汽车发动机曲轴材料的选择及工艺设计资料解读

1专业课程设计任务书学生姓名：班级：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。2目录0前言…………..………….………………………….……….11汽车发动机曲轴的工作条件及性能要求…………....…….21.1汽车发动机曲轴的工作条件………..……………….………………31.2汽车发动机曲轴的性能要求及技术要求………………...…………32汽车发动机曲轴的材料选择及分析……………………….42.1零件材料选择的基本原则…………………….………….……….....42.2曲轴常用材料简介………………………………………...................52.3汽车发动机曲轴材料的确定……………………………...................53曲轴的加工工艺路线及热处理工艺的制定…………..……....…..63.135CrMo曲轴热处理要求………………………………………….....63.2汽车曲轴的热处理工艺的制定……………………………………63.2.1调质处理……………………………………….…………...............73.2.2去应力退火……………………………………….………...............83.2.3圆角高频淬火和低温回火………………………….………...........94曲轴热处理过程中可能产生的缺陷及预防措施………...114.1校直过程引起材料原始裂纹…………………….............................114.2曲轴圆角淬火不当引起裂纹源……………………………….........124.3淬火畸变与淬火裂纹………………….............................................124.4淬火导致氧化、脱碳、过热、过烧………………...........………..134.5淬火硬度不足.....................................................................................135曲轴在使用过程中可能产生的失效形式及分析…...........136课程设计的收获与体会…………………................……...147参考文献…………………………………….......................158工艺卡…………………………………....................….......1610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。21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：216～269HB2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3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700N/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。4表1常用曲轴材料及其热处理工艺用途材料基本热处理表面处理工艺硬度/HB工艺硬化层深硬度/HB轿车45#正火170～228感应淬火2～4.555～6650Mn调质217～277氮碳共渗：570℃、180min、油冷0.5≥500HVQT700-2正火载重车QT700-2正火45#正火163～169感应淬火、自回火3～4.555～6645#调质207～241感应淬火、自回火≥3≥55重型载重车45#正火氮碳共渗0.9～1.2≥300HVQT900-2正火+回火280～32135CrMo调质216～269感应淬火42CrMo调质感应淬火或渗氮大马力柴油机QT700-2正火35CrNi3Mo调质+稳定化渗氮490℃、60h≥0.3≥600HV35CrMo调质渗氮490℃、40h≥0.5≥550HV42CrMo调质感应淬火或渗氮2.3汽车发动机曲轴材料的确定(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）。5②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钢号主要化学成分CMnSiCrNiMo450.42～0.50.5～0.80.1～0.340Cr0.37～0.40.5～0.80.2～0.40.8～1.1040CrNi0.37～0.40.5～0.80.2～0.40.4～0.751.0～1.440CrNiMoA0.37～0.40.5～0.80.2～0.40.6～0.91.25～1.70.1~0.235CrMo0.37～0.40.47～0.70.2～040.8～1.100.1~0.2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36表3不同材料的各项性能数据钢号σbMPaσsMPaδs%ψ%Ak(J/c㎡)毛坯尺寸mm45900750104560﹤10040Cr1000800945602540CrNi10008001045702540CrNiMoA100085012451002535CrMo100085012458025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表435CrMo曲轴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HRC35CrMo调质216~269高频淬火＋低温回火3～5mm53～58(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35