汽车发动机曲轴的热处理工艺
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摘要：本文对一般汽车发动机曲轴的各项性能与技术参数进行了分析,制定出相应材料(35CrＭｏ）曲轴的热处理工艺方案，在工艺试验的基础上对方案进行了验证与改进,保证曲轴的各项性能达到要求。
关键词：曲轴热处理工艺３5CrMｏ调质高频淬火
目录
1.引言 (3)
２.曲轴的服役条件与失效形式............................................................３ 2.1．服役条件 (3)
2.2.失效形式……………………………………………………………………４
3.技术要求与材料的选择 (5)
3．1 锻钢曲轴热处理的技术要求 (5)
3.2 材料的选择 (5)
３.2.1选材条件 (5)
3． 2.２锻钢曲轴材料的要求………………………………………………５
3.２.３备选材料的化学成分与力学性能的对比与分析 (5)
3.2.４材料的确定 (6)
4.加工工序…………………………………………………………………………６
5.具体热处理工艺的制定与用材分析 (7)
５．１35CｒMo热处理的技术要求 (7)
5.２具体工艺与用材分析 (7)
５.２． 1 原始材料的组织与性能………………………………………………７
5．２.2调质工艺与用材分
析 (8)
5.2.2.1调制工艺参数的确定 (8)
5.2.2.２组织性能分析 (8)
5.2.３去应力退火…………………………………………………………
10
5.2．４表面处理 (10)
5.2.4.１表面热处理工艺……………………………………………
10
5．2．4．2组织性能分析………………………………………………１1
6．结论 (12)
7．参考文献 (1)
４
致谢 (15)
1．引言
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。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。
图(１).曲轴结构示意图
2．曲轴的服役条件与失效形式
2.1.服役条件
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－-扭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。
2.2 失效形式
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。(如图２)
图（2)、磨损的曲轴
3．技术要求与材料的选择
3.1 锻钢曲轴热处理的技术要求
气缸直径小于或等于20０mm的往复活塞式内燃机曲轴的热处理技术要求
预备热处理
项目锻钢
最终热
处理（感
应加热
淬火)
淬硬层深度
D S∕ｍm
2.0~4.5
毛坯硬度（ＨBS) 调制207~３02
硬度（HＲＣ）≥53 同一曲轴硬度差(HＢS) ≤5０
同曲轴硬度差
（ＨRC）
≤６显微组织
(体积分数)
索氏体
1～4级
显微组织
细针状M
1～3级
３.2 材料的选择
3.２.1选材条件
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）
３．2.2锻钢曲轴材料的要求
根据JB∕T6727。锻钢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）。
②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。
3.2.2备选材料的化学成分与力学性能的对比与分析
各种适合曲轴材料的化学成分及机械性能（质量分数) 钢号
主要化学成分
C ＭｎSi Cr Ｎi Mｏ
45 0.42~0．５
0．５~
０.8
0,17~0.37
40Ｃｒ
０.37~
０.45
０．5~0.8 0．２~0.４０.8～１.10
４0CrＮｉ
0.37~０.４
４０．5～
0.8
0.2~0．４0.4７~０.75 1.0~１.4
40CｒNiＭoA 0．３
7~0.44
0.５～
０.8
0.2~0.4 ０.６~０.9
１.２5～
１．75
0．15～0．２
5
35CrMｏ
0.３7~
０．４o．47~0.
７
０.2~0．4 0.8~1.10 0.15~0.25
钢号
σb
MPａσs
ＭＰa
δ5
％
Ψ
％
ak
(Ｊ·cm-2)
毛坯尺寸
mm
45 ９﹤１00
40Cr 1 25 4０CrNi 1 0 ２5 4０CrNiMo
Ａ
1 00 25 35ＣrMo 1 0 25 3．2．４材料的确定
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
机的材料。
4.加工工序
（锻坯）调制(淬火＋高温回火）→矫直→清理→检验→粗加工→去应力退火→
精加工→表面热处理（高频淬火＋低温回火）→矫直→磨削→检验
5.具体热处理工艺的制定与用材分析
5.1 35CrMｏ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HＲC
35 ＣrMo 调制2１6~２69 高频淬火+
低温回火
３~5mm ５３~５8
5.２具体工艺与用材分析
5.2.1原始材料的组织与性能
本次实验采用φ15 （ｍｍ）棒材。图3为4％的硝酸酒精腐蚀过的材料原始状态的金相显微图。
图(３).３5ＣrMo退火态（50０x)
从其显微组织图上可观察到其组织为铁素体基体上分布着层片状的珠光体(F+Ｐ)。其组织结构均匀。
其初始态的力学性能:
HＲC：3２3031 3１31 ３1 3０３1 3１
从以上数据可以看出其力学性能均匀。
５.2.２调质工艺与用材分析
5.2.2.1 调质工艺参数的确定
淬火温度:由于35CrMｏ是亚共析钢,所以淬火温度取ＡC3＋30～５０℃,所以可确定出材料的淬火温度应为850℃较合适。其保温时间可由经验公式ｔ≈（１.2～1．5）?D ,由于实验室一般取上限所以可得出淬火保温时间大约为２5mi ｎ。
淬火介质：油淬
回火温度：56０℃
保温时间: 1h
回火介质：油
加热设备:箱式电阻炉
调制工艺图
5.2．2．2 组织性能的分析
试样经淬火(未回火)后的金相组织如图（4).可以看出其显微组织为板条马氏体。硬度测得在51～5３HRC之间，且硬度分布均匀。淬火时,冷却介质选用油淬。这是因为油冷冷速在５00～35０℃时最快,其下比较慢。这种冷却特性是比较理想的,因而正好使钢的过冷奥氏体组织在最不稳定的区域有最快的冷速，如此,可获得最大的淬硬层深度;而在马氏体转变区有最小的冷却速度，可使组织应力减至最小，故减小了变形开裂倾向，有利于后续加工及处理。
由于淬火后获得的马氏体组织不够稳定,因此,需要高温回火获得稳定的组
织,回火索氏体。如图(5）可以看出调制后获得索氏体晶粒均匀细密，具有良好的硬度与韧性,其硬度值在３２HRＣ左右,且硬度值分布均匀，符合曲轴的技术要求。
图(4）35CrMｏ淬火态（500x）
图(5) 35CｒMｏ调制态(500x）
由于随回火温度的升高，马氏体的塑性韧性上升，强度硬度下降，因而，调质获得的组织具有良好的综合性能，使强度、塑性、韧性得到了良好的配合，且
改善了材料的机械加工性能，并为后续的热处理及加工做了组织上的准备。5．２.３去应力退火工艺
在热处理、切削加工和其他工艺过程中，制品可能产生内应力。多数情况下,在工艺过程结束后，金属内部将保留一部分残余应力。残余应力可导致工件破裂、变形或尺寸变化,残余应力也提高金属化学活性,在残余拉应力作用下特别容易造成晶间腐蚀破裂。因此，残余应力将影响材料的使用性能或导致工件过早失效。所以需要去应力退火来消除之前加工过程中产生的残余应力。
去应力退火工艺图
进行去应力退火时，金属在一定温度作用下通过内部局部塑性变形(当应力超过该温度下材料的屈服强度时)或局部的弛豫过程（当应力小于该温度下材料的屈服强度时）使残余应力松弛而达到消除的目的。在去应力退火时,工件一般缓慢加热至较低温度(一般小于回火温度２0℃）,保温一段时间后,缓慢冷却,以防止产生新的残余应力。
5.2.4 表面处理及用材分析
5.2.4.1 表面热处理工艺
目的:在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。
加热设备:GP—2５Ａ高频淬火炉
淬火温度：8６0——930℃
（普通淬火温度+3０~200℃)
冷却介质：水冷
回火温度:１60℃保温时间：１.5 回火介质:水
低温回火工艺图
5.２.4.2组织性能分析
图(6）（7) 分别为试样 1 的金相显微组织图。从图（6)可以看出,试样1 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。试样心部依然保持原来的组织不变,心部组织如图（7）,为颗粒大小均匀综合性能良好的回火索氏体。
图(６）试样 1 边部过热组织图(7)试样１心部的回火索氏体
图(8)试样２表面淬火层与心部的过渡图（9）试样2边界层针状马氏体图(８)（9)是由试样２做的对比实验。图(9）为高频淬火后的表层组织。组织为细小的针状马氏体。图(8)为表层与心部的过渡区域。由图可以看出,其表层为针状马氏体，而心部则保存了原始的组织与性能。
调质态的3５CrMo虽然具有良好的综合性能，但是曲轴的表面要求有良好的耐磨性,调制态的硬度远远不够，因此需要进行高频淬火来增加表面硬度及其耐磨性。由于高频淬火时,奥氏体成分不均匀，奥氏体晶粒得到了细化，且有残余压应力的存在，所以一般高频淬火或的硬度比普通加热淬火硬度高2～3个洛氏硬度单位,其抗疲劳性能和耐磨性都得到了显著的提高。
本次实验3５CrMo在高频淬火后表层硬度值达到53～５5HＲC之间,硬度在表层分布均匀。
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。
6.结论
35ＣｒMo材料有很高的静力强度、冲击韧性及较高的疲劳极限,淬透性较4０Cr高，而且相比４0CrNiMｏ又不含有贵重的Ｎi元素。高温下有高的蠕变强度与持久强度,长期工作温度可达500℃；冷变形时塑性中等,焊接性差。这种钢通常用作调质件,也可高中频表面淬火或淬火及低、中温回火后使用,适用于在高负荷下工作的重要结构件,特别是受冲击、震动、弯曲、扭转负荷的机件，如车轴、发动机传动机件、大电机轴、汽轮发动机主轴、轧钢机人字齿轮、曲轴、锤杆、连杆、?紧固件以及石油工业的穿孔器等。
通过选用35CrＭo钢作为曲轴的材料,并且通过合适的热处理工艺,调质工艺可获得良好的综合机械性能,满足曲轴的强度,循环任性等,但是表面的耐磨性远远不够要求，因此需要通过高频淬火来增加其表面的硬度与耐磨性。在淬火介质的选择上,选用油淬,因为油冷较水冷冷速小，可以减小变形开裂同时又减小了残余应力。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。在高频淬火之后进行回火时，回火温度应比普通淬火的回火温度低，以避免表面淬火后硬度的下降。
制样时需要保持试样短面的平整，以便于观察。
同时在实验时应按照规章制度及操作流程来工作,以避免不安全事件的发生。爱惜实验室仪器设备.
7．参考文献
【１】中国机械工程学会热处理分会;热处理手册第三版第二卷典型零件的热处理；背景：机械工业出版社；2０0１05
【２】Faｂr1cｅＧarciａ; 黄壮飞；苏仕桓；田卫华; 曲轴感应热处理［J]. 现代零部件 20０9年04期
【３】傅建红; 曲轴的热处理工艺改进[Ｊ］. 起重运输机械 20０6年１２期
【4】高一新；任伟霞; 李全安; 高速大功率柴油机曲轴的表面强化[J]. 热处理 2004年０4期
【5】胡佳富; 胡建立；浅谈柴油机曲轴的热处理工艺及材料的选择［Ｊ]. 山东内燃机 2002年02期
【6】刘光华; 张永秀; 李瑞；发动机曲轴的强度、材料与工艺[Ｊ]. 汽车工与材料２00１年09期
【7】王国佐,王万智.钢的化学热处理［M].中国铁道出版社19８0．
【８】孙秀敏 ;陈军政; 柴油机曲轴热处理工艺改进[J]. 金属热处理２001年04期
【9】朱华明,刘勋丰，刘富绪.发动机曲轴的失效分析[J］．国外金属热处理,2０02(2)：4５~46
致谢
首先 ,感谢西安工业大学材料与化工学院为我们提供了这次综合的机会。在此实验期间，不仅将自己的专业知识得到了加深巩固,
更是了解了所学知识在实际生产制造中的应用。通过亲自设计并且动
手这一过程,我对零件的生产工艺流程有了一定的了解,最重要的是
提高了动手能力以及独立思考能力。其次,感谢指导老师们，是老师
的精心教导促使我的这次实验能够顺利完成。再次,感谢我的同学们，
通过互相之间的讨论，使得实验方案更加完善。
最后,祝老师们身体健康, 工作顺利,事事顺心！
35ＣrMo汽车发动机曲轴的热处理工艺设计
院系：材料与化工学院
专业: 金属材料工程
学号： 0703０8１30
姓名：王敏
指导老师：刘健康