汽车发动机曲轴材料的选择及工艺设计

专业课程设计任务书

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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，提出机械性能规定和技术规定。

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、制订热解决工艺卡，画出热解决工艺曲线，对各种热解决工艺进行分析，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、分析热解决过程中也许产生的缺陷及补救措施。

6、分析零件在使用过程中也许出现的失效方式及修复措施。

目录

0 前言…………..………….………………………….……….1

1 汽车发动机曲轴的工作条件及性能规定…………....…….2

1.1 汽车发动机曲轴的工作条件………..……………….………………3

1.2 汽车发动机曲轴的性能规定及技术规定………………...…………3

2 汽车发动机曲轴的材料选择及分析……………………….4

2.1 零件材料选择的基本原则…………………….………….……….....4

2.2 曲轴常用材料简介………………………………………...................5

2.3 汽车发动机曲轴材料的拟定……………………………...................5

3 曲轴的加工工艺路线及热解决工艺的制定…………..……....…..6

3.1 35CrMo曲轴热解决规定………………………………………….....6

3.2 汽车曲轴的热解决工艺的制定……………………………………6

3.2.1 调质解决……………………………………….…………...............7

3.2.2 去应力退火……………………………………….………...............8

3.2.3 圆角高频淬火和低温回火………………………….………...........9

4 曲轴热解决过程中也许产生的缺陷及防止措施………...11 4.1 校直过程引起材料原始裂纹…………………….............................11

4.2 曲轴圆角淬火不妥引起裂纹源……………………………….........12

4.3 淬火畸变与淬火裂纹………………….............................................12

4.4 淬火导致氧化、脱碳、过热、过烧………………...........………..13

4.5 淬火硬度局限性.....................................................................................13

5 曲轴在使用过程中也许产生的失效形式及分析…...........13

6 课程设计的收获与体会…………………................……...14

7 参考文献…………………………………….......................15

8 工艺卡…………………………………....................….......16

0 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个整体平衡块的规定。在机型改造的过程中，一方面碰到的问题就是曲轴强度局限性，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规定。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重要途径。

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，曲轴的性能在很大限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，受力大并且受力复杂，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；对各轴颈的润滑应当充足。

此外，曲轴在发动机中承担着最大的负荷和所有的功率，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，圆角过渡处处在薄弱环节，主轴颈与圆角的过渡处更为严重。因而，需要合适的热解决工艺，以保证其达成所规定的各项性能指标。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。

1 汽车发动机曲轴的工作条件和性能规定

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，受力大并且受力复杂，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规定及技术规定

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；对各轴颈的润滑应当充足，需要合适的热解决工艺，以保证其达成所规定的各项性能指标。

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规定。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，锻钢需要进行热解决采用调质，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。球墨铸铁曲轴采用等温回火、中频淬火、激光淬火等热解决工艺。

为此，对曲轴提出以下技术规定：

硬度：216～269HB

2 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 ，提出对零件的技术规定 ，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重要内容零件的失效除了与材料及热解决有关外 , 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

金属零件是由金属材料通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规定。所艺性能中 ，不可忽视热解决工艺性 。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规定期应尽量选用碳钢。

（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 ，以减少生产成本。

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 700

N/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品体情况，攒泽不同的性能材料。目前，我国的汽车曲轴分类大体分为家用轿车、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，拟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，选择满足我们工艺规定的材料。

常用曲轴材料及其热解决工艺见表1。

表 1 常用曲轴材料及其热解决工艺

用途 材料 基本热解决 表面解决

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 2～4.5 55～66

50Mn 调质 217～277 氮碳共渗：570℃、180min、油冷 >0.5 ≥500HV

QT700-2 正火

载重车 QT700-2 正火

45# 正火 163～169 感应淬火、自回火 3～4.5 55～66

45# 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 ≥300HV

QT900-2 正火+回火 280～321

35CrMo 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 ≥600HV

35CrMo 调质 渗氮490℃、40h ≥0.5 ≥550HV

42CrMo 调质 感应淬火或渗氮 2.3 汽车发动机曲轴材料的拟定

(1) 选材规定: 一方面，应满足曲轴的力学性能，它取决与发动机设计的强度水平。另一方面，考虑曲轴的疲劳强度和耐磨性。（与材料自身的成分及热解决后的性能有关）。

(2) 曲轴材料的规定根据JB∕T6727，曲轴对材料的规定如下：

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。

不同材料所含重要成分的含量见表2

表2 不同材料所含重要成分的含量

钢号 重要化学成分

C Mn Si Cr Ni Mo

45 0.42～0.5 0.5～0.8 0.1～0.3

40Cr 0.37～0.4 0.5～0.8 0.2～0.4 0.8～1.10

40CrNi 0.37～0.4 0.5～0.8 0.2～0.4 0.4～0.75 1.0～1.4

40CrNiMoA 0.37～0.4 0.5～0.8 0.2～0.4 0.6～0.9 1.25～1.7 0.1~0.2