曲轴的热处理工艺.

曲轴的热处理工艺

曲轴是引擎的主要旋转机件,装上连杆后,可承接连杆的上下(往复运动 变成循环(旋转运动。是发动机上的一个重要的机件,其材料是由碳素结构钢 或球墨铸铁制成的。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。 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。

在曲轴工作的过程中,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。

曲轴的主要失效形式有(1疲劳断裂:多数断裂时曲柄与轴颈的圆角处产 生疲劳裂纹, 随后向曲柄深处发展, 造成曲柄的断裂, 其次是曲柄中部的油道内 壁产生裂纹,发展为曲柄处的断裂。 (2轴颈表面的严重磨损。

因此, 曲轴的选材十分重要, 既需要满足曲轴的力学性能, 也需要考虑强度 和耐磨性。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等。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,最终可以选择 40Cr 作为汽车发动机的材料。

所以曲轴的大致加工路线是, 锻造→正火→机械加工→去应力退火→调质处 理→表面热处理 (高频淬火 +低温回火 , 其中预备热处理为正火, 然后可能有必 要进行去应力退火,最终热处理为调质处理和表面热处理的高频淬火和低温回 火。

40Cr 的显微组织不均匀,且晶粒粗大,需要进行预备热处理来细化晶粒和 改善其内部组织。 翻阅书籍后我决定采用正火的方法来作为预备热处理。 正火温 度为 Ac3或 Acm 以上 40到 60℃,故取正火温度为 880℃,来改善晶粒大小,使 晶粒细化,可以获得更好的切削加工性能,并为后续热处理工艺打好基础。 正火后 组织变成了片状 P 和片状渗碳体,此时的钢的切削性能较好,硬度 较低, 便于切削加工。 在进行粗加工后组织内部可能会产生一些残余应力, 影响 后续热处理工艺, 于是需要用去应力退火来消除组织应力。 一般去应力退火加热 温度低于回火温度,故取 540℃,再保温 2小时,以防止产生新的残余应力。 完成上述工序后 40Cr 的性能任未满足曲轴的要求,需要进行更进一步的操 作,即最终热处理,在这里选择的是调质处理以及表面高频淬火。

对于调质处理, 40Cr 是亚共析钢, 淬火温度为 Ac3+30到 50℃, 所以取淬火 温度为 830℃,而 40Cr 淬透性较好,为了避免 40Cr 钢在淬火时出现淬裂现象, 因此选择淬火介质——油,保温 10分钟。淬透之后采用高温回火,加热温度在 560℃左右,保温两个小时空冷。

实现淬火的必要条件是加热温度必须高于临界点温度以上, 以获得奥氏体组 织, 其冷却速度必须大于临界冷却速度, 而淬火得到的组织是马氏体或下贝氏体。 对 40Cr 进行淬火前,其组织状态为珠光体,而淬火后组织为马氏体。马氏体具 有很高的硬度,但很脆,所以需要高温回火来提高韧性适当降低硬度。回火后 40Cr 的组织为回火索氏体,保留了淬火效

应,索氏体均匀细密,晶粒细小,具

有良好的硬度与韧性。

但是曲轴的表面要求有良好的耐磨性, 调质态的硬度远远不够, 因此需要进 行表面热处理即高频淬火与低温回火来增加表面硬度及其耐磨性。 通过表面热处 理可以再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。

对于 40Cr 曲轴的表面热处理采用高频淬火+低温回火,利用高频淬火炉进 行淬火,淬火温度在 860摄氏度(普通淬火温度+30~200℃ ,油冷。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。

经过高频淬火以后, 表面得到的并不是所需要的针状马氏体, 而是粗大的组 织。 其原因是高频淬火时加热时间太长而引起的。 这种粗大的组织硬度比细马 氏体降 低很多。 因此是不希望获得的组织, 在加热时一定要严格控制温加热温 度范围和加热时间。 得到颗粒大小均匀, 综合性能良好的回火索氏体, 其表层为 针状马氏体,而心部则保持了原始的组织与性能。此时 40Cr 的材料性能已经基 本符合制作曲轴的要求 . 可以投入生产中了。

这次曲轴的热处理设计通过选用 40Cr 钢,加上合适的热处理工艺,即正火 →调质处理, 获得良好的综合机械性能, 可以很大限度的提高曲轴强度, 并且通 过高频表面淬火工艺,可以很好的提高曲轴的表面硬度以及表面耐磨性。在对 40Cr 钢进行热处理时由于淬透性比

较好,很容易出现淬裂,所以对选择淬火介 质是要选择冷速较慢的介质比如空冷、 油冷等等。 加热保温时间应严格控制, 避 免在调质回火时保温时间过短所引 起的硬度过高, 同时避免保温时间过长引起 晶粒粗大。