发动机曲轴材料综合介绍

发动机曲轴材料的综合介绍。依照它的进展历史和对各类材料的化学成份、组织、性能、加工工艺、本钱价钱的比较分析,说明其进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置曲轴。球铁代钢的关键是提高韧性,自行研制的QT740—3铸态珠光体球铁曲轴说明,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转变的燃气压力、惯性力及力矩作用,从而在各部份产生弯曲、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,同时心部要有必然的韧性。另外,应当顺应现今世界汽车材料的进展趋势,即采纳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,降低生产本钱。目前,国内普遍利用的曲轴材料要紧有锻钢和球墨铸铁2类。锻钢材料一样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 - 二、QT800 - 二、QT900-二、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%)、美国%)、英国%)、德国%)、意大利%),也低于世界平均水平%)。因此,我国有待于增强球铁生产技术的研究,进一步拓宽球铁的应用领域。专门是在国有汽车工业的开发中,显得尤其重要。总的说来,曲轴用材料的进展趋势是,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置曲轴。 1 锻钢曲轴 热处置锻钢曲轴

这种曲轴多采纳精锻中碳钢或中碳合金钢,需要采纳调质(或正火)热处

置来提高强度并改善加工性能。锻造曲轴由于需要热处置,工艺较复杂,需要时刻多,而且能源消耗较大。另外,国外采纳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,从而降低毛坯本钱。

微合金非调质钢曲轴

微合金非调质钢曲轴是最近几年来进展起来的新钢种,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。其优势是可省去调质(或正火)处置工艺,具有明显的简化工艺、节时节能成效。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较可降低本钱7%～11%,与调质合金钢相较可降低本钱11%～19%。传统的调质钢需通过热处置工艺来提高强度,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、美国等也接踵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)=%～%]微合金钢与

49MnVS3[w(C)=%～%,w(Mn)=%～%,U型缺口冲击能大于15 J]相较,在相同强度时可提高冲击能33%。瑞典金属学院发觉将w(Si)从%提高到%时,在对强度无阻碍的情形下可将冲击能提高25%。Nomura等人[2]发觉,将用V处置过的钢中的w(S)提升至大约%时,可有效提高韧性。Nippon Steel[2]发觉向钢中加入%(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普遍,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份汽车发动机曲轴采纳非调质钢。我国非调质钢的研究起步较晚,通过尽力已研制出十几

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

50MnV[w(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,加工时产生的缺点少,而且球墨铸铁减振性、耐磨性、对缺口灵敏性等优于锻钢。铸造曲轴与锻造曲轴相较,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、生产本钱低、生产效率高等优势。锻钢曲轴价钱是球墨铸铁曲轴的4～5倍,因此球墨铸铁本钱优势专门大,在猛烈的市场竞争中极具潜力。在欧洲,球墨铸铁曲轴的利用率大于80%,锻钢曲轴小于20%;在日本,二者的比例为80∶20;美国3家大汽车厂(General Motors、Ford、Chrysler)生产的轿车和轻型车约99%利用铸造曲轴。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。关于六缸柴油机曲轴,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,早已采纳球铁曲轴。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σ和σσb指标。球铁要取代锻钢,重点是提高韧性,尤其是动态韧性,可采纳如下方式:细化晶粒和显微组织;尽可能降低有害杂质含量;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持续组织(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确实是强度和韧性有限。可是随着高强度、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、本钱低、综合机械性能优良等诸多优势,必将在更大范围内取代锻钢。 铸造热处置曲轴 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,反映了现今国际先进水平。牌号GH90-5的球铁用于发动机曲轴,需经正火处置。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。南汽采纳高温低硫原铁水,通过严格操纵Mn和P的含量,加入%～%的Cu,用含Ca和低镁低稀土球化剂处置及硅铁随流孕育,再通过正火和高温回火处置,取得细片状珠光体+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,大体知足生产的要求。 2.2.2 奥氏体等温淬火球铁(ADI)

ADI是最近几年来在铸铁冶金中的重大发觉之一。将球铁加热到897℃周围,奥氏体化溶解碳,然后进入247℃～397℃盐浴中急冷,以避免显现珠光体,并保温1 h～2 h,最后急冷到室温,取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固,韧性好且不持续,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,且仅是加工部份产生硬化,提高了强度和耐磨性,此种硬化成效具有持续性。高强度ADI材料抗拉强度为1274MPa～1470 MPa,延伸率为1%～3%,要紧用作钢质零件的代用材料;高韧性ADI材料抗拉强度为882 MPa～1078 MPa,

延伸率为6%～12%,要紧用作铸铁零件的代用材料。ADI材料可被用来制造经受高负载的曲轴,通常条件下,一般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。由于其价钱低廉,设计自由度大,经不同温度等温淬火处置后,具有高强度、高韧性、耐疲劳和耐磨性能,因此是一种超级有进展前途的材料。ADI的生产对铸件质量要求高,需要严格操纵等温淬火热处置工艺参数,为此要采纳机械化、自动化程度较高的专用等温淬火热处置设备。在国,ADI已从理论及工艺研究进入到实际应历时期,ADI球铁曲轴已有必然的产量。而我国尚处于实验研究时期,在单缸发动机上有所采纳,另外有少数关于在四缸发动机上的应用报导。 2.3 铸态珠光体球铁曲轴

球铁材料过去一直采纳正火来提高强度,随着生产技术的成熟,铸态珠光体球墨铸铁曲轴慢慢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,因此铸态下就能够取得较高的机械性能。铸态曲轴不须正火热处置,如此不仅简化生产工序、降低能源消耗和生产本钱,还幸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置时的变形偏向。以EQ1092汽车曲轴的生产为例,只要铸态基体组织珠光体含量很多于75%,轴颈表面淬火硬度就高于46HRC,变形量小于 mm,而原先采纳正火球墨铸铁曲轴,表面淬火后,曲轴变形专门大且不稳固,平均为 mm,最大达到 mm。球铁向铸态进展是大势所趋,同时也是技术进步的表现。为保证铸态曲轴的质量,需严格操纵化学成份及球化、孕育、凝固等关键工序,以取得要求的金相织。在原材料、熔炼设备、工艺、化学成份查验、金相组织分析、球化率查验、缺点查验等一系列生产环节上,要采取切实可行的技术方法,并制定严格的生产治理制度。铸

态珠光体球铁与铸态混合基体球铁相较前者难于生成。其基体组织是通过调整原铁水化学成份来保证的,一样需通过调整终硅量,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,如此既可保证冲击韧性,又可降低本钱。铸态珠光体球铁终硅量一样在%～%,并保证碳当量在%～%。Mn元素在球铁中有稳固珠光体的作用,对提高强度和硬度有利,但易形成碳化物偏析于晶界,因此Mn不宜超过%。P与S是球铁中的有害元素,铸态球铁应操纵w(P)≤%,w(S)≤%。Mg与Re对石墨球化有踊跃的增进作用,但太高的Mg残会发生石墨畸变,太高的Re残会增加白口偏向,要求操纵w(Mg残)=%～%,w(Re残)=%～%,并保证w(Mg残)/w(Re残)≥1。Cu和Sn都可稳固珠光体,Cu对球铁铸态性能σb、σs、HB阻碍较大,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)=%～%时,适当提高Sn的含量,能够提高延伸率,但Sn极易偏析,其含量不宜太高。例如,在w(C)=%～%、w(Si)=%～%、w(Mn)≤%、w(P)≤%、w(S)≤%、w(Cu)=%～%、w(Sn)=%～%的铁水成份范围内,采纳冲入法球化处置及随流孕育工艺,可取得QT800-2铸态珠光体球铁,其断裂韧性KIC为1210 MPa·mm～1350 MPa·mm,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一起承担的国家“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。通过操纵化学成份,并采取其它工艺方法,取得所需的特定组织和性能。球铁代钢,主若是提高韧性,关于铸铁材料,要在较高强度下同时具有较好的韧性实属不易。

QT740-3这一新牌号的显现说明铸态球墨铸铁的性能达到了一个新的高度。

3 新型曲轴用材料展望

AGS—奥氏体等温淬火球状石墨钢

据文献[5]报导,日本工业技术院采纳奥氏体等温淬火热处置法成功地开发了一种杨氏模量高(与钢差不多,约为200GPa)、强度及韧性(摆锤冲击值比ADI材料大2倍左右)均极理想的新材料AGS—奥氏体等温淬火球状石墨钢。这种材料是通过把w(C)=%～%、w(Si)=%的钢加热到900℃左右,然后急冷到300℃～400℃,维持 h～3 h,最后在空气中进行奥氏体等温淬火处置取得的。它可用于对强度、韧性有较高要求的领域,如曲轴、齿轮等零部件。 新型铝合金复合材料

90年代以来国外普遍采纳高强度铝合金来代替传统材料,以实现轻量化。据报导,Honda、Nissan、BMW和奥迪等公司都生产了全铝发动机,其曲轴采纳了压力铸造纤维和颗粒增强铝合金复合材料。纤维增强和颗粒增强复合材料技术在工业化大生产中的应用未见报导,主若是复合材料生产工艺复杂,目前仅停留在实验室单件小批量生产

时期,不易推行到大量量机械化生产当中。另外,它还面临着回收再利用等难题。

4 材料选择的原那么第一是要能知足利用性能,然后再考虑本钱、轻量化、环保等一系列要求。在以上所列举的材料中,钢的力学性能最优,球铁的第二,铝合金复合材料在后。可是并非所有的情形下都选择性能最优的钢,而应该从各方面综合考虑,咱们平常所讲的性能价钱比确实是从那个意义上提出来的。关于功率要求较高的曲轴,一样的球铁不能知足要求,

多项选择用性能优良的锻钢。奥氏体等温淬火工艺的显现极大地提高了球铁的力学性能,使其接近于锻钢,再加上其低本钱和优良的工艺特性,在知足力学性能的前提下,一部份锻钢曲轴慢慢被ADI替代。可是,ADI需要严格操纵等温淬火热处置工艺参数,对生产厂家提出了较高的技术和治理等方面的要求,致使其生产还不普及。另外,在锻钢中又以微合金非调质钢取代调质碳钢和调质合金钢来降低本钱。关于中低功率的曲轴,由于球铁优良的性能、低本钱和工艺的日臻完善,已几乎完全取代了锻钢。而在球铁中,又趋向于以铸态球铁取代热处置球铁。同时,高强度铝合金复合材料的显现,已可部份替代球铁曲轴。可是目前工艺尚不成熟,还不能知足大规模工业化生产的要求。

在曲轴的选材上,以上几种材料按其特点各有应用范围和进展前景。锻钢的力学性能最优球铁的适用范围广、本钱低;铝合金是以后的方向,最具进展潜力。其中铸态QT740-3在轻型车、轿车曲轴市场中,适用范围广,性能价钱比最优,最具竞争力。