汽车发动机热处理工艺

1浅析现代汽油发动机基本零件的选材及热处理工艺学号：2010080060028姓名：叶培莲摘要：发动机是将自然界某种能量直接转换为机械能并拖动某些机械进行工作的机器。将热能转换为机械能的发动机，称为热力发动机（简称热机）。其中的热能是由燃料燃烧所产生的。内燃机是热力发动机的一种，其特点是液体和气体燃料和空气混合后直接输入机器内部燃烧而产生热能，然后再转变为机器能。另一种热机是外燃机，如蒸汽机、汽轮机等，其特点是燃料在机器外部燃烧以加热水，产生高温、高压的水蒸气，输送至机器内部，将所含的热能转换为机械能。发动机是汽车的动力装置。在现代汽车上广泛应用的发动机是往复活塞式汽油和柴油内燃机，它一般是由曲柄连杆机构、配气机构、供给系统、冷却系统、润滑系统、点火系统（仅用于汽油内燃机）和起动系统组成。一、气缸体的选材及热处理工艺现代汽车发动机机体组成主要由气缸体、气缸盖、气缸盖衬垫以及油底壳组成。机体组是发动机的支架，是曲柄连杆机构、配气机构和发动机各系统主要零件的装配基体。随着现在社会对环境越来越重视，对汽车尾气的排放标准提出了更高要求。为了满足这种要求，各主机厂加大了对发动机的研发力度，现在大多数厂家都采用了多气门电喷发动机。缸体是发动机的重要部件之一，随着汽车发动机技术的发展，对发动机缸体的尺寸精度和力学性能要求越来越高，因此对缸体铸件产品质量提出了更高的要求。燃料喷射到气缸内，在气缸内压缩燃烧（柴油机）或者点燃（汽油机），燃烧后有很大压力，这个压力可以推动活塞运动，活塞运动给发动机提供动力来源。所以气缸工作表面经常与高温、高压的燃气相接触，且活塞在其中作高速往复运动，所以必须耐高温、耐磨损、耐腐蚀。为了满足以上条件，常常采用优质合金铸铁作为气缸体的材料，气缸的内壁按2级精度并经过珩磨加工，使其工作表面的表面粗糙度、形状和尺寸精度都达到比较高的要求。为了提高气缸表面的耐磨性，钢铁的材料一般是用优质灰铸铁，有时在灰铸铁中加入少量合金元素如镍、钼、铬、磷等。但是，如果缸体材料全部用优质耐磨材料来制造，将造成材料上的浪费。因为除了与活塞配合的汽缸体表面之外，其他各部分的耐磨性要求并不高，所以近年来广泛采用镶入气体内的气缸套，形成气缸工作表面。这样，缸套可用耐磨性较好的合金铸铁或合金钢制造，以延长气缸使用寿命，而缸体则可采用价格降低的普通铸铁或铝合金等材料制造。灰铸铁是指在铁液中加入一种物质，以促进外来晶核的形成或激发自身晶核的产生，增大晶核数量，是石墨的析出能在比较小的过冷度下开始进行。其结果是提高石墨析出的倾向，并得到均匀分布的细小的石墨，从而使铸铁具有良好的力学性能和加工性能。热处理只能改变灰铸铁的基体组织，不能改变石墨的形态和分布，不能从根本上片状石墨的有害作用，对提高灰铸铁整体力学性能作用不大。因此，灰铸铁热处理的目的主要用来消除铸件内应力、改善切削加工性能和提高表面耐磨性等。2消除内应力退火通常是将铸件以60/Ch~100/Ch的速度加热到350C~450C以上，保温一段时间，使铸件各部位和表里温度均匀，残余应力在此温度下得到松弛和稳定化。然后以20/Ch~40/Ch的冷却速度缓冷至200C左右出炉空冷，此时的铸件内应力基本消除。退火在共析温度以上进行，使渗透体分解成石墨，所以又称高温退火。正火通常把铸件加热到850C~900C，若有游离渗碳体时应加热到900C~960C。保温时间根据加热温度、铸铁化学成分和铸件大小而定，一般为1h~3h。因需要提高硬度和耐磨性，可进行表面淬火处理。通常采用高频淬火法或中频淬火法，把铸件表面快速加热到900C~1000C，然后进行喷火冷却。其结果表面层获得一层淬硬质，其组织为马氏体+石墨，淬火后表面硬度可达50HRC~55HRC。二、气缸盖的选材及热处理工艺气缸盖的主要作用是密封气缸上部，并与活塞顶部和气缸一起形成燃烧室。同时，气缸盖也为其他零部件提供安装位置。气缸盖的燃烧室一侧直接受到高温、高压燃气的作用。在承受热负荷时，由于形状复杂，冷却不均匀，各部分温差大，特别是在进、排气门口之间，以及进、排气门口与汽油机的火花赛之间（或进、排气门口与柴油机的喷油器之间）的所谓“鼻梁区”，热应力很高，是容易出现裂纹损坏的部位；而气缸盖在机械负荷和热负荷作用下产生的变形会导致进、排气门被破坏和气缸盖密封（气封、水封、油封）被破坏，影响发动机的动力性、经济性和工作可靠性。因此，要求气缸盖应具有足够的强度和高度，同时通过良好的冷却，使温度分布尽可能均匀。所以气缸盖的材料应选用导热性好、机械强度和热强度高、铸造性能好的材料，一般采用优质灰铸铁或合金铸铁铸成。有的汽油机气缸盖用铝合金铸造，因铝的导热性比铸铁好，有利于提高压缩比。铝合金缸盖的缺点是刚度底，使用中容易变形。发动机的气缸盖形状复杂，对于常见的水冷发动机，其气缸盖上由进、排气门座孔，气门导管孔和进、排气通道，冷却水套及其进、出口，润滑油路及其进、出口。铸造铝合金的金相组织比变形铝合金的金相组织粗大，因而在热处理时也有所不同。前者保温时间长，一般都在2h以上，而后者保温时间短，只要几十分钟。因为金属型铸件、低压铸造件、差压铸造件是在比较大的冷却速度和压力下结晶凝固的，其结晶组织比石膏型、砂型铸造的铸件细很多，故其在热处理时的保温也短很多。铸造铝合金与变形铝合金的另一不同点是壁厚不均匀，有异形面或内通道等复杂结构外形，为保证热处理时不变形或开裂，有时还要设计专用夹具予以保护，并且淬火介质的温度也比变形铝合金高，故一般多采用人工时效来缩短热处理周期和提高铸件的性能。铝合金铸件热处理的目的是提高力学性能和耐腐蚀性能，稳定尺寸，改善切削加工和焊接等加工性能。因为许多铸态铝合金的机械性能不能满足使用要求，除Al-Si系的ZL102，Al-Mg系的ZL302和Al-Zn系的ZL401合金外，其余的铸造铝合金都要通过热处理来进一步提高铸件的机械性能和其它使用性能，具体有以下几个方面：1）消除由于铸件结构（如璧厚不均匀、转接处厚大）等原因使铸件在结晶凝固时因3冷却速度不均匀所造成的内应力；2）提高合金的机械强度和硬度，改善金相组织，保证合金有一定的塑性和切削加工性能、焊接性能；3）稳定铸件的组织和尺寸，防止和消除高温相变而使体积发生变化；4）消除晶间和成分偏析，使组织均匀化。1）、退火处理退火处理的作用是消除铸件的铸造应力和机械加工引起的内应力，稳定加工件的外形和尺寸，并使Al-Si系合金的部分Si结晶球状化，改善合金的塑性。其工艺是：将铝合金铸件加热到280-300℃，保温2-3h，随炉冷却到室温，使固溶体慢慢发生分解，析出的第二质点聚集，从而消除铸件的内应力，达到稳定尺寸、提高塑性、减少变形、翘曲的目的。2）、淬火淬火是把铝合金铸件加热到较高的温度（一般在接近于共晶体的熔点，多在500℃以上），保温2h以上，使合金内的可溶相充分溶解。然后，急速淬入60-100℃的水中，使铸件急冷，使强化组元在合金中得到最大限度的溶解并固定保存到室温。这种过程叫做淬火，也叫固溶处理或冷处理。3）、时效处理时效处理，又称低温回火，是把经过淬火的铝合金铸件加热到某个温度，保温一定时间出炉空冷直至室温，使过饱和的固溶体分解，让合金基体组织稳定的工艺过程。合金在时效处理过程中，随温度的上升和时间的延长，约经过过饱和固溶体点阵内原子的重新组合，生成溶质原子富集区（称为G-PⅠ区）和G-PⅠ区消失，第二相原子按一定规律偏聚并生成G-PⅡ区，之后生成亚稳定的第二相（过渡相），大量的G-PⅡ区和少量的亚稳定相结合以及亚稳定相转变为稳定相、第二相质点聚集几个阶段。时效处理又分为自然时效和人工时效两大类。自然时效是指时效强化在室温下进行的时效。人工时效又分为不完全人工时效、完全人工时效、过时效3种。1）不完全人工时效：把铸件加热到150-170℃，保温3-5h，以获得较好抗拉强度、良好的塑性和韧性，但抗蚀性较低的热处理工艺；2）完全人工时效：把铸件加热到175-185℃，保温5-24h，以获得足够的抗拉强度（即最高的硬度）但延伸率较低的热处理工艺；3）过时效：把铸件加热到190-230℃，保温4-9h，使强度有所下降，塑性有所提高，以获得较好的抗应力、抗腐蚀能力的工艺，也称稳定化回火。4、循环处理把铝合金铸件冷却到零下某个温度（如-50℃、-70℃、-195℃）并保温一定时间，再把铸件加热到350℃以下，使合金中度固溶体点阵反复收缩和膨胀，并使各相的晶粒发生少量位移，以使这些固溶体结晶点阵内的原子偏聚区和金属间化合物的质点处于更加稳定的状态，达到提高产品零件尺寸、体积更稳定的目的。这种反复加热冷却的热处理工艺叫循环处理。这种处理适合使用中要求很精密、尺寸很稳定的零件（如检测仪器上的一些零件）。一般铸件均不作这种处理。三、活塞的选材及热处理工艺4汽车发动机中活塞的主要作用是承受气缸中的气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆，以推动曲柄旋转。活塞顶部还与气缸盖，气缸壁共同组成燃烧室。由于活塞顶部直接与高温燃气周期性接触，燃气的最高温度可达2500K以上，因此活塞的温度也很高，如活塞顶部的温度可达600—700K。高温一方面使活塞材料的机械强度显著下降，另一方面会使活塞的热膨胀量增大，容易破坏活塞及其相关零件的配合。活塞在行程运动时，其顶部承受着燃气带冲击性的高压力。对于汽油机活塞，瞬时压力最大值可达3-6MPa。对于柴油机活塞，其最大值可达6—9MPa，采用增压时最大值可达13—15MPa。高压导致活塞的侧压力大，加速活塞外表面的磨损，也容易引起活塞变形。活塞在气缸中作变速运动，气平均速度可达10—14m/s。这样的高速会产生很大的惯性力，它将使曲柄连杆机构的各零件和轴承承受附加的载荷。活塞承受的气压力和惯性力是周期性变化的，因此活塞的各部分会受到交变的拉伸、压缩和弯曲载荷；并且由于活塞各部分的温度极不均匀，活塞内部将产生一定的热压力。从活塞的工作条件可以看出，为保证发动机的良好运动特性，对活塞合金材料性能有如下要求：密度小，热膨胀系数小，好的耐磨性，好的力学性能，好的热传导性及好的加工性能。为此，汽车发动机目前采用的活塞材料是铝合金，在个别汽车柴油机上的活塞采用高级铸铁或耐热钢制造。铝的密度约为铸铁的1/3，这样采用铝作为活塞用合金的基本材料，在活塞往复运动时可使惯性力尽可能小。同时活塞用铝合金的导热性约为铸铁的3倍，这样高的导热能力可将高热负荷区的热量很快传递给冷却液及气缸和曲柄连杆等，因此使得熔点600C的铝合金能在与峰值温度高达2000—2500K的高温燃气相接触的情况下仍能正常工作。但是铝合金在温度升高时，强度和硬度下降较快。为了克服这一缺点，一般要在结构设计、机械加工或热处理上采用各种措施加以弥补。四、曲轴的选材及热处理工艺曲轴的作用是承接连杆传来的力，并由此造成绕其本身轴线的力矩，并对外输出转矩。在发动机工作时，曲轴受到旋转质量的离心力、周期性变化的气体压力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲与扭转载荷。为了保证工作可靠，要求曲轴具有足够的刚度和强度，各工作表面要耐磨而且润滑良好。曲轴主要由三部分组成，曲轴的前端或称自由端，若干个由曲柄销、它左右两端的曲柄和前后两个主轴颈组成的曲拐，曲轴的后端或称功率输出端。按照曲轴的主轴颈数，可以将曲轴分为全支撑曲轴和非全支撑曲轴两种。在相邻的两个曲拐之间，都设置一个主轴颈的曲轴，称为全支撑曲轴；否则称为非全支撑曲轴。曲轴要求用强度、冲击韧性和耐磨性都比较好的材料制造，一般采用中碳钢或中碳合金钢模锻。为了提高曲轴的耐磨性，其主轴颈和曲柄销表面上均需要高频淬火或渗氮，在经过精磨，以达到高精度和较小的表面粗糙度值。在一些变化强度不高的发动机上，还采用高强度的稀土球墨铸铁铸造曲轴。曲轴的热处理经过调制（淬火+高温回火）→矫直→清理→检验→粗加工→去应力退火5→精加工→表面热处理（高频淬火+低温回火）→矫直→磨削→检验。材料预备热处理HBS最终热处理淬硬层深度HRC35CrMo调制216~269高频淬火+低温回火淬火温度：由于35CrMo是亚共析钢，所