曲軸熱處理工藝

1、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的熱處理工藝設(shè)計(jì) 摘要通過對(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；熱處理工藝目錄1.緒論32.曲軸服役條件和性能指標(biāo)32.1 服役條件32.2 技術(shù)要求42.2.1 調(diào)質(zhì)技術(shù)要求42.2.2 滲氮技術(shù)要求43.原材料狀態(tài)和加工工序43.1材料原始狀態(tài)43.1.1材料43.1.2 鍛造工藝53.2 加工工序54.熱處理工藝54.1 調(diào)質(zhì)工藝54.2 去應(yīng)力回火工藝55. 選材用材分析66. 結(jié) 論101.緒論發(fā)

2、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)型改造的過程中，首先遇到的問題就是曲軸強(qiáng)度不足，一般是通過加粗軸頸、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)度的主要途徑。曲軸在工作中承受交變載荷，圓角過渡處屬于薄弱環(huán)節(jié)，主軸頸和連桿頸的過渡處更為嚴(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

3、，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，軸頸表面容易磨損。疲勞斷裂是曲軸的主要破壞形式，裂紋源多發(fā)生在軸頸與曲臂的過渡圓角處。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)

4、應(yīng)力> -1, -1），在圓角過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： 290330HB 機(jī)械性能：sb1000Mpa ss800Mpa d12% y45% 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：0.250.40mm3.原材料狀態(tài)和加工工序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（%）CSiMnCrSPNiCu0.370.450.170.370.500.800.801.100.030

5、0.0300.250.0303.1.2 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、連桿軸頸及開檔去應(yīng)力回火精車、半精磨主軸頸、連桿軸頸及開檔時(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)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。5. 選材用材分析曲軸選用 10 棒材，選取端面

6、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)大和不均勻性問題，利用正火處理消除鍛造時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。因?yàn)?0Cr 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)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

7、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。 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，需要通過一定的熱處理來(lái)改善其內(nèi)部組織，即需要進(jìn)行預(yù)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?。?0）通過公式計(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

8、做組織準(zhǔn)備 正火后的組織金相如下圖所示 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，通過查閱有關(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 圖3通過淬火處理后，淬火組織為馬氏體，具有很高的硬

9、度，不過很脆，所以需要通過高溫回火來(lái)提高其韌性，適當(dāng)?shù)慕档推溆捕?。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)榛鼗餝，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，

10、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，并且通過高頻表面淬火工藝，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，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)驗(yàn)