船用柴油機(jī)連桿的熱處理工藝優(yōu)化

趙云鵬

摘要：連桿是柴油機(jī)上重要的傳動(dòng)部件，關(guān)系到船只的動(dòng)力傳遞，因此連桿質(zhì)量必須得到保障，但現(xiàn)代船用柴油機(jī)連桿生產(chǎn)中的熱處理工藝存在缺陷，并不能保障連桿滿足船只運(yùn)作要求，說明當(dāng)前熱處理工藝需要得到優(yōu)化。本文出于熱處理工藝優(yōu)化目的將展開研究，論述船用柴油機(jī)連桿運(yùn)作原理與性能要點(diǎn)，隨后結(jié)合案例的連桿熱處理原工藝展開分析，指出原工藝的不足，最后進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)通過測試驗(yàn)證優(yōu)化后熱處理工藝是否有效。

關(guān)鍵詞：船用柴油機(jī)連桿;動(dòng)力傳遞;熱處理工藝

中圖分類號(hào)：U664.121? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0021-02

0? 引言

隨著我國外貿(mào)運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的發(fā)展，海上航行對(duì)于船只性能的要求越來越高，因此生產(chǎn)廠家需要提高船只性能，這時(shí)就暴露出傳統(tǒng)船用柴油機(jī)連桿熱處理工藝上的不足，生產(chǎn)出來的連桿總體性能水平低于當(dāng)下要求，且在耐用性等性能指標(biāo)上也不能完全達(dá)標(biāo)，說明傳統(tǒng)熱處理工藝不再適用。面對(duì)這種情況，優(yōu)化船用柴油機(jī)連桿熱處理工藝是必行之舉，這時(shí)如何正確優(yōu)化就成為了一項(xiàng)值得思考的問題，因此有必要展開相關(guān)研究。

1? 船用柴油機(jī)連桿運(yùn)作原理與性能要點(diǎn)

1.1 運(yùn)作原理? 船用柴油機(jī)連桿是安裝在柴油機(jī)活塞、曲軸之間的連接件，本身由小頭、桿身、大頭三個(gè)部分組成，在運(yùn)作中小頭會(huì)隨著柴油機(jī)活塞一起運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)形式為往復(fù)直線，這樣能夠?qū)⒒钊敹说臍怏w燃燒壓力通過桿身、大頭傳遞給曲軸，而在曲軸的作用下活塞端的往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)變成曲軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，促使柴油機(jī)發(fā)力，給船只提供動(dòng)力[1]。

1.2 性能要點(diǎn)? 在船用柴油機(jī)連桿運(yùn)作過程中連桿的性能要點(diǎn)包括：①剛度與強(qiáng)度，即連桿的運(yùn)作方式會(huì)使得連桿受到由壓縮、拉伸、彎曲、沖擊組成的交變載荷，若連桿的剛度與強(qiáng)度不足，則很可能在這個(gè)過程中損壞、變形，不利于動(dòng)力傳遞，同時(shí)連桿的剛度與強(qiáng)度不是越大越高，若過于大則會(huì)阻礙動(dòng)力傳遞，這是另一種問題;②抗疲勞能力與抗沖擊韌性，即連桿的運(yùn)作就是在不斷的重復(fù)相同的運(yùn)動(dòng)過程，而在這個(gè)過程中連桿會(huì)不斷的受到相同的沖擊，這種沖擊可能會(huì)導(dǎo)致連桿出現(xiàn)兩種損傷：一是疲勞損傷，這是任何金屬物件在不斷重復(fù)相同運(yùn)動(dòng)時(shí)都會(huì)發(fā)生的一種現(xiàn)象，不可避免，但可以通過良好的抗疲勞能力去延緩損耗，因此連桿面對(duì)疲勞損傷要具備良好的抗疲勞能力。二是沖擊損傷，這種損傷來源于連桿運(yùn)作中受到的物理沖擊，這種沖擊力度較大，若連桿韌性不足，則在一段時(shí)間的沖擊后就會(huì)變形，不能繼續(xù)正常運(yùn)作，而良好的韌性可以在合理沖擊下讓連桿恢復(fù)原狀，因此連桿要具備良好的抗沖擊韌性。另外，以上性能要點(diǎn)在連桿的幾個(gè)高應(yīng)力區(qū)的要求更高，分別為桿身中部、小頭、桿部過渡區(qū)、大頭和桿部過渡區(qū)[2]。

2? 船用柴油機(jī)連桿熱處理原工藝概況與主要問題

2.1 原工藝概況? 某船用柴油機(jī)生產(chǎn)廠家以訂單需求，將采用45鋼制作一批船用柴油機(jī)連桿，連桿生產(chǎn)材料均經(jīng)過檢測，其中化學(xué)成分檢測全部符合《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)范要求，因此生產(chǎn)基礎(chǔ)良好，理論上可保障連桿質(zhì)量滿足要求。表1為該批次連桿的基本參數(shù)信息。在該批次連桿生產(chǎn)中廠家主要使用的熱處理工藝為：毛坯鍛造→正火+回火（熱處理）→機(jī)加工。表2為該批次連桿的力學(xué)性能要求。

2.2 主要問題? 該廠家依照原工藝試生產(chǎn)了部分連桿，隨后進(jìn)行了質(zhì)量檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這一部分連桿存在兩大質(zhì)量問題，具體內(nèi)容如下：

2.2.1 力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)? 在原工藝無異常、工藝各項(xiàng)指標(biāo)全部準(zhǔn)確的條件下，該廠家通過質(zhì)量檢測發(fā)現(xiàn)該批次連桿的力學(xué)性能并不滿足訂單的力學(xué)性能要求，即訂單中的柴油機(jī)信息顯示，該批次連桿將應(yīng)用于單缸100kW、138kW的傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，因此連桿的力學(xué)性能需要滿足表3要求，而對(duì)比之下，該批次連桿的實(shí)際力學(xué)性能與訂單要求有不小差距，若使用該批次連桿在柴油機(jī)內(nèi)變形，導(dǎo)致柴油機(jī)不能正常運(yùn)作[3]。表3為該批次連桿訂單提出的力學(xué)性能要求。

2.2.2 連桿有脫碳層? 在連桿的表面檢測中發(fā)現(xiàn)很多連桿表面都有脫碳層，其余為半脫碳層，經(jīng)過檢驗(yàn)確認(rèn)連桿脫碳層與半脫碳層的厚度保持在0.6～0.8mm，屬于中度脫碳，若繼續(xù)加工脫碳層厚度還會(huì)進(jìn)一步增長。根據(jù)觀察發(fā)現(xiàn)，大部分連桿的脫碳層或半脫碳層都集中在高應(yīng)力區(qū)（詳見上文1.2論述），因此受脫碳層與半脫碳層影響，連桿的表面硬度降低，運(yùn)作中容易出現(xiàn)細(xì)小裂紋或其他損傷，使得連桿機(jī)能與質(zhì)量下降，不利于柴油機(jī)運(yùn)作，同時(shí)還會(huì)帶來更大的拉應(yīng)力，有可能使連桿斷裂。另外，脫碳層與半脫碳層均會(huì)對(duì)連桿的抗疲勞能力造成不利影響，這是無可避免的。

3? 船用柴油機(jī)連桿熱處理工藝優(yōu)化

3.1 優(yōu)化思路? 著眼于該廠家連桿生產(chǎn)工藝的參數(shù)了解到，在毛坯鍛造、機(jī)加工兩個(gè)工藝環(huán)節(jié)上沒有工藝問題，連桿力學(xué)性能與脫碳層的問題與這兩個(gè)環(huán)節(jié)基本無關(guān)，而針對(duì)正火+回火的熱處理工藝進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，這種熱處理工藝的基本形式并沒有問題，真正的問題在于工藝的參數(shù)，固優(yōu)化將著重對(duì)原工藝的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。表4為原工藝參數(shù)。

3.2 優(yōu)化分析? 為了了解原工藝參數(shù)的主要問題，本文此處將針對(duì)該廠家船用柴油機(jī)連桿熱處理原工藝的參數(shù)進(jìn)行分析，具體如下：

3.2.1 爐溫? 該廠家船用柴油機(jī)連桿的材料為45鋼，一般情況下需要使用840～870℃的溫度對(duì)45鋼進(jìn)行淬火處理，但該廠家為了加強(qiáng)滲碳質(zhì)量，加大了淬火爐溫，用900℃溫度進(jìn)行淬火處理。這樣做確實(shí)讓滲碳質(zhì)量加強(qiáng)，但卻造成了奧氏體晶粒增大，因此導(dǎo)致連桿力學(xué)性能不佳，說明爐溫是導(dǎo)致問題的工藝參數(shù)問題，是工藝優(yōu)化的主要目標(biāo)。

3.2.2 燃燒介質(zhì)? 該廠家船用柴油機(jī)連桿熱處理原工藝中的燃燒介質(zhì)是煤油，這種燃燒介質(zhì)在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生富化氣，而該氣體就會(huì)對(duì)連桿表面造成影響，導(dǎo)致連桿出現(xiàn)脫碳層或半脫碳層，且多數(shù)情況下都會(huì)造成中度以上的脫碳。在這種情況下，煤油也成為了本文船用柴油機(jī)連桿熱處理原工藝優(yōu)化目標(biāo)。

3.2.3 冷卻介質(zhì)? 經(jīng)過一系列測驗(yàn)，水作為冷卻介質(zhì)并不會(huì)造成船用柴油機(jī)連桿問題，因此沒有必要進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 優(yōu)化方案? 為了對(duì)船用柴油機(jī)連桿熱處理原工藝進(jìn)行優(yōu)化，保障優(yōu)化后工藝生產(chǎn)的連桿能滿足訂單力學(xué)性能要求，且不出現(xiàn)脫碳或半脫碳現(xiàn)象，本文主要采用調(diào)質(zhì)+增碳方案來進(jìn)行優(yōu)化，具體內(nèi)容如下：

3.3.1 調(diào)質(zhì)? 在調(diào)質(zhì)中本文作出了多次嘗試，結(jié)果顯示主要朝優(yōu)化方向進(jìn)行調(diào)質(zhì)，就能讓連桿的珠光體組織粗度不超過正火，且具有更高的綜合力學(xué)性能，但與此同時(shí)，在一系列無保護(hù)措施的情況下進(jìn)行調(diào)質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致連桿出現(xiàn)嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象（所有半脫碳層全部轉(zhuǎn)化為脫碳層，且脫碳層的厚度比原工藝中更厚），深度超過了1.00mm，這種脫碳連桿在淬火過程中因表面不均勻，所以冷卻時(shí)的應(yīng)力存在差異，使得很多連桿變形，甚至開裂，屬于低質(zhì)量連桿。因此本文對(duì)調(diào)質(zhì)方法進(jìn)行了選型，主要選擇了煤油+酒精的燃燒介質(zhì)，其中酒精能夠起到保護(hù)作用，即針對(duì)煤油產(chǎn)生的富化氣，酒精內(nèi)的乙醇成分會(huì)產(chǎn)生稀釋氣體，這種氣體將大幅降低富化氣的濃度，對(duì)連桿起到保護(hù)作用，能避免脫碳或半脫碳現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3.2 增碳? 首先調(diào)質(zhì)中煤油+酒精的燃燒介質(zhì)除了能保護(hù)連桿不脫碳以外，還具有一定的增碳作用，即采用這種燃燒介質(zhì)，會(huì)讓連桿在淬火時(shí)形成高碳勢，能對(duì)脫碳層進(jìn)行增碳修復(fù)。其次單純依靠調(diào)質(zhì)成果進(jìn)行增碳還不足夠，因此在船用柴油機(jī)連桿熱處理原工藝優(yōu)化中，還對(duì)爐溫進(jìn)行了調(diào)整，這個(gè)過程中主要選擇了兩個(gè)溫度，分別為850℃、870℃，兩個(gè)溫度的測試結(jié)果為：①850℃處于45鋼一般淬火溫度的區(qū)間內(nèi)，但這個(gè)問題在調(diào)質(zhì)成果下無法保障材料充分分解，固不考慮該溫度;②870℃也處于45鋼一般淬火溫度的區(qū)間內(nèi)，但卻是該區(qū)間的最高溫度，經(jīng)過檢測該溫度能夠?qū)崿F(xiàn)增碳，滲碳時(shí)間在2h左右，同時(shí)不會(huì)導(dǎo)致奧氏體晶粒增大的現(xiàn)象，固選擇870℃。另外，870℃增碳設(shè)備并未調(diào)整，依舊是常見的滲碳爐。

3.4 方案測試與結(jié)果? 具體內(nèi)容如下：

3.4.1 方案測試? 以廢棄連桿作為測試對(duì)象，用優(yōu)化后的熱處理工藝進(jìn)行測試，具體工藝為：先用常規(guī)方法加熱滲碳爐，同步檢測爐溫，在爐溫達(dá)到50%時(shí)候先滴入適量酒精，在爐溫達(dá)到55%時(shí)再滴入煤油完成調(diào)質(zhì)，隨即待爐溫達(dá)到870℃后放入廢棄連桿，經(jīng)過2h的正火處理加工出爐，保溫進(jìn)行淬火處理，過程中冷卻介質(zhì)為水，完成后回火。

3.4.2 測試結(jié)果? 根據(jù)測試結(jié)果對(duì)廢棄連桿的脫碳情況、力學(xué)性能進(jìn)行了觀察與測試，結(jié)果為：①觀察發(fā)現(xiàn)，原本存在嚴(yán)重脫碳的廢棄連桿在優(yōu)化熱處理工藝處理后脫碳現(xiàn)象得到了明顯修復(fù)，即接受優(yōu)化熱處理工藝處理前廢棄連桿表面的碳化物比較少，而越向內(nèi)越多，但在接受優(yōu)化熱處理工藝處理后廢氣連桿的脫碳現(xiàn)象有顯著好轉(zhuǎn)，其中晶粒更細(xì)、組織為回火索氏體，同時(shí)這種表現(xiàn)說明連桿的力學(xué)性能有明顯提升;②在測試中以供選擇了五個(gè)廢棄連桿為測試對(duì)象，因此通過力學(xué)性能測試得到了5組數(shù)據(jù)，具體如表5。表5數(shù)據(jù)顯示，所有廢棄連桿的力學(xué)性能都優(yōu)于原工藝產(chǎn)物，且全部滿足訂單要求，因此優(yōu)化方案有效。

4? 結(jié)語

綜上，本文對(duì)船用柴油機(jī)連桿的運(yùn)作原理與性能要點(diǎn)進(jìn)行了論述，并介紹了連桿的熱處理工藝，可以看出原工藝對(duì)于連桿性能的保障力度較小，且會(huì)造成脫碳或半脫碳問題，因此原工藝需要得到優(yōu)化。而采用文中提出的優(yōu)化方案能實(shí)現(xiàn)熱處理工藝優(yōu)化目的，優(yōu)化后的熱處理工藝不存在原工藝中的相關(guān)問題，因此連桿質(zhì)量保障力度大，同時(shí)生產(chǎn)出的連桿在力學(xué)性能上全面滿足現(xiàn)實(shí)要求，望能帶來參考幫助。

參考文獻(xiàn)：

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