CN113681236B - 一种赛车用高转速发动机曲轴的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种赛车用高转速发动机曲轴的制造方法，从曲轴原料的选择、平衡块边角、精加工前的调质处理、精加工后的退火处理、抛丸强化、粗滚研加工、离子氮化和精滚研均进行了优化，使曲轴各部位的表面更加的光滑，减小高速运动时的阻力，同时能减小曲轴在工作中对润滑油的搅动，减小气泡产生，有助于润滑油快速回流，有助于油位的稳定，去除表面的由于抛丸、氮化引起硬化尖点，有利于提高润滑油洁净度，提高曲轴的抗氧化性，增强曲轴表面抗电化学腐蚀的能力，经过上述方法生产的赛车曲轴，能够使改装后的普通商用车引擎输出马力2000匹以上，转速超10000rpm。

Description

一种赛车用高转速发动机曲轴的制造方法

技术领域

本发明属于赛车用曲轴技术领域，尤其是一种赛车用高转速发动机曲轴的制造方法。

背景技术

竞技体育比赛使用的发动机具有高马力、高转速、快速响应的特点，而传统商用车发动机无法满足比赛要求，专门设计制作专用发动机又会花费巨大的研发成本。因此，对现有发动机进行改造，从而达到比赛使用需求成为一种合适的方式。发动机改造中曲轴的改造是其中一个核心重点，传统商用车发动机设计马力一般不超过400匹，转速不超过7000rpm，百公里加速时间不小于2s，其曲轴在设计时以经济、耐用为主，抗拉强度一般不超过1000MPa，整体质量偏重，多采用铸造零件；而以400米直线加速赛为例，赛车马力会达到2000匹以上，转速超10000rpm，400米加速达到7秒以内，曲轴设计以高强度、耐冲击、低重量为主，抗拉强度大于1000MPa。因此，依据现有发动机箱体结构、优化设计制造一种专门针对赛车比赛用曲轴是需要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种赛车用高转速发动机曲轴的制造方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种赛车用高转速发动机曲轴的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

将曲轴进行抛丸强化；

将曲轴进行粗滚研加工；

将曲轴进行离子氮化处理；

将曲轴进行精滚研加工；

所述曲轴的原料为C 0.2-0.28％、Si 0.1-0.35％、Mn 0.4-0.7％、Ni≤0.3％、Cr3-3.5％、Mo 0.5-0.7％、Cu≤0.2％、Sn≤0.03％、P＜0.012％、S＜0.006％、O＜0.002％、N＜0.007％、H＜0.00015％和Fe。

进一步的：所述原料连铸成材后经过二次重熔。

进一步的：所述原料在精加工前进行调质处理，所述调质处理的过程是：在890－910℃的温度条件下进行淬火，在580－610℃的温度条件下进行回火。

进一步的：所述原料在精加工后进行退火处理，所述退火处理的过程是：在580±20℃的温度条件下进行退火。

进一步的：所述抛丸强化的过程是：抛丸为1-2mm的强化钢丸，抛丸时间为10-20min。

进一步的：所述粗滚研加工的过程是：采用卧式震动滚研机，磨料采用棕刚玉，磨料尺寸为15×15mm，磨液采用含5％金属加工液的水溶液。

进一步的：所述离子氮化的过程是：

曲轴以1-2℃/min的加热速度升至490℃,保温1小时后,通入氮气与氢气的混合气体,气体流量比为3:1,混合气体流量控制在1.4L/min,气压为200-300Pa；

温度继续以小于1℃/min的速度升至510℃,保温20小时,电压为650-700V；

保持炉内气氛不变，缓慢降温至400℃以下，断开电源随炉冷却至150℃以下出炉。

进一步的：所述精滚研加工的过程是：采用卧式震动滚研机，磨料采用圆柱陶瓷颗粒，磨料尺寸为Φ5mm×15mm，磨液采用含5％金属加工液的水溶液。与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明中，从曲轴原料的选择、平衡块边角、精加工前的调质处理、精加工后的退火处理、抛丸强化、粗滚研加工、离子氮化和精滚研均进行了优化，使曲轴各部位的表面更加的光滑，减小高速运动时的阻力，同时能减小曲轴在工作中对润滑油的搅动，减小气泡产生，有助于润滑油快速回流，有助于油位的稳定，去除表面的由于抛丸、氮化引起硬化尖点，有利于提高润滑油洁净度，提高曲轴的抗氧化性，增强曲轴表面抗电化学腐蚀的能力，经过上述方法生产的赛车曲轴，能够使改装后的普通商用车引擎输出马力2000匹以上，转速超10000rpm。

附图说明

图1是本发明的曲轴的轴向的视图；

图2是配重块边角的结构示意图；

图3是成品各部位的对比图(左侧列为本发明，右侧列为传统方法)；

图4是曲轴表面放大对比图(左侧列为传统方法，右侧列为本发明)；

图5是电化学原理图；

图6是氮化后尖角处微观显微缺陷图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种赛车用高转速发动机曲轴的制造方法，本发明的创新在于，包括以下步骤：将曲轴进行抛丸强化；将曲轴进行粗滚研加工；将曲轴进行离子氮化处理；将曲轴进行精滚研加工。

其中，根据赛车曲轴的这些特点，在制造时有针对性的对曲轴材料进行优化以满足使用需求。曲轴的原料为C 0.2-0.28％、Si 0.1-0.35％、Mn 0.4-0.7％、Ni≤0.3％、Cr3-3.5％、Mo 0.5-0.7％、Cu≤0.2％、Sn≤0.03％、P＜0.012％、S＜0.006％、O＜0.002％、N＜0.007％和H＜0.00015％，余量为Fe。原料经连铸成材后需经二次重熔进一步净化杂质。

出厂锻造棒材的原始状态为锻造退火态，经超声探伤合格后进行粗加工。粗加工后的零件需进行调质处理，以发挥材料的最大能力。不同的调质处理参数严重影响曲轴最终的性能，合理优化调质工艺是非常重要的。调质处理的过程是：淬火加热温度为890－910℃(400℃以下没有要求，超过400℃为≤3℃/s))，保温时间为1.5-2小时，油淬；回火温度为580－610℃(400℃以下没有要求，超过400℃为≤3℃/s)，保温时间为3-5小时。调质后材料的组织为回火索氏体，晶粒度大于6级。抗拉强度大于1000MPa，伸长率大于15％，断面收缩率大于48％，冲击功大于150J。

调质后精加工曲轴，完成后需进行去应力退火，退火目的是去除曲轴在加工过程中产生的残余应力，以保证后续使用中的稳定性。退火处理需根据后续离子氮化的工艺进行综合设计，以避免材料强度的损失。退火处理的过程是：退火温度580±20℃(400℃以下没有要求，超过400℃为≤3℃/s)，保温时间为3小时，随炉冷却。

退火后对曲轴进行抛丸处理，抛丸采用1mm强化钢丸，抛丸时间为15分钟。抛丸的目的是对曲轴施加一个表面压应力，以提高曲轴的疲劳强度。根据实际检测，抛丸后表面残余压应力在距表面0.1mm左右处为最大值，所以抛丸后精磨加粗滚研的加工余量控制在轴径0.2mm以内。

粗滚研的目的是初步去除曲轴各处的毛刺、倒圆锐边，同时提高曲轴表面清洁度，减少后序离子氮化时可能发生的打弧现象。滚研采用卧式震动滚研机，磨料采用棕刚玉，磨料尺寸为15×15mm，磨液采用含5％金属加工液(采购成型产品)的水溶液，滚研时间为6小时。

粗滚后经高压清洗去除曲轴表面污渍，装炉进行离子氮化，离子氮化的过程是：

将清洗后的曲轴竖直放在离子氮化炉的阴极托盘上。由于前期对曲轴的调质、去应力回火工艺进行了相应的优化设计，曲轴氮化无须特殊工装，氮化后能够保证曲轴径向跳动小于0.03mm。

开始氮化后曲轴以1-2℃/min的加热速度升至490℃,保温1小时后,通入氮气与氢气的混合气体,气体流量比为3:1,混合气体流量控制在1.4L/min,气压为200-300Pa。温度继续以小于1℃/min的速度升至510℃,保温20小时,电压为650-700V。氮化结束后，保持炉内气氛不变，缓慢降温至400℃以下，断开电源随炉冷却至150℃以下出炉。

氮化后能在曲轴表面形成大于0.01mm的白亮硬化层，总渗层深度大于0.3mm。渗层金相组织评级小于2级。

将氮化后的曲轴放入卧式震动滚研机，进行精细滚研处理。滚研仍使用卧式震动滚研机，磨料采用圆柱陶瓷颗粒，尺寸为Φ5mm×15mm，滚研时间为24小时，磨液采用含5％金属加工液(采购成型产品)的水溶液。由于离子氮化工艺在设计时为精滚研预留了加工余量，所以精滚加工并不会影响表面氮化效果。精滚后曲轴表面精度提高2个级别。

如图1、2所示，曲柄臂1上设置曲柄轴颈2，曲柄臂上一体设置有配重块3，每个配重块两侧的边角处的截面为梯形的形状。

经过上述方法制得的成品经过检测，平衡块的表面粗糙度见表1：

表1：表面粗糙度检测记录表(μm)

从表1可知，使用上述方法后，提高了曲轴的抗氧化性，减小高速运动时的阻力，同时能减小曲轴在工作中对润滑油的搅动，减小气泡产生，有助于润滑油快速回流，有助于油位的稳定。由于曲轴特别是配重块的表面质量得到提高，能够去除表面的由于抛丸、氮化引起硬化尖点，有利于提高润滑油洁净度。

上述技术效果具体描述如下：

1.降低曲轴转动时受到的阻力。精滚提高了曲轴的表面光洁度，将配重块抛丸面的表面粗糙度等级提高1级，同时一定程度上增大了外形的过渡圆弧及圆弧的光洁度，见图3。

根据流体阻力公式f＝kv(f为流体阻力，k为阻力系数，v为相对运动速度)，可知曲轴运动时受到的阻力与转速、阻力系数成正比。强化后的发动机必然会提高转速，提高转速必然会增加曲轴配重块在旋转时受到的空气和润滑油的阻力。那么尽可能的减小流体阻力，则会为提高发动机的工作效率提高重要帮助。从流体阻力公式中可知，降低阻力系数是一种有效手段，通过减小运动物体的面积、表面粗糙度以及优化曲轴外形可以达到降低阻力系数的目的。从图3可以明显看出，精滚后配重块表面粗糙度等级得到了提高，曲轴外形得到了一定程度的优化，进而达到了减小流体阻力的目的。

2.提高曲轴的抗氧化性。氧化过程是氧原子与金属反应、扩散的过程。这一过程的影响因素有温度、湿度、材料、接触面积、接触时间等。针对同一发动机的同型号曲轴而言温度、湿度、材料成分(主要是表面材料成分)、接触时间不会出现明显变化，而通过减小曲轴与氧的接触面积可以提高其抗氧化的性能。配重块部分由于是抛丸后的表面，表面粗糙度比较高，具有较大的比表面积，相对于轴径的高精度面更容易被氧化。经过精滚工艺加工后，配重块表面粗糙度等级得到了提高，减小了比表面积，从而可以达到提高抗氧化的目的。

3.增强曲轴表面抗电化学腐蚀的能力。电化学腐蚀的原理见图5，由原理可知曲轴产生电化学腐蚀需满足三个条件：存在电极电位差、有电解液(含氧)、相互联通。图4为精滚前后表面变化示意图，图4为精滚前后表面在100倍发大镜下宏观形貌变化图。从图4可以直观的看到精滚加工对表面凹凸起伏的改善情况，左侧精滚前图中黑色部位是表面低点，基本看不到低点位置的具体形貌；白色部位为表面高点，可以看出高低位差比较大，已经超出了镜头景深范围。右侧精滚后的图片可见高低位置的宏观形貌均在可视范围，表面凹凸程度大大降低。

未经精滚的曲轴表面的这种高低位差，在一定条件下会造成电极位差，而润滑油若产生酸性物质并附着在配重块表面，就形成了局部微观尺度的电池系统，会造成曲轴表面电化学腐蚀。而经过精滚加工后，这种高低位差被缩短，凹坑尺寸减小，不易形成微电池环境，能提高曲轴的抗电化学腐蚀能力。

4.去除表面硬质点。无论是气体氮化还是离子氮化，在被氮化表面的边角、尖端部位都容易造成渗氮层的显微组织缺陷，见图6。这种缺陷通常需要通过增加或加大过渡圆角来去除。而配重块表面由于经过抛丸处理后，不再进行表面的精整加工，表面存在大量的凸起或尖点。这种容易在氮化后出现微米尺寸的显微缺陷，这种缺陷具有硬、脆、抗疲劳能力差的特点，在后续装机运行中容易脱落进入油路系统，再经油路系统附着到曲轴轴径表面，造成曲轴磨损，影响曲轴使用寿命。而经过精滚后的配重块表面，这种情况得到了很好的改善，硬质尖点被提前去除，能一定程度的提高曲轴的使用寿命。

应用实施例

例如2JZ-GTE丰田发动机，原厂参数为280HP/5600rpm，未使用本曲轴强化方法改装后，能达到811HP/6980rpm(2018.D1中国大奖赛10月冠军的数据)，而使用本发明方法后可提高到1200HP/8000rpm(本公司马力机试验数据)。

Claims (8)

1.一种赛车用高转速发动机曲轴的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

将曲轴进行抛丸强化；

将曲轴进行粗滚研加工；

将曲轴进行离子氮化处理；

将曲轴进行精滚研加工；

所述曲轴的原料为C 0.2-0.28％、Si 0.1-0.35％、Mn 0.4-0.7％、Ni≤0.3％、Cr 3-3.5％、Mo 0.5-0.7％、Cu≤0.2％、Sn≤0.03％、P＜0.012％、S＜0.006％、O＜0.002％、N＜0.007％、H＜0.00015％和Fe。

2.根据权利要求1所述的一种赛车用高转速发动机曲轴的制造方法，其特征在于：所述原料连铸成材后经过二次重熔。

3.根据权利要求2所述的一种赛车用高转速发动机曲轴的制造方法，其特征在于：所述原料在精加工前进行调质处理，所述调质处理的过程是：在890－910℃的温度条件下进行淬火，在580－610℃的温度条件下进行回火。

4.根据权利要求3所述的一种赛车用高转速发动机曲轴的制造方法，其特征在于：所述原料在精加工后进行退火处理，所述退火处理的过程是：在580±20℃的温度条件下进行退火。

5.根据权利要求4所述的一种赛车用高转速发动机曲轴的制造方法，其特征在于：所述抛丸强化的过程是：抛丸为1-2mm的强化钢丸，抛丸时间为10-20min。

6.根据权利要求5所述的一种赛车用高转速发动机曲轴的制造方法，其特征在于：所述粗滚研加工的过程是：采用卧式震动滚研机，磨料采用棕刚玉，磨料尺寸为15×15mm，磨液采用含5％金属加工液的水溶液。

7.根据权利要求1所述的一种赛车用高转速发动机曲轴的制造方法，其特征在于：所述离子氮化的过程是：

曲轴以1-2℃/min的加热速度升至490℃,保温1小时后,通入氮气与氢气的混合气体,气体流量比为3:1,混合气体流量控制在1.4L/min,气压为200-300Pa；

温度继续以小于1℃/min的速度升至510℃,保温20小时,电压为650-700V；

保持炉内气氛不变，缓慢降温至400℃以下，断开电源随炉冷却至150℃以下出炉。

8.根据权利要求1所述的一种赛车用高转速发动机曲轴的制造方法，其特征在于：所述精滚研加工的过程是：采用卧式震动滚研机，磨料采用圆柱陶瓷颗粒，磨料尺寸为Φ5mm×15mm，磨液采用含5％金属加工液的水溶液。

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