堵；感应器与零件间隙小等 处理方法：洗净零件；堵孔、槽；选合适的感应器。2） 硬度低 产生原因：加热温度低；冷却速度慢；材料中碳元素等化学成分偏低 处理方法：控制材料；合理选择工艺。3） 淬火裂纹 产生原因：淬火温度过高；冷却速度太快；晶粒粗大 处理方法：控制原始晶粒度，按工艺操作。4） 硬化层浅 产生原因：淬火温度低；加热时间短或移动速度快；淬火介质压力不足 处理方法：选择合适的工艺规范。5） 硬度不均 产生原因：淬火介质温度过高；喷水圈的喷水孔的位置及角度不合理；淬火介质的压力不足；零件偏离喷水范围 处理方法：按工艺规定操作。6） 硬化层不均 产生原因：感应圈与零件间隙不匀；淬火机床轴心偏差大 处理方法：调整设备及工装精度。5 曲轴使用过程中可能出现的失效方式及预防措施5.1 校直引起原始裂纹对于锻钢曲轴，在锻造、热处理等过程中必然产生变形，生产中采用校直的方法消除。无论是热校还是冷校，一旦校直幅度过大，都可能导致曲轴产生裂纹，且这种裂纹一般肉眼无法观察到。若曲轴本身存在原始裂纹，装配后行驶里程一般仅为几千公里，就会疲劳扩展而断裂。对于此类裂纹，分析时应注意与其它常见裂纹如锻造裂纹、淬火裂纹等的区别。5.2 圆角淬火工艺不当 轴颈圆角是曲轴加工难度最大，同时也是使用中最容易成为裂纹起源的位置。为了提高曲轴疲劳强度，一般需要对圆角进行强化处理。对于球铁曲轴，目前多采用圆角滚压强化工艺或先氮化再滚压强化的复合强化工艺。对于钢曲轴，多采用碳氮共渗或感应淬火强化工艺。早期的发动机曲轴感应淬火区域仅仅局限在轴颈部分，主要对轴颈起提高耐磨性的作用，淬火区离圆角仍然有大于6mm以上的距离，因此对圆角并不起强化作用。目前采用的感应工艺，淬火区域普遍包涵圆角区域。事实证明这种方式能够明显提高曲轴圆角的疲劳强度。随着发动机增压等新技术应用的日益广泛，对曲轴疲劳强度的要求也越来越高，目前，对发动机圆角的强化处理已经成为必须的工艺过程。圆角强化工艺不当，曲轴达不到应有的疲劳强度，就有可能会在服役过程产生疲劳断裂。5.3 锻造质量问题曲轴材料的锻造质量涉及很多因素，原材料晶粒及晶粒长大倾向、锻轧比、锻造温度等都是重要的影响因素。生产中对材料的选用应该考虑与锻造工艺能够匹配，避免在材料晶粒长大敏感区域停留时间过长。5.4 加工不当引起应力集中曲轴是典型受交变应力的零件，对各种应力集中因素非常敏感。零件设计中一般不存在明显的尖锐过渡处，但实际生产中，由于加工工艺的偏差，可能会在零件上留下诸如台阶、沟纹等一类的外形缺陷。这类外形缺陷在使用中由于应力集中有可能成为疲劳裂纹的起源。汽车发动机曲轴的失效分析，涉及到从材料、加工、结构、受力、服役环境到相关零件分析的多个复杂过程，这些因素相互影响，共同作用，使得分析过程复杂困难。曲轴的失效，往往会造成其它相关零件的损坏，同时，一些其它零件的损坏或状态发生变化，也会带来曲轴服役工况的改变，并导致曲轴的失效。实际分析时，应首先进行详细的调查与现场分析，准确判定故障或事故过程中各个零件的损坏次序与过程，找出肇事件，这样才能找出导致故障或事故发生的根本原因。6 结束感言发动机曲轴作为发动机的关键零件之一，其性能的良好关系到发动机的稳定和寿命，因此，曲轴的质量必须得到保证。通过查找资料与自己的认识相结合，确定了以上的工艺流程。除此之外，个人认为，可以将曲轴再经过渗氮处理比较好。因为曲轴在工作过程中是高速旋转的，因此表面必须要有很好的耐磨性。通过表面渗氮处理，不仅可以保证曲轴表面的耐磨性，而又不影响其心部的特性，依然具有高的韧性和强度。（此建议仅仅是个人的意见，并未考虑到成本等其他因素。）通过本次课程设计，不仅将自己的专业知识得到了加深巩固，更是了解了所学知识在实际生产制造中的应用。通过亲自设计这一过程，我对发动机曲轴的生产工艺流程有了一定的了解，更重要的是提高了自己的独立思考能力。其次感谢感谢老师们的指导，我们才得以顺利完成此次课程设计。还感谢我的同学们，正是同学之间的相互讨论与研究，才使得方案更加完善。参考文献1中国机械工程学会热处理分会；热处理手册第三版 第二卷 典型零件的热处理；背景：机械工业出版社；2001052Fabr1ce Garcia ；黄壮飞；苏仕桓； 田卫华； 曲轴感应热处理J. 现代零部件 2009年04期3傅建红； 曲轴的热处理工艺改