汽车发动机连杆的选材与热处理工艺课程设计

1汽车发动机连杆的零件图如下图1汽车发动机连杆的零件尺寸图2/122服役条件与性能分析连杆（link）是指连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件。例如在往复活塞式动力机械和压缩机中，用连杆来连接活塞与曲柄。连杆多为钢件，其主体部分的截面多为圆形或工字形，两端有孔，孔内装有青铜衬套或滚针轴承，供装入轴销而构成铰接。连杆是汽车发动机中的重要零件，它连接着活塞和曲轴，其作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。服役条件：连杆在工作中，其受力状态如下：1）承受燃烧室燃气膨胀产生的压力。2）活塞连杆作往复运动的惯性力（承受拉伸载荷）作用。3)连杆高速作往返运动所产生的纵向和横向惯性力（承受弯曲载荷）的作用因此，连杆在一个复杂的应力状态下工作。它既受交变的拉压应力、又受弯曲应力。失效形式：连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。通常疲劳断裂的部位是在连杆上的三个高应力区域，，即杆部中间、小头和杆部的过渡区以及大头和杆部过渡区(螺栓孔附近)。性能要求：连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的钢性和韧性。3技术要求连杆的热处理技术要求为：根据中华人民共和国汽车行业标准（QC/T527-1999）--汽车发动机连杆技术条件规定：连杆经调质处理，硬度为HB217~293(20~30HRC)，显微组织为均匀细小晶粒的索氏体。4选材连杆通常采用中碳钢或合金钢模锻或辊锻而成，常用的材料有45、40Cr、35CrMo等，也有少数采用稀土镁球墨铸铁制造连杆，然后经过机械加工和热处理。连杆杆身多制成“工”形截面，该截面可以在质量尽可能小的情况下，获得足够的刚度和强度。（1）比较40Cr,35CrMo,45如下：3/12①45钢45钢是普通的中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。它用做截面尺寸较小或不要求完全淬透的零件，经过调质处理后，硬度可达到20-25HRC，表面淬火之后硬度为48-52HRC。采用传统调质热处理工艺加工而成的连杆虽能满足较高的强度和足够的钢性和韧性的技术条件,但早中期疲劳断裂时有发生。又因为45钢淬透性和淬硬性较差,在连杆大头处造成不完全淬火,出现过多的铁素体组织,大大降低其力学性能。②40Cr40Cr为中碳合金钢，热处理后具有足够的强度，良好的塑性和韧性。40Cr一般用做淬透性较高的零件，合金元素Cr可阻碍碳化物在高温回火时聚集长大，保证钢的高强度，铬还阻碍α相的再结晶，能保持细小的晶块结构，具有优良的机械性使α相也能保持高的强度，40Cr经调质处理后，硬度可达到20-25HRC。随着合金元素增加，含碳量趋于下限。主加Cr，Ni，Mn，Si，Al等，提高淬透性，调质处理后有良好的综合力学性能。③35CrMo在Cr钢中加入Mn,能改善塑性和韧度，提高硬度，强度和淬透性。Mo在CrMo钢中能降低固溶体的分解速度和淬火临界冷却速度。35CrMo钢和Cr钢相比，过热和晶粒粗化敏感性小，淬透性和回火稳定性高。并能消除Cr钢对于回火脆性的敏感性,35CrMo钢的高温回火脆性很不明显。制造要求承受较高的抗拉，压，弯曲强度和疲劳强度的连杆等零件。综上所述，连杆的材料最终选择为35CrMo钢。（2）35CrMo钢成分及含量如下：表135CrMo钢的成分及含量（质量百分数）合金元素CMnSiCrMo含量（wt%）0.32~0.400.40~0.700.20~0.400.80~1.100.15~0.25各元素作用：碳（C）：使基体达到一定的强韧度主要贡献元素。锰（Mn）：Mn强化铁素体，其固溶强化效果非常明显；Mn降低相变∆Gγ→α驱动力使奥氏体等温转变曲线右移，提高淬透性；奥氏体形成元素，降低钢的A1温度，促进颗粒长大，增大钢的过热敏感度；Mn促进有害元素在晶界上的偏聚，增大钢的回火脆性倾向。硅（Si）：有利于铁素体组织的形成，在钢中不形成碳化物，主要固溶于铁4/12中。对奥氏体形成速度无甚影响，可升高A1点，相对的减缓了奥氏体的形成速度。对加热时奥氏体晶粒大小稍有阻碍或不起作用，可推迟珠光体相变使C曲线右移，Ms点降低，提高过冷奥氏体的稳定性，从而降低淬火临界冷却速度，提高钢的淬透性。显著地减慢马氏体在较低温度的分解，显著阻碍碳化物的聚集，阻碍钢在回火时消除各类畸变的作用，从而增强了钢的回火稳定性。可提高a相的再结晶温度，可使钢回火脆性显著增强。铬（Cr）：降低相变∆Gγ→α驱动力,也阻止了相变时碳化物的形核长大，所以提高钢的淬透性；碳化物形成元素，回火时阻止M3C型长大，提高回火稳定性；Cr的碳化物稳定，不易长大，能细化晶粒，改善碳化物均匀性；Cr促进杂质原子偏聚，增大回火脆性倾向；同时能提高钢的抗氧化性；全部淬透零件在高温回火后可获得高而均匀的综合力学性能，特别是高的屈强比，能提高材料的疲劳强度。钼（Mo）:Mo元素大大推迟珠光体转变，有效提高钢的淬透性；并且有效抑制钢中有害元素的偏聚，消除钢的第二类回火脆性。钼是较强碳化物形成元素，可以细化晶粒，大为提高钢的回火稳定性，钼也可以提高钢的热强性。表235CrMo钢的临界温度钢号Ac1Ac3Ar4Ar3Ms35CrMo755℃800℃695℃750℃320℃5零件加工路线和工艺本次设计采用锻造-调质处理，连杆经调质处理后可获得良好的力学性能，降低硬度、改善切削加工性能、细化晶粒。主要流程:圆钢下料→棒料加热→预锻→热模锻→空冷→预处理（正火）→粗加工→调质(淬火+高温回火)→清理→强化抛丸→探伤→机械加工→成品。抛丸的主要目的是消除表面氧化皮，使表面产生压应力，提高连杆的疲劳强度。5.1预处理（正火）在工艺路线中，预备热处理采用正火。（1）正火是指将工件加热到Ac3或Acm以上30-50℃,经保温后，从炉中取出放在空气中冷却的一种热处理操作(正火的冷却速度要比退火快的多)。5/12理由：对于低、中碳钢而言正火后其强度和硬度较退火的高一些，塑性稍低，使珠光体数量增加，改善组织保证得到较高的机械性能，并且由于在空气中冷却，生产率高、成本低。所以本次设计选用正火进行预备热处理。正火的目的：改善锻造组织，细化晶粒，调整硬度，便于切削加工；为淬火做好准备。（2）正火温度35CrMo的Ac3温度为800℃，正火温度一般选择Ac3或Acm以上30-50℃，又因为正火时一般采用热炉装料，加热过程中工件内温差较大，为了缩短工件在高温时的停留时间，一般加热温度稍高。所以正火的温度选用850℃。（3）正火时间保温时间与钢的化学成分、工件形状、尺寸、炉子类型、装炉量等多种因素有关，一般按每毫米厚度保温1.5-2.5min估算。本次设计连杆有效厚度为38mm，又因为工件为扁平工件，保温系数选取上限，另外还有15~25min组织转变时间，再加上多个零件一起加热，所以保温时间为2.5*38+25=120min左右。（4）正火设备常用的热处理加热设备按能源分有燃料加热设备和电加热设备；按工作温度可分为高温炉（＞1000℃）、中温炉（650℃-1000℃）和低温炉（≤650℃）。生产上常用的加热设备有电阻炉、浴炉、气体渗碳炉、高频感应加热设备等。炉型的选择应依据不同的工艺要求及工件的类型来决定。热处理设备的选择要从设备经济性、可靠性、配套性、安全性、安全性以及工厂的实际情况等来选择。热处理电阻炉是以电为能源的，通过炉内电热元件将电能转化为热能而加热工件的炉子，是一种造价相对便宜的炉子，以降低成本。中温箱式电阻炉可用于退火、正火、回火或固体渗碳等。本次设计正火选用RX3-45-9箱式电阻炉批量生产。RX3-45-9箱式电阻炉额定功率45kw，最高工作温度950℃，电压380V,炉膛尺寸：1200*600*400mm，最大装载量400kg。(5)装炉方式连杆的尺寸为262×98×42mm，质量为3.5kg，平放在炉膛内，一次放90件。6/12装炉方式如下图所示：1d图2装炉方式表3为正火的具体的工艺参数:表3正火工艺参数正火加热温度保温时间冷却设备参数850℃120min空冷RX3-45-9箱式电阻炉图2为正火的工艺曲线图：图3正火的工艺曲线图5.2调质处理调质处理指的是淬火后加高温回火的热处理的方法，高温回火是指在500--650℃之间进行回火.目的：调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度，塑性和韧性都较好，具有良好的机械性能。5.2.1淬火钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的7/12冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。淬火的目的：使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，增加钢制工件的硬度及耐磨性。（1）淬火温度一般亚共析钢的加热温度为Ac3+(30℃~70℃),35CrMo钢的Ac3温度为800℃，因此淬火加热温度选用850℃。（2）装炉方式与正火选择同样的装炉方式，即如下图所示装炉：1d图4淬火装炉方式（3）加热保温时间热处理的加热时间分为升温时间和保温时间两个部分，工件的保温时间选择原则是奥氏体化转变充分，又不使晶粒粗大，常用经验公式计算。计算经验公式：τ=α·k·D式中τ——加热时间，min；α——加热时间系数，min/mm；k——装炉量修正系数；D——工件有效厚度，mm。α——查手册表可得，在780~900℃的箱式炉或井式炉加热，合金钢的加热系数为1.1~1.3,对于扁平工件，加热系数取上限即1.3。k——查手册得，按上文淬火装炉方式，炉修正系数为2.2。D——有效厚度为38mm.τ=α·k·D=1.3*2.0*38=100min。综上，保温时间为100min。（4）冷却介质8/12常用的淬火介质有水、碱水、盐水溶液、矿物油、熔盐、熔碱等。①水水是冷却能力较强的淬火介质。来源广、价格低、成分稳定不易变质。缺点是在C曲线的“鼻子”区（500～600℃左右），水处于蒸汽膜阶段，冷却不够快，会形成“软点”；而在马氏体转变温度区（300～100℃），水处于沸腾阶段，冷却太快，易使马氏体转变速度过快而产生很大的内应力，致使工件变形甚至开裂。当水温升高，水中含有较多气体或水中混入不溶杂质（如油、肥皂、泥浆等），均会显著降低其冷却能力。因此水适用于截面尺寸不大、形状简单的碳素钢工件的淬火冷却。②盐水和碱水在水中加入适量的食盐和碱，使高温工件浸入该冷却介质后，在蒸汽膜阶段析出盐和碱的晶体并立即爆裂，将蒸汽膜破坏，工件表面的氧化皮也被炸碎，这样可以提高介质在高温区的冷却能力。其缺点是介质的腐蚀性大。一般情况下，盐水的浓度为10％，苛性钠水溶液的浓度为10％～15％。可用作碳钢及低合金结构钢工件的淬火介质，使用温度不应超过60℃，淬火后应及时清洗并进行防锈处理。③油一般采用矿物质油（矿物油）。如机油、变压器油和柴油等。机油一般采用10号、20号、30号机油，油的号越大，黏度越大，闪点越高，冷却能力越低，使用温度相应提高。。④盐浴和碱浴淬火介质一般用在分级淬火和等温淬火中。由于连杆尺寸小，形状简单，所以35CrMo工件淬火后应采用油冷，35CrMo钢的淬透性较好，在油中冷却能淬硬，而且工件的变形、开裂倾向小。本次设计选用20#机油作为冷却介质。工件进入调质线进行工艺处理,表3为淬火的具体工艺参数：表4淬火工艺参数淬火加热温度保温时间冷却介质设备参数850℃80min油冷RX3-45-9中温箱式电阻炉9/12图5淬火工艺的工艺曲线图5.2.2回火回火指钢件经淬硬后，再加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。常见的回火工艺有：低温回火，中温回火，高温回火等。调质处理采用高温回火，得到回火索氏体，具有良好综合机械性能。（1）回火的目的主要是消除钢件在淬火时所产生的应力，使钢件具有高的硬度和耐磨性外，并具有所需要的塑性和韧性等。（2）回火温度根据技术要求，回火后硬度为20~30HRC,由如下表格可得，回火的温度