汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的選材與熱處理工藝課程設(shè)計(jì)

1、1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的零件圖如下圖1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的零件尺寸圖2 服役條件與性能分析連桿（link） 是指連桿機(jī)構(gòu)中兩端分別與主動(dòng)和從動(dòng)構(gòu)件鉸接以傳遞運(yùn)動(dòng)和力的桿件。例如在往復(fù)活塞式動(dòng)力機(jī)械和壓縮機(jī)中，用連桿來(lái)連接活塞與曲柄。連桿多為鋼件，其主體部分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(gòu)成鉸接。連桿是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并把作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。服役條件：連桿在工作中，其受力狀態(tài)如下：1）承受燃燒室燃?xì)馀蛎洰a(chǎn)生的壓力。2）活塞連桿作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力（承受拉伸載荷）作用。3)

2、連桿高速作往返運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的縱向和橫向慣性力（承受彎曲載荷）的作用因此，連桿在一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下工作。它既受交變的拉壓應(yīng)力、又受彎曲應(yīng)力。 失效形式：連桿的主要損壞形式是疲勞斷裂和過(guò)量變形。通常疲勞斷裂的部位是在連桿上的三個(gè)高應(yīng)力區(qū)域，即桿部中間、小頭和桿部的過(guò)渡區(qū)以及大頭和桿部過(guò)渡區(qū)( 螺栓孔附近)。性能要求：連桿的工作條件要求連桿具有較高的強(qiáng)度和抗疲勞性能；又要求具有足夠的鋼性和韌性。3 技術(shù)要求 連桿的熱處理技術(shù)要求為：根據(jù)中華人民共和國(guó)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（QC/T527-1999）-汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿技術(shù)條件規(guī)定：連桿經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，硬度為HB217293(2030HRC)，顯微組織為均勻細(xì)小晶粒的

3、索氏體。 4 選材連桿通常采用中碳鋼或合金鋼模鍛或輥鍛而成，常用的材料有45、40Cr、35CrMo等，也有少數(shù)采用稀土鎂球墨鑄鐵制造連桿，然后經(jīng)過(guò)機(jī)械加工和熱處理。連桿桿身多制成“工”形截面，該截面可以在質(zhì)量盡可能小的情況下，獲得足夠的剛度和強(qiáng)度。（1）比較40Cr, 35CrMo, 45如下：45鋼 45鋼是普通的中碳結(jié)構(gòu)鋼，冷熱加工性能都不錯(cuò)，機(jī)械性能較好，且價(jià)格低、來(lái)源廣，所以應(yīng)用廣泛。它用做截面尺寸較小或不要求完全淬透的零件，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后，硬度可達(dá)到20-25HRC，表面淬火之后硬度為48-52HRC。采用傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)熱處理工藝加工而成的連桿雖能滿足較高的強(qiáng)度和足夠的鋼性和韌性的技術(shù)條

4、件, 但早中期疲勞斷裂時(shí)有發(fā)生。又因?yàn)?5 鋼淬透性和淬硬性較差, 在連桿大頭處造成不完全淬火, 出現(xiàn)過(guò)多的鐵素體組織, 大大降低其力學(xué)性能。40Cr 40Cr為中碳合金鋼，熱處理后具有足夠的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性。40Cr一般用做淬透性較高的零件，合金元素Cr可阻礙碳化物在高溫回火時(shí)聚集長(zhǎng)大，保證鋼的高強(qiáng)度，鉻還阻礙相的再結(jié)晶，能保持細(xì)小的晶塊結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的機(jī)械性使相也能保持高的強(qiáng)度，40Cr經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，硬度可達(dá)到20-25HRC。隨著合金元素增加，含碳量趨于下限。主加Cr，Ni，Mn，Si，Al等，提高淬透性，調(diào)質(zhì)處理后有良好的綜合力學(xué)性能。35CrMo 在Cr鋼中加入Mn,能改善塑性

5、和韌度，提高硬度，強(qiáng)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。35CrMo鋼和Cr鋼相比，過(guò)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Cr鋼對(duì)于回火脆性的敏感性,35CrMo鋼的高溫回火脆性很不明顯。制造要求承受較高的抗拉，壓，彎曲強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的連桿等零件。綜上所述，連桿的材料最終選擇為35CrMo鋼。（2）35CrMo鋼成分及含量如下：表1 35CrMo鋼的成分及含量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）合金元素CMnSiCrMo含量（wt%）0.320.400.400.700.200.400.801.100.150.25各元素作用：碳（C）：使基體達(dá)到一定的強(qiáng)韌度主要貢獻(xiàn)

6、元素。錳（Mn）：Mn強(qiáng)化鐵素體，其固溶強(qiáng)化效果非常明顯；Mn降低相變G驅(qū)動(dòng)力使奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線右移，提高淬透性；奧氏體形成元素，降低鋼的A1溫度，促進(jìn)顆粒長(zhǎng)大，增大鋼的過(guò)熱敏感度；Mn促進(jìn)有害元素在晶界上的偏聚，增大鋼的回火脆性傾向。硅（Si）：有利于鐵素體組織的形成，在鋼中不形成碳化物，主要固溶于鐵中。對(duì)奧氏體形成速度無(wú)甚影響，可升高A1點(diǎn)，相對(duì)的減緩了奧氏體的形成速度。對(duì)加熱時(shí)奧氏體晶粒大小稍有阻礙或不起作用，可推遲珠光體相變使C曲線右移，Ms點(diǎn)降低，提高過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而降低淬火臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。顯著地減慢馬氏體在較低溫度的分解，顯著阻礙碳化物的聚集，阻礙鋼在回火時(shí)

7、消除各類畸變的作用，從而增強(qiáng)了鋼的回火穩(wěn)定性?？商岣遖相的再結(jié)晶溫度，可使鋼回火脆性顯著增強(qiáng)。鉻（Cr）：降低相變G驅(qū)動(dòng)力,也阻止了相變時(shí)碳化物的形核長(zhǎng)大，所以提高鋼的淬透性；碳化物形成元素，回火時(shí)阻止M3C型長(zhǎng)大，提高回火穩(wěn)定性；Cr的碳化物穩(wěn)定，不易長(zhǎng)大，能細(xì)化晶粒，改善碳化物均勻性；Cr促進(jìn)雜質(zhì)原子偏聚，增大回火脆性傾向；同時(shí)能提高鋼的抗氧化性；全部淬透零件在高溫回火后可獲得高而均勻的綜合力學(xué)性能，特別是高的屈強(qiáng)比，能提高材料的疲勞強(qiáng)度。鉬（Mo）: Mo元素大大推遲珠光體轉(zhuǎn)變，有效提高鋼的淬透性；并且有效抑制鋼中有害元素的偏聚，消除鋼的第二類回火脆性。鉬是較強(qiáng)碳化物形成元素，可以細(xì)化晶

8、粒，大為提高鋼的回火穩(wěn)定性，鉬也可以提高鋼的熱強(qiáng)性。表2 35CrMo鋼的臨界溫度鋼號(hào)Ac1Ac3Ar4Ar3Ms35CrMo7558006957503205 零件加工路線和工藝本次設(shè)計(jì)采用鍛造-調(diào)質(zhì)處理，連桿經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后可獲得良好的力學(xué)性能，降低硬度、改善切削加工性能、細(xì)化晶粒。主要流程: 圓鋼下料棒料加熱預(yù)鍛熱模鍛空冷預(yù)處理（正火）粗加工調(diào)質(zhì)( 淬火+高溫回火) 清理強(qiáng)化拋丸探傷機(jī)械加工成品。拋丸的主要目的是消除表面氧化皮，使表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，提高連桿的疲勞強(qiáng)度。5.1 預(yù)處理（正火） 在工藝路線中，預(yù)備熱處理采用正火。（1）正火是指將工件加熱到Ac3或Acm以上30-50,經(jīng)保溫后，從爐中

9、取出放在空氣中冷卻的一種熱處理操作(正火的冷卻速度要比退火快的多)。理由：對(duì)于低、中碳鋼而言正火后其強(qiáng)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(jī)械性能，并且由于在空氣中冷卻，生產(chǎn)率高、成本低。所以本次設(shè)計(jì)選用正火進(jìn)行預(yù)備熱處理。正火的目的：改善鍛造組織，細(xì)化晶粒，調(diào)整硬度，便于切削加工；為淬火做好準(zhǔn)備。 （2）正火溫度35CrMo的Ac3溫度為800，正火溫度一般選擇Ac3或Acm以上30-50，又因?yàn)檎饡r(shí)一般采用熱爐裝料，加熱過(guò)程中工件內(nèi)溫差較大，為了縮短工件在高溫時(shí)的停留時(shí)間，一般加熱溫度稍高。所以正火的溫度選用850。（3）正火時(shí)間保溫時(shí)間與鋼的化學(xué)成

10、分、工件形狀、尺寸、爐子類型、裝爐量等多種因素有關(guān)，一般按每毫米厚度保溫1.5-2.5min估算。本次設(shè)計(jì)連桿有效厚度為38mm，又因?yàn)楣ぜ楸馄焦ぜ叵禂?shù)選取上限，另外還有1525min組織轉(zhuǎn)變時(shí)間，再加上多個(gè)零件一起加熱，所以保溫時(shí)間為2.5*38+25=120min左右。（4）正火設(shè)備常用的熱處理加熱設(shè)備按能源分有燃料加熱設(shè)備和電加熱設(shè)備；按工作溫度可分為高溫爐（1000）、中溫爐（650-1000）和低溫爐（650）。生產(chǎn)上常用的加熱設(shè)備有電阻爐、浴爐、氣體滲碳爐、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等。爐型的選擇應(yīng)依據(jù)不同的工藝要求及工件的類型來(lái)決定。熱處理設(shè)備的選擇要從設(shè)備經(jīng)濟(jì)性、可靠性、配套性、

11、安全性、安全性以及工廠的實(shí)際情況等來(lái)選擇。熱處理電阻爐是以電為能源的，通過(guò)爐內(nèi)電熱元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能而加熱工件的爐子，是一種造價(jià)相對(duì)便宜的爐子，以降低成本。中溫箱式電阻爐可用于退火、正火、回火或固體滲碳等。本次設(shè)計(jì)正火選用RX3-45-9箱式電阻爐批量生產(chǎn)。RX3-45-9箱式電阻爐額定功率45kw，最高工作溫度950，電壓380V,爐膛尺寸：1200*600*400mm，最大裝載量400kg。(5)裝爐方式連桿的尺寸為2629842mm，質(zhì)量為3.5kg，平放在爐膛內(nèi)，一次放90件。裝爐方式如下圖所示：圖2 裝爐方式 表3為正火的具體的工藝參數(shù):表3正火工藝參數(shù)正火加熱溫度保溫時(shí)間冷卻設(shè)備

12、參數(shù)850120min空冷RX3-45-9箱式電阻爐圖2 為正火的工藝曲線圖：圖3 正火的工藝曲線圖5.2 調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)處理指的是淬火后加高溫回火的熱處理的方法，高溫回火是指在500-650之間進(jìn)行回火.目的：調(diào)質(zhì)可以使鋼的性能，材質(zhì)得到很大程度的調(diào)整，其強(qiáng)度，塑性和韌性都較好，具有良好的機(jī)械性能。5.2.1 淬火 鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過(guò)共析鋼）以上某一溫度，保溫一段時(shí)間，使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等溫）進(jìn)行馬氏體（或貝氏體）轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。 淬火的目的：使過(guò)冷奧氏體進(jìn)行馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變，得到馬氏體或貝

13、氏體組織，增加鋼制工件的硬度及耐磨性。（1）淬火溫度一般亞共析鋼的加熱溫度為Ac3+(3070), 35CrMo鋼的Ac3溫度為800，因此淬火加熱溫度選用850。（2）裝爐方式 與正火選擇同樣的裝爐方式，即如下圖所示裝爐：圖4 淬火裝爐方式（3）加熱保溫時(shí)間熱處理的加熱時(shí)間分為升溫時(shí)間和保溫時(shí)間兩個(gè)部分，工件的保溫時(shí)間選擇原則是奧氏體化轉(zhuǎn)變充分，又不使晶粒粗大，常用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式： =kD式中 加熱時(shí)間，min；加熱時(shí)間系數(shù)，min/mm；k裝爐量修正系數(shù)；D工件有效厚度，mm。查手冊(cè)表可得，在780900的箱式爐或井式爐加熱，合金鋼的加熱系數(shù)為1.11.3,對(duì)于扁平工件，加熱系

14、數(shù)取上限即1.3。k查手冊(cè)得，按上文淬火裝爐方式，爐修正系數(shù)為2.2。D有效厚度為38mm. =kD=1.3*2.0*38=100min。綜上，保溫時(shí)間為100min。（4）冷卻介質(zhì)常用的淬火介質(zhì)有水、堿水、鹽水溶液、礦物油、熔鹽、熔堿等。水水是冷卻能力較強(qiáng)的淬火介質(zhì)。來(lái)源廣、價(jià)格低、成分穩(wěn)定不易變質(zhì)。缺點(diǎn)是在C曲線的“鼻子”區(qū)（500600左右），水處于蒸汽膜階段，冷卻不夠快，會(huì)形成“軟點(diǎn)”；而在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)（300100），水處于沸騰階段，冷卻太快，易使馬氏體轉(zhuǎn)變速度過(guò)快而產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，致使工件變形甚至開裂。當(dāng)水溫升高，水中含有較多氣體或水中混入不溶雜質(zhì)（如油、肥皂、泥漿等），均會(huì)

15、顯著降低其冷卻能力。因此水適用于截面尺寸不大、形狀簡(jiǎn)單的碳素鋼工件的淬火冷卻。鹽水和堿水 在水中加入適量的食鹽和堿，使高溫工件浸入該冷卻介質(zhì)后，在蒸汽膜階段析出鹽和堿的晶體并立即爆裂，將蒸汽膜破壞，工件表面的氧化皮也被炸碎，這樣可以提高介質(zhì)在高溫區(qū)的冷卻能力。其缺點(diǎn)是介質(zhì)的腐蝕性大。一般情況下，鹽水的濃度為10，苛性鈉水溶液的濃度為1015。可用作碳鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼工件的淬火介質(zhì)，使用溫度不應(yīng)超過(guò)60，淬火后應(yīng)及時(shí)清洗并進(jìn)行防銹處理。油一般采用礦物質(zhì)油（礦物油）。如機(jī)油、變壓器油和柴油等。機(jī)油一般采用10號(hào)、20號(hào)、30號(hào)機(jī)油，油的號(hào)越大，黏度越大，閃點(diǎn)越高，冷卻能力越低，使用溫度相應(yīng)提高。鹽

16、浴和堿浴淬火介質(zhì)一般用在分級(jí)淬火和等溫淬火中。由于連桿尺寸小，形狀簡(jiǎn)單，所以35CrMo工件淬火后應(yīng)采用油冷，35CrMo鋼的淬透性較好，在油中冷卻能淬硬，而且工件的變形、開裂傾向小。本次設(shè)計(jì)選用20#機(jī)油作為冷卻介質(zhì)。工件進(jìn)入調(diào)質(zhì)線進(jìn)行工藝處理,表3為淬火的具體工藝參數(shù)：表4 淬火工藝參數(shù)淬火加熱溫度保溫時(shí)間冷卻介質(zhì)設(shè)備參數(shù)85080min油冷RX3-45-9中溫箱式電阻爐圖5淬火工藝的工藝曲線圖5.2.2 回火回火指鋼件經(jīng)淬硬后，再加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。常見(jiàn)的回火工藝有：低溫回火，中溫回火，高溫回火等。調(diào)質(zhì)處理采用高溫回火，得到回火索氏體，具

17、有良好綜合機(jī)械性能。（1）回火的目的主要是消除鋼件在淬火時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力，使鋼件具有高的硬度和耐磨性外，并具有所需要的塑性和韌性等。（2）回火溫度根據(jù)技術(shù)要求，回火后硬度為2030HRC,由如下表格可得，回火的溫度可以取650表5 35CrMo回火溫度與硬度關(guān)系溫度600-660550-600500-550450-500450硬度HRC25-3030-3535-4040-4545-50（3）回火時(shí)間回火時(shí)間一般從工件入爐后爐溫升至回火溫度時(shí)開始計(jì)算，一般為1-3h，在實(shí)踐中常用工件的有效厚度估算，多個(gè)工件堆積可適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間。表6 空氣爐回火溫度時(shí)間表有效厚度/mm2520-4040-6060

18、-8080-100保溫時(shí)間/mm30-6060-9090-120120-150150-180 由于有效厚度為38mm,但是一次為90個(gè)工件同時(shí)加熱，所以，回火時(shí)間選擇120min。表7 高溫回火工藝參數(shù)回火加熱溫度保溫時(shí)間冷卻介質(zhì)設(shè)備參數(shù)650120min空冷RX3-45-9箱式電阻爐圖6 高溫回火工藝曲線6 缺陷分析（1）過(guò)熱從零件粗糙口上可觀察到淬火后的顯微組織過(guò)熱，但要切當(dāng)判斷其過(guò)熱的水平必須觀察顯微組織。若在35CrMo鋼的淬火組織中出現(xiàn)粗針狀馬氏體，則為淬火過(guò)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(shí)間太長(zhǎng)釀成的全面過(guò)熱；也可能是因原始組織帶狀碳化物嚴(yán)重，在兩帶之間的低碳

19、區(qū)形成局部馬氏體針狀粗大，釀成的局部過(guò)熱。過(guò)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(guò)熱，鋼的晶體粗大，會(huì)導(dǎo)致零件的韌性降落，抗打擊性能降低，使用壽命也降低。過(guò)熱嚴(yán)重甚至?xí)斐纱慊鹆鸭y。（2）欠熱淬火溫度偏低或冷卻不良則會(huì)在顯微組織中孕育發(fā)生超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)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）淬火裂紋零件在淬火冷卻過(guò)程當(dāng)中因內(nèi)應(yīng)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(yīng)力和金屬質(zhì)量體積變化時(shí)的組織應(yīng)力大于鋼材的抗斷裂強(qiáng)度；工作外貌的原有缺陷(如外貌微細(xì)裂紋或劃痕)或是鋼材內(nèi)部缺陷(如夾渣、嚴(yán)重的非金屬同化物、白點(diǎn)、縮孔殘余等)在淬火時(shí)形成應(yīng)力集中；嚴(yán)重的外貌脫碳和碳化物偏析；零件淬火后回火不足或未及時(shí)回火；前面工序釀成的冷沖應(yīng)力過(guò)大、鑄造折疊、深的車削刀痕、油溝尖銳棱角等?？傊?，造成淬火裂紋的緣故原由可能是上面所說(shuō)的因素的一種或多種，內(nèi)應(yīng)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(xì)長(zhǎng)，斷口平直，破斷面無(wú)氧化色。淬