汽车与发动机曲轴的热处理工艺

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19目录1 .引言 32 .曲轴的服役条件与失效形式 32.1 .服役条件 32.2 .失效形式 43 .技术要求与材料的选择 53.1 锻钢曲轴热处理的技术要求 53.2 材料的选择 53.2.1 选材条件 53.2.2 锻钢曲轴材料的要求 53.2.3 备选材料的化学成分与力学性能的对比与分析 53.2.4 材料的确定 64 .加工工序 65 .具体热

2、处理工艺的制定与用材分析 75.1 35crmo 热处理的技术要求 75.2 具体工艺与用材分析 75.2.1 原始材料的组织与性能 75.2.2 调质工艺与用材分析 85.2.2.1 调制工艺参数的确定 85.2.2.2 组织性能分析 85.2.3 去应力退火 105.2.4 表面处理 105.2.4.1 表面热处理工艺 105.2.4.2 组织性能分析 116 .结论 127 .参考文献 14致谢 15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

3、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

4、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。2.2 失效形式疲劳断裂：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。轴颈表面的严重磨损。（如图2）图（2）、磨损的曲轴3 .技术要求与材料的选择3.1锻钢曲轴热处理的技术要求预 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/ mm2.04.5毛坯硬度（hbs）调制207302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14级显微组织细针状m13级气缸直径小于或等于20

5、0mm的往复活塞式内燃机曲轴的热处理技术要求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：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）。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。 钢的淬透性应按gb255进行测定，具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

6、分与力学性能的对比与分析各种适合曲轴材料的化学成分及机械性能（质量分数）钢号主要化学成分cmnsicrnimo450.420.50.50.80,170.3740cr0.370.450.50.80.20.40.81.1040crni0.370.440.50.80.20.40.470.751.01.440crnimoa0.370.440.50.80.20.40.60.91.251.750.150.2535crmo0.370.4o.470.70.20.40.81.100.150.25钢号工bmpaqmpa且%ak(j cm-2)毛坯尺寸mm45900750104560 10040cr10008009

7、45602540crni10008001045702540crnimoa100085012451002535crmo1000850124580253.2.4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）一矫直一清理一检验一粗加工一去应力退火一 精加工一表面热处理（高频淬火+低温回火）一矫直一磨

8、削一检验5 .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hrc35 crmo调制216269高频淬火+低温回火35mm53585.2 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小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。,加ue ,ifijdwjncs*i“心:玷e二x t l/&q，jitjf.图（3）. 35crmo退火态（500x）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

9、 31 31 303131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35crm玛亚共析钢，所以淬火温度取ac3+3350 c ,所以可确 定出材料的淬火温度应为 850c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 c保温时间：1h回火介质：油加热设备：箱式电阻炉rfc)*553*c6cnin泊冷te二比）调制工艺图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

10、 马氏体。硬度测得在5153hrc问，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 500350c时最快，具下比较慢。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 的硬度与韧性，其硬度值在32hrm右，且硬度值分布均匀，符合曲轴的技术要 求。20um图(4) 35c

11、rmo卒火态(500x)50um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。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 造成品间腐蚀破裂。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

12、需要去应力退火来消除之前加工过程中产生的残余应力。去应力退火工艺图进行去应力退火时，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20c）,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：gp25a高频淬火炉淬

13、火温度：860930 c（普通淬火温度+30200c）冷却介质：水冷回火温度：160c保温时间：1.5回火介质：水5.2.4.2 组织性能分析图（6）（7）分别为试样1的金相显微组织图。从图（6）可以看出，试样1 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。图(6)试样1边部过热组织图(7)试样1心部的回火索氏体图(8)试样

14、2表面淬火层与心部的过渡图(9)试样2边界层针状马氏体图(8) (9)是由试样2做的对比实验。图(9)为高频淬火后的表层组织。 组织为细小的针状马氏体。图(8)为表层与心部的过渡区域。由图可以看出， 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 23个洛氏 硬度单位，其抗疲劳性能和耐磨性都得到了显著的提高。本次实验

15、35crmo在高频淬火后表层硬度值达到53-55hrd问，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 160c,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、

16、 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35crm钏作为曲轴的材料，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时，回火温度应比普通淬火的回火温度低，

17、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.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致谢首先 ， 感谢西安