发动机曲轴热处理工艺论文范文

1钢在航空工业中的应用

在航空工业中广泛应用合金结构钢制造飞机、发动机的主要零件［3］。12CrNi4A、18Cr2Ni4WA等都是航空器普遍使用的合金钢，主要做传动轴、销子。40CrMoA调制合金钢，综合机械性能好，在具有相当高的强度的同时又具有良好的韧性。广泛用于制造高负荷、大尺度的轴零件，也可以用来做大截面、高负荷、高抗磨及良好韧性要求的重要零件，如发动机曲轴等。

2曲轴热处理工艺

2.1曲轴工作条件活塞式发动机一般由气缸、活塞、曲轴、连杆、气门机构和机匣组成，曲轴的组成，如图3所示。曲轴除了和连杆一起将活塞的直线运动转变为旋转运动，还将功率传递给螺旋桨，曲轴由轴头、轴尾和曲柄等组成，曲柄又由曲颈和曲臂组成，轴头前段与螺旋桨轴相连。

2.2材料选择IO-360-L2A发动机曲轴采用高级优质合金钢40CrNiMoA锻件制成，它是在优质碳素结构钢的基础上，适当地加入一种或数种合金元素（总质量分数不超过5%）而制成的钢种，主要成分应符合GB/T3077的规定［4］，高级优质钢的含硫、磷质量分数应小于0.025%，由于曲轴为热加工用钢，其铜质量分数规定应不大于0.20%，如表1所示。它属于低合金中碳超高强度钢。该材质经处理后具有良好的综合机械性能，Cr、Ni等合金元素的加入使其淬透性较好并使铁素体的强度和韧性得到提高；Mo、Cr等碳化物形成元素的加入，可阻止奥氏体晶粒长大，提高钢的回火稳定性，在使用中能有一定的冲击抗力和断裂韧性，高的疲劳强度满足曲轴对材质性能的要求。

2.3曲轴热处理IO-360-L2A发动机使用多曲柄曲轴，由铬镍钼钢锻件制成，曲轴是发动机受力最大的部件之一，曲轴的曲颈和曲柄表面都经过渗氮处理，增加了表面的抗磨性，曲轴上螺旋桨安装凸缘表面未进行渗氮处理，表面仅镀一层防腐金属层，维护时应避免划伤，预防曲轴腐蚀和产生裂纹。曲柄是空心的，这不仅可以减轻曲轴的质量，还可为滑油提供通道，同时也是一个收集淤泥、积碳和其它杂质的空腔，滑油流动越多，清洁效果越好。材料40CrMoA曲轴热处理工艺是锻造→正火→粗车→调质→精车→去应力退火→精加工到成品→氮化→抛光→装机［5］，其技术参数如表2所示。

2.3.1曲轴热处理技术要求主轴颈和连杆轴径处要求淬硬层硬度为56~63HRC；淬硬层深度为3.5~5.5mm，淬硬层边缘到曲轴对于V形轴不大于4~5mm，对直列轴不大于6~8mm。为了确保质量，对曲轴的热处理实际采用中频感应加热淬火法［6］，如图4所示，采用曲轴轴径轮流淬火，分别进行表面淬火，其加热频率1000Hz；始锻温度1150℃，终锻温度850℃。

2.3.2曲轴热处理工艺［7］1）正火+高温回火。正火处理的目的是为了改善曲轴的基体组织，消除锻造过程造成的粗大组织及魏氏组织，细化晶粒，并消除锻造应力。回火后为防止回火脆性，应油淬，回火温度在600~640℃左右。最好是淬火出来先打一个淬火硬度，根据实际情况调整回火温度。a.正火：加热温度880℃，保温270min，出炉空冷；b.回火：加热温度640℃，保温600min，出炉空冷。2）热处理调质处理。曲轴锻造、正火后要进行热处理调质处理，以获得整体的最佳综合机械性能，并为表面氮化处理做好组织准备。曲轴调质后的金相组织应为均匀的回火索氏体+少量贝氏体组织，不允许出现大量的铁素体组织，否则将导致氮化层的脆性加大，降低曲轴的疲劳性能。a.淬火：加热880℃（氮气保护）保温时间5h；冷却曲轴出炉后预冷1.5min（曲轴表面颜色在800℃以上一点），随后淬入水玻璃水溶液中，冷却6~7min出水空冷。淬火介质使用玻美度3～3.5的水玻璃水溶液。b.回火：40CrMoA轴加热温度560~570℃，保温时间为5.5h，出炉空冷。3）气体氮化处理。曲轴表面进行氮化处理，一方面是为了获得高的疲劳强度，另一方面是为了获得高的表面硬度，提高曲轴的耐磨性能。曲轴表面经氮化处理后，生成极细颗粒具有高硬度的ε相，同时还生成Fe3N和FeN，使轴颈和圆角均得到强化处理，改善表面耐磨性，增加表面强度，特别是增加抗疲劳强度，并提高材料的抗腐蚀性能。

3曲轴热处理缺陷分析及其防止措施

曲轴在生产过程中要经过冶炼、铸造、轧制（或锻造）等工序，最后成材，由这些工艺过程控制的质量，一般称为热处理质量。热处理质量直接影响产品的性能和使用安全。热处理缺陷中最危险的是裂纹，称为第一类热处理缺陷。工程构件在交变应力作用下，经一定循环周次后发生的断裂称作疲劳断裂，曲轴失效可以由多种原因引起，然而，冲击疲劳失效可能是曲轴失效中最普遍的原因。当裂纹尖端的应力强度因子KI达到材料断裂韧度KIc（或是裂纹尖端的应力集中达到材料的断裂强度）时，裂纹就会失稳快速扩展疲劳最终断裂是瞬时的，因此它的危害性较大，甚至会造成机毁人亡的惨剧。钢质工件经热处理后常见的质量缺陷有淬火显微组织过热、欠热、淬火裂纹、硬度不够、热处理变形、表面脱碳、软点等。

3.1淬火裂纹及防止措施淬火裂纹是钢材的淬火或淬火后形成，由于冷却时的高应力所造成；也有可能是在淬火油中的水所导致。具体如下：钢质工件由于结构设计不合理，钢材选择不当、淬火温度控制不正确、淬火冷却速度不合适等；增大淬火内应力，会使已形成的淬火显微裂纹扩展，形成淬火裂纹；由于增大了显微裂纹的敏感度，增加了显微裂纹的数量，从而增大淬火裂纹的形成。淬火裂纹一旦发生，绝大部分将造成零件的报废，必须预防淬火裂纹的产生。首先曲轴原材料的横截面酸浸低倍组织试片上，不得有目视可见的缩孔、气泡、裂纹、夹杂、翻皮、白点、晶间裂纹等缺陷。材料选择上做到经济性和技术性的合理搭配，既要保证价格便宜又要保证材料有较好的加工性，热处理性要好，易于淬火，变形小，淬裂倾向小。随着含碳量的提高，Ms点降低，淬裂倾向增大，在满足基本性能如硬度、强度的条件下，尽量选用含碳量低的钢。为了防止零件在淬火急冷中开裂，应使其均匀加热、均匀冷却、均匀涨缩。在零件结构设计上，尽量避免截面形状尺寸突变，同时注意圆角过渡。合理安排工艺路线，如正确安排好预备热处理、冷加工和热加工等工序可以有效减少热处理淬火开裂倾向。恰当地选择加热介质、加热速度、加热温度和保温时间也可以有利于减少淬火开裂。

3.2氧化与脱碳及防止措施氧化是因为钢在有氧化性气体中加热时，会发生氧化而在表面形成一层氧化皮，在高温下，甚至晶界也回会发生氧化。脱碳是钢在某些介质中加热时，这些介质会使钢表面的含碳量下降，脱碳的实质是钢中碳在高温下与氧和氢发生作用生产一氧化碳。脱碳会明显降低钢的淬火硬度、耐磨性及抗疲劳性能。防止氧化、脱碳的有效措施是采用盐熔炉加热、护气氛炉、真空炉加热和预留足够的加工余量，见表3所示。

4结论

曲轴是重要的传递动力部件，在工作过程中承受弯曲、扭转载荷，同时受很大的冲击载荷，工作环境比较恶劣，轴颈表面易受到磨损，曲轴易受损、断裂，严重的会造成机毁人亡的惨剧。曲轴作为发动机的心脏，本文以某型活塞式飞机的发动机曲轴为研究对象，分析了曲轴热处理加工工艺，并以热处理淬火裂纹，氧化与脱碳等缺陷为例，对缺陷产生的原因及控制措施进行分析，研究了IO-360-L2A发动机曲轴的合理锻造温度是始锻温度1150℃，终锻温度850℃。热处理工艺采用正火+高温回火、热处理调质处理、气体氮化处理等。

作者：丁发军单位：中国民航飞行学院飞机修理厂