汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的熱處理工藝設(shè)計(jì)

1、1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的熱處理工藝設(shè)計(jì) 摘要分析了曲軸的失效形式，提出對(duì)于大功率高速柴油機(jī)，選擇合適的材料和適宜的表面強(qiáng)化方法是提高曲軸性能的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì) 12缸、四沖程、水冷高速大功率柴油機(jī)曲軸材質(zhì)及調(diào)質(zhì)后各項(xiàng)性能指標(biāo)的分析，可知通過(guò)選用優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼40cr，加合適的熱處理工藝， 可以最大限度地提高高速大功率柴油機(jī)曲軸性能。關(guān)鍵字：發(fā)動(dòng)機(jī)；曲軸；選材；熱處理工藝2 目錄1.緒論. 3 2.曲軸服役條件和性能指標(biāo). 3 2.1 服役條件 . 3 2.2 技術(shù)要求 . 4 2.2.1 調(diào)質(zhì)技術(shù)要求 . 4 2.2.2 滲氮技術(shù)要求 . 4 3.原材料狀態(tài)和加工工序. 4 3.1 材料原始狀態(tài) .

2、4 3.1.1 材料 . 4 3.1.2 鍛造工藝 . 5 3.2 加工工序 . 5 4.熱處理工藝 . 5 4.1 調(diào)質(zhì)工藝 . 5 4.2 去應(yīng)力回火工藝. 5 5. 選材用材分析 . 6 6. 結(jié)論. 103 1.緒論發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的“心臟”，而曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部位?，F(xiàn)代化的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)曲軸毛坯提出了有6拐、呈120分布、帶12個(gè)整體平衡塊的要求。在機(jī)型改造的過(guò)程中，首先遇到的問(wèn)題就是曲軸強(qiáng)度不足，一般是通過(guò)加粗軸頸、 優(yōu)選材質(zhì)和表面強(qiáng)化等方法來(lái)增大曲軸強(qiáng)度，從而滿足功率提高的要求。加粗軸頸在生產(chǎn)實(shí)踐中受到各方面條件的限制，應(yīng)用范圍較窄， 所以選擇合適的材料和適宜的表面強(qiáng)化方法是解決曲軸強(qiáng)度

3、的主要途徑。 曲軸在工作中承受交變載荷，圓角過(guò)渡處屬于薄弱環(huán)節(jié)，主軸頸和連桿頸的過(guò)渡處更為嚴(yán)重。 如果機(jī)械加工不當(dāng)，潤(rùn)滑保養(yǎng)不好或柴油機(jī)運(yùn)行受力不當(dāng)，圓角部位的附加應(yīng)力超過(guò)了界限值，就會(huì)在此部位產(chǎn)生疲勞源，逐漸擴(kuò)展形成裂紋，最終發(fā)生疲勞斷裂。所以曲軸表面強(qiáng)化處理主要是通過(guò)對(duì)曲軸圓角的強(qiáng)化來(lái)提高曲軸的疲勞強(qiáng)度1。曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)中承擔(dān)最大負(fù)荷和全部功率，承受著強(qiáng)大的、方向不斷變化的彎矩及扭矩，同時(shí)經(jīng)受著長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)的磨損，因此要求曲軸材質(zhì)具有較高的剛性、疲勞強(qiáng)度和良好的耐磨性能。2.曲軸服役條件和性能指標(biāo)2.1 服役條件曲軸工作過(guò)程中，往復(fù)的慣性力和離心力使之承受很大的彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，軸頸表面容易

4、磨損。疲勞斷裂是曲軸的主要破壞形式，4 裂紋源多發(fā)生在軸頸與曲臂的過(guò)渡圓角處。除曲軸的材質(zhì)、 加工因素外，如果由于工作條件 ( 溫度、環(huán)境介質(zhì)、負(fù)荷特性 ) 的變化，特別是曲軸在工作運(yùn)轉(zhuǎn)中所受的彎曲應(yīng)力或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力超出了損壞界（真實(shí)應(yīng)力 -1, -1），在圓角過(guò)渡處的薄弱部位就會(huì)出現(xiàn)裂紋而發(fā)展為彎曲疲勞斷裂或扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。2.2 技術(shù)要求2.2.1 調(diào)質(zhì)技術(shù)要求調(diào)質(zhì)曲軸試樣硬度及機(jī)械性能。硬度： 290 330hb 機(jī)械性能：b1000mpa s800mpa 12% 45% aku45j（u型缺口）2.2.2 滲氮技術(shù)要求表面硬度： 550hv 滲氮層深度：0.25 0.40mm3.原材料狀態(tài)和

5、加工工序3.1 材料原始狀態(tài)3.1.1 材料選用的材料是 40cr，其化學(xué)成份如表 1所示表 1 40cr 鋼化學(xué)成分（ %）5 c si mn cr s p ni cu 0.370.450.170.37 0.500.80 0.801.10 0.030 0.030 0.25 0.030 3.1.2 鍛造工藝分段加熱， 彎曲鐓鍛成型。 鍛后正火： 880，高溫回火：650。3.2 加工工序彎曲鐓鍛正火高溫回火粗車主軸頸、連桿軸頸及外圓端面調(diào)質(zhì)精車主軸頸、連桿軸頸及開(kāi)檔去應(yīng)力回火精車、半精磨主軸頸、連桿軸頸及開(kāi)檔時(shí)效半精磨、精磨主軸頸、連桿軸頸及鉆鉸直油孔、斜油孔滲氮拋光。4.熱處理工藝4.1 調(diào)

6、質(zhì)工藝淬火溫度： 830，保溫時(shí)間： 10分鐘；淬火介質(zhì)：油回火溫度： 560，保溫時(shí)間： 12h，冷卻介質(zhì)：水。4.2 去應(yīng)力回火工藝穩(wěn)定回火：溫度 540，保溫時(shí)間 11.5h ；低溫時(shí)效：溫度 250，保溫時(shí)間 11.5h 。6 5. 選材用材分析曲軸選用 10 棒材，選取端面較為平整的一面觀察其金相組織，顯微組織為粒狀珠光體加少量鐵素體，組織均勻，晶粒細(xì)小，晶粒度78 級(jí)，如圖所示。 40cr 材料鍛造成型為曲軸毛坯后，為克服因鍛造加熱引起晶粒長(zhǎng)大和不均勻性問(wèn)題，利用正火處理消除鍛造時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。因?yàn)?40cr 材料屬于珠光體 - 馬氏體類鋼，正火后再高溫回火軟化處理， 可以給隨后的機(jī)

7、械加工和調(diào)質(zhì)處理打下了良好的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)表明，電渣重熔鋼能使非金屬夾雜物和有害元素含量大大降低，尤其是p、 s 有害元素由電爐鋼的 0.03% 和0.03%， 分別降低至 0.005% 和0.002%。同時(shí)可使其化學(xué)成分均勻、 純潔度高、晶粒細(xì)小、組織致密，橫向力學(xué)性能顯著改善， 基本上消除了橫向性能大大低于縱向性能的弊端，使各方向性能基本一致，避免早期橫向斷裂。由上可知電渣重熔鋼力學(xué)性能明顯高于電爐鋼。7 圖1 如上圖所示為 40cr鋼的原始組織金相， 可看出顯微組織不是很均勻，并且晶粒較為粗大， 此時(shí)的40cr鋼的綜合性能完全不適合制作曲軸，需要通過(guò)一定的熱處理來(lái)改善其內(nèi)部組織，即需要進(jìn)行預(yù)

8、備熱處理，來(lái)細(xì)化晶粒， 改善組織性能， 根據(jù)已學(xué)知識(shí)， 并且翻閱相關(guān)書籍，我選擇使用正火這一熱處理工藝來(lái)作為40cr鋼的預(yù)備熱處理工藝， 同時(shí)根據(jù)試樣大?。?10）通過(guò)公式計(jì)算來(lái)確定正火時(shí)間為7分鐘，根據(jù)40cr的基本性質(zhì)（ ac3的溫度）確定了正火的溫度為 880，來(lái)改善其晶粒大小，使得晶粒細(xì)化以便得到更好的切削性能并未淬火做組織準(zhǔn)備 正火后的組織金相如下圖所示8 圖2 正火后組織變成了片狀 p和片狀滲碳體，此時(shí)的鋼的切削性能較好，硬度較低，便于切削加工。硬度在28hrc 左右，由于作為曲軸要有一定的硬度與耐磨性， 而此時(shí)的 40cr不滿足要求， 因此要進(jìn)行更進(jìn)一步的操作，即進(jìn)行最終熱處理，

9、通過(guò)查閱有關(guān)資料，并結(jié)合所學(xué)知識(shí)，我選用調(diào)質(zhì)處理 +表面高溫淬火來(lái)作為 40cr鋼的最終熱處理工藝。使用淬火來(lái)提高鋼的硬度，根據(jù)試樣尺寸，確定淬火時(shí)間為10分鐘，溫度為 830，由于 40cr鋼的淬透性比較好，為了避免40cr鋼在淬火時(shí)出現(xiàn)淬裂現(xiàn)象， 因此選擇淬火介質(zhì)油。 淬火后的組織金相如下圖所示9 圖3 通過(guò)淬火處理后，淬火組織為馬氏體，具有很高的硬度，不過(guò)很脆，所以需要通過(guò)高溫回火來(lái)提高其韌性，適當(dāng)?shù)慕档推溆捕取?此時(shí)的40cr鋼的硬度高達(dá) 62hrc 。不便于加工。由查表可知為了使淬火m盡可能的轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗?s，加熱時(shí)間必須在 1個(gè)小時(shí)以上， 所以選擇加熱時(shí)間為 2個(gè)小時(shí)，根據(jù)所選鋼材

10、40cr鋼的基本性質(zhì)，并結(jié)合所學(xué)知識(shí)選擇回火所需溫度為 560。高溫回火后的組織金相圖如下所示：圖4 此時(shí)40cr鋼件的金相組織為回火索氏體，保留了淬火效應(yīng)， 索氏10 體均勻細(xì)密，晶粒細(xì)小，具有良好的硬度與韌性。此時(shí)的40cr的硬度在32hrc 左右，已經(jīng)基本符合制作曲軸的要求。可以投入生產(chǎn)中。試驗(yàn)表明： 馬氏體組織經(jīng)低溫回火， 具有較高的強(qiáng)度、硬度，但塑性韌性較低；隨回火溫度提高，其強(qiáng)度下降，塑性韌性提高；經(jīng)高溫回火得到均勻回火索氏體組織，可獲得較高的綜合機(jī)械性能， 強(qiáng)度及塑韌性得到最好的配合。6. 結(jié)論通過(guò)選用 40cr鋼，加上合適的熱處理工藝，即正火調(diào)質(zhì)處理，可以很大限度的提高曲軸強(qiáng)度

11、，并且通過(guò)高頻表面淬火工藝，可以很好的提高曲軸的表面硬度以及表面耐磨性。在對(duì)40cr鋼進(jìn)行熱處理時(shí)由于淬透性比較好， 很容易出現(xiàn)淬裂， 所以對(duì)選擇淬火介質(zhì)是要選擇冷速較慢的介質(zhì)比如空冷、油冷等等。但是若選擇了水冷，則很容易淬裂。做實(shí)驗(yàn)室不小心放入水中冷卻，40cr鋼直接是內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，金相組織顯示晶格紊亂。 所以選擇了油冷來(lái)減小曲軸開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)采用階梯加熱、 淬火前空氣預(yù)冷和嚴(yán)格控制淬火冷卻時(shí)間的方式，能減小大型曲軸因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)各部位尺寸差異產(chǎn)生的應(yīng)力，降低開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)驗(yàn)中，磨取金相時(shí)，端面一定要盡量保證平整，不然磨取的金相圖片不清晰， 對(duì)研究金相組織有一定的阻礙，像上面的回火態(tài)的金相就是由于磨制時(shí)沒(méi)有保證在同一水平面上，導(dǎo)致端面不平， 使得圖像模糊，所以要注意這一問(wèn)題。11 參考文獻(xiàn)1 朱華明 , 劉勛豐, 劉富緒. 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的失效分析j.國(guó)外金屬熱處理， 2002(2):45 46 2 王國(guó)佐 , 王萬(wàn)智. 鋼的化學(xué)熱處理 m. 中國(guó)鐵道出版社 1980. 3 劉金武 , 高為國(guó).20cr2ni4a 鋼內(nèi)花鍵套熱處理畸變分析j.金屬熱處理