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1、材料技术与发动机工材中心 材料室2009-02-26,1 前言2 固态材料 2.1 机械工程（固态）材料分类、应用与发展 2.2 钢铁产品是机械工程材料的主要来源 2.3 金属零件常用毛坯的五大来源 2.4 金属材料的性能3 柴油机零件设计对材料及其热处理工艺选择的考虑4 柴油机零件的选材与热处理工艺 4.1 柴油机常用材料构成 4.2 典型零件 机体 曲轴 凸轮轴 连杆 挺柱 三对偶件 齿轮 弹簧 紧固件 冲压件 气门 轴瓦 有色金属,材料科学与发动机工材中心 2009年02月1 前言 19世纪末，德国人Nicolaus August Otto 发明了奥拓热力循环，奠定了汽油机的发展基础。1
2、892年，Rudolf Diesel在他的第一个专利中，写下了对柴油机的设想；1893年，他的第二个专利被认定为新发动机发明的基本专利申请；历尽坎坷，1897年2月17日，奥格斯堡机械厂制造出的世界上第一台柴油机，在MAN公司的试验台上进行了验收，DIESEL诞生了。百余年过去了，柴油机无论是机型、功率，还是功用得到到了空前的扩展，成为现代工业文明的重要标志之一。在1986年初伦敦新闻画报发起的编制现代世界奇迹名单的活动中，内燃机入选“现代七大奇迹”。 一台柴油机所用材料涉及钢、铸铁、有色金属及其合金、橡胶、塑料等。,2. 固态材料 物质多以三种状态存在：固态、液态、气态。柴油机的构成离不开对
3、三种形态物质(机械工程材料、油料与空气)的利用。 2.1机械工程（固态）材料分类、应用与发展,2.2 钢铁产品是机械工程材料的主要来源,2.3金属零件常用毛坯的五大来源,2.4 金属材料的性能,3. 柴油机零件设计对材料及其热处理工艺选择的考虑 一个成功的零件设计，必定集合理的选材、合理的结构、合理的工艺于一体，实现“设计正确、材料得当、工艺流畅”。,4. 柴油机零件的选材与热处理工艺4.1 柴油机常用材料构成 首先，以上柴公司6135G柴油机为例。公司参考美、德、英、法、苏联、瑞士、奥地利、捷克、日本等国100多种样本，最后性能指标定为不高于苏联B2-300、不低于T54柴油机的水平。195
4、8年5月自行设计出第一代6135柴油机，在当时我国的工艺装备条件下，该机的设计、工艺、材料有很多大胆创新，居于国内先进水平。,再以114柴油机为例，随着技术的进步，与6135柴油机大量采用铸铁件，钢件比例低，单机重量大相比，D6114柴油机单机重量640Kg左右，选用钢件比例大；在功率相当的情况下，后者重量仅约为前者的55%！,4.2 典型零件4.2.1 机体 机体是柴油机的骨架、各种零部件安装的载体。其工作特点要求具有较高的强度和刚度。,案例1：1997年05月，两台AVL-D6114在试车考核过程中，机体开裂。该机体采用HT250铸造。,案例2： 2007年10 SC9DF柴油机在考核过程
5、中机体（材料为HT250）开裂。该机体第一次与进口缸盖配对，曾进行过1500h热冲击试验，通过考核；之后再与国产新缸盖配对，在进行500h热冲击试验，进行到430h时，发现其开裂。试验显示，该机体Rm强度为230-255MPa，无异常。,4.2.2 曲轴 曲轴承担着柴油机功率输出的重任，在高速运转过程中承受多种应力作用，须具备良好的抗弯曲疲劳性能。 制造曲轴的材料包括两大类：,曲轴案例1：发动机与整车离合器配套不当的批量断裂失效事件,左图：主轴颈推力轴瓦与一侧轴肩非正常磨损，形成裂纹，并以此为断裂源，致使曲轴疲劳断裂,右图：推力轴瓦对应一侧的翻边磨损殆尽。,曲轴案例2：钢材锻造比低致使曲轴早期
6、断裂,直径170mm棒材锻造114曲轴，用1.1t锭开坯锻致曲轴毛坯，锻造比仅4.3，基体存在大量未击碎树枝晶；锻造流线差，致使曲轴在公司内试车即发生断裂,研究表明：锻压比对钢的性能有显著影响。 以40CrNiMoA钢为例，随着钢的锻压比提高屈服强度相应提高；当锻压比大于8，屈服强度不再提高,柴油机在试车时发现飞轮端渗油冒泡，打开后发现，主轴心部已经劈裂，且断面呈木纹状）,曲轴案例2+：钢材锻造比低致使曲轴早期断裂,曲轴案例3： D6114ZLQ10B柴油机，配洛阳福塞特车，运行9984km后断裂。,锻造时曲柄臂出现凹陷，用低碳钢焊条进行补焊。,曲轴案例4：曲轴油孔加工缺陷致使曲轴断裂发动机运
7、行约6万km后于连2曲柄臂处断裂，断口与轴向呈45，疲劳源位于淬火硬化层之下的次表层，形成于油孔内壁。内壁粗糙，加工痕迹过深引起应力集中,案例5： 云南河口县压路机运行约900h曲轴（松林）断裂发动机型号D6114ZG2B,QT7003：轴颈中频淬火（4555HRC,淬硬层要求2.04.0mm)园角滚压强化 问题：局部铸造缺陷（曲柄臂浅表层内有异常块状凸起物等）中频感应淬火着色状态极差（淬硬层最深仅1.2mm）,曲轴案例6： 湖南益阳某客户的欧曼卡车，配6C260发动机，运行约12100km曲轴(SAE1548)断裂,主轴肩与曲柄臂呈折线过渡处，且该处恰好为淬火与非淬火分界,曲轴案例7：,轴颈
8、圆角处感应淬火不当，有效硬化层深度为零！,4.2.3 凸轮轴凸轮轴驱动气门，在长期的运转过程中，要求凸轮表面耐磨并保持设计的桃形不变。因此，凸轮与挺柱这对摩擦副的匹配性是选择凸轮材料的主要依据。,凸轮轴案例1： 20Cr材料；机号B0329657 D6114ZLQ18A配红岩货车，累计行使45000Km，46和60轴承档的过渡圆角存在火裂纹，导致疲劳断裂。,凸轮轴案例2： 50Mn材料；件号D09-101-30d（Mn）、6C280配欧曼重卡、寿命1天。,（1）凸轮轴轴颈表面存在锻造折叠，形成疲劳源。（2）正火不良，基体强度不足。,凸轮轴案例3： 50Mn材料；件号D09-101-30e 断裂
9、原因（1）基体正火强度不足，仅为360MPa；（2）轴颈车削刀痕严重， 形成疲劳源。,4.2.4 连杆连杆是将活塞直线运动转变为曲轴旋转运动的关键零件，它要求具备合理的结构形状与尺寸，杆身须具有足够的抗拉抗压强度与刚度等综合的力学性能；此外，对连杆的流线有严格要求，即流线方向与连杆外形基本一致，无回流、中断，或边缘大于45的纤维开口。,连杆案例1：机号A106000728的6135K-9b柴油机配套装载机，服役约4个月，连杆断裂，导致活塞、机体等打坏。 原因：连杆杆身锻造折叠。,连杆案例2： 因连杆轴瓦失效导致连杆失效。,4.2.5 挺柱 挺柱与凸轮的接触方式对这一对摩擦副的工况及寿命影响很大
10、。理论上讲，挺柱与凸轮呈线接触；实际上，由于材料的变形因素，实为矩形接触。另外，由于加工与装配的误差和零件变形，还可能出现点接触、锥形接触、椭圆形接触等多种形式。 人们在改善这对摩擦副性能方面做了大量工作，包括作为新技术革命典型例证之一的“陶瓷发动机”也与挺柱有关，即在挺柱底平面钎焊一层薄韧性陶瓷板。如：日本一家公司在氮气氛中钎焊一层烧结氮化硅（GPSSN），与超硬合金挺柱进行性能对比；在挺柱间隙为零、油膜易中断条件下，陶瓷挺柱加载为实机的120%未见异常，而超硬合金挺柱加载为实机的70%，即发生激烈的擦伤。日本从1993年起开始大量在中型卡车的发动机上应用这一新技术。,4.2.6 三对偶件燃
11、油喷射泵有“柴油机心脏”之称，三对偶件（柱塞与柱塞套、出油阀与阀座、针阀与针阀体）起着泵油和高压喷射的作用，工作过程中，将可能产生下述的磨损：,针对上述情况，三对偶件采用的材料和工艺，须满足耐磨损、耐腐蚀、变形小、显微组织稳定等要求。,4.2.7 齿轮类零件 齿轮类零件是柴油机的重要组成部分，轮系承担传递运动的任务，需要具备足够的齿面硬度、耐磨性、抗接触疲劳性能，轮齿抗弯曲疲劳性能。,齿轮案例1：疲劳断裂 轮齿似一悬臂梁，在载荷的反复作用下，齿根产生循环变化的弯曲应力，当该处的应力超过其疲劳极限时，即形成疲劳裂纹并逐步扩展，最终造成疲劳断裂。造成轮齿疲劳断裂的原因主要有：（1）齿根过渡圆角过小
12、；（2）齿根处粗糙度过高；（3）加工轮齿时，在齿根处形成有害刀痕或拉伤；（4）热处理裂纹；（5）轮齿心部硬度或齿根部硬度过低；（6）安装不当，齿轮啮合处接触长度不足，导致齿轮有效承载区域减小等。,齿轮案例2：疲劳磨损 当两齿轮面作滚动或滚动+滑动摩擦时，在交变接触应力长期作用下，齿面材料因疲劳损伤导致局部区域产生小片或小块状金属剥落现象。 齿轮疲劳磨损的宏观特征：节圆线附近的齿面出现许多针孔状或豆状凹坑，有的凹坑较深，呈贝壳状，存在疲劳裂纹发展纹理。,疲劳磨损的根本原因是齿面最大接触应力大于材料的接触疲劳极限，随着载荷的多次重复，轮齿表层产生微裂纹并扩展，最终扩张至齿面形成剥落块。提高柴油机齿
13、轮的抗疲劳磨损性能的手段可分为两种：1）改善内部影响因素(1)生产上尽量减少齿轮钢材中的非金属夹杂物，特别是氧化物类和硅酸盐类，有条件情况下，应采用电渣重熔、真空冶炼等工艺；(2)严格控制齿轮的热处理组织状态，如马氏体级别、残余奥氏体数量、脱碳层深度、表面硬度和心部硬度、表面有效硬化层深度以及残余应力等。2）优化外部环境(1)提高齿面的光洁程度与齿轮啮合的接触精度；(2)合理设计齿轮间的硬度匹配；(3)适当使用粘度大的润滑油，减轻润滑油向齿面微裂纹中的渗入，从而减缓裂纹的扩展；(4)避免过载等。,齿轮案例3：腐蚀磨损 若齿面之间或者齿面与环境介质发生化学反应形成腐蚀产物，并在齿面的啮合过程中剥
14、离，则这种腐蚀产物的形成和剥离作用会使齿面产生了腐蚀磨损。此类磨损常与粘着磨损、磨粒磨损共存，所以又称腐蚀机械磨损。,由于柴油机齿轮工作环境较为封闭，并且覆有油膜，故齿轮失效事故中鲜见腐蚀磨损。此类事故原因一般有：润滑油质量低劣、用户使用维护不规范，或者工作环境特殊等。,齿轮案例4：磨粒磨损 啮合齿面之间存在硬质粒子而产生。主要发生于开式传动齿轮，闭式传动齿轮由于密封和润滑条件较好，通常不会发生磨粒磨损，但同样应该注意润滑油的清洁和更换，特别是新齿轮跑合后，若未予清洗，则跑合过程中产生的金属屑污染润滑油，也可能造成磨粒磨损。,齿轮案例5：粘着磨损 齿面金属在一定压力下直接接触发生粘着，同时随着
15、齿面的相对运动，较软轮齿的表面金属被较硬齿面撕落，在齿面滑动方向上形成沟纹。,主要原因：润滑不足，润滑油温过高，擦副表面无氧化膜，过载等。措施：优化润滑方式；限制润滑油温；使用抗胶合添加剂的合成润滑油；适当的跑合，增大齿面的实际接触面积、使齿面产生加工硬化，并且在齿面形成牢固的氧化膜，这些均可提高齿轮的抗粘着磨损能力；加强维护和保养，避免过载。,4.2.8 弹性零件柴油机的弹性零件甚多，零件虽小，一旦失效，后果很严重，如气门弹簧、燃油喷射泵弹簧、调速弹簧、喷油器调压弹簧。柴油机上的弹性类零件常用材料主要包括：,弹性案例： 柱塞弹簧在盘制过程中断裂。原因：钢丝表面质量状况差，存在折叠。,4.2.
16、9 紧固件 紧固件是柴油机使用广泛的零件。柴油机上的专用紧固件，如连杆螺栓、气缸盖螺钉、主轴承盖螺钉等，常在（近）屈服区工作，螺栓的尺寸精度、力学性能、表面处理的要求是相当严格的。,4.2.10 冲压类零件 柴油机上有些零件经薄钢板冲压而成，如气缸盖罩壳、油底壳、曲轴箱门板等。冲压件质轻、且有一定结构强度，用冲压方法制造形状复杂的零件，其优越性是其它工艺方法无法比拟的。 冲压件，尤其是大变形量的深冲压件，对钢板的质量要求很高。该类钢板一般含碳量极低，钢的纯净度要求高，基体显微组织主要为铁素体，以确保较强的冷成型能力。如08钢的碳含量为0.05%-0.08%；宝钢的深冲塑性板材（IF钢）含碳量0.008%，Rm为260330MPa,
