汽車發(fā)動機連桿的熱處理工藝設計

1、WORD格式 汽車發(fā)動機連桿的熱處理工藝設計目錄摘 要 -11.概述- 21.1前言 - 21.2使用性能 - 21.3失效形式 - 21.4材料選擇 - 21.4.1技術要求 - 21.4.2材料比擬 -(3)1.5 熱處理工藝及目的 - -(4)1.5.1 退火 -(4)1.5.2 正火 - 41.5.3 淬火 -41.5.4 回火 - 52.熱處理工藝- 52.1 工藝路線 - -52.1.1等溫退火 - 52.1.2淬火 - 52.1.3回火 - 63.實驗結果及分析 -63.1 組織及分析 - 63.1.1 原始組織 - 63.1.2 等溫退火后組織 - 73.1.3 淬火后組織 -

2、(7)3.1.4 回火后組織 - 83.2缺陷分析 - 83.2.1過熱 - 83.2.2欠熱 - 83.2.3淬火裂紋 - 83.2.4脫碳組織 - 83.2.5熱處理變形 - 93.2.6軟點 - 93.2.7回火缺陷 - 94 . 總結 - 105. 參考文獻 - 106.致謝 - 10專業(yè)資料整理WORD格式摘要綜述了汽車發(fā)動機連桿的工作環(huán)境，使用性能，失效形式，連桿材料的選擇，熱處理工藝等。主要就連桿的熱處理工藝做了詳細的分析， 通過大量的實驗得出了連桿材料熱處理后的金相組織圖等資料。分別對球化退火、淬火、回火過程中組織、硬度的的變化做了分析并以圖表的形式列出。并就實驗中出現(xiàn)的問題作

3、了分析，以供參考。關鍵詞：連桿熱處理；等溫退火；淬火；回火；問題分析專業(yè)資料整理WORD格式1專業(yè)資料整理WORD格式1.概述1.1 前言連桿 link 連桿機構中兩端分別與主動和從動構件鉸接以傳遞運動和力的桿件。例如在往復活塞式動力機械和壓縮機中，用連桿來連接活塞與曲柄。連桿多為鋼件，其主體局部的截面多為圓形或工字形，兩端有孔，孔內(nèi)裝有青銅襯套或滾針軸承，供裝入軸銷而構成鉸接。連桿是汽車發(fā)動機中的重要零件，它連接著活塞和曲軸， 其作用是將活塞的往復運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動，并把作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。連桿在工作中，除承受燃燒室燃氣產(chǎn)生的壓力外，還要承受縱向和橫向的慣性力。因此，連

4、桿在一個復雜的應力狀態(tài)下工作。它既受交變的拉壓應力、又受彎曲應力。 連桿的主要損壞形式是疲勞斷裂和過量變形。通常疲勞斷裂的部位是在連桿上的三個高應力區(qū)域。 連桿的工作條件要求連桿具有較高的強度和抗疲勞性能；又要求具有足夠的鋼性和韌性。1.2 使用性能1.2.1. 功用：連接活塞與曲軸 ，并把活塞承受的氣體壓力傳給曲軸，使得活塞的往復運動轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。1.2.2. 工作條件：承受壓縮、拉伸和彎曲等交變載荷。1.2.3. 對其要求：強度高、剛度大、重量輕。1.2.4. 材料：一般都采用中碳鋼或合金鋼經(jīng)模鍛或輥鍛，然后經(jīng)機加工和熱處理1.3 失效形式連桿的主要損壞形式是疲勞斷裂和過量變形。通

5、常疲勞斷裂的部位是在連桿上的三個高應力區(qū)域。連桿的工作條件要求連桿具有較高的強度和抗疲勞性能；又要求具有足夠的鋼性和韌性。1.4 材料選擇1.4.1技術要求連桿應按經(jīng)規(guī)定程序批準的圖樣和技術文件制造.并符合本標準的要求。連桿體及連桿蓋應采用以下牌號的材料制造40Cr,35CrMo,45,連桿體和連桿蓋應經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，硬度為 HB 217-293，同一型號發(fā)動機的連桿體及連桿蓋其硬度差應不大于 HB 40 單位。專業(yè)資料整理WORD格式2專業(yè)資料整理WORD格式連桿縱向剖面上的金屬宏觀組織的纖維方向應沿著連桿中心線并與連桿外形相符，無紊亂及連續(xù)現(xiàn)象 .成品連桿的金相顯微組織在連桿小頭工字形截面檢驗

6、應為均勻的細晶粒索氏體構造，不允許有片狀鐵素體和非金屬夾雜物，脫碳層深度在工字形外表上不得大于。 .10 min, 連桿毛坯應進展強化噴丸處理。連桿不得有因金屬未充滿鍛模而產(chǎn)生的缺陷，不得焊補。連桿非加工外表不得有裂紋、夾層、氣孔、夾渣、折迭、氧化皮腐蝕等缺陷。分模而飛邊高度應不大于 0.8mm，允許有數(shù)量不多于 2 個，直徑不大于 5mm,深度不大于 0.5 mm 的凹坑或修整缺陷的痕跡但位置不得在同一橫截面上，經(jīng)修整的痕跡應圓滑過渡。連桿應經(jīng)磁力探傷或其它無損探傷檢測，磁力探傷后應退磁。1.4.2材料比擬材料 40Cr, 35CrMo, 45, 的成分，熱處理，機械性能見表1.1表 1.1

7、 材料 40Cr, 35CrMo, 45 的成分，熱處理，機械性能主要化學成分w/% 熱處理機械性能鋼號CMnSiCrMo淬火回火b/MPas/MPa? k(J/c/oC/oC/%m2)450.420.500.17830580 650 350 38 450.500.800.37840 水640空40Cr0.370.500.200.8085050010008004560油油，水0.450.800.401.1035CrMo0.320.400.200.800.1585055010008504580油油，水0.400.700.401.100.25在 Cr 鋼中參加Mn, 能改善塑性和韌度，提高硬度，強

8、度和淬透性。Mo 在 CrMo 鋼中能降低固溶體的分解速度和淬火臨界冷卻速度。CrMo 鋼和 Cr 鋼相比，過熱和晶粒粗化敏感性小，淬透性和回火穩(wěn)定性高。并能消除專業(yè)資料整理WORD格式3專業(yè)資料整理WORD格式Cr 鋼對于回火脆性的敏感性。制造要求承受較高的抗拉，壓，彎曲強度和疲勞強度的連桿等零件。綜上所述，連桿的材料最終選擇為35CrMo.1.5熱處理工藝及目的熱處理： 把金屬或合金加熱到給定溫度并保持一段時間 ,然后用選定的速度和方法使之冷卻 ,以得到所需要的顯微組織和性能的操作工藝 ,被稱為熱處理 . 軸承熱處理直接關系著后續(xù)的加工質(zhì)量， 以致最終影響零件的使用性能及壽命， 同時軸承熱

9、處理又是軸承制造中的能源消耗大戶和污染大戶。 軸承的熱處理裝備直接影響軸承熱處理質(zhì)量， 以及能源消耗和污染。 軸承鋼的硬度和強度都很高， 經(jīng)過退火后才可以進展加工， 而且細化晶粒， 提高原始組織的性能， 當粗加工完畢后還要對其進展淬火和冷處理。1.5.1退火 :將工件加熱到臨界點 (Ac1 或 Ac3) 以上某一溫度 ,停留一定的時間 (保溫 ),然后進展緩慢冷卻 (同爐子一起冷卻 ),這種操作過程叫做退火 . 退火的目的 :（ 1降低硬度 ,便于工件易切削 .（ 2改善材料的組織及機械性能 .（ 3改善組織構造 ,為以后的淬火做好準備 .（ 4消除內(nèi)應力 .（ 5得到細小的結晶 .退火設備：

10、現(xiàn)階段我國的退火設備是氧化爐和保護氣氛爐共存， 氧化爐多于保護氣氛爐；周期爐和連續(xù)爐共存，且周期爐多于連續(xù)爐。美國、英國、日本等國家早在 20 世紀六七十年代就已全面推廣推桿式和輥底式等溫球化退火爐，縮短退火周期，節(jié)約能源，并提高退火質(zhì)量。隨著軸承零件加工技術的開展，以及精細鍛造和精細輾擴 (冷輾 )工藝的采用，零件毛坯的加工精度越來越高，由此帶來了對保護氣氛退火的需求。 軸承行業(yè)應迅速推廣保護氣氛球化退火， 以減少退火后的氧化脫碳，提高加工效率，節(jié)材節(jié)能，降低本錢。1.5.2 正火 :將工件加熱到 Ac3 或 Acm 以上 30-50,經(jīng)保溫后 ,從爐中取出放在空氣中冷卻的一種熱處理操作 .

11、(正火的冷卻速度要比退火快的多 ).正火后其強度和硬度較退火的高一些 ,塑性稍低 ,使珠光體數(shù)量增加 ,改善組織保證得到較高的機械性能 ,由于在空氣中冷卻 ,生產(chǎn)率高 .1.5.3 淬火：是將工件加熱到臨界點 (Ac3 或 Ac1)以上 ,經(jīng)保溫后急速冷卻以獲得馬氏體組織 (也有一定量的剩余奧氏體 ),這種熱處理操作稱之為淬火 .鋼經(jīng)過淬火后在性能上的突出特點是硬度很高而塑性很低 .淬火的目的 :（ 1增加鋼制工件的硬度及耐磨性 .（ 2通過淬火和隨后的中溫或高溫回火能使工件獲得良好的綜合性能.淬火設備：淬火冷卻裝備是除淬火介質(zhì)外影響工件淬火效果的另一大因素。 我國現(xiàn)階段淬火冷卻裝備控制參數(shù)較

12、少， 一般只對油溫和油的循環(huán)進展控制。 國外對專業(yè)資料整理WORD格式4專業(yè)資料整理WORD格式常用的淬火油槽實行多參數(shù)控制， 如油溫、油的冷卻特性、 油的循環(huán)與攪拌的方向，以及速度、工件入油的方式等，以求得到最正確的淬火組織與性能，同時把變形減小到最小程度。 我國一些軸承廠家也在嘗試多參數(shù)控制， 特別是通過對圓錐軸承進展工件入油方式的控制來解決軸承零件淬火過程中角度的變化。1.5.4 回火 :是將淬火后的工件加熱到 Ac1 以下的溫度 ,保溫一段時間 ,然后在水 , 油或空氣中冷卻下來 .(回火是緊接著淬火以后進展的 ,回火有低溫回火 ,中溫回火和高溫回火 )回火的目的 :減少或消除工件在淬

13、火時造成的內(nèi)應力 ,提高塑性和韌性 ,以得到工件在使用時所要求的和可能到達的機械性能。2.熱處理工藝2.1 工藝路線制造連桿的工藝路線： 下料鍛造 模鍛 預備熱處理 正火、等溫退火粗加工最終熱處理淬火 +高溫回火精加工 .2.1.1 等溫退火 :可降低剛的硬度，改善切削加工性能，同時獲得均勻分布的細顆粒狀珠光體。 退火溫度 760780攝氏度，保溫時間 24 小時，爐冷至 670 攝氏度左右，保溫 12 小時，爐冷至 500 攝氏度后出爐空冷。硬度 200-230HBS.等溫退火工藝：溫度 760780， 24h500，空冷660680,1-2h電爐時間2.1.2 淬火：提高連桿的硬度， 強度

14、和耐磨性。 淬火溫度控制在 850870 攝氏度，空氣爐加熱時為防止脫碳應采用氣體保護.空氣爐中加熱升溫時間t1=(15-20skg)*1kg=15-20s,保溫時間 t2=(1.5-2)minmm*10mm=15-20min 加熱時間 t=t1+t2,冷卻介質(zhì)油。金相組織：馬氏體 +剩余奧氏體 +碳化物。專業(yè)資料整理WORD格式5專業(yè)資料整理WORD格式ss-有效壁厚,s=10mm,m=1kg淬火工藝：專業(yè)資料整理WORD格式溫度850-8701520min,，油專業(yè)資料整理WORD格式時間電爐2.1.3回火：淬火后及時回火，以防止內(nèi)應力過大產(chǎn)生開裂，提高韌性，穩(wěn)定組織和尺寸?；鼗饻囟?50

15、0550 攝氏度，保溫時間 12 小時。組織為回火索氏體 + 剩余奧氏體 +碳化物。硬度： 40-45HRC.回火工藝為：溫500-550,12h度時間電爐3.實驗結果及分析3.1 組織及分析3.1.1 原始組織6專業(yè)資料整理WORD格式35CrMo 鋼的鍛后組織組織如圖1所示圖 1硬度為 30HRC3.1.2等溫退火后組織經(jīng) 760780 攝氏度的等溫退火，保溫 24h，然后爐冷至 650670攝氏度后大約 12h空冷后拋光用 4%的硝酸腐蝕 5 秒后得到以下圖 2 組織。圖中顆粒狀的組織為珠光體，白色區(qū)域可能因腐蝕時不夠均勻。等溫退火后金相組織圖 2：硬度 90HRB圖 23.1.3 淬火

16、后組織圖 2實驗中試樣的質(zhì)量50g，那么t1=15skg*0.05kg=0.75s, t2=2minmm*10mm=20min, 所以t=20min.經(jīng) 850870 攝氏度淬火，保溫 20min，油淬，拋光后用 4%的硝酸腐蝕 5 秒得到以下圖組織。該組織中白色片狀物質(zhì)為碳化物，灰色組織為剩余奧氏體和隱晶馬氏體，馬氏體比擬小，一般分辨不出。淬火后金相組織圖 3：硬度 52HRC圖 37專業(yè)資料整理WORD格式3.1.4回火后組織經(jīng) 500650 攝氏度高溫回火后，以獲得粒狀回火索氏體組織。此時 F 基體上分布著粒狀 K, 剩余應力已根本消除，強度，塑性，韌性到達比擬恰當?shù)呐浜?。使鋼具有良好?/p>

17、綜合機械性能。淬火加高溫回火又稱調(diào)制?；鼗鸷蠼鹣嘟M織圖 4：硬度 37HRC圖 43.2 缺陷分析圖 43.2.1過熱從零件粗糙口上可觀察到淬火后的顯微組織過熱， 但要切當判斷其過熱的水平必須觀察顯微組織。 假設在 35CrMo 鋼的淬火組織中出現(xiàn)粗針狀馬氏體，那么為淬火過熱組織。 形成緣故原由可能是淬火加熱溫渡太高或加熱保溫時間太長釀成的全面過熱；也可能是因原始組織帶狀碳化物嚴重，在兩帶之間的低碳區(qū)形成局部馬氏體針狀粗大，釀成的局部過熱。過熱組織中殘留奧氏體增多，尺寸穩(wěn)定性降落。由于淬火組織過熱，鋼的晶體粗大，會導致零件的韌性降落，抗打擊性能降低，使用壽命也降低。過熱嚴重甚至會造成淬火裂紋。

18、3.2.2欠熱淬火溫度偏低或冷卻不良那么會在顯微組織中孕育發(fā)生超過標準規(guī)定的托氏體組織，稱為欠熱組織，它使硬度降落，耐磨性急劇降低，影響壽命。3.2.3淬火裂紋零件在淬火冷卻過程當中因內(nèi)應力所形成的裂紋稱淬火裂紋。造成這種裂紋的緣故原由有：由于淬火加熱溫渡太高或冷卻太急，熱應力和金屬質(zhì)量體積變化時的組織應力大于鋼材的抗斷裂強度； 工作外貌的原有缺陷 (如外貌微細裂紋或劃痕 )或是鋼材內(nèi)部缺陷 (如夾渣、嚴重的非金屬同化物、 白點、縮孔剩余等 )在淬火時形成應力集中； 嚴重的外貌脫碳和碳化物偏析； 零件淬火后回火缺乏或未及時回火；前面工序釀成的冷沖應力過大、鑄造折疊、深的車削刀痕、油溝鋒利棱角等

19、?？傊?，造成淬火裂紋的緣故原由可能是上面所說的因素的一種或多種，內(nèi)應力的存在是形成淬火裂紋的主要緣故原由。淬火裂紋深而細長，斷口平直，破斷面無氧化色。淬火裂紋的組織特征是裂紋兩側(cè)無脫碳征象，明顯區(qū)別與鑄造裂紋和材料裂紋。3.2.4脫碳組織專業(yè)資料整理WORD格式8專業(yè)資料整理WORD格式因為加熱時無氣體保護狀態(tài)，實驗中，材料外表出現(xiàn)了很嚴氧化現(xiàn)象，需打磨掉氧化層。加熱時溫度過高，出現(xiàn)了脫碳現(xiàn)象。脫碳組織為：脫碳后 500 倍金相組織圖 (5)圖 5為退火時無氣體保護的組織，從圖中可以發(fā)現(xiàn)組織根本是由白色大晶粒組成，僅有細小的點狀碳化物， 黑點為試樣上拋光時留下的臟污。 這是因為長時間退火導致的

20、試樣外表嚴重脫碳， 打磨拋光時僅呈現(xiàn)出試樣表層的組織。 因此，出現(xiàn)這種情況時應將試樣打磨一定的厚度，才能看到試樣真實組織。在熱處理過程當中， 如果是在氧化性介質(zhì)中加熱， 外貌會發(fā)生氧化作用使零件外貌碳的質(zhì)量分數(shù)削減， 造成外貌脫碳。 外貌脫碳層的深度超過最后加工的留量就會使零件報廢。 外貌脫碳層深度的標定在金相檢驗中可用金相法和顯微硬度法。以外貌層顯微硬度分布曲線測量法為準，可做仲裁判據(jù)。3.2.5熱處理變形零件在熱處理時，存在有熱應力和組織應力，這種內(nèi)應力能彼此疊加或局部抵消，是復雜多變的，因為它能隨著加熱溫度、加熱速率、冷卻方式、冷卻速率、零件形狀和大小的變化而變化，所以熱處理變形是不免的。認識和掌握它的變化紀律可使零件的變形 (如尺寸漲大等 )置于可控的X圍，有利于生產(chǎn)的進展。當然在熱處理過程當中的機械碰撞也會使零件孕育發(fā)生變形，但這種變形是可以用改良操作加以削減和防止的。3.2.6軟點由于加熱缺乏，冷卻不良，淬火操作不當?shù)染壒试舍劤傻妮S承零件外貌