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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划发动机曲轴的材料先进的曲轴材料：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
2、,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(%)远低于法国(%)、日本(%)、美
3、国(%)、英国(%)、德国(%)、意大利(%),也低于世界平均水平(%)。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。微合金非调质钢曲轴微合金非调质钢
4、曲轴是近年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)=%高锰w(Mn)=%
5、微合金钢与49MnVS3w(C)=%,w(Mn)=%,U型缺口冲击能大于15J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%提高到%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%时,可有效提高韧性。NipponSteel2发现向钢中加入%(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能由34J/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
6、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)=%,w(Mn)=%,w(Si)=%,w(S)%,w(P)%,微量V。2球墨铸铁曲轴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
7、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(GeneralMotors、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
8、要零件时,先进工业国家考核和/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。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。铸造热处理曲轴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
9、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%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。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
10、现珠光体,并保温1h2h,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。高强度ADI材料抗拉强度为1274MPa1470MPa,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882MPa1078MPa,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
11、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。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。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
12、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mm,最大达到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
13、求的金相织。在原材料、熔炼设备、发动机曲轴材料及热处理前言受小能量多冲抗力愈佳,疲劳拉力愈高,因曲轴是发动机脊柱,承受全部功率输此,曲轴表面应有高的疲劳强度、耐磨性、出任务,受周围燃气和活塞连杆惯性作用抗咬合、抗擦伤和一定的抗蚀性及足够的力,承受弯曲应力、扭转应力、拉伸应力、压硬化层深度,以满足多次修磨需要,基体应缩压力和小能量多次冲击力及摩擦力剪切有高的综合力学性能和强韧性。试验表力等复杂交变负荷作用力,工作条件恶劣,明,选用50GrMoA新型表面淬火钢,采用轴颈磨损严重。磨损和疲劳断裂是曲轴主复合强化处理,使用寿命显著提高,充分发要失效形式。曲轴是内燃机的重要部件,工作时曲轴承受气体压力、
14、惯性力及惯性力矩的作用,受力大而且复杂,并且承受交变负荷的冲击作用1;同时,曲轴又是高速旋转件,因此,要求曲轴具有足够的刚度和强度,具有良好的承受冲击载荷的能力,耐磨损且润滑良好.针对内燃机传动曲轴提出的更高、更全面的要求,必然要求内燃机车传动曲轴用钢具有很高的疲劳强度和耐磨性以及高的淬透性,且淬火变形小,在高温下有高的蠕变强度与持久强度.由于工作温度高,而且还要承受剪切、拉压、弯曲、扭转等复杂的交变应力.因此,对曲轴坯用钢的技术要求非常严格.2.内燃机曲轴选材工作条件：受弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等交变应力，曲轴受扭转和弯曲振动而产生附加应力；应力分布不均匀；曲轴颈与轴承有滑动摩擦。失效形
15、式：疲劳断裂和轴颈严重磨损。性能要求：材料有高强度，一定冲击韧性，足够弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈表面有高硬度和耐磨性。选材原则：根据内燃机类型、功率大小、转速高低和相应轴承材料等定，也需考虑加工条件,生产批量和热处理工艺及制造成本等。曲轴材料：锻钢曲轴-优质中碳钢和中碳合金钢，如35、40、45、35Mn2、40Cr,35CrMo钢等；铸造曲轴-铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铁等,如ZG230-450、QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等。175A型农用柴油机曲轴选材：农用柴油机曲轴功率不大,承受载荷也不大；但滑动轴承中工作轴颈部要有较高硬度及耐磨；性能要求：b750MPa,整体硬度：240HBS260HBS,轴颈表面硬度625HV,2%,ak150kJ/m2。曲轴材料：QT700-2工艺路线:铸造高温正火高温回火切削加工轴颈气体渗氮汽车发动机曲轴也可用45、40Cr钢制造，经过模锻、调质、切削加工后,在轴颈部位进行表面淬火。各种发动机曲轴材料及热处理常用材料及其机械性能气缸体材料球墨铸铁：目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。
