汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的熱處理工藝設(shè)計(jì).doc

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的熱處理工藝設(shè)計(jì)目 錄 摘 要-（1）1.概 述-（2）1.1 前言-（2）1.2 使用性能-（2）1.3 失效形式-（2）1.4 材料選擇-（2） 1.4.1技術(shù)要求-（2） 1.4.2材料比較-(3)1.5 熱處理工藝及目的- -(4)1.5.1退火-(4)1.5.2正火-（4）1.5.3淬火- （4）1.5.4回火-（5）2.熱處理工藝-（5） 2.1工藝路線- -（5）2.1.1 等溫退火-（5）2.1.2淬火-（5）2.1.3回火-（6）3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析-6）3.1 組織及分析-（6）3.1.1原始組織- （6）3.1.2 等溫退火后組織-（7）3.1.3淬火后組織-(7)3.1.4回火后組織-（8）3.2 缺陷分析-（8）3.2.1過熱-（8）3.2.2欠熱-（8）3.2.3淬火裂紋-（8）3.2.4脫碳組織-（8）3.2.5熱處理變形-（9）3.2.6軟點(diǎn)-（9）3.2.7回火缺陷-（9）4 . 總結(jié)-（10）5. 參考文獻(xiàn)-（10） 6.致謝-（10）摘 要綜述了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(xì)的分析，通過大量的實(shí)驗(yàn)得出了連桿材料熱處理后的金相組織圖等資料。分別對(duì)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(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題作了分析，以供參考。關(guān)鍵詞：連桿熱處理；等溫退火；淬火；回火；問題分析 11.概 述1.1 前言連桿（link） 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。 連桿在工作中，除承受燃燒室燃?xì)猱a(chǎn)生的壓力外，還要承受縱向和橫向的慣性力。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。 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(gè)高應(yīng)力區(qū)域。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。 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(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(duì)其要求：強(qiáng)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(jī)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。通常疲勞斷裂的部位是在連桿上的三個(gè)高應(yīng)力區(qū)域。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。1.4 材料選擇1.4.1 技術(shù)要求 連桿應(yīng)按經(jīng)規(guī)定程序批準(zhǔn)的圖樣和技術(shù)文件制造.并符合本標(biāo)準(zhǔn)的要求。 連桿體及連桿蓋應(yīng)采用下列牌號(hào)的材料制造40Cr,35CrMo,45, 連桿體和連桿蓋應(yīng)經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，硬度為HB 217-293，同一型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿體及連桿蓋其硬度差應(yīng)不大于HB 40單位。 2連桿縱向剖面上的金屬宏觀組織的纖維方向應(yīng)沿著連桿中心線并與連桿外形相符，無紊亂及間斷現(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(yàn)應(yīng)為均勻的細(xì)晶粒索氏體結(jié)構(gòu)，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表面上不得大于。.10 min,連桿毛坯應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)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(bǔ)。連桿非加工表面不得有裂紋、夾層、氣孔、夾渣、折迭、氧化皮腐蝕等缺陷。分模而飛邊高度應(yīng)不大于0.8mm，允許有數(shù)量不多于2個(gè)，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(yīng)圓滑過渡。連桿應(yīng)經(jīng)磁力探傷或其它無損探傷檢測(cè)，磁力探傷后應(yīng)退磁。1.4.2 材料比較 材料40Cr, 35CrMo, 45,的成分，熱處理，機(jī)械性能見表1.1表1.1材料40Cr, 35CrMo, 45的成分，熱處理，機(jī)械性能鋼 號(hào)主要化學(xué)成分（w/%）熱處理機(jī)械性能CMnSiCrMo淬火/oC回火/oCb/MPas/MPa/%k(J/cm2)450.420.500.500.800.170.37830840水580640空650350384540Cr0.370.450.500.800.200.400.801.10850油500油，水1000800456035CrMo0.320.400.400.700.200.400.801.100.150.25850油550油，水10008504580在Cr鋼中加入Mn,能改善塑性和韌度，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。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 3Cr鋼對(duì)于回火脆性的敏感性。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.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(shí)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(guān)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(shí)軸承熱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(qiáng)度都很高，經(jīng)過退火后才可以進(jìn)行加工，而且細(xì)化晶粒，提高原始組織的性能，當(dāng)粗加工完畢后還要對(duì)其進(jìn)行淬火和冷處理。1.5.1 退火:將工件加熱到臨界點(diǎn)(Ac1或Ac3)以上某一溫度,停留一定的時(shí)間(保溫),然后進(jìn)行緩慢冷卻(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(jī)械性能. （3）改善組織結(jié)構(gòu),為以后的淬火做好準(zhǔn)備. （4）消除內(nèi)應(yīng)力. （5）得到細(xì)小的結(jié)晶. 退火設(shè)備：現(xiàn)階段我國的退火設(shè)備是氧化爐和保護(hù)氣氛爐共存，氧化爐多于保護(hù)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(jì)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(shù)的發(fā)展，以及精密鍛造和精密輾擴(kuò)(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(duì)保護(hù)氣氛退火的需求。軸承行業(yè)應(yīng)迅速推廣保護(hù)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，降低成本。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.(正火的冷卻速度要比退火快的多). 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,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(diǎn)(Ac3或Ac1)以上,經(jīng)保溫后急速冷卻以獲得馬氏體組織(也有一定量的殘余奧氏體),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(diǎn)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(shè)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)較少，一般只對(duì)油溫和油的循環(huán)進(jìn)行控制。國外對(duì) 4常用的淬火油槽實(shí)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，以求得到最佳的淬火組織與性能，同時(shí)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(duì)圓錐軸承進(jìn)行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(shí)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(jìn)行的,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火時(shí)造成的內(nèi)應(yīng)力,提高塑性和韌性,以得到工件在使用時(shí)所要求的和可能達(dá)到的機(jī)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(yù)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(shí)獲得均勻分布的細(xì)顆粒狀珠光體。退火溫度760780攝氏度，保溫時(shí)間24小時(shí)，爐冷至670攝氏度左右，保溫12小時(shí)，爐冷至500攝氏度后出爐空冷。硬度200-230HBS.等溫退火工藝：760780，24h溫度電爐時(shí)間660680,1-2h500，空冷2.1.2 淬火：提高連桿的硬度，強(qiáng)度和耐磨性。淬火溫度控制在850870攝氏度，（空氣爐加熱時(shí)為防止脫碳應(yīng)采用氣體保護(hù)）.空氣爐中加熱升溫時(shí)間t1=(15-20skg)*1kg=15-20s,保溫時(shí)間t2=(1.5-2)minmm*10mm=15-20min加熱時(shí)間t=t1+t2,冷卻介質(zhì)（油）。金相組織：馬氏體+殘余奧氏體+碳化物。 5ss-有效壁厚 , s=10mm,m=1kg淬火工藝：850-870，1520min,油淬火溫度時(shí)間電爐2.1.3 回火：淬火后及時(shí)回火，以防止內(nèi)應(yīng)力過大產(chǎn)生開裂，提高韌性，穩(wěn)定組織和尺寸?；鼗饻囟?00550攝氏度，保溫時(shí)間12小時(shí)。組織為回火索氏體+殘余奧氏體+碳化物。硬度：40-45HRC. 回火工藝為：溫度時(shí)間500-550,12h電爐3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析3.1 組織及分析3.1.1 原始組織 635CrMo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(shí)不夠均勻。等溫退火后金相組織圖（2）：硬度90HRB 圖（2）3.1.3 淬火后組織 圖（2）實(shí)驗(yàn)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秒得到下圖組織。該組織中白色片狀物質(zhì)為碳化物，灰色組織為殘余奧氏體和隱晶馬氏體，馬氏體比較小，一般分辨不出。淬火后金相組織圖（3）： 硬度52HRC 圖（3） 73.1.4 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(shí)F基體上分布著粒狀K,殘余應(yīng)力已基本消除，強(qiáng)度，塑性，韌性達(dá)到比較恰當(dāng)?shù)呐浜稀Ｊ逛摼哂辛己玫木C合機(jī)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（4）3.2 缺陷分析 圖（4） 3.2.1 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(dāng)判斷其過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(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。過熱嚴(yán)重甚至?xí)斐纱慊鹆鸭y。 3.2.2 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。3.2.3 淬火裂紋零件在淬火冷卻過程當(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)力過大、鑄造折疊、深的車削刀痕、油溝尖銳棱角等。總之，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(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 8因?yàn)榧訜釙r(shí)無氣體保護(hù)狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)中，材料表面出現(xiàn)了很嚴(yán)氧化現(xiàn)象，需打磨掉氧化層。加熱時(shí)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(shí)無氣體保護(hù)的組織，從圖中可以發(fā)現(xiàn)組織基本是由白色大晶粒組成，僅有細(xì)小的點(diǎn)狀碳化物，黑點(diǎn)為試樣上拋光時(shí)留下的臟污。這是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間退火導(dǎo)致的試樣表面嚴(yán)重脫碳，打磨拋光時(shí)僅呈現(xiàn)出試樣表層的組織。因此，出現(xiàn)這種情況時(shí)應(yīng)將試樣打磨一定的厚度，才能看到試樣真實(shí)組織。在熱處理過程當(dāng)中，如果是在氧化性介質(zhì)中加熱，外貌會(huì)發(fā)生氧化作用使零件外貌碳的質(zhì)量分?jǐn)?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(huì)使零件報(bào)廢。外貌脫碳層深度的標(biāo)定在金相檢驗(yàn)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(cè)量法為準(zhǔn)，可做仲裁判據(jù)。3.2.5 熱處理變形零件在熱處理時(shí)，存在有熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，這種內(nèi)應(yīng)力能彼此疊加或部分抵消，是復(fù)雜多變的，因?yàn)樗茈S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(rèn)識(shí)和掌握它的變化紀(jì)律可使零件的變形(如尺寸漲大等)置于可控的范圍，有利于生產(chǎn)的進(jìn)行。當(dāng)然在熱處理過程當(dāng)中的機(jī)械碰撞也會(huì)使零件孕育發(fā)生變形，但這種變形是可以用改進(jìn)操作加以削減和避免的。3.2.6 軟點(diǎn)由于加熱不足，冷卻不良，淬火操作不當(dāng)?shù)染壒试舍劤傻妮S承零件外貌局部硬度不夠的