1、1 汽車發動機曲軸的熱處理工藝設計 摘要分析了曲軸的失效形式，提出對于大功率高速柴油機，選擇合適的材料和適宜的表面強化方法是提高曲軸性能的關鍵。通過對 12缸、四沖程、水冷高速大功率柴油機曲軸材質及調質后各項性能指標的分析，可知通過選用優質合金結構鋼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曲軸性能。關鍵字：發動機；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. 3 2.1 服役條件 . 3 2.2 技術要求 . 4 2.2.1 調質技術要求 . 4 2.2.2 滲氮技術要求 . 4 3.原材料狀態和加工工序. 4 3.1 材料原始狀態 .

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 調質工藝 . 5 4.2 去應力回火工藝. 5 5. 選材用材分析 . 6 6. 結論. 103 1.緒論發動機是汽車的“心臟”，而曲軸是發動機的關鍵部位。現代化的發動機對曲軸毛坯提出了有6拐、呈120分布、帶12個整體平衡塊的要求。在機型改造的過程中，首先遇到的問題就是曲軸強度不足，一般是通過加粗軸頸、 優選材質和表面強化等方法來增大曲軸強度，從而滿足功率提高的要求。加粗軸頸在生產實踐中受到各方面條件的限制，應用范圍較窄， 所以選擇合適的材料和適宜的表面強化方法是解決曲軸強度

3、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節，主軸頸和連桿頸的過渡處更為嚴重。 如果機械加工不當，潤滑保養不好或柴油機運行受力不當，圓角部位的附加應力超過了界限值，就會在此部位產生疲勞源，逐漸擴展形成裂紋，最終發生疲勞斷裂。所以曲軸表面強化處理主要是通過對曲軸圓角的強化來提高曲軸的疲勞強度1。曲軸在發動機中承擔最大負荷和全部功率，承受著強大的、方向不斷變化的彎矩及扭矩，同時經受著長時間高速運轉的磨損，因此要求曲軸材質具有較高的剛性、疲勞強度和良好的耐磨性能。2.曲軸服役條件和性能指標2.1 服役條件曲軸工作過程中，往復的慣性力和離心力使之承受很大的彎曲和扭轉應力，軸頸表面容易

4、磨損。疲勞斷裂是曲軸的主要破壞形式，4 裂紋源多發生在軸頸與曲臂的過渡圓角處。除曲軸的材質、 加工因素外，如果由于工作條件 ( 溫度、環境介質、負荷特性 ) 的變化，特別是曲軸在工作運轉中所受的彎曲應力或扭轉應力超出了損壞界（真實應力 -1, -1），在圓角過渡處的薄弱部位就會出現裂紋而發展為彎曲疲勞斷裂或扭轉疲勞斷裂。2.2 技術要求2.2.1 調質技術要求調質曲軸試樣硬度及機械性能。硬度： 290 330hb 機械性能：b1000mpa s800mpa 12% 45% aku45j（u型缺口）2.2.2 滲氮技術要求表面硬度： 550hv 滲氮層深度：0.25 0.40mm3.原材料狀態和

5、加工工序3.1 材料原始狀態3.1.1 材料選用的材料是 40cr，其化學成份如表 1所示表 1 40cr 鋼化學成分（ %）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質精車主軸頸、連桿軸頸及開檔去應力回火精車、半精磨主軸頸、連桿軸頸及開檔時效半精磨、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

6、質工藝淬火溫度： 830，保溫時間： 10分鐘；淬火介質：油回火溫度： 560，保溫時間： 12h，冷卻介質：水。4.2 去應力回火工藝穩定回火：溫度 540，保溫時間 11.5h ；低溫時效：溫度 250，保溫時間 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，晶粒細小，晶粒度78 級，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大和不均勻性問題，利用正火處理消除鍛造時產生的應力。因為 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

7、械加工和調質處理打下了良好的基礎。實驗表明，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%。同時可使其化學成分均勻、 純潔度高、晶粒細小、組織致密，橫向力學性能顯著改善， 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改善其內部組織，即需要進行預

8、備熱處理，來細化晶粒， 改善組織性能， 根據已學知識， 并且翻閱相關書籍，我選擇使用正火這一熱處理工藝來作為40cr鋼的預備熱處理工藝， 同時根據試樣大?。?10）通過公式計算來確定正火時間為7分鐘，根據40cr的基本性質（ ac3的溫度）確定了正火的溫度為 880，來改善其晶粒大小，使得晶粒細化以便得到更好的切削性能并未淬火做組織準備 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， 而此時的 40cr不滿足要求， 因此要進行更進一步的操作，即進行最終熱處理，

9、通過查閱有關資料，并結合所學知識，我選用調質處理 +表面高溫淬火來作為 40cr鋼的最終熱處理工藝。使用淬火來提高鋼的硬度，根據試樣尺寸，確定淬火時間為10分鐘，溫度為 830，由于 40cr鋼的淬透性比較好，為了避免40cr鋼在淬火時出現淬裂現象， 因此選擇淬火介質油。 淬火后的組織金相如下圖所示9 圖3 通過淬火處理后，淬火組織為馬氏體，具有很高的硬度，不過很脆，所以需要通過高溫回火來提高其韌性，適當的降低其硬度。 此時的40cr鋼的硬度高達 62hrc 。不便于加工。由查表可知為了使淬火m盡可能的轉變為回火 s，加熱時間必須在 1個小時以上， 所以選擇加熱時間為 2個小時，根據所選鋼材

10、40cr鋼的基本性質，并結合所學知識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40cr鋼件的金相組織為回火索氏體，保留了淬火效應， 索氏10 體均勻細密，晶粒細小，具有良好的硬度與韌性。此時的40cr的硬度在32hrc 左右，已經基本符合制作曲軸的要求?？梢酝度肷a中。試驗表明： 馬氏體組織經低溫回火， 具有較高的強度、硬度，但塑性韌性較低；隨回火溫度提高，其強度下降，塑性韌性提高；經高溫回火得到均勻回火索氏體組織，可獲得較高的綜合機械性能， 強度及塑韌性得到最好的配合。6. 結論通過選用 40cr鋼，加上合適的熱處理工藝，即正火調質處理，可以很大限度的提高曲軸強度

11、，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40cr鋼進行熱處理時由于淬透性比較好， 很容易出現淬裂， 所以對選擇淬火介質是要選擇冷速較慢的介質比如空冷、油冷等等。但是若選擇了水冷，則很容易淬裂。做實驗室不小心放入水中冷卻，40cr鋼直接是內部出現裂紋，金相組織顯示晶格紊亂。 所以選擇了油冷來減小曲軸開裂風險。同時采用階梯加熱、 淬火前空氣預冷和嚴格控制淬火冷卻時間的方式，能減小大型曲軸因產品結構各部位尺寸差異產生的應力，降低開裂風險。實驗中，磨取金相時，端面一定要盡量保證平整，不然磨取的金相圖片不清晰， 對研究金相組織有一定的阻礙，像上面的回火態的金相就是由于磨制時沒有保證在同一水平面上，導致端面不平， 使得圖像模糊，所以要注意這一問題。11 參考文獻1 朱華明 , 劉勛豐, 劉富緒. 發動機曲軸的失效分析j.國外金屬熱處理， 2002(2):45 46 2 王國佐 , 王萬智. 鋼的化學熱處理 m. 中國鐵道出版社 1980. 3 劉金武 , 高為國.20cr2ni4a 鋼內花鍵套熱處理畸變分析j.金屬熱處理