发动机曲轴材料的综合介绍.docVIP

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QT740—3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(21.6%),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%～0.5%]高锰[w(Mn)=1.0%～1.5%]微合金钢与49MnVS3[w(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 Steel[2]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50MnV[w(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4～5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80∶20;美国