淺談發(fā)動機(jī)曲軸材料的性能特點(diǎn)及發(fā)展趨勢

趙生蓮

摘要：曲軸是發(fā)動機(jī)中最重要的部件，曲軸的作用是將活塞的往復(fù)直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動而對外輸出動力。發(fā)動機(jī)工作過程中，活塞經(jīng)過混合壓縮氣的燃爆，推動活塞做直線運(yùn)動，并通過連桿將力傳給曲軸，由曲軸將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動，所以說，曲軸的旋轉(zhuǎn)是發(fā)動機(jī)的動力源，也是整個機(jī)械系統(tǒng)的源動力。它承受連桿傳來的力，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩通過曲軸輸出并驅(qū)動發(fā)動機(jī)上其他附件工作。曲軸受到旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力、周期變化的氣體慣性力和往復(fù)慣性力的共同作用，使曲軸承受彎曲和扭轉(zhuǎn)交變載荷的作用。因此要求曲軸有足夠的抗彎曲、抗扭轉(zhuǎn)的疲勞強(qiáng)度和剛度，軸頸表面需耐磨、工作均勻、平衡性好。目前，汽車發(fā)動機(jī)曲軸典型用材有球墨鑄鐵（含ADI）、調(diào)質(zhì)鋼（45，40Cr，40MnB，42CrMo）、非調(diào)質(zhì)鋼（C38N2，S38MnSiV，S45 CVS、48MnV、49MnVS3）等鋼。本文闡述了發(fā)動機(jī)曲軸材料的性能特點(diǎn)及發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：曲軸;材料

【中圖分類號】G718.5

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】2236-1879（2018）13-0153-01

一、球墨鑄鐵（含ADI）的性能特點(diǎn)

等溫淬火球墨鑄鐵（Austempered Ductile Iron，簡稱ADI）通常稱為奧一貝球鐵，具有很高的綜合力學(xué)性能。與普通球鐵相比，在相同韌度下，強(qiáng)度可提高1倍;與鋼相比，具有更好的耐磨性能，在很多應(yīng)用場合可取代鍛鋼制造機(jī)械（汽車）零件。

ADI具有強(qiáng)度、塑性和韌性都很高的綜合力學(xué)性能，特別具有很高的彎曲疲勞強(qiáng)度，和良好的耐磨性，顯著優(yōu)于鐵素體球鐵和珠光體球鐵，也優(yōu)于傳統(tǒng)的經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的球鐵以及貝氏體球鐵，可與合金鍛鋼相媲美，因此被譽(yù)為是近30年來鑄鐵冶金方而的重大成就之一。

由于其基體為奧氏體，當(dāng)受到外力作用時，會發(fā)生加工硬化現(xiàn)象，即奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，從而產(chǎn)生更好的耐磨性能。

二、調(diào)質(zhì)鋼的性能特點(diǎn)

調(diào)質(zhì)鋼的成分是含碳0.25%～0.5%碳素鋼或低合金鋼和中合金鋼，以含碳0. 4%居多，調(diào)質(zhì)處理后的金相組織是回火索氏體。調(diào)質(zhì)處理是淬火成馬氏體后在500～ 650。C之間溫度范圍內(nèi)回火。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，鋼的強(qiáng)度、塑性及韌性有良好的配合。

加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等：這些合金元素除了提高淬透性外，還能形成合金鐵素體，提高鋼的強(qiáng)度。如調(diào)質(zhì)處理后的40Cr鋼的性能比45鋼的性能高很多;加入防止第二類回火脆性的元素：含Ni、Cr、Mn的合金調(diào)質(zhì)鋼，高溫回火慢冷時易產(chǎn)生第二類回火脆性。在鋼中加入Mo、W可以防止第二類回火脆性，其適宜含量：Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%～0.30%，或W的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 8%～1.2%。

三、非調(diào)質(zhì)鋼的性能特點(diǎn)

非調(diào)質(zhì)鋼是在中碳錳鋼的基礎(chǔ)上加入釩、鈦、鈮微合金化元素，使其在加熱過程中溶于奧氏體中，因奧氏體中的釩、鈦、鈮的固溶度隨著冷卻而減小。微合金元素釩、鈦、鈮將以細(xì)小的碳化物和氮化物形式在先析出的鐵素體和珠光體中析出。這些析出物與母相保持共格關(guān)系，使鋼強(qiáng)化。這類鋼在熱軋狀態(tài)、鍛造狀態(tài)或正火狀態(tài)的力學(xué)性能達(dá)到或接近調(diào)制鋼，既縮短了生產(chǎn)周期，又節(jié)省了能源。

非調(diào)質(zhì)鋼是在軋制狀態(tài)或正火狀態(tài)下使用的高強(qiáng)度鋼;非調(diào)質(zhì)鋼顯微組織主要是鐵素體和珠光體;提高非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)度的方法，主要是通過添加合金元素和軋制，細(xì)化組織，常采用對于焊接性影響較小而又廉價的硅和錳作為非調(diào)質(zhì)鋼主要合金元素。通過控制軋制也可細(xì)化組織，提高非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)度和韌性。

非調(diào)質(zhì)鋼的力學(xué)性能取決于基體顯微組織和析出相的強(qiáng)化。非調(diào)質(zhì)鋼分為熱鍛用非調(diào)質(zhì)鋼、直接切削用非調(diào)質(zhì)鋼、冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼和高韌性非調(diào)質(zhì)鋼。熱鍛用非調(diào)質(zhì)鋼用于熱鍛件（如曲軸、連桿等），直接切削用非調(diào)質(zhì)鋼用熱軋件直接加工成零件，冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼用于標(biāo)準(zhǔn)件（如螺母等），高韌性非調(diào)質(zhì)鋼用于要求韌性較高的零部件。

非調(diào)質(zhì)鋼的優(yōu)點(diǎn)：與調(diào)質(zhì)的42CrMo、40Cr、45相比，機(jī)械性能更好，從心部到邊緣的硬度更均勻，疲勞壽命更長;大幅降低制造成本，無需調(diào)質(zhì)處理及相關(guān)的矯直、運(yùn)輸;直接進(jìn)入機(jī)加工工序，制造周期更短，資金占用更少;非調(diào)質(zhì)鋼為設(shè)備小型化或達(dá)到更高性能提供更大的設(shè)計空間;非調(diào)質(zhì)鋼是響應(yīng)政府節(jié)能減排要求的新型產(chǎn)品，同時也符合發(fā)達(dá)國家的準(zhǔn)入制度，使用者更易得到政策支持，并能提高產(chǎn)品國際市場競爭力。

因為非調(diào)質(zhì)鋼的一系列優(yōu)點(diǎn)，各大汽車主機(jī)廠近年來逐步廣泛應(yīng)用非調(diào)質(zhì)鋼取代調(diào)質(zhì)鋼制造汽車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件。