CN112442641A - 一种发动机高强度曲轴及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发动机高强度曲轴,所述曲轴的材料为非调质钢;按重量百分比计,所述非调质钢包含C 0.25~0.3%、Mn 1.5~2.0%、Si 0.15~0.25%、P≤0.015%、S≤0.05%、Cr 0.03~0.1%,以及余量的Fe和不可避免的杂质。本发明所述曲轴中低C含量使曲轴毛坯校直容易,降低了曲轴毛坯废品率;高Mn含量提高了曲轴材料的强度;不添加稀有金属Mo和V,降低了钢材成本;采用碳氮共渗(软氮化)+水淬火的强化方式大大提高了曲轴弯曲和扭转强度。
Description
技术领域
本发明涉及汽车零配件加工领域,具体涉及一种发动机高强度曲轴及其制备方法。
背景技术
以提高地球环境的保护意识为基础,法规对高性能汽油机的排量要求逐渐增加,要求汽油机的性能提高、排量降低,且成本降低,这样在发动机的生产制造中,曲轴约占发动机成本的5-10%,曲轴的成本降低是降低发动机成本的重要方面。
现有技术中一般采用曲轴的配比为:碳0.35-0.38、42CrMo钢等材料,采用圆角滚压加工的方案成型曲轴,这种方案中含有稀有金属Mo和V等,因此其成本较高,并且C含量高,曲轴校直困难,废品率高。例如现有技术中公开的一种曲轴用钢的含量配比:以质量%计,含有0.28%以上且0.47%以下的C、0.45%以下的Si、0.90%以上且1.50%以下的Mn、0.006%以下的S、0.30%以下的Cu、0.15%以下的Mo以及0.06%以上且0.32%以下的V,余部为Fe及不可避免的杂质,其中包含稀有元素Mo和V,使其成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种发动机高强度曲轴及其制备方法。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案为:一种发动机高强度曲轴,所述曲轴采用将非调质钢进行锻造和机械加工,并进一步进行碳氮共渗和随后水淬火处理而获得;按重量百分比计,所述非调质钢包含C 0.25~0.3%、Mn 1.5~2.0%、Si 0.15~0.25%、P≤0.015%、S≤0.05%、Cr0.03~0.1%,以及余量的Fe和不可避免的杂质。
本发明所述曲轴选用的非调质钢中C含量为0.25~0.3%,相对目前曲轴常用材料C38(C含量约0.38%)/42CrMo(C含量约0.42%)系列的C含量低,利于曲轴校直,降低了废品率;C含量过低则强度下降。Mn含量在一定范围内,含量越高,钢材强度越高,表现在曲轴强度越高,但是Mn含量过高则会导致硬度过大,影响校直。Mn含量为1.5~2.0%可以使Mn大量固溶强化在铁素体,提升了铁素体强度(曲轴材料金相组织为珠光体和铁素体,其中铁素体强度低,裂纹萌生于低强度铁素体),弥补了C含量低和不加稀有元素Mo和V等强度不足,从而提升曲轴材料强度。由于不添加稀有元素Mo和V等稀有金属,降低了曲轴原材料成本约10%。碳氮共渗(软氮化)+水淬火的强化方式大大提高了曲轴弯曲和扭转强度。通过选用上述成分的非调质钢和曲轴的强化方式结合,能够得到高强度曲轴。本发明所述曲轴尤其适用于小排量汽油发动机。
作为本发明所述发动机高强度曲轴的优选实施方式,所述曲轴的轴颈自表面向下50-60μm深度的硬度为HV320-360。该硬度范围是曲轴的控制指标,在一定范围内硬度越高,曲轴整体强度越高。
作为本发明所述发动机高强度曲轴的优选实施方式,所述碳氮共渗的步骤包括:将曲轴在550~650℃环境下且在NH3和RX的混合气体中保温1.5~2.5h。
温度过低或时间过短,则在难以达到曲轴表面氮化层的形成温度或者形成的氮化层厚度较低,难以达到理想强度的效果;温度过高或时间过长,对制得的曲轴强度影响不大,能量或时间成本增加。采用上述条件的软氮化和水淬火强化结合处理后,曲轴表面白亮层(氮化层)中形成Mn3N2,通过水淬火处理使Mn3N2变粗大;大约2.5-3.5%(比例非常高)的Mn形成Mn3N2固溶在Fe原子晶格周围,使曲轴抵抗材料变形能力增强,保证了曲轴整体的高强度。
作为本发明所述发动机高强度曲轴的优选实施方式,所述碳氮共渗的步骤包括:将曲轴在600℃环境下且在NH3和RX的混合气体中保温2h。
作为本发明所述发动机高强度曲轴的优选实施方式,所述水淬火的步骤为:将碳氮共渗后的曲轴加热至850~900℃,放入水中淬火后取出,然后在90~110℃下保温1~2h。
作为本发明所述发动机高强度曲轴的优选实施方式,所述NH3和RX的体积比为:NH3:RX=(0.4~0.6):(0.4~0.6)。
作为本发明所述发动机高强度曲轴的优选实施方式,所述RX气体的成分为:CO20.5%、H2 41%和N238.5%。本发明的目的还在于提供一种发动机高强度曲轴的制备方法,所述曲轴采用将非调质钢进行锻造和机械加工,并进一步进行碳氮共渗和随后水淬火处理而获得;
按重量百分比计,所述非调质钢包含C 0.25~0.3%、Mn 1.5~2.0%、Si 0.2%、P≤0.015%、S≤0.05%、Cr≤0.05%,以及余量的Fe和不可避免的杂质。
作为本发明所述发动机高强度曲轴的制备方法的优选实施方式,所述碳氮共渗的步骤包括:将曲轴在550~650℃环境下且在NH3和RX的混合气体中保温1.5~2.5h。
作为本发明所述发动机高强度曲轴的制备方法的更优选实施方式,所述碳氮共渗的步骤包括:将曲轴在600℃环境下且在NH3和RX的混合气体中保温2h。
本发明的有益效果在于:本发明提供了一种发动机高强度曲轴及其制备方法,本发明所述曲轴中低C含量使曲轴毛坯校直容易,降低了曲轴毛坯废品率;高Mn含量提高了曲轴材料的强度;不添加稀有金属Mo和V,降低了钢材成本;碳氮共渗(软氮化)+水淬火的强化方式大大提高了曲轴弯曲和扭转强度。
附图说明
图1为实施例1所述曲轴的金相显微镜图。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点,下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1~6和对比例1~24
实施例1~6和对比例1~24所述非调质钢的成分组成见表1。
表1实施例1~6和对比例1~24所述非调质钢的成分
实施例1~6和对比例1~25所述曲轴的制备方法包括以下步骤:
(1)将非调质钢进行锻造;
(2)机械加工成曲轴形状;
(3)将曲轴在600℃环境下且在NH3和RX的混合气体中保温2h进行碳氮共渗处理;
(4)将碳氮共渗后的曲轴加热至880℃,放入水中淬火后取出,然后在100℃下保温1.5h。
实施例1所述曲轴的金相显微镜图,从图1可以看出,1为大量Mn固溶在铁素体,有利于提高铁素体强度,2为珠光体。
对比例25
本对比例所述曲轴采用以下材料制备而成:钢号为38MnVS6,按重量百分比计,包含以下成分:C 0.40%,Si 0.55%、Mn 1.4%、P 0.02%、S 0.05%、Cr 0.15%、Mo 0.04%、Ni 0.12%、V 0.1%、N 0.018%、Cu 0.1%、Al 0.02%、Ti 0.02%,以及余量的Fe和不可避免的杂质。
实施例7
采用安全系数评价曲轴的强度,安全系数n=曲拐实测弯矩/曲拐名义工作弯矩,安全系数≥2.0评价定义为高强度曲轴。
本测试采用的发动机为2.0L自然吸气发动机,根据国家汽车行业标准QC/T637-2000中规定的发动机曲轴的名义工作弯矩的计算方法,将该发动机气缸最大爆发压力(Pmax=8.5MPa)以及曲轴有关结构参数计算得到该曲轴的名义工作弯矩为352N.m。参照QC/T 637-2000汽车发动机曲轴弯曲疲劳试验方法计算得曲拐实测弯矩。曲拐实测弯矩的测试结果和存活率为50%时的安全系数n50%见表2。
表2实施例1~6和对比例1~25所述曲轴的性能测试结果
从表2的测试结果可以看出,实施例1~6和对比例25的曲拐实测弯矩的安全系数均大于2,均能称为高强度曲轴,而实施例1~6均不含Mo和V,与对比例25相比降低了曲轴的生产成本。从对比例1~4和实施例1的比较、对比例5~8和实施例2的比较、对比例9~12和实施例3的比较可以看出,随着Mn含量的增大,曲拐实测弯矩增大,但是大于2%后硬度增大,会导致曲轴废品率升高。从对比例13~16和实施例1的比较、对比例17~20和实施例2的比较、对比例21~24和实施例3的比较可以看出,C含量的增加有助于提高曲拐实测弯矩增大,但是C含量大于0.3%时,其硬度增大,会导致曲轴废品率升高,当C含量低于0.25%时,安全系数降至2以下。
对比例26
本对比例所述曲轴的制备方法和实施例1不同之处仅在于不含步骤(4),将步骤(3)碳氮共渗处理后的曲轴置于空气中自然冷却,即得曲轴成品。
实施例8
为了测试曲轴强化工艺对曲轴强度的影响,设置表3中的试验组和对照组,试验组和对照组所述曲轴采用实施例1所述非调质钢制备而成,与实施例1所述强化工艺的不同之处在于步骤(3)碳氮共渗处理的温度和时间不同,处理的时间和温度见表3。
表3碳氮共渗处理采用的不同温度和时间
组别 | 温度(℃) | 时间(h) |
试验组1(实施例1) | 600 | 2 |
试验组2 | 550 | 2 |
试验组3 | 650 | 2 |
对照组1 | 500 | 2 |
对照组2 | 700 | 2 |
试验组4 | 600 | 1.5 |
试验组5 | 600 | 2.5 |
对照组3 | 600 | 1 |
对照组4 | 600 | 3 |
采用实施例7中的测试方法测试试验组1~5、对照组1~4和的对比例26的曲拐实测弯矩和安全系数,测试结果见表4。
表4试验组1~5、对照组1~4和的对比例26的测试结果
从表4可以看出,温度过低或时间过短,将导致曲拐实测弯矩下降,温度过高或时间过长则对曲拐实测弯矩影响不明显,但是能源消耗更大。对比例26的曲拐实测弯矩偏低,表明淬火后保温处理有助于降低曲轴内应力,降低裂纹萌生可能,保证曲轴强度。
最后所应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种发动机高强度曲轴,其特征在于,所述曲轴采用将非调质钢进行锻造和机械加工,并进一步进行碳氮共渗和随后水淬火处理而获得;按重量百分比计,所述非调质钢包含C 0.25~0.3%、Mn 1.5~2.0%、Si 0.15~0.25%、P≤0.015%、S≤0.05%、Cr 0.03~0.1%,以及余量的Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述发动机高强度曲轴,其特征在于,所述曲轴的轴颈自表面向下50-60μm深度的硬度为HV320-360。
3.如权利要求1所述发动机高强度曲轴,其特征在于,所述碳氮共渗的步骤包括:将曲轴在550~650℃环境下且在NH3和RX的混合气体中保温1.5~2.5h。
4.如权利要求3所述发动机高强度曲轴,其特征在于,所述碳氮共渗的步骤包括:将曲轴在600℃环境下且在NH3和RX的混合气体中保温2h。
5.如权利要求1所述发动机高强度曲轴,其特征在于,所述水淬火的步骤为:将碳氮共渗后的曲轴加热至850~900℃,放入水中淬火后取出,然后在90~110℃空气中下保温1~2h时效处理。
6.如权利要求4或5所述发动机高强度曲轴,其特征在于,所述NH3和RX的体积比为:NH3:RX=(0.4~0.6):(0.4~0.6)。
7.如权利要求4或5所述发动机高强度曲轴,其特征在于,所述RX气体的成分为:CO20.5%、H2 41%和N238.5%。
8.一种发动机高强度曲轴的制备方法,其特征在于,所述曲轴采用将非调质钢进行锻造和机械加工,并进一步进行碳氮共渗和随后水淬火处理而获得;
按重量百分比计,所述非调质钢包含C 0.25~0.3%、Mn 1.5~2.0%、Si 0.2%、P≤0.015%、S≤0.05%、Cr≤0.05%,以及余量的Fe和不可避免的杂质。
9.如权利要求8所述发动机高强度曲轴的制备方法,其特征在于,所述碳氮共渗的步骤包括:将曲轴在550~650℃环境下且在NH3和RX的混合气体中保温1.5~2.5h。
10.如权利要求8所述发动机高强度曲轴的制备方法,其特征在于,所述水淬火的步骤为:将碳氮共渗后的曲轴加热至850~900℃,放入水中淬火后取出,然后在90~110℃空气中下保温1~2h时效处理。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210305 |
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