1、汽车发动机连杆螺栓热处理工艺设计分析解析 金属材料热处理原理与工艺课程设计 40Mn发动机连杆螺栓热处理工艺设计院 、 部： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职称 专 业： 班 级： 完成时间： 摘 要综述了发动机连杆螺栓的工作环境，使用性能，失效形式，连杆螺栓材料的选择，热处理工艺等。主要就连杆螺栓的热处理工艺做了详细的分析，通过大量的实验得出了连杆螺栓材料热处理后的金相组织图等资料。分别对球化退火、淬火、回火过程中组织、硬度的的变化做了分析。并就实验中出现的问题作了分析，以供参考。关键词：连杆螺栓热处理；等温退火；淬火；回火；问题分析目 录摘 要 I前言 11 连杆螺栓的使用性能 12
2、材料选择及技术要求 12.1. 螺栓的热处理工艺规范 22.2 材料的选择 23 热处理工艺及目的 33.1 退火 33.2 正火 33.3 淬火 43.4 回火 44 设计说明 44.1 失效形式 44.2 工作要求 44.3 结构钢40Mn的化学成分 54.3.1 主要特性 54.3.2 材料分析 54.3.3 力学性能要求 64.3.4 基于材料的零件设计 64.5 热处理工艺说明 75 设计方案 85.1 正火 85.2 调质处理 85.3 回火的制定 96 螺栓的热处理质量检测 96.1 硬度计 96.2 外观检测与金相组织检验 97 螺栓热处理回火缺陷的原因及解决方案 10参考文献
3、 11前言连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件。例如在往复活塞式动力机械和压缩机中，用连杆来连接活塞与曲柄。连杆多为钢件，其主体部分的截面多为圆形或工字形，两端有孔，孔内装有青铜衬套或滚针轴承，供装入轴销而构成铰接。 连杆是汽车发动机中的重要零件，它连接着活塞和曲轴，其作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。 连杆在工作中，除承受燃烧室燃气产生的压力外，还要承受纵向和横向的惯性力。因此，连杆在一个复杂的应力状态下工作。它既受交变的拉压应力、又受弯曲应力。由于连杆的重要性，连杆螺栓起到固定螺栓的作用也变得十分重要，连杆螺栓是紧固连
4、杆大端及其端盖的重要部件，在工作过程中受到均匀拉伸应力的作用，因此，对于螺栓的力学性能有着很强的挑战性。考虑到连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。通常疲劳断裂的部位是在连杆上的三个高应力区域。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的钢性和韧性。因此也要求螺栓具有较高的强度和抗疲劳性能，并且保证韧性和耐磨性。1 连杆螺栓的使用性能（1）功用：连接活塞与曲轴 ，并把活塞承受的气体压力传给曲轴，使得活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动。（2）工作条件：承受压缩、拉伸和弯曲等交变载荷 。（3）性能要求：强度高、刚度大、重量轻 。 连杆螺栓是发动机工作过程中最为关键的零部件，
5、它与曲柄配合完成活塞运动，使发动机获得动力，连杆螺栓是紧固连杆大端及其端盖的重要部件，在工作过程中受到均匀拉伸应力的作用，由于曲柄旋转产生离心力的作用周期性变化，螺栓有受到反复的交变应力，活塞换向对连杆大端施加冲击，加上各种附加力的作用，其工作状况不容乐观。2 材料选择及技术要求2.1. 螺栓的热处理工艺规范根据螺栓连杆的工作特点，在气温、环境经常变化的条件下，情况比较复杂，螺栓要具有较低的冷脆转变温度和较小的延迟破坏敏感度，确保其安全服役，从以上分析可知，螺栓要具有足够的抗拉强度、屈服强度、良好的韧性、较高的疲劳强度以及一定的延伸率，只有这样才能缓冲应力集中，承受冲击载荷左的作用。2.2 材
6、料的选择在紧固件制造中，正确选用紧固件材料是重要一环，因为紧固件的性能和其材料有着密切的关系。如材料选择不当或不正确，可能造成性能达不到要求，使用寿命缩短，甚至发生意外或加工困难，制造成本高等，因此紧固件材料的选用是非常重要的环节。冷镦钢是采用冷镦成型工艺生产的互换性较高的紧固件用钢。由于它是常温下利用金属塑性加工成型，每个零件的变形量很大，承受的变形速度也高，因此，对冷镦钢原料的性能要求十分严格。在长期生产实践和用户使用调研的基础上，结合GB/T6478-2001冷镦和冷挤压用钢技术条件GB/T699-1999优质碳素结构钢及日本JISG3507-1991冷镦钢用碳素钢盘条的特点，以8.8级
7、，9.8级螺栓螺钉的材料要求为例，各种化学元素的确定。C含量过高，冷成形性能将降低；太低则无法满足零件机械性能的要求，因此定为0.25%-0.55%。Mn能提高钢的渗透性，但添加过多则会强化基体组织而影响冷成形性能；在零件调质时有促进奥氏体晶粒长大的倾向，故在国际的基础上适当提高，定为0.45%-0.80%。Si能强化铁素体，促使冷成形性能降低，材料延伸率下降定为Si小于等于0.30%。S.P.为杂质元素，它们的存在会沿晶界产生偏析，导致晶界脆化，损害钢材的机械性能，应尽可能降低，定为P小于等于0.030%，S小于等于0.035%。B.含硼量最大值均为0.005%，因为硼元素虽然具有显著提高钢
8、材渗透性等作用，但同时会导致钢材脆性增加。含硼量过高，对螺栓，螺钉和螺柱这类需要良好综合机械性能的工件是十分不利的。表1 螺栓性能要求与40Mn钢性能对比 b/MPas/MPa( %)( %)Ak/ Jcm- 2性能要求83173410 4248.855.740Mn88573512 45553 热处理工艺及目的热处理：把金属或合金加热到给定温度并保持一段时间,然后用选定的速度和方法使之冷却,以得到所需要的显微组织和性能的操作工艺,被称为热处理. 轴承热处理直接关系着后续的加工质量，以致最终影响零件的使用性能及寿命，同时轴承热处理又是轴承制造中的能源消耗大户和污染大户。轴承的热处理装备直接影响轴
9、承热处理质量，以及能源消耗和污染。轴承钢的硬度和强度都很高，经过退火后才可以进行加工，而且细化晶粒，提高原始组织的性能，当粗加工完毕后还要对其进行淬火和冷处理。3.1 退火将工件加热到临界点(Ac1或Ac3)以上某一温度,停留一定的时间(保温),然后进行缓慢冷却(同炉子一起冷却),这种操作过程叫做退火. 退火的目的: （1）降低硬度,便于工件易切削. （2）改善材料的组织及机械性能. （3）改善组织结构,为以后的淬火做好准备. （4）消除内应力. （5）得到细小的结晶. 退火设备：现阶段我国的退火设备是氧化炉和保护气氛炉共存，氧化炉多于保护气氛炉；周期炉和连续炉共存，且周期炉多于连续炉。美国、
10、英国、日本等国家早在20世纪六七十年代就已全面推广推杆式和辊底式等温球化退火炉，缩短退火周期，节约能源，并提高退火质量。随着轴承零件加工技术的发展，以及精密锻造和精密辗扩(冷辗)工艺的采用，零件毛坯的加工精度越来越高，由此带来了对保护气氛退火的需求。轴承行业应迅速推广保护气氛球化退火，以减少退火后的氧化脱碳，提高加工效率，节材节能，降低成本。3.2 正火将工件加热到Ac3或Acm以上30-50,经保温后,从炉中取出放在空气中冷却的一种热处理操作.(正火的冷却速度要比退火快的多). 正火后其强度和硬度较退火的高一些,塑性稍低,使珠光体数量增加,改善组织保证得到较高的机械性能,由于在空气中冷却,生
11、产率高. 3.3 淬火是将工件加热到临界点(Ac3或Ac1)以上,经保温后急速冷却以获得马氏体组织(也有一定量的残余奥氏体),这种热处理操作称之为淬火.钢经过淬火后在性能上的突出特点是硬度很高而塑性很低. 淬火的目的: （1）增加钢制工件的硬度及耐磨性. （2）通过淬火和随后的中温或高温回火能使工件获得良好的综合性能.淬火设备：淬火冷却装备是除淬火介质外影响工件淬火效果的另一大因素。我国现阶段淬火冷却装备控制参数较少，一般只对油温和油的循环进行控制。国外对常用的淬火油槽实行多参数控制，如油温、油的冷却特性、油的循环与搅拌的方向，以及速度、工件入油的方式等，以求得到最佳的淬火组织与性能，同时把变
12、形减小到最小程度。我国一些轴承厂家也在尝试多参数控制，特别是通过对圆锥轴承进行工件入油方式的控制来解决轴承零件淬火过程中角度的变化。3.4 回火是将淬火后的工件加热到Ac1以下的温度,保温一段时间,然后在水,油或空气中冷却下来.(回火是紧接着淬火以后进行的,回火有低温回火,中温回火和高温回火) 回火的目的:减少或消除工件在淬火时造成的内应力,提高塑性和韧性,以得到工件在使用时所要求的和可能达到的机械性能。4 设计说明4.1 失效形式螺栓失效形式为断裂和变形，其后果一是造成打碎气缸，二是无法正常工作，因此需要确保质量合格。4.2 工作要求1. 预紧轴向拉伸应力；2. 曲轴旋转由于离心力的周期变化
13、，螺栓承受交变应力的作用；3. 曲柄与连之间存在的间隙；4. 在发动机爆炸冲程中，承受较大的冲击载荷；5. 剪切应力的作用。4.3 结构钢40Mn的化学成分4.3.1 主要特性这是一种中碳调质锰钢，钢的强度、塑性和耐磨性都较高，可切削性及热处理工艺性能亦好，在油中临界淬透直径达8.523mm，在水中临界淬透直径达2042mm；但存在回火脆性和过热敏感性，而且淬火时易于开裂。此钢有白点敏感性，冷变形塑性不高，焊接性差，需要预热到100425后方可焊接。应用举例一般在调质状态下使用，可用于制造重负荷条件下工作的零件，如轴、曲轴、车轴、活塞杆、蜗杆、杠杆、连杆、有负荷的螺栓、螺钉、加固环、弹簧以及其
14、它调质件。一般用于直径小于50mm的小截面重要零件时，这种钢的静强度及疲劳性能均与40Cr钢相当，故可作40Cr的代用钢。4.3.2 材料分析40Mn钢是一种合金钢，其中各元素含量为碳 C ：0.360.44 硅 Si：0.170.37 锰 Mn：1.502.49 硼 B：0.00050.0030 硫 S ：0.030 磷 P ：0.030 铬 Cr：0.801.10 镍 Ni：0.35 钒 V：0.100.20。1、Si：常用的脱氧剂，有固溶强化作用，提高电阻率，降低磁滞损耗，改善磁导率，提高淬透性，抗回火性，对改善综合力学性能有利，提高弹性极限，增强自然条件下的耐蚀性。含量叫干事，降低焊接
15、性，且易导致冷脆。中碳钢和高碳钢易于在回火时产生石墨化。2、Mn：降低钢的下界临点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以其改善其力学性能，为低合金钢的重要合金元素，能明显提高钢的淬透性，但有增加晶体粗化和回火脆性的不利影响。3、B：微量硼能提高钢的淬透性 ，但随钢种含碳量的增加，淬透性的提高逐渐减弱以致完全消失。钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。具体有： （1)提高淬透性的能力极强。0.00100.0030硼的作用可分别相当于0.6锰、0.7铬、0.5钼和1.5镍，因此其提高淬透性的能力为上述合金元素的几百倍乃至上千倍，故此只需极少量硼即可节约大量的贵重合金元素。（
16、2）具有最佳含量而且此含量极小。一般合金元素提高淬透性的效果随其在钢中含量增加而增长，但硼却有一个最佳含量(范围)，过多或过少均对提高淬透性不利，而且此量很小，约为0.0010，一般控制在0.00050.0030。（3）硼的淬透性效果与钢的成分有关。普遍认为钢中的碳和合金元素含量提高，硼提高淬透性的作用则下降。所以低碳、低合金钢中硼的淬透性效果最显著。硼淬透性系数fb与钢中碳含量关系的经验公式之一为fb=1+1.5(0.9-C)。（4）硼的淬透性作用与奥氏体化条件有关。早期的研究表明两者间存在特殊关系，即在某一特定奥氏体化温度下硼的淬透性效果最佳；温度再升高，尽管奥氏体晶粒长大，硼的淬透性效果
17、反而下降。但是近来亦有一些研究发现，以钛固定氮的硼钢在一定的奥氏体化温度范围内淬透性几乎没有变化。这些现象都与一般合金元素的淬透性效果与奥氏体化温度的关系不同。（5）其他合金元素的作用除硼外，硼钢中还经常加入一些其他合金化元素，如硅、锰、铬、钼、铌、钒等，目的是进一步改善钢的淬透性及其他一些性能，如强度、韧性、回火脆性、疲劳性能、耐蚀性等。钼可大大加强硼的淬透性作用，二者具有复合作用，特别是当钼、硼含量配比合适时可使钢在相当宽的冷速范围内经空冷得到贝氏体组织。钼一硼系贝氏体钢就是根据这一现象设计出来的。钢中的铌处于固溶状态下与硼具有一定的复合作用，对奥氏体转变产生强烈的抑制作用。铌一硼的这种作
18、用在控制轧制、直接淬火的钢中已经被利用。4.3.3 力学性能要求结构钢40Mn的力学性能如下：表2 结构钢40Mn的力学性能钢号 b/MPas/MPa( %)( %)K/ Jcm- 240Mn88573512 45554.3.4 基于材料的零件设计基于材料的价值应用及性能，现将给定材料设计成连杆螺栓。 图1 螺栓尺寸设计图表1 螺栓设计尺寸参数单位 mm标称直径d/mm螺距P/mmd1/mmH/ mmB/mmC/mmD1/ mmr（最大)/mmK（约）/mmS/mmL/mmM121.75121921224.22200.5222181304.5 热处理工艺说明（1）预备热处理调质钢经加加工后，必
19、须经过热处理来降低硬度，便于切削加工，消除热加工造成的组织缺陷，细化晶粒，改善组织，为最终热处理做准备，对于40Cr钢，可用正火或退火。 正火：指将钢材或钢件加热到 或 （钢的上临界点温度）以上，3050 保持适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理的工艺。正火的目的：主要是提高低碳钢的 力学性能，改善切削加工性，细化晶粒，消除组织缺陷，为后道热处理作好组织准备等。 （2）调质处理淬火后加高温回火的热处理的方法，高温回火是指在500-650之间进行回火，调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度，塑性和韧性都较好，具有良好的机械性能。钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1
20、（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。 淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织。40Cr工件淬火后应采用油冷，40Cr钢的淬透性较好，在油中冷却能淬硬，而且工件的变形、开裂倾向小。钢的回火指钢件经淬硬后，再加热到 以下的某一温度，保温一定时间，然后冷 却到室温的热处理工艺。常见的回火工艺有：低温回火，中温回火，高温回火和多次回火等。回火的目的：主要是消除钢件在淬火时所产生的应力，使钢件具有高的硬度和耐磨性外，并具有所需要的塑性和韧性等。
21、40Cr的调质处理须高温回火，得到回火索氏体，具有良好综合机械性能。5 设计方案在工艺路线中，预备热处理采用正火（或退火）改善锻造组织，细化晶粒，调整硬度，便于切削加工；为淬火做好准备。调质工艺采用850加热，油淬，得到马氏体组织；然后在620回火空冷。5.1 正火正火为调质处理做准备，图1为正火的工艺曲线图。将工件放入箱式正火炉中进行正火工艺。加热温度：Ac3+（3050），由此确定加热温度为850；保温时间：120min；冷却方式：空冷。5.2 调质处理淬火工艺的制定，图2为淬火工艺曲线图图1 正火工艺曲线图 工件进入调质线进行工艺处理，淬火加热温度：Ac3+（3050），由此确定加热温度
22、为850，保温时间：80min，冷却方式：油冷。5.3 回火的制定图3为淬火加高温回火工艺曲线。高温回火温度为500650，可选用加热温度为620；保温时间为60min；空冷。图3 淬火加高温回火工艺曲线6 螺栓的热处理质量检测螺栓的热处理质量检验是依据技术要求来进行的，主要有硬度、金相组织、表面脱碳层深度、表面清洁及力学性能等，相应的设备或仪器进行检测。6.1 硬度计布氏硬度计的原理用一定直径的钢球或硬质合金球，以规定的试验力压入式样表面，经规定保持时间后卸除试验力，测量试样表面的压痕直径。布氏硬度值是以试验力除以压痕球形表面积所得的商。以HBS（钢球）表示，单位为N/mm2（MPa）。测定
23、布氏硬度较准确可靠，但一般HBS只适用于450N/mm2（MPa）以下的金属材料，对于较硬的钢或较薄的板材不适用。在钢管标准中，布氏硬度用途最广，往往以压痕直径d来表示该材料的硬度，既直观，又方便。洛氏硬度计原理在规定条件下，将压头(金刚石圆锥、钢球或硬质合金球)分2个步骤压入试样表面。卸除主试验力后，在初试验力下测量压痕残余深度h。以压痕残余深度h代表硬度的高低。6.2 外观检测与金相组织检验同时观察外观，不允许有裂纹、开裂烧伤、磕碰、腐蚀等缺陷，必要时可用磁粉检测或其他无损检测方法检测。用金相显微镜观察其组织，其金相组织应为均匀的回火索氏体，不允许存在游离的铁素体。7 螺栓热处理回火缺陷的
24、原因及解决方案（1）回火硬度偏高：由于回火不足，即回火温度低、回火时间不够。可以提高回火温度、延长回火时间来解决。（2）回火硬度低：由于温度过高或淬火组织中有非马氏体。可以降低回火温度和淬火工艺来解决。（3）回火硬度不均匀：回火炉温不均、装炉量过多造成。（4）网状裂纹：回火加热速度过快，表层产生多项拉应力。可以采用较慢的回火加热速度。（5）回火开裂：淬火后未及时回火形成显微裂纹。可以减少淬火应力，并在淬火后及时回火。参考文献1 刘国钧，陈绍业，王凤翥图书馆目录第1版北京：高等教育出版社，19572 傅承义，陈运泰，祁贵中地球物理学基础北京：科学出版社，1985, 4473 华罗庚，王元论一致分布与近似分析中国科学，1973, 4: 339-3574 张筑生微分半动力系统的不变集研究：博士学位论文，北京：数学系统学研究所，19835 Borko H, Bernier C L. Indexing concepts and methods. New York: Academic Press, 19786 Dudek M R, Gouyet J F, Kolb M. Q+1 state Potts model of late stage sintering. Surface Science, 1998, 401: 220226
