材料技术与发动机课件

材料技术与发动机工材中心材料室2009-02-261前言2固态材料

2.1机械工程（固态）材料分类、应用与发展2.2钢铁产品是机械工程材料的主要来源2.3金属零件常用毛坯的五大来源2.4金属材料的性能3柴油机零件设计对材料及其热处理工艺选择的考虑4柴油机零件的选材与热处理工艺

4.1柴油机常用材料构成4.2典型零件

机体曲轴凸轮轴连杆挺柱三对偶件齿轮弹簧紧固件冲压件气门轴瓦有色金属材料科学与发动机工材中心2009年02月1前言

19世纪末，德国人NicolausAugustOtto发明了奥拓热力循环，奠定了汽油机的发展基础。1892年，RudolfDiesel在他的第一个专利中，写下了对柴油机的设想；1893年，他的第二个专利被认定为新发动机发明的基本专利申请；历尽坎坷，1897年2月17日，奥格斯堡机械厂制造出的世界上第一台柴油机，在MAN公司的试验台上进行了验收，DIESEL诞生了。百余年过去了，柴油机无论是机型、功率，还是功用得到到了空前的扩展，成为现代工业文明的重要标志之一。在1986年初《伦敦新闻画报》发起的编制现代世界奇迹名单的活动中，内燃机入选“现代七大奇迹”。一台柴油机所用材料涉及钢、铸铁、有色金属及其合金、橡胶、塑料等。

以动力机械为例：20世纪初，蒸汽机的工作温度200℃左右；40年代，活塞式航空发动机工作温度500℃左右；当代，高速柴油机工作温度约700℃；现代，喷气式发动机工作温度高达1200℃左右。以金属切削刀具为例：19世纪末的合金钢车刀、铣刀，切削速度～10m/min；20世纪初的高速钢车刀、铣刀切削速度～20m/min；20世纪40年代的硬质合金刀具切削速度60～70m/min；近代的立方氮化硼刀具切削速度～500m/min；可见刀具材料的进步极大地提高了切削加工的效率。2.2钢铁产品是机械工程材料的主要来源特点说明产量巨大1949年新中国成立前，我国年产粗钢15.8万吨，可供加工的钢材仅12.3万吨经过几十年的发展，从1996年起，我国钢产量连年超1亿吨，跃居世界钢产量第一2006年，我国年产粗钢4.227亿吨，排名世界前五位的日美俄韩四国的总产量不足我国的八成目前我国钢产品已纳标的有16大类400余个钢种，新钢种不断涌现性能良好钢铁材料可以满足多种工艺性能、机械性能、使用性能的要求，用途广泛成本低廉钢铁材料的原料丰富，价格相对较低碳钢的分类（按化学成分wt%）合金钢的分类（按化学成分wt%）低碳钢C≤0.25中碳钢C0.25～0.60高碳钢C≥0.60低合金钢合金含量≤5中合金钢合金含量5～10高合金钢合金含量＞10钢材的分类方法较多，除上述按化学成分的分类外，我国结合用途对钢材常作如下分类特殊钢：优质碳素结构钢、碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢、弹簧钢、轴承钢、高速工具钢、不锈钢、耐热钢，等等普通钢：普通碳素结构钢，如柴油机上常用的Q235等。2.3金属零件常用毛坯的五大来源毛坯类型说明型材冶金工厂的产品，有各种截面形状和规格。例如，棒材、工字钢、角钢、槽钢、管材铸造毛坯用各种铸造法获得的零件毛坯，如潮模铸造、金属型铸造、熔模铸造、离心铸造，等锻造毛坯通过锻压、冲压、挤压等方法，获得的零件毛坯焊接毛坯将多种预下料、粗加工的金属件，用焊接的方法组成所需的毛坯粉末冶金通过粉末冶金的方法：金属粉末+粘结剂—型腔压制—烧结，制成毛坯2.4金属材料的性能性能指标使用性能物理性能比重、比热、熔点、电导率、热导率、磁导率、热膨胀系数，等等化学性能抗氧化性、耐腐蚀性，等力学性能弹性模量、拉伸强度、压缩强度、扭转强度、弯曲强度、疲劳强度、耐磨性，等；常规的室温拉伸试验指标包括，Rm、Rp0.2、A、Z、Aku、HB、HRC工艺性能材料被制造加工的可能性，金属材料的工艺性能包括：铸造工艺性能压力加工性能，如锻压、挤压、冲压、轧制、拉拔等切削加工性能：如车、铣、刨、磨、镗、钻、拉、铰、锯，等热处理工艺性能：淬透性、淬硬性、过热过烧敏感性、回火脆性，等焊接性能：特种加工性能：电火花、电解、喷涂加工、电镀、气相沉积，等零件材料表现出的力学性能主要是通过热处理实现的，其它工艺主要实现零件的结构与尺寸问题。零件制造过程通常为：毛坯---预热处理---机加工---热处理---成品3.柴油机零件设计对材料及其热处理工艺选择的考虑一个成功的零件设计，必定集合理的选材、合理的结构、合理的工艺于一体，实现“设计正确、材料得当、工艺流畅”。合理的选材可靠性原则所选材料能够充分满足零件在工况条件下的各种性能要求，使之运转精确、安全可靠、到达和超过预期使用寿命。工艺性原则充分考虑所选材料的可加工性，如铸造性能、锻造性能、热处理性能、焊接性能、以及各种相关的机加工性能等。经济性原则从设计的角度，产品性能求其优，材料来源求其广，材料价格求其廉，这些矛盾须认真平衡合理的结构设计便于铸造、锻造、热处理、机械加工使制造过程效率高、废品率低、成本低零件工作过程中结构、性能稳定、可靠合理的工艺设计工艺编排合理与否，将影响制造过程是否可行、加工质量、效率、成本等创新点创新原因改锻为铸，以铁代钢缺乏大型锻造设备，曲轴毛坯无法锻造改整体铸造为单拐铸造整体球铁曲轴铸造技术不成熟连杆率先应用锻造余热淬火工艺降本增效，推动热处理工艺技术进步135G柴油机的材料构成材料类别钢件铸铁件铝合金件铜合金件其他材料合计重量Kg2309006.8821.781.41160占整机比例19.8%77.6%0.6%1.9%0.1%100再以114柴油机为例，随着技术的进步，与6135柴油机大量采用铸铁件，钢件比例低，单机重量大相比，D6114柴油机单机重量640Kg左右，选用钢件比例大；在功率相当的情况下，后者重量仅约为前者的55%！4.2典型零件4.2.1机体机体是柴油机的骨架、各种零部件安装的载体。其工作特点要求具有较高的强度和刚度。常用材料应用举例成型工艺HT250灰铸铁上柴的114、135、121CAT3300B柴油机机体为Rm≥207MPa灰铸铁CumminsC系列柴油机Rm172～221MPa的灰铸铁铸造铸造铝合金某柴油机厂的12V180，用于快艇铸造低碳钢钢板大功率低速船用柴油机机体焊接案例1：1997年05月，两台AVL-D6114在试车考核过程中，机体开裂。该机体采用HT250铸造。4.2.2曲轴曲轴承担着柴油机功率输出的重任，在高速运转过程中承受多种应力作用，须具备良好的抗弯曲疲劳性能。制造曲轴的材料包括两大类：常用材料热处理工艺和性能应用举例钢质45、35CrMo、42CrMo、40Cr等高级优质结构钢整体模锻，调质处理后获得良好的综合机械性能；非调质，如48MnV、38MnSiV等材料经过控温锻造、控温冷却，可与调质钢相当甚至更优广泛应用于各种柴油机，如114、121等，需要大吨位压力机或锤锻设备。球墨铸铁经过正火，具有不亚于中碳结构钢的抗拉强度，且耐磨性与减震性好，缺口敏感性优于锻钢，且成本仅为锻钢的50～70%。欧洲球铁曲轴占产量的80%以上，日本占40%，东风16V240ZJD柴油机（功率2940Kw）135、G128、114提高曲轴抗弯曲疲劳强度的表面强化方法：（1）在（钢轴）调质或（球铁轴）正火后，复合氮化处理，可以提高疲劳强度30～40%；（2）复合圆角淬火或滚压强化，可以提高疲劳强度50-70%。实验表明，QT700-2的EQ6102-1柴油机曲轴经过圆角滚压强化后，弯取疲劳强度比强化前提高154%，比锻钢曲轴提高70%。曲轴案例1：发动机与整车离合器配套不当的批量断裂失效事件

左图：主轴颈推力轴瓦与一侧轴肩非正常磨损，形成裂纹，并以此为断裂源，致使曲轴疲劳断裂右图：推力轴瓦对应一侧的翻边磨损殆尽。柴油机在试车时发现飞轮端渗油冒泡，打开后发现，主轴心部已经劈裂，且断面呈木纹状）曲轴案例2+：钢材锻造比低致使曲轴早期断裂曲轴案例3：

D6114ZLQ10B柴油机，配洛阳福塞特车，运行9984km后断裂。

锻造时曲柄臂出现凹陷，用低碳钢焊条进行补焊。曲轴案例4：

曲轴油孔加工缺陷致使曲轴断裂发动机运行约6万km后于Ⅰ连2曲柄臂处断裂，断口与轴向呈45°，疲劳源位于淬火硬化层之下的次表层，形成于油孔内壁。内壁粗糙，加工痕迹过深引起应力集中

曲轴案例6：

湖南益阳某客户的欧曼卡车，配6C260发动机，运行约12100km曲轴(SAE1548)断裂

主轴肩与曲柄臂呈折线过渡处，且该处恰好为淬火与非淬火分界曲轴案例7：

轴颈圆角处感应淬火不当，有效硬化层深度为零！凸轮轴案例2：50Mn材料；件号D09-101-30d（Mn）、6C280配欧曼重卡、寿命1天。（1）凸轮轴轴颈表面存在锻造折叠，形成疲劳源。（2）正火不良，基体强度不足。凸轮轴案例3：50Mn材料；件号D09-101-30e断裂原因（1）基体正火强度不足，仅为360MPa；（2）轴颈车削刀痕严重，形成疲劳源。4.2.4连杆连杆是将活塞直线运动转变为曲轴旋转运动的关键零件，它要求具备合理的结构形状与尺寸，杆身须具有足够的抗拉抗压强度与刚度等综合的力学性能；此外，对连杆的流线有严格要求，即流线方向与连杆外形基本一致，无回流、中断，或边缘大于45°的纤维开口。常用材料热处理工艺应用举例优质合金结构钢模锻制坯，调质处理；如1E688、45、40Cr、35CrMo、42CrMo等121、9DF模锻制坯，锻造余热淬火+高温回火；如40Cr、35CrMo、42CrMo等114、135、128非调质钢模锻制坯，锻后控制冷却；如40MnV等高碳钢模锻制坯，控制锻后冷却；如C70S9DF胀断式连杆连杆表面需要经过抛丸处理，以提高其疲劳强度连杆案例1：机号A106000728的6135K-9b柴油机配套装载机，服役约4个月，连杆断裂，导致活塞、机体等打坏。原因：连杆杆身锻造折叠。连杆案例2：因连杆轴瓦失效导致连杆失效。4.2.5挺柱挺柱与凸轮的接触方式对这一对摩擦副的工况及寿命影响很大。理论上讲，挺柱与凸轮呈线接触；实际上，由于材料的变形因素，实为矩形接触。另外，由于加工与装配的误差和零件变形，还可能出现点接触、锥形接触、椭圆形接触等多种形式。人们在改善这对摩擦副性能方面做了大量工作，包括作为新技术革命典型例证之一的“陶瓷发动机”也与挺柱有关，即在挺柱底平面钎焊一层薄韧性陶瓷板。如：日本一家公司在氮气氛中钎焊一层烧结氮化硅（GPSSN），与超硬合金挺柱进行性能对比；在挺柱间隙为零、油膜易中断条件下，陶瓷挺柱加载为实机的120%未见异常，而超硬合金挺柱加载为实机的70%，即发生激烈的擦伤。日本从1993年起开始大量在中型卡车的发动机上应用这一新技术。

材料热处理工艺应用举例结构钢模锻制坯，淬火低温回火；如50Mn2、X210CrW12老的135，114合金铸铁铸造制坯，底平面铸造冷却时形成一层白口层135、121陶瓷模锻制坯，在氮气中钎焊一薄层韧性陶瓷（氮化硅）4.2.6三对偶件燃油喷射泵有“柴油机心脏”之称，三对偶件（柱塞与柱塞套、出油阀与阀座、针阀与针阀体）起着泵油和高压喷射的作用，工作过程中，将可能产生下述的磨损：磨损类型原因机械磨损精密偶件之间间隙极小，细小的杂质颗粒随燃料进入精密偶件的配合表面之间，可形成机械磨损腐蚀磨损燃料中含有微量酸性物质及水分，与金属表面产生化学作用，腐蚀偶件液力磨损偶件承受燃油反复的高压作用，在偶件控制燃油通-断的关键部位，容易产生磨损针对上述情况，三对偶件采用的材料和工艺，须满足耐磨损、耐腐蚀、变形小、显微组织稳定等要求。柱塞与柱塞套通常采用GCr15和CrWMn等钢淬火处理，62-65HRC出油阀与阀座可用GCr15和CrWMn钢制造，也常用18CrNiWA渗碳或氮碳共渗并淬火处理，表面硬度≥58HRC针阀与针阀体该对偶件除了要具备耐磨损耐腐蚀性能外，由于喷嘴直接与高温燃气接触，所以还要求具有一定的耐热性能和较高的抗回火稳定性，如在250℃回火，硬度保持在62HRC以上。针阀一般采用高速钢（W18Cr4V、W9Cr4V、W6Mo5Cr4V2等）或GCr15制造。针阀体常用GCr15或18CrNiW渗碳或碳氮共渗，并淬火处理三对偶件淬火处理后，通常需要进行冷处理，最大限度减少显微组织中的残余奥氏体数量，提高偶件的硬度和组织的稳定性4.2.7齿轮类零件齿轮类零件是柴油机的重要组成部分，轮系承担传递运动的任务，需要具备足够的齿面硬度、耐磨性、抗接触疲劳性能，轮齿抗弯曲疲劳性能。齿轮类型常用材料与热处理工艺轻载荷球墨铸铁铁，正火；中碳圆钢机加工成型，整体调质处理或轮齿感应淬火重载荷球墨铸铁，等温淬火；低合金结构钢（如20CrMo、20Cr、20CrMnTi等）+渗碳或碳氮共渗+整体淬火或轮齿感应淬火齿轮案例1：疲劳断裂轮齿似一悬臂梁，在载荷的反复作用下，齿根产生循环变化的弯曲应力，当该处的应力超过其疲劳极限时，即形成疲劳裂纹并逐步扩展，最终造成疲劳断裂。造成轮齿疲劳断裂的原因主要有：（1）齿根过渡圆角过小；（2）齿根处粗糙度过高；（3）加工轮齿时，在齿根处形成有害刀痕或拉伤；（4）热处理裂纹；（5）轮齿心部硬度或齿根部硬度过低；（6）安装不当，齿轮啮合处接触长度不足，导致齿轮有效承载区域减小等。齿轮案例2：疲劳磨损当两齿轮面作滚动或滚动+滑动摩擦时，在交变接触应力长期作用下，齿面材料因疲劳损伤导致局部区域产生小片或小块状金属剥落现象。齿轮疲劳磨损的宏观特征：节圆线附近的齿面出现许多针孔状或豆状凹坑，有的凹坑较深，呈贝壳状，存在疲劳裂纹发展纹理。疲劳磨损的根本原因是齿面最大接触应力大于材料的接触疲劳极限，随着载荷的多次重复，轮齿表层产生微裂纹并扩展，最终扩张至齿面形成剥落块。提高柴油机齿轮的抗疲劳磨损性能的手段可分为两种：1）改善内部影响因素(1)生产上尽量减少齿轮钢材中的非金属夹杂物，特别是氧化物类和硅酸盐类，有条件情况下，应采用电渣重熔、真空冶炼等工艺；(2)严格控制齿轮的热处理组织状态，如马氏体级别、残余奥氏体数量、脱碳层深度、表面硬度和心部硬度、表面有效硬化层深度以及残余应力等。2）优化外部环境(1)提高齿面的光洁程度与齿轮啮合的接触精度；(2)合理设计齿轮间的硬度匹配；(3)适当使用粘度大的润滑油，减轻润滑油向齿面微裂纹中的渗入，从而减缓裂纹的扩展；(4)避免过载等。齿轮案例3：腐蚀磨损若齿面之间或者齿面与环境介质发生化学反应形成腐蚀产物，并在齿面的啮合过程中剥离，则这种腐蚀产物的形成和剥离作用会使齿面产生了腐蚀磨损。此类磨损常与粘着磨损、磨粒磨损共存，所以又称腐蚀机械磨损。由于柴油机齿轮工作环境较为封闭，并且覆有油膜，故齿轮失效事故中鲜见腐蚀磨损。此类事故原因一般有：润滑油质量低劣、用户使用维护不规范，或者工作环境特殊等。齿轮案例4：磨粒磨损啮合齿面之间存在硬质粒子而产生。主要发生于开式传动齿轮，闭式传动齿轮由于密封和润滑条件较好，通常不会发生磨粒磨损，但同样应该注意润滑油的清洁和更换，特别是新齿轮跑合后，若未予清洗，则跑合过程中产生的金属屑污染润滑油，也可能造成磨粒磨损。齿轮案例5：粘着磨损齿面金属在一定压力下直接接触发生粘着，同时随着齿面的相对运动，较软轮齿的表面金属被较硬齿面撕落，在齿面滑动方向上形成沟纹。主要原因：润滑不足，润滑油温过高，擦副表面无氧化膜，过载等。措施：优化润滑方式；限制润滑油温；使用抗胶合添加剂的合成润滑油；适当的跑合，增大齿面的实际接触面积、使齿面产生加工硬化，并且在齿面形成牢固的氧化膜，这些均可提高齿轮的抗粘着磨损能力；加强维护和保养，避免过载。4.2.8弹性零件柴油机的弹性零件甚多，零件虽小，一旦失效，后果很严重，如气门弹簧、燃油喷射泵弹簧、调速弹簧、喷油器调压弹簧。柴油机上的弹性类零件常用材料主要包括：片簧、板簧多采用退火态的65Mn等钢带或薄板冲制而成，经过整体淬火后，再进行定性回火螺旋弹簧用弹簧钢丝盘绕而成，典型的材料包括，含碳量较高的琴钢丝、50CrVA、55SiMnVB、55SiMnMoV、60Si2Mn等。钢丝的热处理状态包括淬火态和退火态，前者盘绕成弹簧后只需低温去应力处理；后者则需要重新进行热处理弹性案例：柱塞弹簧在盘制过程中断裂。原因：钢丝表面质量状况差，存在折叠。4.2.9紧固件紧固件是柴油机使用广泛的零件。柴油机上的专用紧固件，如连杆螺栓、气缸盖螺钉、主轴承盖螺钉等，常在（近）屈服区工作，螺栓的尺寸精度、力学性能、表面处理的要求是相当严格的。强度等级3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9（小数点后面的数字表示屈服强度与抗拉强度的比值，简称屈强比）对应等级的由低到高，常用材料Q235、20、35、45、35CrMo、40Cr、30CrMnSi等6.8级以下的紧固件一般不需要进行淬火回火处理8.8级及以上的高强度紧固件需要淬火回火处理4.2.10冲压类零件柴油机上有些零件经薄钢板冲压而成，如气缸盖罩壳、油底壳、曲轴箱门板等。冲压件质轻、且有一定结构强度，用冲压方法制造形状复杂的零件，其优越性是其它工艺方法无法比拟的。冲压件，尤其是大变形量的深冲压件，对钢板的质量要求很高。该类钢板一般含碳量极低，钢的纯净度要求高，基体显微组织主要为铁素体，以确保较强的冷成型能力。如08钢的碳含量为0.05%-0.08%；宝钢的深冲塑性板材（IF钢）含碳量≤0.008%，Rm为260～330MPa4.2.11气门柴油机的工况要求气门耐热、耐磨损、有足够的高温强度。常用材料热处理工艺和性能应用举例马氏体钢多用于整体式进气门，淬火+高温回火如4Cr9Si3、4Cr10Si2Mo、9Cr18Mo2V，等114、135、128进气门奥氏体钢多作焊接式排气门和进气门的盘部材料，固溶+时效处理如21-4N，23-8N，6Cr21Mn10MoVNbN114、121、128气门断裂类型1：断裂部位----气门颈部（焊接处与盘底之间，距杆端面120-130mm）；断裂机理----双向弯曲疲劳，疲劳源具有腐蚀特征断裂主要原因----气门密封锥面角度不当，断裂处工况恶化；导管长度不足，断裂处缺少保护。气门断裂类型2：断裂部位----气门盘部，断裂起源于弧背面断裂机理----机械疲劳断裂，可以为单源或多源疲劳断裂主要原因----气门盘部弧背表面质量状况不良，如加工刀痕或磨痕过深；此外座圈与气门同轴度异常，也是常见诱因之一。气门断裂类型3：断裂部位----气门盘部，断裂起源于底面圆周附近，常被误判为堆焊不当断裂主要原因----电墩不当，导致盘部加热不均、成型时变形不一致，内应力增大，产生裂纹。较明显的裂纹可以在使用前发现，微小裂纹难以发现，若制造商不能真正100%探伤，则可能引发批量事故。气门断裂类型4：断裂部位----气门盘部，断裂起源于底面圆周附近与弧背面，也常被误判为堆焊不当断裂特征----断面宏观上呈V、L字型，主断裂源生于底面，为腐蚀疲劳，次生裂原生于弧背面，为机械疲劳；气门底面在形成肉眼可见的裂纹之前，已经发生严重的晶界腐蚀。气门断裂类型4（续）：断裂主要原因----此类失效是“类型3”在使用过程中发展的结果。由于气门电墩不当，底面形成微裂纹，抑或电墩加热温度过高，之后未适当固溶处理，盘部底面组织偏析，导致耐热耐蚀性能下降，引发事故。气门断裂类型5：断裂部位----气门锁夹槽断裂机理----低周疲劳，或瞬时断裂断裂主要原因----（1）内部因素：锁夹槽淬火后未回火，内应力较大；（2）外部因素：上置式旋转机构碎裂，导致附加弯矩增大；排气制动。