汽车发动机曲轴材料的选择及工艺设计

专业课程设计任务书

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设计题目：汽车发动机曲轴材料的选择及工艺设计

设计内容：

1、根据零件工作原理，服役条件，提出机械性能要求和技术要求。 2、选材，并分析选材依据。

3、制订零件加工工艺路线，分析各热加工工序的作用。

4、制订热处理工艺卡，画出热处理工艺曲线，对各种热处理工艺进行分析，并分析所得到的组织，说明组织及性能的检测方法与使用的仪器设备。

5、分析热处理过程中可能产生的缺陷及补救措施。

6、分析零件在使用过程中可能出现的失效方式及修复措施。

目录

0 前言…………..………….………………………….……….1 1 汽车发动机曲轴的工作条件及性能要求…………....…….2

1.1 汽车发动机曲轴的工作条件………..……………….………………3 1.2 汽车发动机曲轴的性能要求及技术要求………………...…………3

2 汽车发动机曲轴的材料选择及分析……………………….4

2.1 零件材料选择的基本原则…………………….………….……….....4 2.2 曲轴常用材料简介………………………………………...................5 2.3 汽车发动机曲轴材料的确定……………………………...................5

3 曲轴的加工工艺路线及热处理工艺的制定…………..……....…..6

3.1 35CrMo曲轴热处理要求………………………………………….....6

3.2 汽车曲轴的热处理工艺的制定……………………………………6 3.2.1 调质处理……………………………………….…………...............7 3.2.2 去应力退火……………………………………….………...............8 3.2.3 圆角高频淬火和低温回火………………………….………...........9

4 曲轴热处理过程中可能产生的缺陷及预防措施………...11

4.1 校直过程引起材料原始裂纹…………………….............................11 4.2 曲轴圆角淬火不当引起裂纹源……………………………….........12 4.3 淬火畸变与淬火裂纹………………….............................................12 4.4 淬火导致氧化、脱碳、过热、过烧………………...........………..13 4.5 淬火硬度不足.....................................................................................13

5 曲轴在使用过程中可能产生的失效形式及分析…...........13 6 课程设计的收获与体会…………………................……...14 7 参考文献…………………………………….......................15 8 工艺卡…………………………………....................….......16

0 前言

发动机是汽车的“心脏”，而曲轴是发动机的关键零部件，是发动机中成本最高的零件。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。

曲轴一般由主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。 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,它与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力，传给底盘的传动机构，同时，驱动配气机构和其它辅助装罝。曲轴在周期性变化的气体力、惯性力及其力矩的共同作用下工作，承受弯曲和扭转交变载荷，受力大而且受力复杂，同吋，曲轴又是高速旋转件。因此，曲轴应有足够的抗弯曲、抗扭转的疲劳强度和刚度；轴颈应有足够大的承压表面和耐磨性；曲轴的质量应尽量小；对各轴颈的润滑应该充分。

另外，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。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---扭转应力，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重要因素。

1 汽车发动机曲轴的工作条件和性能要求 1.1 汽车发动机曲轴的工作条件

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---扭转应力；曲轴在周期性变化的气体力、惯性力及其力矩的共同作用下工作，承受弯曲和扭转交变载荷，受力大而且受力复杂，同吋，曲轴又是高速旋转件。因此，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重要因素。 1.2汽车发动机曲轴的性能要求及技术要求

曲轴应有足够的抗弯曲、抗扭转的疲劳强度和刚度；轴颈应有足够大的承压表面和耐磨性；曲轴的质量应尽量小；对各轴颈的润滑应该充分，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。 由于发动机曲轴的服役条件比较苛刻，这就给了曲轴材料较高的要求。曲轴材料需要有较高的强度、冲击韧性、耐磨性。一般采用锻造钢和球墨铸铁，锻钢需要进行热处理采用调质，即淬火后高温回火，使材料具有较高的综合机械性能，轴径表面再进行表面淬火，提高表面硬度及耐磨性。球墨铸铁曲轴采取等温回火、中频淬火、激光淬火等热处理工艺。 为此，对曲轴提出以下技术要求： 硬度：216～269HB

2 汽车发动机曲轴材料的选择及分析 2.1零件材料选择的基本原则 (1) 材料的机械性

实践中根据零件的失效分析 ，提出对零件的技术要求 ，然后从材料及其强化人手解决零件的失效问题 ，已成为材料强度科学研究的主要内容零件的失效除了与材料及热处理有关外 , 还与服役条件有关 .各种零件的服役条件不同，其失效形式也不同 ，选择材料应以此为依据。 (2) 材料的工艺性能

金属零件是由金属材料经过若干加工工序而成 ，在选 择材料时必须考虑各个加工工序对材料的要求。所艺性能中 ，不可忽视热处理工艺性 。例如 ，在设计结构形状复杂的零件时 ，应选用淬火变形小的钢或选用油淬钢而避免用水淬钢 。一般低碳钢的压力加工和切削性能均较好 ，因此在机械性能和淬透性能均能满足设计要求时应尽量选用碳钢。 （3）材料的经济性

一般来说，碳钢比合金钢便宜 ，凡用碳钢能解决问题的，就应选用碳钢 ，实在不行时才用合金钢。即便使用合金钢。也必须把市场可供性和节本增效作为零件选材的指导思想 。在满足零件使用性能的前提下 ，应从实际出发 ，做到材尽其用 ，发挥材料的潜力 ，以降低生产成本。 2.2 曲轴常用材料简介

曲轴按材料分为球墨铸铁曲轴和锻钢曲轴两种。新标准规定球墨铸铁曲轴材料力学性能不低于QT700-2 的牌号。即抗拉强度不低于 700 N/mm2、断后伸长率不低于 2％。锻钢曲轴材料采用 45#、40Cr、40MnB、35CrMo 等牌号的钢或采用力学性能不低于这些牌号的其它钢材制造。新、旧标准关于材料的上述规定不存在差异。

汽车发动机曲轴材料的选择要根据不同车辆的使用具体情况，攒泽不同的性能材料。目前，我国的汽车曲轴分类大致分为家用轿车、载重车、重载车、重型载重车、大马力柴油机。他们所使用的材料我们可以见图1，考虑其经济性和加工工艺，结合最终将获得的曲轴性能，确定我们所需要的材料，具体见图1.

汽车发动机曲轴一般采用QT700-2 、QT800-2及QT900-2等牌号的球墨铸铁和45#、35CrMo、40Cr、40MnB、42CrMo等牌号的锻钢制造。下面我们结合不同车辆的曲轴选择不同的材料。比较他们的性能，选择满足我们工艺要求的材料。

常用曲轴材料及其热处理工艺见表1。

表 1 常用曲轴材料及其热处理工艺

(1) 选材要求: 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）。

(2) 曲轴材料的要求根据JB∕T6727，曲轴对材料的要求如下： ①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）。

②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。

③钢的淬透性应按 GB255 进行测定，其淬透性曲线应在所用的钢号的淬透性范围内。

不同材料所含主要成分的含量见表2

表2 不同材料所含主要成分的含量

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。同时，曲轴材料需要有较高的强度、冲击韧性、耐磨性。一般采用锻造钢和球墨铸铁，锻钢需要进行热处理采用调质，即淬火后高温回火，使材料具有较高的综合机械性能，轴径表面再进行表面淬火，提高表面硬度及耐磨性。球墨铸铁曲轴采取等温回火、中频淬火、激光淬火等热处理工艺。

通过对不同材料所含主要成分的含量我们可以确定材料成本比较经济的材料，但是我们还要令其满足我们所需要的以上性能，所以我们需要对不同材料加工成曲轴是的性能进行比对，我们通过搜找资料得到以下数据，详细数据请看表3。

不同材料的各项性能数据见表3

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 作为汽车发动机曲轴的材料。

3. 曲轴的加工工艺路线及热处理工艺的制定

3.1 曲轴的热处理的技术要求及加工工艺路线 (1)35CrMo 曲轴热处理的技术要求

(2)35CrMo 曲轴的工艺路线：

锻坯→调质（淬火+高温回火）→矫直→清理→检验→粗加工→去应力退火→精加工→高频淬火+低温回火→矫直→磨削→检验 3.2曲轴热处理工艺的制定 3.2.1调质处理

（1）原始材料的组织与性能

35CrMo 原始状态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。其硬质值处于30—33HRC 之间。

（2）调质工艺参数的确定

淬火温度： 35CrMo 是亚共析钢，根据《常见钢临界点、淬火加热温度及Ms点》表得知， AC3 约为 807℃，AC1 约为 757℃。由于 35CrMo 是亚共析钢，所以淬火温度取 AC3 温度以上30～50℃,所以可确定出材料的淬火温度应850℃较合适。其保温时间可由经验公式t≈﹙1.2~1.5）・D，具体保温时间应根据曲轴的厚度来确定，此处暂定为 25min。回火温度低于AC1 的某个温度，选取560℃比较合适。 35CrMo的调质淬火工艺曲线见图1

图1 35CrMo的调质淬火工艺曲线

（3）调质过程组织分析

试样经淬火（未回火）后的金相组织如图可以看出其显微组织为板条马氏体。硬度测得在51～53HRC之间，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500～350℃时最快，其下比较慢。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。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32HR左右，且硬度值分布均匀，符合曲轴的技术要求。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。 3.2.2去应力退火

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晶间腐蚀破裂。因此，残余应力将影响材料的使用性能或导致工件过早就失效。所以需要去应力退火来消除之前加工过程中产生的残余应力。

35CrMo的去应力退火工艺曲线见图2

图2 35CrMo的去应力退火工艺曲线

如图去应力退火工艺图，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20℃)，保温一段时间后，缓慢冷却，以防止产生新的残余应力。

3.2.3 曲轴圆角高频淬火和低温回火

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：GP—25A 高频淬火炉；淬火温度：860~930℃（普通淬火温度+30~200℃）；冷却介质：水冷；回火温度：160℃； 保温时间：1.5h 。35CrMo低温回火工艺曲线见图3

图3 35CrMo低温回火工艺曲线

经过高频淬火后，试样心部依然保持原来的组织不变，心部组织为颗粒大小均匀综合性能良好的回火索氏体。其表层组织为细小的层针状马氏体。表层与心部的过渡区域：其表层为针状马氏体，而心部则保存了原始的组织与性能。高频淬火时必须注意把握好温度和时间，时间过长表面

将得不到我们需要的细小的层针状马氏体，而是粗大的组织，这种组织的硬度低于曾针状马氏体，而达不到我们的要求。

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 2～3 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。 35CrMo 在高频淬火后表层硬度值达到53~55HRC 之间，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 160℃，保温 1.5 小时。

4．曲轴热处理过程中可能产生的缺陷及预防措施

4.1 校直引起原始裂纹

在锻造、热处理等过程中必然产生变形，生产中采用校直的方法消除。无论是热校还是冷校，一旦校直幅度过大，都可能导致曲轴产生裂纹，且这种裂纹一般肉眼无法观察到。若曲轴本身存在原始裂纹，装配后行驶里程一般仅为几千公里，就会疲劳扩展而断裂。对于此类裂纹，分析时应注意与其它常见裂纹如锻造裂纹、淬火裂纹等的区别。 4.2圆角淬火工艺不当导致裂纹

轴颈圆角是曲轴加工难度最大，同时也是使用中最容易成为裂纹起源的位置。为了提高曲轴疲劳强度，一般需要对圆角进行强化处理。对于球铁曲轴，目前多采用圆角滚压强化工艺或先氮化再滚压强化的复合强化工艺。对于钢曲轴，多采用碳氮共渗或感应淬火强化工艺。早期的发动机曲轴感应淬火区域仅仅局限在轴颈部分，主要对轴颈起提高耐磨性的作用，淬火区离圆角仍然有大于6mm以上的距离，因此对圆角并不起强化作用。目前采用的感应工艺，淬火区域普遍包涵圆角区域。事实证明这种方式能 够明显提高曲轴圆角的疲劳强度。随着发动机增压等新技术应用的日益广泛，对曲轴疲劳强度的要求也越来越高，目前，对发动机圆角的强化处理已经成为必须的工艺过程。圆角强化工艺不当，曲轴达不到应有的疲劳强度，就有可能会在服役过程产生疲劳断裂。 4.3淬火畸变与淬火裂纹:

淬火畸变是不可避免的现象,只有超过规定公差或产生无法矫正时才构成废品,通过适当选择材料,改进结够设计,,合理选择淬火,回火方法及规范等可有效的减小与控制淬火畸变,可采用冷热效直,热点校直和加热回火等加以休正. 裂纹是不可补救的淬火缺陷,只有采取积极的预防措施,如减小和控制淬火应力方向分布,同时控制原材料质量和正确的结构设计等. 4.4淬火导致氧化、脱碳、过热、过烧

零件加热过程中,若不进行表面防护,将发生氧化脱碳等缺陷,其后果

是表面淬硬性降低,达不到技术要求,或在零件表面形成网状裂纹,并严重降低零件外观质量,加大零件粗糙度,甚至超差,所以精加工零件淬火加热需要在保护气氛下或盐浴炉内进行,小批量可采用防氧化表面涂层加以防护. 过热导致淬火后形成粗大的马氏体组织将导致淬火裂纹形成或严重降低淬火件的冲击韧度,极易发生沿晶短裂,应当正确选择淬火加热温度,适当缩短保温时间,并严格控制炉温加以防止,出现的过热组织如有足够的加工余地余量可以重新退火,细化晶粒再次淬火返修. 过烧常发生在淬火高速钢中,其特点是产生了鱼骨状共晶莱氏体,过烧后使淬火钢严重脆性形成废品.

4.5淬火硬度不足

淬火回火后硬度不足一般是由于淬火加热不足,表面脱碳,在高碳合金钢中淬火残余奥氏体过多,或回火不足造成的,在含CR轴承钢油淬时还经常发现表面淬火后硬度低于内层现象,这是逆淬现象,主要由于零件在淬火冷却时如果淬入了蒸汽膜期较长,特征温度低的油中,由于表面受蒸气膜的保护,孕化期比中心长,从而比心部更容易出现逆淬现象. 4:软点 淬火零件出现的硬度不均匀叫软点,与硬度不足的主要区别是在零件表面上硬度有明显的忽高忽低现象,这种缺陷是由于原始组织过于粗大不均匀,(如有严重的组织偏析,存在大块状碳化物或大块自由铁素体)淬火介质被污染,零件表面有氧化皮或零件在淬火液中未能适当的运动,致使局部地区形成蒸气膜阻碍了冷却等因素,通过晶相分析并研解工艺执行情况,可以进一步判明究竟是什么原因造成废品.

5. 曲轴在使用过程中可能产生的失效形式及分析

（1）曲轴断裂

曲轴在使用过程中主要承受复杂的弯曲-扭转载荷及一定的冲击载荷,轴颈表面还受到磨损。由于在轴颈与曲柄过渡的圆角处表面所受的交变应力最大,故疲劳裂纹一般最容易在此部位产生并向曲柄深处发展造成曲轴的最终断裂。

（2） 曲轴磨损和点蚀失效

产生原因：曲轴表面硬度不足、曲轴表面存在裂纹源、曲轴内部晶粒粗大性能差。具体分析：淬火过程零件不干净，毛刺未去净；孔、槽未堵；感应器与零件间隙小等处理方法：洗净零件；堵孔、槽；选合适的感应器。硬度低产生原因：加热温度低；冷却速度慢；材料中碳元素等化学成分偏低处理方法：控制材料；合理选择工艺。淬火裂纹产生原因：淬火温度过高；冷却速度太快；晶粒粗大处理方法：控制原始晶粒度，按工艺操作。硬化层浅产生原因：淬火温度低；加热时间短或移动速度快；淬火介质压力不足处理方法：选择合适的工艺规范。

汽车发动机曲轴的失效分析，涉及到从材料、加工、结构、受力、服役环境到相关零件分析的多个复杂过程，这些因素相互 影响，共同作用，使得分析过程复杂困难。曲轴的失效，往往会造成其它相关零件的损坏，同时，一些其它零件的损坏或状态发生变化，也会带来曲轴服役工况的改变，并导致曲轴的失效。实际分析时，应首先进行详细的调查与现场分析，准确判定故障或事故过程中各个零件的损坏次序与过程，找出肇事件，这样才能 找出导致故障或事故发生的根本原因。

6心得体会

回顾这几周的课程设计，从选题到自己开始做，从理论到时间，上网查资料，跟同学商量讨论，所有的一切我都感觉获益良多，不仅巩固了自己以前学习的知识，而且学到了很多在以前没有记住或者记得不清楚的地方，还在查资料和选资料的过程中知道了很多在实际生产中的方法。

从老师布置下来作业，我就开始忙碌了起来。先是看那些题目自己比较感兴趣，最后确定了汽车发动机曲轴的设计工艺题目，就是感觉汽车很普发动机很重要，比较熟悉它的工作环境，对自己以后分析曲轴的服役条件有些优势，就选了这个题目。接下来就是上网查资料，确定材料和工艺流程了。热处理本身就是一项复杂而庞大的工作，网上的各种资料更是浩瀚如海，如何在这么多的资料中选择自己需要的成了一个难题。搜索的过程我按照先确定材料，再在选定的材料的基础上研究该材料的性能和工艺的思路，同时参考《热处理手册》等工具书，联系所找到的一系列专业期刊上的实际的热处理方法，最终确定了整个工艺流程，完成了课程设计。

回顾整个课程设计的过程，我感觉虽然辛苦了一点，但是确是苦中有甜，每当自己完成一个工艺环节，心中还是无比的兴奋，毕竟是自己独立设计完成的。我相信这次课程设计会使我受益终生！

7 参考文献：

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[4]. 胡光立,谢希文.钢的热处理[M]. 西北工业大学出版社，2010.3

[5]. 赵振东. 35CrMo钢和35CrMo钢热处理工艺性及力学性能对比分析，《金属热处理》 1997年第3期

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