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汽车发动机曲轴的热处理工艺设计.doc

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汽车发动机 曲轴 热处理 工艺 设计
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1 汽 车 发 动 机曲 轴 的 热 处理 工 艺 设 计 ● 摘要 · 分析了曲轴 的失 效形式 , 提出 对于 大功率高 速柴油 机 , 选择 合适的 材料和适 宜的表 面 强化方法 是提高 曲 轴性能的 关键。 通 过对12 缸、 四 冲程、水 冷高速 大 功率柴油 机曲轴 材 质及调质 后各项 性 能指标的 分 析, 可知 通过选 用 优质合金 结构钢40Cr , 加 合适的 热处理 工艺, 可 以 最大限度 地提高 高 速大功率 柴油机 曲 轴性能。 ·关键字 :发动 机 ;曲轴; 选材; 热 处理工艺 2 目录 1. 绪论 ................................................................................................. 3 2. 曲轴服役条件和性能指标 ............................................................. 3 2.1 服役条件 ............................................................................. 3 2.2 技术要求 ........................................................................... 4 2.2.1 调质技术要求 ............................................................... 4 2.2.2 渗氮技术要求 ............................................................. 4 3. 原材料状态和加工工序 ................................................................. 4 3.1 材料原始状态 ........................................................................ 4 3.1.1 材料 ................................................................................ 4 3.1.2 锻造工艺 ..................................................................... 5 3.2 加工工序 ........................................................................... 5 4. 热处理工艺 ..................................................................................... 5 4.1 调质工艺 ............................................................................. 5 4.2 去应力回火 工艺 ............................................................... 5 5. 选材用材分析 ............................................................................... 6 6. 结 论 ....................................................................................... 10 3 1.绪论 发动机是 汽车的 “ 心脏” , 而 曲轴是 发动机的 关键部 位 。 现代化的 发 动机对曲 轴毛坯 提 出了有6 拐、 呈120 ° 分布、 带12 个整 体平衡块 的要 求。 在机 型改造 的 过程中, 首先遇 到 的问题就 是曲轴 强 度不足, 一般 是通过加 粗轴颈、 优选材质 和表面 强 化等方法 来增大 曲 轴强度, 从 而 满足功率 提高的 要 求。加粗 轴颈在 生 产实践中 受到各 方 面条件的 限 制, 应用范 围较窄, 所以选择 合适的 材 料和适宜 的表面 强 化方法是 解 决曲轴强 度的主 要 途径。 曲轴 在工作 中承受交 变载荷, 圆角过渡 处属 于薄弱环 节, 主轴 颈 和连杆颈 的过渡 处 更为严重。 如果机 械 加工不当 , 润滑保养 不好或 柴 油机运行 受力不 当, 圆角部位 的附加 应 力超过了 界 限值, 就 会在此 部 位产生疲 劳源, 逐 渐扩展形 成裂纹 , 最终发生 疲劳 断裂。 所 以曲轴 表面 强化处理 主要是 通 过对曲轴 圆角的 强 化来提高 曲 轴的疲劳 强度 [1] 。 。曲轴在发 动机中 承 担最大负 荷和全 部 功率,承 受 着强大的、 方向不 断变化的 弯矩及 扭 矩, 同时经 受着长 时间高速 运转 的磨损, 因 此要求 曲轴材质 具有较 高 的刚性、 疲 劳强度 和良好的 耐磨 性能 。 2.曲轴服役条件和性能指标 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 和扭转应 力,轴 颈 表面容易 磨损。 疲 劳断裂是 曲轴的 主 要破坏形 式, 4 裂纹源多 发生在 轴 颈与曲臂 的过渡 圆 角处。 除曲 轴的材 质、 加工因 素 外, 如果由 于工作 条件( 温 度、 环境 介质、 负荷 特性) 的变化, 特 别 是曲轴在 工作 运 转 中所受的 弯曲应 力 或扭转应 力超出 了 损坏界 ( 真实 应力> σ -1, τ -1 ) , 在圆角 过渡处 的薄弱部 位就会 出 现裂纹而 发 展为弯曲 疲劳断 裂 或扭转疲 劳断裂 。 2.2 技术要求 2.2.1 调 质 技 术 要求 调 质 曲 轴 试 样 硬度 及 机 械 性 能 。 硬度 : 290 ~330HB 机械 性能: ?b ≥1000Mpa ?s ≥800Mpa ? ≥12% ? ≥45% AKu ≥45J (u 型缺口 ) 2.2.2 渗氮技术 要求 表面 硬度: ≥550HV 渗 氮层 深度 :0.25 ~0.40mm3.原材料 状态 和 加工工 序 3.1 材 料 原 始 状 态 3.1.1 材料 选用的材 料是40Cr ,其化学 成份如 表1 所示 表 1 40Cr 钢化学 成分(% ) 5 C Si Mn Cr S P Ni Cu 0.37~0.45 0.17~0.37 0.50~0.80 0.80 ~1.10 ≤0.030 ≤0.030 ≤0.25 ≤0.030 3.1.2 锻 造工艺 分段加热 , 弯 曲镦 锻成型 。 锻后 正火 : 880 ℃ , 高 温回火 :650 ℃。 3.2 加工工序 弯曲镦锻 ——正火 ——高温 回火—— 粗车主轴 颈、 连杆轴 颈及外 圆端面—— 调质 —— 精车主 轴颈、 连杆 轴颈及开 档 —— 去 应力回火 — — 精车、 半精磨 主 轴颈、 连 杆轴颈 及 开档 —— 时效——半精磨、 精磨 主轴颈、 连杆轴 颈 及钻铰直 油孔、 斜 油孔渗氮 抛光。 4.热处理工艺 4.1 调质工艺 淬 火温度 :830 ℃,保温 时间:10分钟; 淬 火介质 :油 回 火温度 :560 ℃,保温 时间:1 ~2h ,冷却 介质: 水 。 4.2 去应力回火工艺 稳定回火 :温度540 ℃,保温 时间1 ~1.5h ; 低温时效 :温度250 ℃,保温 时间1 ~1.5h 。 6 5. 选材用材分析 曲轴选用 φ 10 棒 材, 选取端 面较为 平整的一 面观察 其 金相组织,显 微组织为 粒状珠 光 体加少量 铁素体, 组 织均匀, 晶粒 细小, 晶粒度7 ~ 8 级,如 图所示 。40Cr 材料 锻造成 型 为曲轴毛 坯后, 为 克服因锻 造 加热引起 晶粒长 大 和不均匀 性问题 , 利 用正火处 理消除 锻 造时产生 的 应力。因 为40Cr 材 料属于珠 光体- 马 氏体类钢 ,正火 后 再高温回 火 软化处理, 可以给 随后的机 械加工 和 调质处理 打下了 良 好的基础。 实 验表明, 电 渣重熔 钢能使非 金属夹 杂 物和有害 元素含 量 大大降低, 尤 其是P 、 S 有害 元素 由电炉钢 的0.03% 和0.03% , 分别 降低 至0.005% 和 0.002% 。 同时 可使 其化学成 分均匀 、 纯洁度高 、 晶 粒细 小、 组 织致密 , 横向力学 性能显 着 改善, 基 本上消 除了 横向性能 大大低 于 纵向性能 的 弊端, 使 各方向 性 能基本一 致, 避 免 早期横向 断裂。 由 上可知电 渣重 熔钢力学 性能明 显 高于电炉 钢。 7 图1 如上图所 示为40Cr 钢的原始 组织金 相, 可看出显 微组织 不 是很均 匀, 并且晶粒 较为 粗大, 此时 的40Cr 钢的综合 性能完 全 不适合制 作曲 轴, 需要通 过一定 的热处理 来改善 其 内部组织, 即需要 进行预备 热处 理, 来 细化晶 粒, 改 善组织性 能, 根据 已学知识 , 并 且翻 阅相关书 籍, 我选择使 用正火 这 一热处理 工艺来 作 为40Cr 钢 的预备 热 处理工艺 , 同 时 根据试 样大小 ( φ10 ) 通 过公式 计 算来 确定 正火时 间 为7 分 钟, 根 据40Cr 的 基本性 质 (Ac3 的温度 ) 确定 了正火的 温度为880 ℃ , 来改善 其晶粒大 小, 使得 晶 粒细化 以 便得到 更 好的切削 性能并 未 淬火做组 织 准备 正火后 的组织 金相如下 图所示 8 图2 正火后 组织 变成 了 片状P 和片状 渗碳体 , 此时的 钢的切 削性 能较 好,硬度 较低, 便 于 切削加 工。硬度在28HRC 左右 ,由于 作为曲轴 要 有一定的 硬度与 耐 磨性, 而此 时的40Cr 不满 足要求, 因此 要进行更 进 一步的操 作, 即 进 行最终热 处理, 通 过查阅有 关资料 , 并结合所 学知 识, 我 选 用调质 处理+ 表面 高温淬 火 来作 为40Cr 钢 的最终 热 处理工艺 。 使用淬火 来提高 钢 的硬度, 根据试 样 尺寸,确 定淬火 时 间为10 分 钟, 温度为830 ℃ ,由于40Cr 钢的 淬透性 比 较好, 为 了避免40Cr 钢在 淬火 时出现淬 裂现象, 因此选择 淬火介 质 —— 油。 淬 火后的 组织金相 如下 图所示 9 图3 通过 淬火 处理后 , 淬火 组织 为马氏 体 ,具有很 高的 硬 度 ,不过 很 脆, 所以 需要通 过 高温回火 来提高 其 韧性, 适 当的降 低 其硬度。 此时 的40Cr 钢 的硬度 高 达62HRC 。不 便于加 工。由查 表可知 为 了使淬火M 尽可能的 转变为 回 火S , 加 热时间 必须 在1 个 小时以 上, 所 以选择加 热 时间为2 个小 时, 根 据所选钢 材40Cr 钢 的基本性 质,并 结 合所学知 识 选择 回火 所需温度 为560 ℃。高 温回火 后的组织 金相图 如 下所示: 图4 此时40Cr 钢件的 金 相组织为 回火索 氏 体, 保留了 淬火效 应, 索氏 10 体均匀细 密, 晶 粒 细小, 具 有良好 的 硬度与韧 性。 此 时 的40Cr 的 硬度 在32HRC 左右 , 已经 基本符合 制作曲 轴 的要求。 可以投 入 生产中。 试验表明: 马氏体 组织经低 温回火, 具有较高 的强度、 硬度, 但 塑性韧性 较低; 随 回火温度 提高, 其 强度下降, 塑性韧 性提高; 经 高 温回火得 到均匀 回 火索氏体 组织, 可 获得较高 的综合 机 械性能, 强 度 及塑韧性 得到最 好 的配合。 6. 结 论 通过选用40Cr 钢 , 加上合适 的热处 理 工艺,即 正火 —— 调质 处理 , 可以很大 限度的 提 高曲轴强 度, 并且 通过高频 表面淬 火 工艺, 可以 很 好的提高 曲轴的 表 面硬度以 及表面 耐 磨性。 在对40Cr 钢进 行热处理 时 由于淬透 性比较 好 , 很容易出 现淬裂, 所以对选 择淬火 介 质是要选 择 冷速较慢 的介质 比 如空冷、 油冷等 等 。 但是若 选择了 水 冷, 则很 容易 淬裂。做 实验室 不 小心放入 水中冷 却 ,40Cr 钢 直接是 内 部出现裂 纹, 金相组织 显示晶 格 紊乱。 所以 选择了 油冷来 减 小曲轴 开 裂风险。 同时 采用阶梯 加热、 淬 火前空气 预冷和 严 格控制淬 火冷却 时 间的方式, 能 减小大型 曲轴因 产 品结构各 部位尺 寸 差异产生 的应力 , 降低开裂 风 险 。 实验中 , 磨取 金 相时, 端 面一定要尽 量 保 证平 整 , 不然 磨 取 的金 相图片 不 清晰, 对 研究金相 组织有 一 定的阻碍, 像上面 的回火态 的金 相就是由 于磨制 时 没有保证 在同一 水 平面上, 导 致端面 不平, 使得 图 像模糊, 所以要 注 意这一问 题。 11 汽车发动机曲轴的热 处理工艺设计 指导老师:刘建康 姓名:朱学海 学号:070301129 日期:2010-9-29
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