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汽车发动机曲轴的热处理工艺.doc

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汽车发动机 曲轴 热处理 工艺
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1 摘要 :本文 对一 般汽 车发 动机 曲轴的 各项 性能 与技 术参 数进行 了分 析, 制定出 相应 材料 (35CrMo )曲轴 的热 处理 工艺 方案 ,在工 艺试 验的 基础 上对 方 案进行 了验 证与 改进 ,保 证曲轴 的各 项性 能达 到要 求。 关键词 :曲 轴 热处 理工 艺 35CrMo 调质 高 频淬 火 2 目录 1.引 言… …… …… …… ……… …… …… …… …… ……… …… …… …… …… … 3 2.曲 轴的 服役 条件 与失 效 形式… …… …… …… …… ……… …… …… …… …… 3 2.1 .服 役条 件… …… … …… … …… …… …… …… ……… …… …… …… …… 3 2.2 .失 效形 式 … …… ……… …… …… …… …… ……… …… …… …… …… …4 3.技 术要 求与 材料 的选 择 ……… …… …… …… …… ……… …… …… …… …… 5 3.1 锻 钢曲 轴热 处理 的技 术要求 …… …… …… …… ……… …… …… …… … 5 3.2 材料 的选 择… …… ……… …… …… …… …… ……… …… …… …… …… 5 3.2.1 选 材条 件… … ……… …… …… …… …… ……… …… …… …… …… 5 3.2.2 锻钢 曲 轴材 料 的要求 … …… …… …… … ……… …… …… …… … 5 3.2.3 备 选材 料的 化 学成分 与力 学性 能的 对比 与分析 …… …… …… …… 5 3.2.4 材 料的 确定 … ……… …… …… …… …… ……… …… …… …… …… 6 4.加工 工序 … …… …… … ……… …… …… …… …… ……… …… …… …… …… 6 5.具体 热处 理工 艺的 制定 与用材 分析 … …… …… … ……… …… …… …… …… 7 5.1 35CrMo 热处 理的 技术要 求… …… …… …… ……… …… …… …… …… … 7 5.2 具 体工 艺与 用材 分 析…… …… …… …… …… ……… …… …… …… …… 7 5.2.1 原 始材 料的 组 织与性 能… …… …… …… ……… …… …… …… …… 7 5.2.2 调 质工 艺与 用 材分析 … …… …… …… … ……… …… …… …… …… 8 5.2.2.1 调制 工艺参 数的 确定 …… …… ……… …… …… …… …… …8 5.2.2.2 组织 性能分 析 …… …… …… … ……… …… …… …… …… 8 5.2.3 去 应力 退火 … ……… …… …… …… …… ……… …… …… …… … 10 5.2.4 表 面处 理… … ……… …… …… …… …… ……… …… …… …… …… 10 5.2.4.1 表面 热处理 工艺 … …… …… … ……… …… …… …… …… 10 5.2.4.2 组织 性能分 析… …… …… …… ……… …… …… …… …… 11 6.结 论… …… …… …… … ……… …… …… …… …… ……… …… …… …… …… 12 7.参 考文 献… …… …… … ……… …… …… …… …… ……… …… …… …… …… 14 致谢 … …… …… …… … ……… …… …… …… …… ……… …… …… …… 15 31. 引言 曲 轴是 汽车 发动 机 的最关 键的 零部 件之 一, 曲轴的 性能 在很 大程 度上 影响着 汽车发 动机 的可 靠性 与寿 命。曲 轴在 发动 机中 承担 着最大 的负 荷和 全部 的功 率, 承担着 强大 的方 向不 断变 化的弯 矩和 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). 曲轴 结构 示意 图 2. 曲轴的 服役 条件 与失 效形 式 2.1 . 服役 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 , 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 4 重要 因素 。 2.2 失效 形式 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。 (如 图 2) 图 (2) 、 磨损 的曲 轴 技术要 求与 材料 的选 择 3.1 锻 钢曲 轴热 处理 的技 术 要求 气缸直 径小 于或 等 于200mm 的往 复活 塞式 内燃 机曲 轴的热 处理 技术 要求 预 备 热 处 理 项目 锻钢 最 终热 处理 (感 应加 热 淬火) 淬 硬层 深度 DS∕mm 2.0~4.5 毛坯硬 度(HBS ) 调制 207~302 硬度(HRC ) ≥53 同一曲 轴硬 度差 (HBS ) ≤50 同曲轴 硬度 差 (HRC ) ≤6 显 微组 织 ( 体积分 数) 索 氏体 1~4 级 显 微组 织 细 针状 M 1~3 级 3.2 材料 的选 择 3.2.1 选材 条件 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) 3.2.2 锻钢 曲轴 材料 的要 求 根据 JB ∕T6727 。锻 钢曲 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 。 3.2.2 备选 材料 的化 学成 分与力 学性 能的 对比 与分 析 6 各种 适合 曲轴 材料 的化 学成分 及机 械性 能( 质量 分数) 3.2.4 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 。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。 4.加工 工序 (锻坯 )调 制( 淬火+ 高 温 回火) →矫 直→ 清理 →检 验→粗 加工 →去 应力 退火 → 精加工 →表 面热 处理 (高 频淬火+低 温回 火) →矫 直 →磨削 →检 验 75.具 体热 处理 工艺 的制 定与用 材分 析 5.1 35CrMo 热处 理的 技术 要求 材料 预备 热处 理 HBS 最终 热 处理 淬硬 层深 度 HRC 35 CrMo 调制 216~269 高频淬 火+ 低温 回火 3~5mm 53~58 5.2 具体 工 艺与用 材分 析 5.2.1 原始 材料 的组 织与 性能 本次实 验采 用φ 15 (mm )棒材 。 图3 为 4% 的硝 酸酒精 腐蚀 过的 材料 原始 状态 的金相 显微 图。 图 (3). 35CrMo 退 火态 (500x ) 8 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。 其初始 态的 力学 性能 : HRC : 32 30 31 31 31 31 30 31 31 从以上 数据 可以 看出 其力 学性能 均匀 。 5.2.2 调质 工艺 与用 材分 析 5.2.2.1 调 质工 艺参 数的 确定 淬火温 度: 由 于35CrMo 是 亚共析 钢, 所以 淬火 温度 取AC3+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 ≈(1.2 ~ 1.5 )?D , 由于 实验 室一 般取上 限所 以可 得出 淬火 保温时 间大 约 为 25min 。 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 5.2.2.2 组 织性 能的 分析 试样经 淬火 (未 回火 )后 的金相 组织 如图 (4 ).可 以看出 其显 微组 织为 板条 马氏体 。硬 度测 得 在51 ~53HRC 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 500 ~350 ℃ 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 。如 图(5) 可以看 出调 制后 获得 索氏 体晶粒 均匀 细密 ,具 有良 好 9 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。 (4) 35CrMo 淬 火态 (500x ) 图(5) 35CrMo 调制 态(500x ) 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。 10 5.2.3 去应 力退 火工 艺 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。 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。 5.2.4 表面 处理 及用 材分 析 5.2.4.1 表面 热处 理工 艺 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:GP —25A 高频 淬 火炉 淬火温 度:860 ——930 ℃ (普通 淬火 温度+30~200 ℃) 冷却介 质: 水冷 回火温 度:160 ℃ 11 保 温时 间: 1.5 回火介 质: 水 5.2.4.2 组 织性 能分 析 经过高 频淬 火以 后, 表面 得到的 并不 是所 需要 的针 状马氏 体, 而是 粗大 的组 织。 其原因 是高 频淬 火时 加热 时间太 长而 引起 的。 这种 粗大 的 组织 硬度 比细 马氏 体降 低很多 。因 此是 不希 望获 得的组 织, 在加 热时 一定 要严格 控制 温加 热温 度范 围和 加热时 间。 试样 心部 依然 保持原 来的 组织 不变 ,心 部组织 如图 (7) ,为 颗粒 大小 均匀综 合性 能良 好的 回火 索氏体 。 其表层 为针 状马 氏体 ,而 心部则 保存 了原 始的 组织 与性能 。 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 2~3 个 洛氏 硬度单 位, 其抗 疲劳 性能 和耐磨 性都 得到 了显 着的 提高。 本次实 验35CrMo 在 高频 淬 火后表 层硬 度值 达 到 53 ~55HRC 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。 6.结 论 35CrMo 材料有 很高 的静 力强 度、 冲击韧 性及 较高 的疲 劳极 限,淬 透性 较 40Cr 高, 而 且 相比40CrNiMo 又 不含 有贵 重的 Ni 元 素。 高温 下有 高的 蠕变 强 度与持 久强 度, 长期 工作 温度可 达 500 ℃ ;冷 变形 时塑性 中等 ,焊 接性 差。 这 种钢通 常用 作调 质件 ,也 可高中 频表 面淬 火或 淬火 及低、 中温 回火 后使 用, 适用 于在高 负荷 下工 作的 重要 结构件 ,特 别是 受冲 击、 震动、 弯曲 、扭 转负 荷的 机件, 如车轴 、发 动机 传动 机件 、大电 机轴 、汽 轮发 动机 主轴、 轧钢 机人 字齿 轮、 曲轴、 锤杆、 连杆 、 紧固件 以及 石油 工业 的穿 孔器等 。 通过选 用35CrMo 钢 作为 曲 轴的材 料, 并且 通过 合适 的热处 理工 艺, 调质 工 艺可获 得良 好的 综合 机械 性能, 满足 曲轴 的强 度, 循环任 性等 ,但 是表 面的 耐磨 性远远 不够 要求 ,因 此需 要通过 高频 淬火 来增 加其 表面的 硬度 与耐 磨性 。在 淬火 介质的 选择 上, 选用 油淬 ,因为 油冷 较水 冷冷 速小 ,可以 减小 变形 开裂 同时 又减 小了残 余应 力。 加热 保温 时间应 严格 控制 ,避 免在 调质回 火时 保温 时间 过短 所引 起的硬 度过 高, 同时 避免 保温时 间过 长引 起晶 粒粗 大。在 高频 淬火 之后 进行 回火 13 时 ,回 火温 度应 比普 通 淬火的 回火 温度 低, 以避 免表面 淬火 后硬 度的 下降 。 制样时 需要 保持 试样 短 面 的平整 ,以 便于 观察 。 同时在 实验 时应 按照 规章 制度及 操作 流程 来工 作, 以避免 不安 全事 件的 发 生。爱 惜实 验室 仪器 设备. 14 7 . 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;200105 【2 】Fabr1ce 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 进[J]. 起重 运 输机械 2006 年12 期 【4 】 高一 新; 任伟 霞; 李 全安; 高 速大 功率 柴油 机曲轴 的表 面强 化[J]. 热处 理 2004 年04 期 【5 】 胡佳 富; 胡建 立; 浅谈柴 油机 曲轴 的热 处理 工艺及 材料 的选 择[J]. 山东 内燃机 2002 年02 期 【6 】 刘光 华; 张永 秀; 李瑞; 发动 机曲 轴的 强度 、材料 与工 艺[J]. 汽车 工 与 材料 2001 年 09 期 【7 】 王国 佐,王 万智. 钢 的 化学热 处理[M]. 中国 铁道 出版 社 1980. 【8 】 孙秀 敏 ; 陈军 政; 柴油机 曲轴 热处 理工 艺改 进[J]. 金 属热 处理 2001 年04 期 【9 】 朱华 明,刘 勋丰,刘富绪. 发 动机 曲轴 的失 效分 析[J]. 国 外金 属热 处理 , 2002(2):45 ~46 15
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