汽车发动机连杆选材与工艺设计

汽车发动机连杆选材与工艺设计随着汽车制造工业的发展，对于汽车发动机的动力性能及可靠性要求越来越高，而连杆的强度、刚度对提高发动机的动力性及可靠性至关重要，因此国内外各大汽车公司对汽车发动机连杆的选材及制造技术的研究都非常重视。连杆是汽车发动机中的主要传力部件之一，其大小经活塞销与活塞连接，大头与曲轴颈相连接，燃烧室中受压缩的油气混合气体经点火燃烧后急剧膨胀，以很大的力传给曲轴，推动曲轴旋转。连杆部件一般有连杆体、连杆盖和螺栓等所组成。在发动机工作过程中，连杆要承受膨胀气体的作用，连杆除应具有足够的强度和刚度外，还应尽量减小连杆自身的重量，以减小惯性力的作用，另外还要注意提高连杆的抗疲劳强度。连杆杆身一般都采用从大头到小头逐步变小的工字型截面形状。连杆的选材目前来说主要分为以下几种：①：碳素钢和合金钢碳素调质钢和合金调质钢是连杆用钢的传统钢种，通常小功率的发动机采用碳素调质钢，大功率的发动机采用合金调质钢。碳素钢调质硬度一般在229~269HBS，合金钢可达到300HBS，但最高不超过330HBS。碳素钢抗拉强度可达到800MPa以上，冲击韧度在60J/cm2以上;合金调质钢抗拉强度可达到900MPa以上，冲击韧度在80J/cm2以上。调质钢连杆用于要求连杆有较高强度和韧性的大功率柴油机。调质钢连杆的制造工艺是：棒料经过剪切，热锻成形，调试处理，强力喷丸、机械加工，装配与检测。我国在调质钢应用方面与国外差距不大，但在锻造技术方面与国外还有一定的差距。②：非调质钢非调质钢是在中碳钢基础上添加钒、钛、铌等微合金元素，通过控制轧制或控制锻造过程的冷却速度，使其在基体组织中弥散析出碳、氮的化合物使其得到强化。非调质钢省略了锻后的热处理。按其强韧性可以分4类（如表四），其中基本型和高强度型适用于发动机连杆。表4非调质钢强韧性分荚 ^^9-J. 类型基本成分适用部件基本型F+P中诙+V700-9000-50连机K做型F+P中碳+高Mn+V+Ti低暖+高Mn+V+S50〜10C转向节肾轮段轴it强废型F+P,F+B中瞰十高Mn+V*Ti础顺50500-50连杆、轮瓣M低碰+iSMn+C「+B+Ti,Nt)MO-105080-1)0转向节、前轴我国研究的非调质钢主要是钒系、锰钒系、锰钒氮系。每个系列都开发了添加易切削元素的钢种。用于发动机连杆的钢种有35MnVS、35MnVN、40MnV、48MnV等，其强度都在900MPa以下。疲劳试验表明，非调质钢连杆的疲劳强度与相同级别调质钢相当。随着发动机轻量化的要求，连杆的设计应力提高，其中有代表性的C70S6系列的钢种的应用会越来越多。德国在该钢种的基础上开发了强度级别更高的钢种，正在推广应用。对于非调质钢，由于锻造后不再进行其他的热处理，锻造工序决定了连杆的最终性能，因此控制锻造加热温度和锻造后的冷却速度是保证非调质钢连杆性能的重要环节。一般要求采用感应加热，锻造后要有控冷装置。：粉末冶金连杆粉末冶金连杆的强度、韧性能达到锻钢连杆的水平，是通过以下两个方面得到保证的，一是通过锻造提高粉坯的密度，二是通过添加合金元素，使粉末锻造连杆具有足够的淬透性，保证热处理后零件的质量。粉末烧结锻造连杆锻后的金相组织为珠光体一一铁素体组织，锻后的热处理与锻钢连杆的热处理相同。一般是进行调质处理，也可锻造后空冷再直接进行切削加工，这点与非调质钢的性质一样，要在金属粉末中添加可弥散强化基体的合金元素，保证锻后空冷零件的金相组织具有足够的强韧性。：钛合金连杆用钛合金制造发动机连杆主要考虑的是轻量化，金属钛的密度为4.5g/cm3，仅为钢铁材料的58%，因此用钛合金制造发动机连杆，可大幅度降低发动机连杆的质量。金属钛的抗拉强度比较低，仅有250~300MPa，生产中要添加合金元素来强化基体，通常是添加铝和钒。因此，影响钛合金的强度和硬度的主要因素是合金中铝和钒的含量，铝、钒的含量越高，钛合金的强度、硬度越高。钛合金的切削性能较差，通常要添加易切削元素硫和稀土，

形成硫和稀土的化合物以解决切削问题。通常添加易切削元素对钛合金的疲劳性能没有不利的影响，但屈服强度在850MPa以上的钛合金，添加易切削元素会降低高负荷下合金的疲劳强度，这是因为在高负荷的情况下，易切削合金中的硫化物会促进疲劳裂纹的萌生和扩展，降低了材料的疲劳的性能。对于一般的调质钢，其加工工艺路线一般为：下料热锻成形调质处理装配与检测■下料热锻成形调质处理装配与检测■ 机械加工强力喷丸不同钢种的连杆的加工工艺路线有所不同，具体的加工工艺路线可以参见上面连杆选材中的详细说明。下面我们来讨论一下汽车发动机连杆所做选材的理由，加工工艺设计与选择的理由（以常见的合金调质钢为例）:首先根据连杆的受力特点：连杆在工作当中受交变的抗压应力、又受弯曲应力，这样的受力特点就要求连杆的心部具有较高的强度和韧性，以抵抗工作过程当中的冲击载荷，考虑到合金调质钢经过调质处理，其综合性能是最好的，韧性和强度性能都比较不错，所以，合金调质钢可以作为汽车发动机连杆的选材。根据选材，我们不难确定连杆的加工工艺路线，其中最为关键的一个步骤是调质处理（淬火加高温回火），这一步骤对于连杆最终的力学性能起到了至关重要的作用。为了提高连杆的疲劳寿命，采用喷丸强化处理，消除连杆表面的缺陷并造成连杆表面的压应力。由于经过调质处理，使用时的组织为回火索氏体（回火S），具有较好的强度、硬度及韧性，满足汽车发动机连