發動機曲軸熱處理工藝論文范文

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1鋼在航空工業中的應用

在航空工業中廣泛應用合金結構鋼制造飛機、發動機的主要零件［3］。12CrNi4A、18Cr2Ni4WA等都是航空器普遍使用的合金鋼，主要做傳動軸、銷子。40CrMoA調制合金鋼，綜合機械性能好，在具有相當高的強度的同時又具有良好的韌性。廣泛用于制造高負荷、大尺度的軸零件，也可以用來做大截面、高負荷、高抗磨及良好韌性要求的重要零件，如發動機曲軸等。

2曲軸熱處理工藝

2.1曲軸工作條件活塞式發動機一般由氣缸、活塞、曲軸、連桿、氣門機構和機匣組成，曲軸的組成，如圖3所示。曲軸除了和連桿一起將活塞的直線運動轉變為旋轉運動，還將功率傳遞給螺旋槳，曲軸由軸頭、軸尾和曲柄等組成，曲柄又由曲頸和曲臂組成，軸頭前段與螺旋槳軸相連。

2.2材料選擇IO-360-L2A發動機曲軸采用高級優質合金鋼40CrNiMoA鍛件制成，它是在優質碳素結構鋼的基礎上，適當地加入一種或數種合金元素（總質量分數不超過5%）而制成的鋼種，主要成分應符合GB/T3077的規定［4］，高級優質鋼的含硫、磷質量分數應小于0.025%，由于曲軸為熱加工用鋼，其銅質量分數規定應不大于0.20%，如表1所示。它屬于低合金中碳超高強度鋼。該材質經處理后具有良好的綜合機械性能，Cr、Ni等合金元素的加入使其淬透性較好并使鐵素體的強度和韌性得到提高；Mo、Cr等碳化物形成元素的加入，可阻止奧氏體晶粒長大，提高鋼的回火穩定性，在使用中能有一定的沖擊抗力和斷裂韌性，高的疲勞強度滿足曲軸對材質性能的要求。

2.3曲軸熱處理IO-360-L2A發動機使用多曲柄曲軸，由鉻鎳鉬鋼鍛件制成，曲軸是發動機受力最大的部件之一，曲軸的曲頸和曲柄表面都經過滲氮處理，增加了表面的抗磨性，曲軸上螺旋槳安裝凸緣表面未進行滲氮處理，表面僅鍍一層防腐金屬層，維護時應避免劃傷，預防曲軸腐蝕和產生裂紋。曲柄是空心的，這不僅可以減輕曲軸的質量，還可為滑油提供通道，同時也是一個收集淤泥、積碳和其它雜質的空腔，滑油流動越多，清潔效果越好。材料40CrMoA曲軸熱處理工藝是鍛造→正火→粗車→調質→精車→去應力退火→精加工到成品→氮化→拋光→裝機［5］，其技術參數如表2所示。

2.3.1曲軸熱處理技術要求主軸頸和連桿軸徑處要求淬硬層硬度為56~63HRC；淬硬層深度為3.5~5.5mm，淬硬層邊緣到曲軸對于V形軸不大于4~5mm，對直列軸不大于6~8mm。為了確保質量，對曲軸的熱處理實際采用中頻感應加熱淬火法［6］，如圖4所示，采用曲軸軸徑輪流淬火，分別進行表面淬火，其加熱頻率1000Hz；始鍛溫度1150℃，終鍛溫度850℃。

2.3.2曲軸熱處理工藝［7］1）正火+高溫回火。正火處理的目的是為了改善曲軸的基體組織，消除鍛造過程造成的粗大組織及魏氏組織，細化晶粒，并消除鍛造應力?；鼗鸷鬄榉乐够鼗鸫嘈?，應油淬，回火溫度在600~640℃左右。最好是淬火出來先打一個淬火硬度，根據實際情況調整回火溫度。a.正火：加熱溫度880℃，保溫270min，出爐空冷；b.回火：加熱溫度640℃，保溫600min，出爐空冷。2）熱處理調質處理。曲軸鍛造、正火后要進行熱處理調質處理，以獲得整體的最佳綜合機械性能，并為表面氮化處理做好組織準備。曲軸調質后的金相組織應為均勻的回火索氏體+少量貝氏體組織，不允許出現大量的鐵素體組織，否則將導致氮化層的脆性加大，降低曲軸的疲勞性能。a.淬火：加熱880℃（氮氣保護）保溫時間5h；冷卻曲軸出爐后預冷1.5min（曲軸表面顏色在800℃以上一點），隨后淬入水玻璃水溶液中，冷卻6~7min出水空冷。淬火介質使用玻美度3～3.5的水玻璃水溶液。b.回火：40CrMoA軸加熱溫度560~570℃，保溫時間為5.5h，出爐空冷。3）氣體氮化處理。曲軸表面進行氮化處理，一方面是為了獲得高的疲勞強度，另一方面是為了獲得高的表面硬度，提高曲軸的耐磨性能。曲軸表面經氮化處理后，生成極細顆粒具有高硬度的ε相，同時還生成Fe3N和FeN，使軸頸和圓角均得到強化處理，改善表面耐磨性，增加表面強度，特別是增加抗疲勞強度，并提高材料的抗腐蝕性能。

3曲軸熱處理缺陷分析及其防止措施

曲軸在生產過程中要經過冶煉、鑄造、軋制（或鍛造）等工序，最后成材，由這些工藝過程控制的質量，一般稱為熱處理質量。熱處理質量直接影響產品的性能和使用安全。熱處理缺陷中最危險的是裂紋，稱為第一類熱處理缺陷。工程構件在交變應力作用下，經一定循環周次后發生的斷裂稱作疲勞斷裂，曲軸失效可以由多種原因引起，然而，沖擊疲勞失效可能是曲軸失效中最普遍的原因。當裂紋尖端的應力強度因子KI達到材料斷裂韌度KIc（或是裂紋尖端的應力集中達到材料的斷裂強度）時，裂紋就會失穩快速擴展疲勞最終斷裂是瞬時的，因此它的危害性較大，甚至會造成機毀人亡的慘劇。鋼質工件經熱處理后常見的質量缺陷有淬火顯微組織過熱、欠熱、淬火裂紋、硬度不夠、熱處理變形、表面脫碳、軟點等。

3.1淬火裂紋及防止措施淬火裂紋是鋼材的淬火或淬火后形成，由于冷卻時的高應力所造成；也有可能是在淬火油中的水所導致。具體如下：鋼質工件由于結構設計不合理，鋼材選擇不當、淬火溫度控制不正確、淬火冷卻速度不合適等；增大淬火內應力，會使已形成的淬火顯微裂紋擴展，形成淬火裂紋；由于增大了顯微裂紋的敏感度，增加了顯微裂紋的數量，從而增大淬火裂紋的形成。淬火裂紋一旦發生，絕大部分將造成零件的報廢，必須預防淬火裂紋的產生。首先曲軸原材料的橫截面酸浸低倍組織試片上，不得有目視可見的縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮、白點、晶間裂紋等缺陷。材料選擇上做到經濟性和技術性的合理搭配，既要保證價格便宜又要保證材料有較好的加工性，熱處理性要好，易于淬火，變形小，淬裂傾向小。隨著含碳量的提高，Ms點降低，淬裂傾向增大，在滿足基本性能如硬度、強度的條件下，盡量選用含碳量低的鋼。為了防止零件在淬火急冷中開裂，應使其均勻加熱、均勻冷卻、均勻漲縮。在零件結構設計上，盡量避免截面形狀尺寸突變，同時注意圓角過渡。合理安排工藝路線，如正確安排好預備熱處理、冷加工和熱加工等工序可以有效減少熱處理淬火開裂傾向。恰當地選擇加熱介質、加熱速度、加熱溫度和保溫時間也可以有利于減少淬火開裂。

3.2氧化與脫碳及防止措施氧化是因為鋼在有氧化性氣體中加熱時，會發生氧化而在表面形成一層氧化皮，在高溫下，甚至晶界也回會發生氧化。脫碳是鋼在某些介質中加熱時，這些介質會使鋼表面的含碳量下降，脫碳的實質是鋼中碳在高溫下與氧和氫發生作用生產一氧化碳。脫碳會明顯降低鋼的淬火硬度、耐磨性及抗疲勞性能。防止氧化、脫碳的有效措施是采用鹽熔爐加熱、護氣氛爐、真空爐加熱和預留足夠的加工余量，見表3所示。

4結論

曲軸是重要的傳遞動力部件，在工作過程中承受彎曲、扭轉載荷，同時受很大的沖擊載荷，工作環境比較惡劣，軸頸表面易受到磨損，曲軸易受損、斷裂，嚴重的會造成機毀人亡的慘劇。曲軸作為發動機的心臟，本文以某型活塞式飛機的發動機曲軸為研究對象，分析了曲軸熱處理加工工藝，并以熱處理淬火裂紋，氧化與脫碳等缺陷為例，對缺陷產生的原因及控制措施進行分析，研究了IO-360-L2A發動機曲軸的合理鍛造溫度是始鍛溫度1150℃，終鍛溫度850℃。熱處理工藝采用正火+高溫回火、熱處理調質處理、氣體氮化處理等。

作者：丁發軍單位：中國民航飛行學院飛機修理廠