曲轴选材及质量控制

johnhejunlin

发动机曲轴是汽车上的一个关键件，其性能好坏直接影响汽车的寿命。曲轴工作时承受交变的弯曲—扭转载荷和一定的冲击载荷，轴颈表面还受到磨损。从而在各部分产生弯曲、扭转、剪切、拉压等交变应力。常见的失效形式为弯曲疲劳断裂及轴颈磨损，因此要求曲轴材质具有较高的刚性和抗拉强度、疲劳强度、表面强度以及良好的耐磨性能，同时心部要有一定的韧性，这就对材料的基体组织和表面组织提出了不同的要求。下面就从材料角度对其进行探讨。

一、基体材料选择：目前，国内普遍使用的曲轴材料主要有锻钢和球墨铸铁两类。汽车行业标准QC／T481《汽车发动机曲轴技术条件》对汽车发动机曲轴材料的选用有具体规定。下面就不同材料类型的特点进行介绍：
1、 锻钢曲轴：目前又有热处理锻钢曲轴及微合金非调质钢曲轴。
热处理锻钢曲轴，这类曲轴多采用精锻中碳钢或中碳合金钢，需要采用调质(或正火)热处理来提高强度并改善加工性能。锻造曲轴由于需要热处理，工艺较复杂，需要时间多，而且能源消耗较大。为此，已有采用锻钢利用锻造余热淬火，来增加淬透性，提高硬度、抗拉强度、冲击韧性和延伸率，从而降低毛坯成本的方法。
微合金非调质钢曲轴是近年来发展起来的新钢种，微合金非调质钢强化机理不同于调质钢。调质钢是将轧、锻后钢材重新加热淬火再经高温回火获得所需组织性能。而微合金非调质钢是在轧制温度下，使钢中V，Nb，Ti等合金碳氮化合物较充分溶入奥氏体，使奥氏体充分合金化，在轧、锻冷却过程中析出大量微细弥散分布的合金碳氮化合物，并发生沉淀强化及先共析铁素体（晶内铁素体）呈细、小、弥散析出，分割和细化奥氏体晶粒使钢的强度与硬度增加，基体组织显著强化。为此，获得相当调质钢经调质处理后的综合力学性能，由于省去了调质处理工序。其优点是可省去调质(或正火)处理工艺，具有明显的简化工艺、节时节能效果。同时可改善切削加工性能，提高劳动生产率，微合金钢与调质碳钢相比可降低成本7%-11%，与调质合金钢相比可降低成本11%-19%。国外汽车应用微合金非调质钢曲轴已十分广泛，德国的Benz、意大利的Fiat、美国的Ford、日本的三菱和丰田汽车公司都有部分汽车发动机曲轴采用非调质钢。国内一些合资汽车制造厂在引进生产工艺、技术的同时，所使用的材料为进口非调质钢，虽然部分材料已逐渐国产化，但仍按相应国外标准要求进行生产，如上汽、长安汽车、江铃汽车使用德国牌号49MnVS3生产汽车发动机曲轴等。
48MnV钢为Mn-V系铁素体-珠光体型非调质钢，为了获得较好的综合力学性能，在成分控制上，将C含量控制在中下限，Mn含量控制在中上限，并往钢中加入一定量的N和Ti，以提高强度和细化晶粒，钢中加N是通过往钢中加入氮化锰来实现的，只靠加Ti来细化48MnV钢热轧材是有限的，加入少量的Ti后再加入少量的Nb可以显著细化晶粒。加入约0.025%Nb可使48MnV热轧圆钢的实际晶粒度稳定保持在5.5级以上，使钢的冲击韧性明显提高并且稳定，最终能获得较高的综合力学性能。
铁素体-珠光体型微合金非调质钢目前用量最大，对于微合金非调质钢还有贝氏体微合金非调质钢，马氏体微合金非调质钢，目前已经在汽车行走部件和建筑机械方面得到应用。同时，继铁素体-珠光体(F-P)型、贝氏体(B)型、马氏体(M)型微合金非调质钢开发应用以后，F-B型、F-M型复相微合金非调质钢因成本低，性能优而逐渐被开发利用。
2、球墨铸铁曲轴 球墨铸铁比钢轻约10%，无残留应力，加工时产生的缺陷少，面且球墨铸铁减振性、耐磨性、对缺口敏感性等优于锻钢。铸造曲轴与锻造曲轴相比，可使连杆轴径中空，减轻回转质量，且可减少轴拐角处的应力集中。球墨铸铁曲轴，尤其是铸态球墨铸铁曲轴，具有生产工艺简单、能源消耗少、生产成本低、生产效率高等优点。球铁要取代锻钢，重点是提高韧性，尤其是动态韧性，可采用如下方法：细化晶粒和显微组织；尽量降低有害杂质含量；球化或钝化、分散弱相(如石墨)以减小应力集中系数；生成或引入韧性好的不连续组织(如ADI球铁中的残余奥氏体)来提高性能。　
球墨铸铁曲轴主要采用正火处理。为提高力学性能，也可采用调质或正火后进行表面淬火、贝氏体等温淬火等工艺。随着生产技术的成熟，铸态珠光体球墨铸铁曲轴逐步代替了正火球墨铸铁曲轴。由于石墨球数增加、基体组织全为珠光体，因而铸态下就能获得较高的机械性能。铸态曲轴不需正火热处理，这样不仅简化生产工序、降低能源消耗和生产成本，还避免了人为因素产生的内应力，从而减少了曲轴在切削加工后进行表面淬火强化处理时的变形倾向。　目前，球铁取代锻钢的最大障碍就是强度和韧性有限。但是随着高强度、高韧性球铁，尤其是奥氏体等温淬火球铁(ADl)技术的日趋成熟，凭借其高强度、高韧性、成形性能好、成本低、综合机械性能优良等诸多优点，必将在更大范围内取代锻钢。
ADI是近年来在铸铁冶金中的重大发现之一。将球铁加热到897℃附近，奥氏体化溶解碳，然后进入247℃-397℃盐浴中急冷，以防止出现珠光体，并保温1h-2h，最后急冷到室温，获得基体为奥氏体加贝氏体混合组织的ADI材料。通常在其中加入少量Ni、Mo或Cu来提高硬度。富含碳的残余奥氏体比较稳定，韧性好且不连续，这极大地提高了材料的性能。它的另外一个突出特点是加工感应相变形成马氏体。且仅是加工部分产生硬化，提高了强度和耐磨性，此种硬化效果具有持续性。ADI材料可被用来制造承受高负载的曲轴，而通常条件下；普通球铁材料是达不到这么高的要求的。ADI材料的开发提高了球墨铸铁类材料的机械性能，拓展了球铁材料的应用空间。由于其价格低廉，设计自由度大，经不同温度等温淬火处理后，具有高强度、高韧性、耐疲劳和耐磨性能，因此是一种非常有发展前途的材料。

二、表面处理：
1、曲轴轴颈感应加热淬火，虽然大幅度提高了轴颈耐磨性，但由于轴颈与曲柄连接的圆角Ｒ处未淬火，连接处产生较大的拉应力，使曲轴的疲劳强度有所降低。为适应大功率的汽车、拖拉机、柴油机的需要，采用轴颈、圆角同时感应加热淬火的方法十分有效，不仅可以消除轴颈与圆角交接处的拉应力，而且使圆角处产生较大的压应力，因而大大提高了曲轴的疲劳强度。锻钢曲轴经轴颈、圆角同时淬火（硬化层在整个圆角处除深度满足图样规定外，还应控制硬化层的形状分布，硬化层在整个圆角处完整延续并圆滑过渡）后疲劳强度可提高一倍以上，球墨铸铁曲轴可提高30%左右，球铁为较大幅度提高疲劳强度往往采用圆角滚压或圆角滚压加渗氮工艺。
球墨铸铁曲轴经圆角、轴颈同时感应加热淬火后疲劳强度虽有显著提高（30%），但圆角滚压更具有强化效果显著、效率高、成本低等优点。铸态珠光体球墨铸铁曲轴经圆角滚压后，其弯曲疲劳极限提高幅度可达100%以上，远高于其他工艺的强化效果，使球墨铸铁曲轴的疲劳极限水平达到甚至超过同尺寸的锻钢曲轴。曲轴圆角滚压加工方面，德国赫根塞特（HEGENSCHEIDT-MFD AUTOMATIC）生产的机床应用了变压力滚压和矫正专利技术，是比较好的圆角滚压设备，但价格昂贵。东风汽车公司经10年研究，先后开发出QS-1型专用和QR-1型通用曲轴圆角滚压机床，曲轴弯曲变形的滚压校直专家系统，并在6102D2柴油发动机中取代原锻钢曲轴，投入批量生产。
球墨铸铁曲轴采用圆角滚压工艺与离子氮化结合使用进行复合强化，可使整条曲轴的抗疲劳强度提高130%以上。国内部分厂家近几年进行了这方面的实践，取得了良好的效果。
汽车、拖拉机曲轴往往采用铁素体氮碳共渗处理，其渗层虽然很薄，但具有摩擦系数低、提高抗咬合抗擦伤能力、提高疲劳强度与耐磨性等优异性能，且处理温度低、时间短、热处理畸变小、节能效果显著、工艺费用较低等优点，因而得到广泛采用。
圆角磨削加工后的表面粗糙度对曲轴的疲劳寿命有直接影响，若在圆角处出现台阶、烧伤，此处即为疲劳裂纹的起源，将造成曲轴的早期损坏。

以上所有介绍，关于显微组织的控制、判断方面，因过于专业，涉及内容较多，故不予赘述。

上述内容为平时收集的各类学习资料中整理而来，并在其中融入了自已的一些看法，提供给大家参考，若大家认为对工作有所帮助，我就希望接下来能对发动机的一些主零件均作一点类似的工作。

johnhejunlin

没人看...
这个是制造曲轴的好东西啊

znsxlzn

本人曲轴加工，受教了