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机床设计之家

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曲轴选材原则及技术经济分析  

2013-11-09 16:59:14|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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曲轴是发动机中关键零件之一,在运转中承受冲击载荷和惯性力,传递动力,其上各部分产生弯曲、扭转、剪切、拉压等交变应力。由于曲轴的服役条件非常恶劣,因此对曲轴的抗拉强度、疲劳强度、硬度、耐磨性等都提出了非常高的要求。尽管在材料处理上采用不同工艺可达一定的机械性能,但最终能否达到要求还是在选材上。不同工况条件的曲轴选材标准有差异,曲轴材料选用的原则有服役的安全性、质量的稳定性和可靠性、加工工艺的可行性、应用表面强化工艺的可能性、轻量化设计要求、节能环保要求、经济性等方面。
  曲轴材料国内目前一般分两类:一类是锻钢,一类是球墨铸铁。由于采用铸造方法可获得较为理想的结构形状,有利于曲轴的轻量化设计,且加工余量随铸造工艺水平的提高而减小。另外球墨铸铁的切削性能良好,并且和钢质曲轴一样可以进行各种热处理和表面强化处理来提高曲轴的抗疲劳强度、硬度和耐磨性,而且球铁应力集中也没有刚质曲轴敏感,所以球墨铸铁曲轴在国内外得到了广泛的应用。对于160kW以上的大功率曲轴,目前球铁材料尚不能完全胜任,则优先采用锻钢曲轴。
  常用曲轴材料类型
  1.球墨铸铁曲轴
  自1947年球墨铸铁问世以来,经过不长时间的努力,其抗拉强度就提高到了700-900MPa,伸长率也达到了2%~6%,接近或超过了碳素钢的水平,因而球墨铸铁具备了代替锻钢制造曲轴的可能性。另外采用铸造方法可获得较为理想的结构形状,可满足轿车曲轴的轻量化设计,应用比较广泛。在适应高强度曲轴方面,经过多年的科技攻关,玉柴公司已经率先研制成功牌号为QT800-6的球墨铸铁曲轴。
 QT800-6(正火态球墨铸铁)材料是广西玉柴机器自主研制的新型曲轴材料,并获得国家发明专利。该材料的特点是在保证高强度的同时,也具有较高的延伸率和冲击韧性,并兼备球铁材料本身所具有的优越性。该材料的研制成功和稳定生产使球铁曲轴的应用领域获得突破。该材料制成的曲轴经“轴颈淬火+园角滚压”强化能够获得较高的疲劳强度,甚至可以超过42CrMo调质钢氮化曲轴,可靠性好
  球铁材料过去一直靠正火热处理来提高强度,随着生产技术的成熟,铸态珠光体球墨铸铁曲轴代替正火球墨铸铁曲轴成为可能。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。
  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,以获得要求的金相组织。在原材料、熔炼设备、工艺、化学成分检验、金相组织分析、球化率检验、缺陷检验等一系列生产环节上,要采取切实可行的技术措施,并制定严格的生产管理制度
  2.调质钢曲轴
  调质钢曲轴用钢有优质碳素钢、低合金钢、中碳合金钢等,常见的有45、40Cr、42CrMo等钢种。在热处理中淬火加高温回火的工艺称之为调质,它是提高强度、增加韧性和塑性,使钢材具有良好综合机械性能的一种工艺手段。经调质处理的钢称之为调质钢。调质钢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
  锻钢曲轴由于余量大,硬度高,加工成本较高,因此在较小功率的发动机曲轴以及轿车曲轴中多用球墨铸铁代替。然而在大功率发动机以及轿车柴油机中,由于爆发压力很高,可达15MPa,球铁曲轴的疲劳强度尚不能达标,分散性大、可靠性低,此时唯有锻钢曲轴才能胜任。
  新型曲轴材料类型
  1.等温淬火球墨铸铁曲轴
  等温淬火球墨铸铁(简称ADI)是将球墨铸铁加热到Ac1(奥氏体开始形成的温度)以上,保持一定时间,以避免产生珠光体的冷速快速冷却至一定温度(马氏体开始转变温度以上)并保温一定时间,使球墨铸铁得到由针状铁素体和富碳奥氏体组成的奥铁体基体的一种热处理工艺。由此可见等温淬火球墨铸铁是一种球墨铸铁经过等温淬火热处理得到以奥氏体为主要基体的强度高、塑韧性好的铸造合金,所以等温淬火球墨铸铁也称为奥氏体球墨铸铁。该材料在机械工程领域已广泛应用,目前已形成国家标准:《等温淬火球墨铸铁件》(GB/T 24733-2009),有五种材料牌号:QTD800-10、QTD900-8、QTD1050-6、QTD1200-3、QTD1400-1。
  等温淬火球墨铸铁在曲轴上也有了一定程度的应用,某公司的368Q曲轴和485曲轴已经大批量应用,得到了很好的使用效果。ADI材质、经圆角滚压强化工艺可完全满足增压性发动机曲轴的疲劳强度需要,ADI等温淬火球铁曲轴的应用可进一步拓展球墨铸铁的应用范围,实现以铁代钢,节约社会资源。由于ADI材料基体硬度比较高,可达ADI 30~35HRC,因此曲轴轴颈不需再进行任何表面强化处理,其轴颈表面耐磨性较珠光体基体球铁曲轴的耐磨性有显著改善,尤其是曲轴经圆角滚压后,轴颈表面与滚压支撑轮在高接触应力作用下使其粗糙度及表层硬度得到进一步改善,这对于经过精加工以后再进行圆角滚压的曲轴效果特别好。在ADI曲轴的生产中除实现ADI曲轴毛坯的稳定生产外,曲轴加工过程的设备和刀具选择也是顺利实现ADI曲轴产业化的关键影响因素,需要曲轴生产厂家进一步探索。
  2.非调质钢曲轴: d; ~" v8 `1 h) E& w; \$ c
  顾名思义,非调质钢就是不需经过调质热处理,就能达到高强度、高韧性的钢种。它是在碳钢的基础上添加钒、铌、钛等微合金元素(0.3%~0.6%)的新钢种。这一类钢在锻(轧)热加工后空冷其性能就能达到调质钢的水平,可省略热处理工序,节约能源、减少排放、降低成本,因此被称为绿色钢材。
  按用途分类有热锻用非调质钢、直接切削用非调质钢、冷锻用非调质钢;按化学成分分类有低碳非调质钢、中碳非调质钢;按力学性能分类有普通强度非调质钢、高强度非调质钢、高韧性非调质钢;按组织分类有珠光体-铁素体型、少珠光体型(以铁素体为主)、贝氏体型。
  我国非调质钢的开发应用始于汽车的曲轴,并已取得了成果,东风汽车公司研制50MnV制造康明斯发动机曲轴,50MnV钢材由大冶钢厂和抚顺钢厂研制和提供。上海汽车锻件总厂采用49MnVS3制造桑塔纳轿车曲轴,长安汽车有限公司与上海汽车锻造总厂合作采用49MnVS3制造长安微车发动机曲轴,49MnVS3钢材由上海第五钢厂研制和提供。
  未来曲轴新材料趋势
  据2000年《中国机械工程》--《面向21世纪的曲轴新材料》:奥氏体等温淬火球状石墨钢和新型铝合金复合材料是未来曲轴材料的发展趋势。
  1.奥氏体等温淬火球状石墨钢
  日本工业技术院采用奥氏体等温淬火热处理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-奥氏体等温淬火球状石墨钢,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
  2.新型铝合金复合材料
  国外汽车公司生产的全铝发动机,其曲轴采用了压力铸造纤维和颗粒增强铝合金复合材料,以实现轻量化。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尚未成熟,主要是复合材料生产工艺复杂,目前仅停留在小批量生产阶段。
6 o! B# N  X8 l
  曲轴材料目前主要有球墨铸铁和调质钢两类,新型材料有等温淬火球墨铸铁和非调质钢,奥氏体等温淬火球状石墨钢和新型铝合金复合材料则是其未来发展的一个方向。材料选用原则首先要考虑服役的安全性,再考虑经济性、节能环保、轻量化设计等
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