探析柴油發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的材料及其生產(chǎn)工藝（上）

文／燕來榮·東風(fēng)汽車公司重型車總裝配廠

探析柴油發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的材料及其生產(chǎn)工藝（上）

文／燕來榮·東風(fēng)汽車公司重型車總裝配廠

由于日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求和燃油消耗法規(guī)規(guī)定，小排量、高功率、高轉(zhuǎn)矩成為了發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力可高達(dá)20MPa。不斷強(qiáng)化的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)，使得人們更加關(guān)注連桿成品的強(qiáng)度。國(guó)內(nèi)外也一直在對(duì)連桿材料、加工工藝和表面強(qiáng)化手段進(jìn)行探討和革新。

連桿的功用及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的強(qiáng)度、剛度和質(zhì)量對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和可靠性至關(guān)重要，連桿是柴油機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)部件，其作用是將活塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)由化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的輸出，它承受著復(fù)雜的拉壓交變載荷，如果材料與熱加工工藝過程失控，會(huì)給連桿留下內(nèi)在缺陷，在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中極易造成連桿斷裂失效，不僅使整機(jī)毀壞，且易危及人身安全。因此，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)向高功率密度目標(biāo)的發(fā)展，對(duì)連桿的材質(zhì)與熱加工工藝的控制也提出了更高的要求。連桿的材料從優(yōu)質(zhì)中碳合金結(jié)構(gòu)鋼向中、高碳非調(diào)質(zhì)鋼發(fā)展，相應(yīng)地，連桿熱處理技術(shù)由調(diào)質(zhì)處理、鍛造余熱淬火發(fā)展至鍛后控制冷卻，連桿大頭孔剖分由切割技術(shù)發(fā)展至脹斷裂解技術(shù)。

現(xiàn)代高速柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出高效、節(jié)能、環(huán)保、節(jié)約的趨勢(shì)，這導(dǎo)致柴油機(jī)關(guān)鍵零件的制造不斷涌現(xiàn)出新材料與新工藝。以發(fā)動(dòng)機(jī)連桿為例，連桿自身的可靠性要求制造連桿體的材料要有足夠的強(qiáng)度，連桿體的幾何結(jié)構(gòu)要有良好的結(jié)構(gòu)剛度。連桿屬于典型的“雜件”類零件，不但精度要求高、形狀復(fù)雜、制造難度大，而且批量大，會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量。

連桿是較細(xì)長(zhǎng)的變截面非圓形桿件，其桿身截面從大頭到小頭逐步變小，以適應(yīng)在工作中承受的急劇變化的動(dòng)載荷。中等尺寸或大型連桿是由連桿體和連桿蓋兩部分組成的，連桿體與連桿蓋用螺栓和螺母與曲軸主軸頸裝配在一起，而尺寸較小的連桿(如摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)用連桿）多數(shù)為整體結(jié)構(gòu)。為了減少磨損和磨損后便于修理，在連桿小頭孔中壓入青銅襯套，大頭孔中裝有薄壁巴氏合金軸瓦。連桿體和連桿蓋可以分開鍛造，也可以整體鍛造，選用哪種鍛造方式取決于毛坯尺寸及鍛造毛坯的設(shè)備的能力。

連桿是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要零件，它連接著活塞和曲軸，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3個(gè)高應(yīng)力區(qū)域。連桿的工作條件要求連桿要具有較高的強(qiáng)度和抗疲勞性能，也要具有足夠的剛性和韌性。

連桿的材料

連桿主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷，因此連桿必須具有足夠的疲勞強(qiáng)度與剛度。同時(shí)，為了減少慣性力，連桿的重量應(yīng)盡可能的輕。

傳統(tǒng)的連桿加工工藝中，其材料一般采用45鋼或40Cr、45Mn2等優(yōu)質(zhì)鋼或合金鋼，如今越來越多地采用球墨鑄鐵，其毛坯用模鍛的方法制造。連桿用的材料一般有以下6種：中碳鋼；中碳合金鋼；鑄鐵，分可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵；粉末冶金；非調(diào)質(zhì)鋼；脹斷連桿用鋼?，F(xiàn)在國(guó)外所廣泛采用的連桿裂解的加工技術(shù)要求其脆性較大，硬度更高，因此德國(guó)汽車企業(yè)生產(chǎn)的新型連桿材料多為C70S6高碳微合金非調(diào)質(zhì)鋼、SPLITASCO系列鍛鋼、FRACTIM鍛鋼和S53CV-FS鍛鋼等(以上均為德國(guó)DIN標(biāo)準(zhǔn)）。合金鋼雖具有很高的強(qiáng)度，但對(duì)應(yīng)力集中很敏感，所以在連桿外形、過渡圓角等方面需嚴(yán)格要求，還應(yīng)注意表面加工質(zhì)量以提高疲勞強(qiáng)度，否則高強(qiáng)度合金鋼的應(yīng)用并不能達(dá)到預(yù)期效果。

連桿是柴油機(jī)的重要部件，不但要有高的抗拉、壓強(qiáng)度和高的疲勞強(qiáng)度，而且要有足夠的剛性和韌性。連桿的硬度應(yīng)在207～289HB，因不同柴油機(jī)型號(hào)而異。通常連桿以調(diào)質(zhì)狀態(tài)在發(fā)動(dòng)機(jī)里服役，其壽命首先取決于調(diào)質(zhì)工藝質(zhì)量，因此連桿的調(diào)質(zhì)熱處理非常重要。它的金相組織必須是1～4級(jí)晶粒度的細(xì)的回火索氏體(可有少量托氏體和極少量鐵素體）；小型汽油機(jī)連桿多采用可鍛鑄鐵或者球墨鑄鐵，前者硬度應(yīng)為210～260HBS，抗拉強(qiáng)度不低于619MPa，后者硬度應(yīng)為240～280HBS，抗拉強(qiáng)度不低于690MPa。鑄鐵材料的連桿一般也要經(jīng)過表面噴丸等處理。粉末鍛造工藝在歐美國(guó)家于20世紀(jì)30年代就已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，粉末鍛造成為了一種新興的金屬零件成形工藝。粉末鍛造連桿常用的材料為HS150TM及HS160TM。粉末鍛造連桿的力學(xué)性能以及疲勞強(qiáng)度與鍛鋼連桿相似，高強(qiáng)度的粉末鍛造連桿抗拉強(qiáng)度可達(dá)1000MPa以上。

長(zhǎng)期以來連桿使用的材料是中碳鋼、中碳合金鋼或鑄鐵，當(dāng)然最理想的是高比強(qiáng)度的輕質(zhì)材料——鈦合金，但目前限于成本昂貴，鈦合金連桿僅用于賽車發(fā)動(dòng)機(jī)上。碳素調(diào)質(zhì)鋼和合金調(diào)質(zhì)鋼是連桿用鋼的傳統(tǒng)鋼種，通常小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)采用碳素調(diào)質(zhì)鋼，大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)采用合金調(diào)質(zhì)鋼。碳素調(diào)質(zhì)鋼硬度一般在229～269HBS；合金調(diào)質(zhì)鋼可達(dá)到300HBS，但最高不超過330HBS。碳素調(diào)質(zhì)鋼抗拉強(qiáng)度可達(dá)到800MPa以上，沖擊韌度在60J/cm2以上；合金調(diào)質(zhì)鋼抗拉強(qiáng)度可達(dá)到900MPa以上，沖擊韌度在80J/cm2以上。調(diào)質(zhì)鋼連桿用于要求連桿有較高強(qiáng)度和韌性的大功率柴油機(jī)。多年來，高速柴油機(jī)連桿一直以優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼和中碳合金結(jié)構(gòu)鋼為主，如45、40Cr、35CrMo、42CrMo和40MnB，美國(guó)AISI C-1541，德國(guó)CK45、DIN 37MnSi5，日本S45C等結(jié)構(gòu)鋼。結(jié)構(gòu)鋼在熱模鍛后經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，可獲得良好的綜合力學(xué)性能。

近年來連桿材料發(fā)生不少變化，如粉末冶金和裂解連桿用高碳鋼用于大規(guī)模生產(chǎn)。這既是對(duì)傳統(tǒng)連桿用材料的挑戰(zhàn)，也是降低成本的有效途徑。使用溫壓粉末冶金可使連桿的總成本降低30%，使用裂解連桿用高碳鋼則可降低11%的總成本。目前，主要汽車廠家都在考慮變換連桿材料以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的連桿材料。美國(guó)杜邦公司和克萊斯勒汽車廠合作開發(fā)的剛玉纖維增強(qiáng)鋁鋰合金基復(fù)合鑄造的汽車連桿，其重量輕、強(qiáng)度好，抗拉強(qiáng)度達(dá)560MPa，而且膨脹系數(shù)小，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率極為有利，其剛度、強(qiáng)度和疲勞極限都能滿足高性能汽車的材料要求。本田研究開發(fā)中心開發(fā)了一種不銹鋼加強(qiáng)的鐵合金連桿，重量減輕了30%，應(yīng)用在家庭小汽車上，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和燃料經(jīng)濟(jì)性能。

溫壓粉末冶金克服了傳統(tǒng)粉末冶金密度低、成本高的缺點(diǎn)，將其密度提高了0.15～0.40g/cm3，生產(chǎn)成本也較傳統(tǒng)的粉末冶金低。溫壓工藝中使用潤(rùn)滑劑以降低粉末之間的摩擦力、減小壓制過程中的顆粒重排阻力、提高密度。溫壓技術(shù)的出現(xiàn)為制造高性能粉末冶金壓制連桿提供了新的契機(jī)，它不但可以有效提高粉末冶金壓制連桿的密度，而且可以使燒結(jié)態(tài)連桿獲得足夠的使用性能，免去普通粉末冶金工藝后期的熱處理工序。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，溫壓—燒結(jié)連桿的使用性能和粉末鍛造連桿相同，并且有效降低了連桿的制造成本，其溫壓溫度為1130℃時(shí)的燒結(jié)密度達(dá)7.4g/cm3。在燒結(jié)狀態(tài)下，抗拉強(qiáng)度為1050MPa，屈服強(qiáng)度為560MPa，抗壓屈服強(qiáng)度為750MPa，對(duì)稱循環(huán)抗拉疲勞強(qiáng)度為320MPa，標(biāo)準(zhǔn)差僅為±10MPa。溫壓技術(shù)提高了密度，使壓坯有足夠的強(qiáng)度滿足去毛刺、鉆孔、攻螺紋等機(jī)加工的要求，以及有望直接對(duì)連桿壓坯大頭進(jìn)行裂解處理。連桿坯燒結(jié)之后僅需組裝和一些精切削與磨削加工工序，最大限度地減少了連桿后期的機(jī)加工工序。

發(fā)動(dòng)機(jī)連桿裂解加工技術(shù)是目前國(guó)際上連桿生產(chǎn)的新技術(shù)，具有傳統(tǒng)連桿加工方法無可比擬的優(yōu)勢(shì)，其加工工序少、節(jié)省精加工設(shè)備、節(jié)材節(jié)能、生產(chǎn)成本低，近年來國(guó)內(nèi)已越來越普遍地采用這種加工技術(shù)來生產(chǎn)連桿。對(duì)于連桿的裂解加工來說，連桿的材料及其金相組織不僅影響產(chǎn)品性能和切削性，而且還決定可裂開性和斷面質(zhì)量，因此所用材料對(duì)裂解工藝有著決定性的作用。為了滿足裂解加工的質(zhì)量要求，連桿材料要在保證強(qiáng)韌綜合性能的前提下限制連桿的韌性而使斷口呈脆性斷裂特征。目前裂解連桿的材料主要有粉末冶金、鍛鋼和球墨鑄鐵。粉末冶金材料具有良好的脆性斷裂性能，連桿裂解加工技術(shù)早期廣泛采用此種材料。其優(yōu)點(diǎn)是粉末鍛造毛坯的精度高，不需連桿毛坯粗加工，減少了材料費(fèi)用和加工工序，但粉末冶金連桿制坯成本較高且其疲勞強(qiáng)度低于鍛鋼連桿。鑄造連桿的低塑性和易脆斷性非常適合裂解加工技術(shù)的應(yīng)用，但是鑄造連桿重量偏差大、力學(xué)性能較差，這使其應(yīng)用受到了限制。鍛鋼連桿尺寸精度高、組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能好，在傳統(tǒng)連桿制造業(yè)中應(yīng)用最為廣泛，尤其適用于負(fù)荷大、轉(zhuǎn)速高的發(fā)動(dòng)機(jī)以及要求連桿具有高疲勞強(qiáng)度和可靠性的場(chǎng)合。

康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)連桿選材為美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)SAE 1541鋼，其材料標(biāo)準(zhǔn)為康明斯標(biāo)準(zhǔn)30062-04，采用調(diào)質(zhì)熱處理工藝。國(guó)產(chǎn)化時(shí)，將毛坯材料定為40MnBH(GB 5216—1985），采用鍛造余熱淬火加高溫回火調(diào)質(zhì)熱處理新工藝，此方法既能獲得良好的綜合機(jī)械性能，又能提高疲勞強(qiáng)度，還能節(jié)省大量的能源。毛坯為整體鍛造，其外形精度高，省材料，工藝簡(jiǎn)化，便于組織生產(chǎn)、加工和運(yùn)輸。該連桿硬度為255～302HB(3.5～3.8dB），材料的奧氏體晶粒度國(guó)標(biāo)規(guī)定為7～8級(jí)，CKD連桿實(shí)物的晶粒度水平為7級(jí)。近年來，非調(diào)質(zhì)鋼作為在傳統(tǒng)材料基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個(gè)新品種，得到了廣泛的應(yīng)用。非調(diào)質(zhì)鋼是在中碳鋼基礎(chǔ)上添加釩、鈦、鈮等微合金元素，通過控制軋制或鍛造過程的冷卻速度，使其在基體組織中彌散析出碳、氮的化合物從而使其得到強(qiáng)化。該材料對(duì)鍛造工藝而言，省去了調(diào)質(zhì)處理工藝，避免了熱處理裂紋，節(jié)省了大量的能源。從加工方面看，由于添加了S、Ca等元素，因此切削性能得到了明顯的改善，斷屑容易，排屑流暢，刀具壽命大大提高。在1984～1994年期間，康明斯采用調(diào)質(zhì)鋼毛坯SAE 1541鋼，1995年全面轉(zhuǎn)用非調(diào)質(zhì)鋼毛坯38MnVS。1993年以來，選用了40MnVG非調(diào)質(zhì)鋼進(jìn)行了材料、加工工藝等各項(xiàng)相關(guān)試驗(yàn)。批量切削試驗(yàn)表明，零件廢品率明顯降低，拉削加工表面質(zhì)量提高了一個(gè)等級(jí)，表面粗糙度Ra值從3.2μm提高到2.2～1.6μm，拉削振動(dòng)明顯降低，刀具耐用度提高了1.5～2倍。

除康明斯外，Benz、Deutz、MAN、日產(chǎn)、日野等公司的柴油機(jī)和中國(guó)一汽的6DL柴油機(jī)也使用 了 38MnV(或 40MnV）、S43CVS、S53CV-FS、SPLITASCO38等非調(diào)質(zhì)鋼。非調(diào)質(zhì)鋼按其強(qiáng)韌性可以分為4類：基本型、高韌性型、高強(qiáng)度型和高強(qiáng)度、高韌性型，其中基本型和高強(qiáng)度型適用于發(fā)動(dòng)機(jī)連桿。我國(guó)研究的非調(diào)質(zhì)鋼主要是釩系、錳釩系、錳釩氮系，每個(gè)系列都開發(fā)了添加易切削元素的鋼種。用于發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的鋼種有35MnVS、35MnVN、40MnV、48MnV等，其強(qiáng)度都在900MPa以下。疲勞試驗(yàn)表明，非調(diào)質(zhì)鋼連桿的疲勞強(qiáng)度與相同級(jí)別的調(diào)質(zhì)鋼相當(dāng)。 (未完待續(xù))

燕來榮，高級(jí)技工，主要從事汽車裝配試驗(yàn)技術(shù)方面的工作。