汽車發(fā)動機(jī)曲軸的熱處理工藝

1、1摘要：本文對一般汽車發(fā)動機(jī)曲軸的各項(xiàng)性能與技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了分析，制定出相應(yīng)材料（35CrMo）曲軸的熱處理工藝方案，在工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對方案進(jìn)行了驗(yàn)證與改進(jìn)，保證曲軸的各項(xiàng)性能達(dá)到要求。關(guān)鍵詞：曲軸 熱處理工藝 35CrMo 調(diào)質(zhì) 高頻淬火2目錄1引言 32曲軸的服役條件與失效形式 32.1服役條件 32.2失效形式 43技術(shù)要求與材料的選擇 53.1 鍛鋼曲軸熱處理的技術(shù)要求 53.2 材料的選擇 53.2.1選材條件 53.2.2 鍛鋼曲軸材料的要求 53.2.3 備選材料的化學(xué)成分與力學(xué)性能的對比與分析 53.2.4 材料的確定 64.加工工序 65.具體熱處理工藝的制定與用材分析 75

2、.1 35CrMo熱處理的技術(shù)要求 75.2 具體工藝與用材分析 75.2.1 原始材料的組織與性能 75.2.2調(diào)質(zhì)工藝與用材分析 85.2.2.1 調(diào)制工藝參數(shù)的確定85.2.2.2 組織性能分析 85.2.3 去應(yīng)力退火 105.2.4表面處理 105.2.4.1表面熱處理工藝 105.2.4.2 組織性能分析 116結(jié)論 127參考文獻(xiàn) 14致謝 1531引言 曲軸是汽車發(fā)動機(jī)的最關(guān)鍵的零部件之一，曲軸的性能在很大程度上影響著汽車發(fā)動機(jī)的可靠性與壽命。曲軸在發(fā)動機(jī)中承擔(dān)著最大的負(fù)荷和全部的功率，承擔(dān)著強(qiáng)大的方向不斷變化的彎矩和扭矩，同時(shí)承受著長時(shí)間的高速運(yùn)轉(zhuǎn)的磨損，圓角過渡處處于薄弱環(huán)

3、節(jié)，主軸頸與圓角的過渡處更為嚴(yán)重。因而，需要合適的熱處理工藝，以保證其達(dá)到所要求的各項(xiàng)性能指標(biāo)。圖(1).曲軸結(jié)構(gòu)示意圖 2.曲軸的服役條件與失效形式 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-扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，軸頸表面容易磨損，且軸頸與曲臂的過渡圓角處最為薄弱。除曲軸的材質(zhì)，加工因素外，曲軸的工作條件（溫度、環(huán)境介質(zhì)、負(fù)荷特性）等都是影響曲軸服役的4重要因素。2.2 失效形式 疲勞斷裂：多數(shù)斷裂時(shí)曲柄與軸頸的圓角處產(chǎn)生疲勞裂紋，隨后向曲柄深處發(fā)展，造成曲柄的斷裂，其次是曲柄中部的油道內(nèi)壁產(chǎn)生裂紋，發(fā)展為曲柄處的斷裂。 軸頸表面的嚴(yán)重磨損。（如圖2） 圖(2)、磨損的曲軸技

4、術(shù)要求與材料的選擇 3.1 鍛鋼曲軸熱處理的技術(shù)要求氣缸直徑小于或等于200mm的往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)曲軸的熱處理技術(shù)要求預(yù) 備 熱 處 理 項(xiàng)目 鍛鋼 最終熱處理（感應(yīng)加熱淬火） 淬硬層深度 DSmm 2.04.5毛坯硬度（HBS） 調(diào)制 207302硬度（HRC） 53同一曲軸硬度差（HBS） 50同曲軸硬度差（HRC） 6 顯微組織 （體積分?jǐn)?shù)） 索氏體 14級 顯微組織 細(xì)針狀M 13級3.2 材料的選擇3.2.1選材條件首先，應(yīng)滿足曲軸的力學(xué)性能，它取決與發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度水平。其次，考慮曲軸的疲勞強(qiáng)度和耐磨性。（與材料本身的成分及熱處理后的性能有關(guān)）3.2.2鍛鋼曲軸材料的要求根據(jù)JBT

5、6727。鍛鋼曲軸對材料的要求如下：鋼的含碳量要精選，含碳量的變化范圍應(yīng)不大于0.05(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；鋼的含S .P量應(yīng)不大于0,.0025（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。鋼的非金屬夾雜物，脆性夾雜物，塑性夾雜物應(yīng)不超過GB10561規(guī)定的2.5級。 鋼的淬透性應(yīng)按GB255進(jìn)行測定，其淬透性曲線應(yīng)在所用的鋼號的淬透性范圍內(nèi)。3.2.2 備選材料的化學(xué)成分與力學(xué)性能的對比與分析6各種適合曲軸材料的化學(xué)成分及機(jī)械性能（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）3.2.4 材料的確定由于曲軸需要承受交變的彎曲-扭轉(zhuǎn)載荷以及發(fā)動機(jī)的大的功率，因此，要求其具有高的強(qiáng)度，良好的耐磨、耐疲勞性以及循環(huán)韌性等。因而，根據(jù)曲軸材料的要求，各項(xiàng)技術(shù)要求，及材料的

6、成分，機(jī)械性能，淬透性，同時(shí)需考慮成本的經(jīng)濟(jì)性，最終選擇不含貴金屬的且各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)良的35CrMo作為汽車發(fā)動機(jī)的材料。4.加工工序（鍛坯）調(diào)制（淬火+高溫回火）矯直清理檢驗(yàn)粗加工去應(yīng)力退火精加工表面熱處理（高頻淬火+低溫回火）矯直磨削檢驗(yàn)75具體熱處理工藝的制定與用材分析 5.1 35CrMo熱處理的技術(shù)要求材料預(yù)備熱處理 HBS 最終 熱處理 淬硬層深度 HRC 35 CrMo 調(diào)制 216269 高頻淬火+低溫回火35mm 5358 5.2 具體工藝與用材分析5.2.1原始材料的組織與性能本次實(shí)驗(yàn)采用 15 （mm）棒材。圖3為4的硝酸酒精腐蝕過的材料原始狀態(tài)的金相顯微圖。圖(3).

7、35CrMo退火態(tài)（500x）8從其顯微組織圖上可觀察到其組織為鐵素體基體上分布著層片狀的珠光體（F+P）。其組織結(jié)構(gòu)均勻。其初始態(tài)的力學(xué)性能：HRC： 32 30 31 31 31 31 30 31 31從以上數(shù)據(jù)可以看出其力學(xué)性能均勻。5.2.2 調(diào)質(zhì)工藝與用材分析5.2.2.1 調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)的確定淬火溫度：由于35CrMo是亞共析鋼，所以淬火溫度取AC3+30 50,所以可確定出材料的淬火溫度應(yīng)為850較合適。其保溫時(shí)間可由經(jīng)驗(yàn)公式t（1.21. 5）?D ，由于實(shí)驗(yàn)室一般取上限所以可得出淬火保溫時(shí)間大約為25min。淬火介質(zhì)：油淬回火溫度：560保溫時(shí)間: 1h回火介質(zhì)：油加熱設(shè)備：箱

8、式電阻爐5.2.2.2 組織性能的分析試樣經(jīng)淬火（未回火）后的金相組織如圖（4）.可以看出其顯微組織為板條馬氏體。硬度測得在5153HRC之間，且硬度分布均勻。淬火時(shí)，冷卻介質(zhì)選用油淬。這是因?yàn)橛屠淅渌僭?00350時(shí)最快，其下比較慢。這種冷卻特性是比較理想的，因而正好使鋼的過冷奧氏體組織在最不穩(wěn)定的區(qū)域有最快的冷速，如此，可獲得最大的淬硬層深度；而在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)有最小的冷卻速度，可使組織應(yīng)力減至最小，故減小了變形開裂傾向，有利于后續(xù)加工及處理。由于淬火后獲得的馬氏體組織不夠穩(wěn)定，因此，需要高溫回火獲得穩(wěn)定的組織，回火索氏體。如圖(5)可以看出調(diào)制后獲得索氏體晶粒均勻細(xì)密，具有良好9的硬度與韌

9、性，其硬度值在32HRC左右，且硬度值分布均勻，符合曲軸的技術(shù)要求。(4) 35CrMo淬火態(tài)（500x）圖(5) 35CrMo調(diào)制態(tài)（500x）由于隨回火溫度的升高，馬氏體的塑性韌性上升，強(qiáng)度硬度下降，因而，調(diào)質(zhì)獲得的組織具有良好的綜合性能，使強(qiáng)度、塑性、韌性得到了良好的配合，且改善了材料的機(jī)械加工性能，并為后續(xù)的熱處理及加工做了組織上的準(zhǔn)備。10 5.2.3去應(yīng)力退火工藝在熱處理、切削加工和其他工藝過程中，制品可能產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。多數(shù)情況下，在工藝過程結(jié)束后，金屬內(nèi)部將保留一部分殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力可導(dǎo)致工件破裂、變形或尺寸變化，殘余應(yīng)力也提高金屬化學(xué)活性，在殘余拉應(yīng)力作用下特別容易造成晶間腐蝕

10、破裂。因此，殘余應(yīng)力將影響材料的使用性能或?qū)е鹿ぜ^早失效。所以需要去應(yīng)力退火來消除之前加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。進(jìn)行去應(yīng)力退火時(shí)，金屬在一定溫度作用下通過內(nèi)部局部塑性變形(當(dāng)應(yīng)力超過該溫度下材料的屈服強(qiáng)度時(shí))或局部的弛豫過程(當(dāng)應(yīng)力小于該溫度下材料的屈服強(qiáng)度時(shí))使殘余應(yīng)力松弛而達(dá)到消除的目的。在去應(yīng)力退火時(shí)，工件一般緩慢加熱至較低溫度(一般小于回火溫度20)，保溫一段時(shí)間后，緩慢冷卻，以防止產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力。 5.2.4 表面處理及用材分析5.2.4.1 表面熱處理工藝目的：在工件表面一定深度內(nèi)獲得馬氏體組織，而其心部仍保持著表面淬火前的組織狀態(tài)，以獲得表面層硬而耐磨，心部又有足夠塑性、韌性

11、的工件。加熱設(shè)備:GP25A高頻淬火爐淬火溫度：860930（普通淬火溫度+30200）冷卻介質(zhì)：水冷回火溫度：16011保溫時(shí)間：1.5回火介質(zhì)：水5.2.4.2組織性能分析經(jīng)過高頻淬火以后，表面得到的并不是所需要的針狀馬氏體，而是粗大的組織。其原因是高頻淬火時(shí)加熱時(shí)間太長而引起的。這種粗大的組織硬度比細(xì)馬氏體降低很多。因此是不希望獲得的組織，在加熱時(shí)一定要嚴(yán)格控制溫加熱溫度范圍和加熱時(shí)間。試樣心部依然保持原來的組織不變，心部組織如圖（7），為顆粒大小均勻綜合性能良好的回火索氏體。其表層為針狀馬氏體，而心部則保存了原始的組織與性能。調(diào)質(zhì)態(tài)的35CrMo雖然具有良好的綜合性能，但是曲軸的表面要

12、求有良好的耐磨性，調(diào)制態(tài)的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此需要進(jìn)行高頻淬火來增加表面硬度及其耐磨性。由于高頻淬火時(shí)，奧氏體成分不均勻，奧氏體晶粒得到了細(xì)化，且有殘余壓應(yīng)力的存在，所以一般高頻淬火或的硬度比普通加熱淬火硬度高 23個(gè)洛氏硬度單位，其抗疲勞性能和耐磨性都得到了顯著的提高。本次實(shí)驗(yàn)35CrMo在高頻淬火后表層硬度值達(dá)到5355HRC之間，硬度在表層分布均勻。高頻淬火后，為了降低殘余應(yīng)力和鋼的脆性，而又不至于降低硬度，因此需要進(jìn)行低溫回火?；鼗饻囟热?60，保溫1.5小時(shí)。6結(jié)論35CrMo材料有很高的靜力強(qiáng)度、沖擊韌性及較高的疲勞極限，淬透性較40Cr高，而且相比40CrNiMo又不含有貴重的Ni

13、元素。 高溫下有高的蠕變強(qiáng)度與持久強(qiáng)度，長期工作溫度可達(dá) 500；冷變形時(shí)塑性中等，焊接性差。這種鋼通常用作調(diào)質(zhì)件，也可高中頻表面淬火或淬火及低、中溫回火后使用，適用于在高負(fù)荷下工作的重要結(jié)構(gòu)件，特別是受沖擊、震動、彎曲、扭轉(zhuǎn)負(fù)荷的機(jī)件，如車軸、發(fā)動機(jī)傳動機(jī)件、大電機(jī)軸、汽輪發(fā)動機(jī)主軸、軋鋼機(jī)人字齒輪、曲軸、錘桿、連桿、緊固件以及石油工業(yè)的穿孔器等。通過選用35CrMo鋼作為曲軸的材料，并且通過合適的熱處理工藝，調(diào)質(zhì)工藝可獲得良好的綜合機(jī)械性能，滿足曲軸的強(qiáng)度，循環(huán)任性等，但是表面的耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠要求，因此需要通過高頻淬火來增加其表面的硬度與耐磨性。在淬火介質(zhì)的選擇上，選用油淬，因?yàn)橛屠漭^水冷

14、冷速小，可以減小變形開裂同時(shí)又減小了殘余應(yīng)力。加熱保溫時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格控制，避免在調(diào)質(zhì)回火時(shí)保溫時(shí)間過短所引起的硬度過高，同時(shí)避免保溫時(shí)間過長引起晶粒粗大。在高頻淬火之后進(jìn)行回火13 時(shí)，回火溫度應(yīng)比普通淬火的回火溫度低，以避免表面淬火后硬度的下降。制樣時(shí)需要保持試樣短面的平整，以便于觀察。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)按照規(guī)章制度及操作流程來工作，以避免不安全事件的發(fā)生。愛惜實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備.14 7參考文獻(xiàn)【1】 中國機(jī)械工程學(xué)會熱處理分會;熱處理手冊第三版 第二卷 典型零件的熱處理；背景：機(jī)械工業(yè)出版社；200105【2】Fabr1ce Garcia; 黃壯飛; 蘇仕桓; 田衛(wèi)華; 曲軸感應(yīng)熱處理J. 現(xiàn)代零部件 2009年04期【3】傅建紅; 曲軸的熱處理工藝改進(jìn)J. 起重運(yùn)輸機(jī)械 2006年12期【4】高一新; 任偉霞; 李全安; 高速大功率柴油機(jī)曲軸的表面強(qiáng)化J. 熱處理 2004年04期【5