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. 汽車發(fā)動機曲軸的熱處理工藝設計 ● 摘要 通過對12缸、四沖程、水冷高速大功率柴油機曲軸材質(zhì)及調(diào)質(zhì)后各項性能指標的分析，可知通過選用優(yōu)質(zhì)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(fā)動機；曲軸；選材；熱處理工藝 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(diào)質(zhì)技術要求 4 2.2.2 滲氮技術要求 4 3.原材料狀態(tài)和加工工序 4 3.1材料原始狀態(tài) 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(diào)質(zhì)工藝 5 4.2 去應力回火工藝 5 5. 選材用材分析 6 6. 結 論 10 1.緒論 發(fā)動機是汽車的“心臟”，而曲軸是發(fā)動機的關鍵部位?，F(xiàn)代化的發(fā)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(yōu)選材質(zhì)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(chǎn)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(huán)節(jié)，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(yǎng)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(chǎn)生疲勞源，逐漸擴展形成裂紋，最終發(fā)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(fā)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(jīng)受著長時間高速運轉的磨損，因此要求曲軸材質(zhì)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，軸頸表面容易磨損。疲勞斷裂是曲軸的主要破壞形式，裂紋源多發(fā)生在軸頸與曲臂的過渡圓角處。除曲軸的材質(zhì)、加工因素外，如果由于工作條件( 溫度、環(huán)境介質(zhì)、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> σ -1, τ -1），在圓角過渡處的薄弱部位就會出現(xiàn)裂紋而發(fā)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(diào)質(zhì)技術要求 調(diào)質(zhì)曲軸試樣硬度及機械性能。 硬度： 290～330HB 機械性能：sb≥1000Mpa ss≥800Mpa d≥12% y≥45% AKu≥45J（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(tài)和加工工序 3.1材料原始狀態(tài) 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（%） 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 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(diào)質(zhì)——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(diào)質(zhì)工藝 淬火溫度：830℃，保溫時間：10分鐘； 淬火介質(zhì)：油 回火溫度：560℃，保溫時間：1～2h，冷卻介質(zhì)：水。 4.2 去應力回火工藝 穩(wěn)定回火：溫度540℃，保溫時間1～1.5h； 低溫時效：溫度250℃，保溫時間1～1.5h。 5. 選材用材分析 曲軸選用φ 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7～8 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(chǎn)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，可以給隨后的機械加工和調(diào)質(zhì)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。 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(nèi)部組織，即需要進行預備熱處理，來細化晶粒，改善組織性能，根據(jù)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(jù)試樣大?。é?0）通過公式計算來確定正火時間為7分鐘，根據(jù)40Cr的基本性質(zhì)（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 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，通過查閱有關資料，并結合所學知識，我選用調(diào)質(zhì)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(jù)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(xiàn)淬裂現(xiàn)象，因此選擇淬火介質(zhì)——油。淬火后的組織金相如下圖所示 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?shù)慕档推溆捕取４藭r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?yōu)榛鼗餝，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(jù)所選鋼材40Cr鋼的基本性質(zhì)，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(jīng)基本符合制作曲軸的要求?？梢酝度肷a(chǎn)中。 試驗表明：馬氏體組織經(jīng)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(jīng)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(diào)質(zhì)處理，可以很大限度的提高曲軸強度，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(xiàn)淬裂，所以對選擇淬火介質(zhì)是要選擇冷速較慢的介質(zhì)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(nèi)部出現(xiàn)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(chǎn)品結構各部位尺寸差異產(chǎn)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(tài)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。 汽車發(fā)動機曲軸的熱 處理工藝設計 指導老師：劉建康 姓名：朱學海 學號：070301129 日期：2010-9-29 精選word范本！