汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸用鋼研究與開發(fā)

王旭

摘要：汽車的核心零件是發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成是曲軸。本次研究通過文獻(xiàn)法，對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行歸納和總結(jié)，分析汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸用鋼研究與開發(fā)，對(duì)汽車的動(dòng)力、使用年限和耗油量的相關(guān)影響進(jìn)行探討。汽車的動(dòng)力提供者是發(fā)動(dòng)機(jī)，常見的家用車的內(nèi)燃機(jī)大多數(shù)都是復(fù)活塞式，這種內(nèi)燃機(jī)的工作原理是實(shí)現(xiàn)動(dòng)能的轉(zhuǎn)換把化學(xué)物質(zhì)的能量轉(zhuǎn)化為汽車提供動(dòng)力的機(jī)械能量。本篇文展主要分析了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸原材料的化學(xué)成分組成和影響曲軸選擇的因素，加工工藝和處理過程中保溫和冷卻技術(shù)的使用，不斷促進(jìn)我國(guó)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)革新和汽車領(lǐng)域的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī);曲軸用鋼;研究;開發(fā)

中圖分類號(hào)：U464.133.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）21-0029-02

0? 引言

近年來，國(guó)家對(duì)汽車行業(yè)的節(jié)能減排要求的不斷提高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排環(huán)保的技術(shù)水平研發(fā)力度也在加大，現(xiàn)在中冷發(fā)動(dòng)機(jī)已占領(lǐng)市場(chǎng)的主導(dǎo)，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的功率和爆發(fā)壓力在增加的同時(shí)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性要求及汽車尾氣的排放要求也在提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的改變主要是在曲軸，所以對(duì)曲軸的動(dòng)力性能需求也越來越高，消費(fèi)者對(duì)于汽車的性能要求也越來越高，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合強(qiáng)度、駕車的安全系數(shù)、汽車重量等方面成為購(gòu)買汽車的重要考慮方面。曲軸是汽車重要的安全組成零件，在汽車行駛發(fā)生周期性的氣體變化、慣性等因素的共同作用下進(jìn)行工作，承受巨大的載負(fù)力。因此需要曲軸的強(qiáng)度、耐用性及循環(huán)性能均達(dá)到相關(guān)要求，否則容易造成曲軸老化現(xiàn)象，引起汽車發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障。

1? 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸用鋼研究

曲軸影響著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和發(fā)動(dòng)機(jī)的使用時(shí)間。對(duì)于汽車來說有一個(gè)質(zhì)量好的曲軸，在汽車運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)產(chǎn)生事半功倍的效果，最大的動(dòng)力負(fù)荷和發(fā)動(dòng)機(jī)功率的進(jìn)行都在曲軸完成，在汽車運(yùn)行中承擔(dān)著跟隨方向指令不斷變化的任務(wù)，完成一系列的旋轉(zhuǎn)和彎曲動(dòng)作，發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間使用，曲軸消耗性的高速運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)使曲軸發(fā)生磨損。

1.1 原材料檢測(cè)分析

金屬材料有耐熱耐磨的特點(diǎn)，在汽車產(chǎn)業(yè)有著廣泛應(yīng)用，金屬材料被制成各種零部件及汽車外用制品，在加工時(shí)要保證其強(qiáng)性和穩(wěn)定性不被破壞，對(duì)于加工技術(shù)的要求越來越高，穩(wěn)定金屬屬性及其化學(xué)成分，有利于使保護(hù)汽車行駛中的安全，減少發(fā)生安全事故的可能。金屬材料的實(shí)際晶粒度在進(jìn)行熱加工的時(shí)候會(huì)發(fā)生改變，這與金屬材料的性能有關(guān)。因此鋼鐵產(chǎn)品在技術(shù)加工時(shí)都要求規(guī)定晶粒度的級(jí)別，晶粒度也成了檢驗(yàn)金屬制品的重要檢測(cè)項(xiàng)目之一。可以通過實(shí)際晶粒度的測(cè)定，來判斷金屬材料的質(zhì)量，熱加工過程中的技術(shù)是否正確、晶粒度對(duì)汽車的材料性能有十分重要的影響。在工廠生產(chǎn)機(jī)械零件處理工藝中，對(duì)于汽車行業(yè)使用的材料的晶粒度有規(guī)范的范圍，這也是對(duì)機(jī)械零件質(zhì)量測(cè)評(píng)的重要指標(biāo)。所以實(shí)際晶粒度的加工處理標(biāo)準(zhǔn)被工廠生產(chǎn)者格外重視。

1.2 原材料的化學(xué)組成

在原材料分析技術(shù)條下，對(duì)原材料的化學(xué)元素都有相應(yīng)的化學(xué)元素成分組成范圍，化學(xué)元素的用量超出規(guī)定的范圍對(duì)實(shí)際的晶粒度會(huì)產(chǎn)生較大的影響，所以在不影響鋼的韌性的前提下，增加對(duì)可以鋼的強(qiáng)度的化學(xué)元素的用量，通常在汽車行業(yè)中使用的金屬化學(xué)組成種類較多，這對(duì)于與錫、鉛、鋁、錳、鉻等合金元素的結(jié)合以及細(xì)化晶粒度起到推動(dòng)作用。對(duì)于有害化學(xué)元素，要嚴(yán)格控制使用率，有的金屬中不可避免會(huì)有一些有害化學(xué)元素，但數(shù)量不多，長(zhǎng)期使用不會(huì)造成不利影響;易形成氮化物或氮和碳結(jié)合物的元素會(huì)將晶粒細(xì)化、通過元素置換來提高鋼元素含量，以此提高鋼的韌性，相關(guān)研究表明，非調(diào)質(zhì)鋼中氮元素增加到0.02%左右，有利于和鋼元素交換，對(duì)提高鋼的性能，改善鋼的易變形屬性具有重要作用[1]。

1.3 原材料的金屬構(gòu)成

根據(jù)相關(guān)法規(guī)規(guī)定對(duì)生產(chǎn)出來的零部件進(jìn)行檢查，其中最主要的是對(duì)原材料金屬檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，按照標(biāo)準(zhǔn)從原材料上采取檢驗(yàn)樣品，經(jīng)過一系列的檢驗(yàn)手法在專業(yè)的檢測(cè)儀器中，分析零件的組成及使用有毒有害的材料的程度。測(cè)定在微鏡下觀察晶粒度情況，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)原材料中的金屬構(gòu)成進(jìn)行評(píng)級(jí)，目前對(duì)于汽車行業(yè)的金屬材料中晶粒度8級(jí)表示晶粒度符合標(biāo)準(zhǔn)。原材料的金屬組織均為網(wǎng)狀鐵元素+珠光元素構(gòu)成，金屬材料組織在顯微鏡下看見金屬分布均勻，成色較好，化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)，表示合格可以用于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的使用[2]。

2? 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸用鋼的開發(fā)

國(guó)產(chǎn)汽車由原先零配件生產(chǎn)到能夠整車裝配，再到發(fā)動(dòng)機(jī)自主研發(fā)核心技術(shù)等實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)汽車一次又一次的邁向新發(fā)展機(jī)遇。中國(guó)的汽車市場(chǎng)整體需求量大，對(duì)汽車行業(yè)和汽車發(fā)展環(huán)境總體上來說較為積極，國(guó)家也出臺(tái)購(gòu)車的相關(guān)優(yōu)惠政策，刺激消費(fèi)者購(gòu)買力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展、節(jié)能環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)、新能源乘用車制度的實(shí)施、互網(wǎng)聯(lián)汽車快速發(fā)展等因素影響下，我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)將在高質(zhì)量發(fā)展的同時(shí)在汽車制造上取得更多進(jìn)展。

2.1 加強(qiáng)工藝技術(shù)

曲軸鍛造工藝的好壞決定了成品的質(zhì)量，考驗(yàn)工作人員的鍛造技術(shù)，在設(shè)備中停留的時(shí)間長(zhǎng)短影響著材料的成分組成。主要是原材料通過設(shè)備加熱到一定溫度進(jìn)行鍛打和切邊最后再控溫冷卻，最后成型。在此期間在鍛件鍛造的不同階段工藝加溫溫度是不同的，原材料進(jìn)入時(shí)的溫度是1100-1200攝氏度;初始鍛造溫度是1100-1000攝氏度;最終鍛造溫度1000-900攝氏度;快要結(jié)束鍛造時(shí)進(jìn)行控溫加冷卻，控冷線上的溫度≥800攝氏度，采用連續(xù)的控冷方式循環(huán)，控冷線下溫度控制在<550攝氏度。所以在熱加工工藝方面，溫度是影響晶粒大小的主要因素，鍛造時(shí)溫度越高導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大傾向的可能會(huì)越大，其次是零件的保溫時(shí)間、終末鍛造溫度和冷卻速度和時(shí)間影響晶粒的大小。車企的競(jìng)爭(zhēng)方向?qū)⒅饾u變成以服務(wù)、品牌、技術(shù)主導(dǎo)的發(fā)展方向。全球有影響力的汽車企業(yè)開始尋求國(guó)際合作和國(guó)內(nèi)車企的合作加強(qiáng)[3]。

2.2 曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)曲軸的實(shí)驗(yàn)也在不斷的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外目前比較通用的是轉(zhuǎn)動(dòng)的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，是檢驗(yàn)曲軸使用壽命的重要實(shí)驗(yàn)。曲軸鍛件通過前期冶煉、鍛造及保溫控冷環(huán)節(jié)和在后期的機(jī)加和曲軸強(qiáng)化處理等程序，這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸才能具備較高水平的疲勞極限強(qiáng)度和綜合性能，能更好地符合節(jié)能減排的要求和高爆發(fā)壓力的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)曲軸的強(qiáng)度要求。國(guó)內(nèi)目前對(duì)曲軸進(jìn)行壽命考察和實(shí)驗(yàn)的技術(shù)發(fā)展速度較慢，相對(duì)于國(guó)外的技術(shù)積累經(jīng)驗(yàn)少，國(guó)外較大型的汽車企業(yè)都會(huì)有自己的研發(fā)基地和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，有自主研發(fā)技術(shù)和試驗(yàn)方法，經(jīng)過多次反復(fù)的開發(fā)和實(shí)驗(yàn)，這使得汽車在銷售后發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)問題的概率小很多，產(chǎn)品的質(zhì)量得到保障。像汽車行業(yè)中的德國(guó)汽車受到廣大消費(fèi)者的好評(píng)的原因是德國(guó)汽車企業(yè)多數(shù)都有研發(fā)技術(shù)和先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)于曲軸疲勞試驗(yàn)、慣性振動(dòng)扭轉(zhuǎn)性試驗(yàn)的開發(fā)已經(jīng)有多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)很成熟。我國(guó)注重科技的創(chuàng)新，強(qiáng)調(diào)核心技術(shù)的自主研發(fā)，已經(jīng)在各地建立多個(gè)實(shí)驗(yàn)基地，用于技術(shù)研發(fā)及實(shí)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)多所高等院校也開始重視技術(shù)的開發(fā)，建立實(shí)驗(yàn)室，推動(dòng)我國(guó)汽車行業(yè)的發(fā)展，科技將逐漸是汽車產(chǎn)業(yè)的新的決定因素，我國(guó)要加強(qiáng)自主創(chuàng)新技術(shù)的研發(fā)，使國(guó)產(chǎn)汽車的市場(chǎng)占比增加，保障我國(guó)的國(guó)產(chǎn)汽車與中外合資的品牌汽車具有相同的影響力[4]。

2.3 曲軸材料的使用

國(guó)家檢測(cè)部門對(duì)使用的曲軸材料有明確的標(biāo)準(zhǔn)，在出廠前要經(jīng)過嚴(yán)格檢測(cè)才可以使用，不同部位零件材料選擇有所不同，要鍛造的技術(shù)也有不同標(biāo)準(zhǔn)，目前曲軸的使用材料一般是用鍛鋼和球墨鑄鐵，隨著新型材料的開發(fā)，壓力鑄造纖維以及鋁合金復(fù)合材料在曲軸上的使用，在曲軸材料選擇上種類增多，球鐵使用率在下降，新型材料已經(jīng)可以部分替代球鐵曲軸，小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)效果和體驗(yàn)感覺不錯(cuò)，但目前的加工工藝和技術(shù)還不成熟，還不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和使用。在曲軸選材上，上文提到的幾種材料都有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)其自身特點(diǎn)會(huì)有其應(yīng)用范圍和一定的發(fā)展方向和前景。就性能而言，鍛鋼材料是作為曲軸的最佳原材料，球鐵次之，鋁合金復(fù)合材料由于鍛造工藝水平不成熟靠后。雖然鋼的性能最好，但鋼不適用所有的情況，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況從各方面綜合考慮材料的選擇，比如性價(jià)比、質(zhì)量、使用年限、韌度等。球鐵之所以被廣泛應(yīng)用，原因是造價(jià)低性能位于平均水平，均衡考慮為最佳選項(xiàng)。目前中低功率鍛鋼制造的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸正在被逐漸替代，鍛鋼由于性能好是最大優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)在大功率和有增壓需求的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸首選材料，鍛鋼也有很多種，比如：調(diào)質(zhì)鋼容易變形而且是大能量損耗。非調(diào)質(zhì)鋼復(fù)合金替代調(diào)質(zhì)鋼鍛造的曲軸仍是未來的主要發(fā)展方向，所以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸材料的選擇要綜合考量，在滿足使用性能的同時(shí)要考慮成本、節(jié)能減排，汽車重量等因素來選擇材料。

2.4 鍛造保溫和冷卻技術(shù)

在制成成品后期保溫及冷卻時(shí)需要精準(zhǔn)的把控，才能保證制成后產(chǎn)品在多次檢驗(yàn)中符合標(biāo)準(zhǔn)。可以說鍛造保溫和冷卻是生產(chǎn)中最關(guān)鍵部分，需要有一定工作經(jīng)驗(yàn)的人員才能把控鍛造的時(shí)間及冷卻溫度。在鍛造時(shí)的保溫時(shí)間十分重要，曲軸保溫時(shí)間越長(zhǎng)會(huì)在此階段使晶粒長(zhǎng)的越大。目前鍛造加熱的工藝已經(jīng)出現(xiàn)部分改革，在中頻加熱時(shí)按照新標(biāo)準(zhǔn)要求鍛造快速地完成，但是整體加熱方法仍沿用以前加熱方法，原材料進(jìn)入加熱爐中，按照過去的方法在高溫環(huán)境內(nèi)停留時(shí)間過長(zhǎng)，鍛件在高溫條件下停留時(shí)間越長(zhǎng)，鍛件的晶粒也就越長(zhǎng)，這也是鍛件晶粒大的重要影響因素。鍛件最后階段會(huì)采用控溫冷卻方式，使鍛件控溫冷卻成型后進(jìn)行入口，此時(shí)監(jiān)測(cè)溫度約為900攝氏度上下浮動(dòng)，實(shí)際控制過線時(shí)間是45min，在出口傳送處零件溫度大約為210攝氏度左右，通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)鍛件進(jìn)入控溫口監(jiān)測(cè)溫度比冷卻后在出口傳送處的溫度偏高，這是因?yàn)殄懠诳販乩鋮s生產(chǎn)線長(zhǎng)，冷卻速速慢，導(dǎo)致制作過程中晶粒也變大。

3? 結(jié)語

本篇文章通過對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸用鋼研究發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的原材料使用和成分分析，影響曲軸性能的化學(xué)元素。在以后的開發(fā)中要在提高技術(shù)水平、加大科研力度等方面努力。中國(guó)汽車工業(yè)相比于國(guó)外起步較晚，上個(gè)世紀(jì)主要發(fā)展軍用車輛。在家用車方面，起步還要晚于軍用車。在我國(guó)汽車銷售市場(chǎng)中，合資和進(jìn)口車成為國(guó)內(nèi)汽車需求市場(chǎng)的主力。我國(guó)汽車品牌和國(guó)外汽車企業(yè)合作，是市場(chǎng)需求大的合資品牌。我國(guó)也意識(shí)到自主研發(fā)、核心技術(shù)的重要性，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)品牌汽車產(chǎn)業(yè)開始蓬勃發(fā)展，進(jìn)入到汽車發(fā)展新時(shí)代。望此次研究能夠被當(dāng)代學(xué)者關(guān)注，并且在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用，為我國(guó)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸用鋼方面的理論研究和實(shí)際應(yīng)用獻(xiàn)出綿薄之力。

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