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1、先进的曲轴材料：发动机曲轴材料的综合介绍。根据它的发展历史以及对各种材料的化学成分、组织、性能、加工工艺、成本价格的比较分析,说明其发展趋势是以球铁曲轴替代锻钢曲轴,以铸态珠光体球铁曲轴替代热处理曲轴。球铁代钢的关键是提高韧性,自行研制的 QT7403 铸态珠光体球铁曲轴表明,铸态球铁性能达到了一个新高度。另外对几种曲轴新材料进行了分析。曲轴在工作中受到不断变化的燃气压力、惯性力及力矩作用,从而在各部分产生弯曲、扭转、剪切、拉压等交变应力。曲轴的重要性及其工作状况的复杂性,要求曲轴有较高的抗拉强度、疲劳强度、表面强度、耐磨性,同时心部要有一定的韧性。另外,应当顺应当今世界汽车材料的发展趋势,即
2、采用轻量化材料以减轻汽车自重,减少汽车的燃油消耗,节约石油资源,降低环境污染;选用和开发 替代材料简化零件生产工艺,降低生产成本。目前,国内普遍使用的曲轴材料主要有锻钢和球墨铸铁 2 类。锻钢材料一般为中碳钢和中碳低合金钢,如 45 钢、53 钢、35CrMo、40Cr 等。球铁曲轴牌号有 QT600 - 3、QT700 - 2、QT800 - 2、QT900-2、QT900-5。工业强国的球铁生产比重较大。尽管我国的铸铁产量居世界第二位,但其中球铁产量所占比重(17.8%)远低于法国(48.3%)、日本(40.0%)、美国(39.4%)、英国(36.7%)、德国(35.1%)、意大利(21.
3、6%),也低于世界平均水平(28.2%)。因此,我国有待于加强球铁生产技术的研究,进一步拓宽球铁的应用领域。特别是在国有汽车工业的开发中,显得尤为重要。总的说来,曲轴用材料的发展趋势是,以球铁曲轴替代锻钢曲轴,以铸态珠光体球铁曲轴替代热处理曲轴。1 锻钢曲轴1.1 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。另外,国外采用 45 钢经锻造余热淬火后,增加淬透性,以提高硬度、抗拉强度、冲击韧性和延伸率,从而降低毛坯成本。1.2 微合金非调质钢曲轴微合金非调质钢曲轴是近年
4、来发展起来的新钢种,通过添加 V、Nb、Ti等合金元素细化晶粒,强化钢的基体,提高钢的强度。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%。传统的调质钢需通过热处理工艺来提高强度,而且需加入昂贵的 Ni、Cr、Mo 等元素。自从联邦德国于 1972 年研制出牌号为 49MnVS3 的中碳微合金钢后,英国、法国、意大利、日本、前苏联、美国等也相继研制出不同牌号的微合金非调质钢以代替调质钢。例如,英国研制的 VANARD 系列低碳w(C)=0.3%
5、0.5%高锰w(Mn)=1.0%1.5%微合金钢与49MnVS3w(C)=0.48%0.56%,w(Mn)=0.6%1.0%,U 型缺口冲击能大于 15 J相比,在相同强度时可提高冲击能 33%。瑞典金属学院发现将w(Si)从 0.3%提高到 0.6%时,在对强度无影响的情况下可将冲击能提高25%。Nomura 等人2发现,将用 V 处理过的钢中的 w(S)提升至大约0.05%时,可有效提高韧性。Nippon Steel2发现向 0.42C-0.79Mn-0.26Si-0.11V 钢中加入 0.021%(指质量分数,下同)的 Ti,在 1250锻造,然后空淬,可将室温下 U 型缺口单位面积冲击
6、能由 34 J/cm2 提升至 50J/cm2。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。我国非调质钢的研究起步较晚,经过努力已研制出十几种非调质钢,如为解决康明斯发动机锻造曲轴用钢,东风汽车公司研制出一种新型曲轴用非调质钢 50MnVw(C)=0.44%0.56%,w(Mn)=0.80%1.3%,w(Si)=0.17%0.37%,w(S)0.035%,w(P)0.035%,微量V。2 球墨铸铁曲轴2.1 球墨铸铁代钢球墨铸铁比钢轻约 10%,无残留应力,加工时产生的缺陷少,而且球
7、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。锻钢曲轴价格是球墨铸铁曲轴的45 倍,因此球墨铸铁成本优势很大,在激烈的市场竞争中极具潜力。在欧洲,球墨铸铁曲轴的使用率大于 80%,锻钢曲轴小于 20%;在日本,两者的比例为 8020;美国 3 家大汽车厂(General Motors、Ford、Chrysler)生产的轿车和轻型车约 99%使用铸造曲轴。而轿车用量最大的直列四缸曲轴,全世界多已用铸铁代替了锻钢。对于
8、六缸柴油机曲轴,国外多沿用锻钢件,而我国由于缺乏大型锻造设备,在重型柴油机的设计和制造中,早已采用球铁曲轴。例如重型汽车公司设计的 6120、6130 等发动机;东风汽车公司在原 6100 汽油机的基础上改造成 6102 柴油机时,开发曲轴圆角滚压工艺和其专用设备,实现了六缸柴油机曲轴的球铁化。球铁取代锻钢用于重要零件时,先进工业国家考核 0.2 和 0.2/b 指标。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
9、。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(ADI)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。2.2 铸造热处理曲轴2.2.1 GH90-5 球铁意大利 Fiat 汽车公司开发的高强韧性球铁系列的综合性能指标为同类材料中最高,反映了当今国际先进水平。牌号 GH90-5 的球铁用于发动机曲轴,需经正火处理。南京汽车厂从该公司引进的 IVECO 轻型系列卡车的发动机曲轴材料为 GH90-5 球铁。南汽采用高温低硫原铁水,通过严格控制 Mn 和 P 的含量,加入 0.5%
10、0.8%的 Cu,用含 Ca 和低镁低稀土球化剂处理及硅铁随流孕育,再经过正火和高温回火处理,得到细片状珠光体+破碎状牛眼铁素体组织。在实验室条件下,Y 型试块性能可接近QT90-5 的要求,曲轴本体解剖后,经测试达到 QT85-4 性能指标,基本满足生产的要求。2.2.2 奥氏体等温淬火球铁(ADI)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 247397盐浴中急冷,以防止出现珠光体,并保温 1 h2 h,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
11、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。高强度 ADI 材料抗拉强度为 1274MPa1470 MPa,延伸率为 1%3%,主要用作钢质零件的代用材料;高韧性 ADI 材料抗拉强度为 882 MPa1078 MPa,延伸率为 6%12%,主要用作铸铁零件的代用材料。ADI 材料可被用来制造承受高负载的曲轴,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
12、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。ADI 的生产对铸件质量要求高,需要严格控制等温淬火热处理工艺参数,为此要采用机械化、自动化程度较高的专用等温淬火热处理设备。在国,ADI 已从理论及工艺研究进入到实际应用阶段,ADI 球铁曲轴已有一定的产量。而我国尚处于试验研究阶段,在单缸发动机上有所采用,另外有少数关于在四缸发动机上的应用报道。2.3 铸态珠光体球铁曲轴球铁材料过去一直采用正火来提高强度,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
13、须正火热处理,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。以 EQ1092 汽车曲轴的生产为例,只要铸态基体组织珠光体含量不少于 75%,轴颈表面淬火硬度就高于 46HRC,变形量小于 0.3 mm,而原来采用正火球墨铸铁曲轴,表面淬火后,曲轴变形很大且不稳定,平均为 1.5 mm,最大达到 3.5 mm。球铁向铸态发展是大势所趋,同时也是技术进步的表现。为保证铸态曲轴的质量,需严格控制化学成分及球化、孕育、凝固等关键工序,以获得要求的金相织。在原材料、熔炼设备、工艺、化学成分检验、金相组织分析、球化率
14、检验、缺陷检验等一系列生产环节上,要采取切实可行的技术措施,并制定严格的生产管理制度。铸态珠光体球铁与铸态混合基体球铁相比前者难于生成。其基体组织是通过调整原铁水化学成分来保证的,一般需通过调整终硅量,加入 Cu、Sn 等合金元素改善铸态组织,提高强度。铸态珠光体基体球铁在生产时应该注意合金元素的简化和少量化,这样既可保证冲击韧性,又可降低成本。铸态珠光体球铁终硅量一般在 2.1%2.7%,并保证碳当量在 4.3%4.7%。Mn 元素在球铁中有稳定珠光体的作用,对提高强度和硬度有益,但易形成碳化物偏析于晶界,因此 Mn 不宜超过0.7%。P 与 S 是球铁中的有害元素,铸态球铁应控制 w(P)
15、0.08%,w(S)0.08%。Mg 与 Re 对石墨球化有积极的促进作用,但过高的 Mg 残会发生石墨畸变,过高的 Re 残会增加白口倾向,要求控制 w(Mg 残)=0.025%0.045%,w(Re 残)=0.015%0.035%,并保证 w(Mg 残)/w(Re 残)1。Cu 和 Sn 均可稳定珠光体,Cu 对球铁铸态性能 b、s、HB 影响较大,适当增加 Cu 含量,可提高球铁强度。在铸态珠光体球铁中,当w(Cu)=0.25%0.55%时,适当提高 Sn 的含量,可以提高延伸率,但 Sn 极易偏析,其含量不宜过高。例如,在 w(C)=3.6%3.8%、w(Si)=1.8%2.2%、w(
16、Mn)0.3%、w(P)0.04%、w(S)0.02%、w(Cu)=0.8%1.0%、w(Sn)=0.03%0.04%的铁水成分范围内,采用冲入法球化处理及随流孕育工艺,可获得 QT800-2 铸态珠光体球铁,其断裂韧性KIC 为 1210 MPamm1350 MPamm,这种材质具有较高的抗断裂能力。由武汉理工大学及东风汽车公司铸造一厂共同承担的国家“九五”重点科技攻关项目“富康轿车 QT740-3 曲轴的研制及产业化开发”研究了一种新牌号的铸态珠光体球铁。铸态下抗拉强度不小于 740 MPa,延伸率不小于 3%,石墨达到法国标准 VI 级,球状石墨 AB 型不小于85%,轴颈处珠光体含量大于 75%,其评定水平远远高于国家标准。通过控制化学成分,并采取其它工艺措施,获得所需的特定组织和性能。球铁代钢,主要是提高韧性,对于铸铁材料,要在较高强度下同时具有较好的韧性实属不易。QT740-3 这一新牌号的出现表明铸态球墨铸铁的性能达到了一个新的高度。3 新型曲轴用
