汽车发动机曲轴的热处理工艺设计.docx
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汽车发动机曲轴的热处理工艺设计
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
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
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，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≥1000Mpas≥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140Cr钢化学成分（%）
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。
5.选材用材分析
曲轴选用φ10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，横向力学性能显著改善，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。
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
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
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。
参考文献
[1]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
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45～46
[2]王国佐,王万智.钢的化学热处理[M].中国铁道出版社1980.
[3]刘金武,高为国.20Cr2Ni4A钢内花键套热处理畸变分析[J].金属热处理.2004（7）:
75～77
[4]陆卫东.有限元计算在曲轴气体渗氮变形控制中的应用[J].柴油机2001（4）:
37～38.48
[5]姚新，顾剑锋，李永军，潘健生.支撑方式对曲轴渗氮过程畸变影响的有限元分析[J].上海交通大学学报，
2003,37
（2）:
194～197
[6]陆卫东.影响大功率柴油机曲轴气体渗氮变形的因素[J]
柴油机，2002
（2）:
40～42
曲轴是引擎的主要旋转机件，装上连杆后，可承接连杆的上下（往复）运动变成循环（旋转）运动。
是发动机上的一个重要的机件，其材料是由碳素结构钢或球墨铸铁制成的。
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。
在曲轴工作的过程中，往复的惯性力和离心力使之承受很大的弯--扭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。
曲轴的主要失效形式有
（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，随后向曲柄深发展，造成曲柄的断裂其次是曲柄中部的油壁产生裂纹，发展为曲柄处的断裂。
（2）轴颈表面的严重磨损。
因此曲轴的选材十分重要，既需要满足曲轴的力学性能，也需要考虑强度和耐磨性。
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，最终可以选择40Cr作为汽车发动机的材料。
所以曲轴的大致加工路线是，锻造→正火→机械加工→去应力退火→调质处理→表面热处理（高频淬火+低温回火），其中预备热处理为正火，然后可能有必要进行去应力退火，最终热处理为调质处理和表面热处理的高频淬火和低温回火。
40Cr的显微组织不均匀，且晶粒粗大，需要进行预备热处理来细化晶粒和改善其内部组织。
翻阅书籍后我决定采用正火的方法来作为预备热处理。
正火温度为Ac3或Acm以上40到60℃，故取正火温度为880℃，来改善晶粒大小，使晶粒细化，可以获得更好的切削加工性能，并为后续热处理工艺打好基础。
正火后组织变成了片状和片状渗碳体，此时的钢的切削性能较好，硬度较低，便于切削加工。
在进行粗加工后组织内部可能会产生一些残余应力，影响后续热处理工艺，于是需要用去应力退火来消除组织应力。
一般去应力退火加热温度低于回火温度，故取540℃，再保温2小时，以防止产生新的残余应力。
完成上述工序后40Cr的性能任未满足曲轴的要求，需要进行更进一步的操作，即最终热处理，在这里选择的是调质处理以及表面高频淬火。
对于调质处理，40Cr是亚共析钢，淬火温度为Ac3+30到50℃，所以取淬火温度为830℃，而40Cr淬透性较好，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，保温10分钟。
淬透之后采用高温回火，加热温度在560℃左右，保温两个小时空冷。
实现淬火的必要条件是加热温度必须高于临界点温度以上，以获得奥氏体组织，其冷却速度必须大于临界冷却速度，而淬火得到的组织是马氏体或下贝氏体。
对40Cr进行淬火前，其组织状态为珠光体，而淬火后组织为马氏体。
马氏体具有很高的硬度，但很脆，所以需要高温回火来提高韧性适当降低硬度。
回火后40Cr的组织为回火索氏体，保留了淬火效应，索氏体均匀细密，晶粒细小，具有良好的硬度与韧性。
但是曲轴的表面要求有良好的耐磨性，调质态的硬度远远不够，因此需要进行表面热处理即高频淬火与低温回火来增加表面硬度及其耐磨性。
通过表面热处理可以再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。
对于40Cr曲轴的表面热处理采用高频淬火＋低温回火，利用高频淬火炉进行淬火，淬火温度在860摄氏度（普通淬火温度＋30~200℃），油冷。
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。
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。
得到颗粒大小均匀，综合性能良好的回火索氏体，其表层为针状马氏体，而心部则保持了原始的组织与性能。
此时40Cr的材料性能已经基本符合制作曲轴的要求.可以投入生产中了。
这次曲轴的热处理设计通过选用40Cr钢，加上合适的热处理工艺，即正火→调质处理，获得良好的综合机械性能，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。
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。
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