汽车发动机连杆的热处理工艺设计

— 汽车发动机连杆的热处理工艺设计

目 录

摘 要---------------------------------------------------------------------------------------------------（1）

1.概 述--------------------------------------------------------------------------------------------（2）

1.1 前言-----------------------------------------------------------------------------------------------（2） 1.2 使用性能-----------------------------------------------------------------------------------------（2）

1.3 失效形式---------------------------------------------------------------------------------------（2）

1.4 材料选择---------------------------------------------------------------------------------------（2）

1.4.1技术要求-----------------------------------------------------------------------------------（2）

1.4.2材料比较------------------------------------------------------------------------------------(3) 1.5 热处理工艺及目的----------------------------------------------------------------------- ----(4) 1.5.1退火--------------------------------------------------------------------------------------------(4) 1.5.2正火-------------------------------------------------------------------------------------------（4） 1.5.3淬火----------------------------------------------------------------------------------------- （4） 1.5.4回火--------------------------------------------------------------------------------------------（5）

2.热处理工艺-------------------------------------------------------------------------------------（5）

2.1工艺路线------------------------------------------------------------------------------------- -（5）

2.1.1 等温退火---------------------------------------------------------------------------------（5） 2.1.2淬火----------------------------------------------------------------------------------------（5） 2.1.3回火-----------------------------------------------------------------------------------------（6）

3.实验结果及分析---------------------------------------------------------------------6）

3.1 组织及分析----------------------------------------------------------------------------------（6） 3.1.1原始组织----------------------------------------------------------------------------------- （6） 3.1.2 等温退火后组织---------------------------------------------------------------------------（7）

3.1.3淬火后组织----------------------------------------------------------------------------------(7) 3.1.4 回火后组织---------------------------------------------------------------------------------（8）

3.2 缺陷分析------------------------------------------------------------------------（8）

3.2.1过热-----------------------------------------------------------------------------------------（8）

3.2.2欠热-----------------------------------------------------------------------------------------（8）

3.2.3淬火裂纹-----------------------------------------------------------------------------------（8）

3.2.4脱碳组织-----------------------------------------------------------------------------------（8）

3.2.5热处理变形--------------------------------------------------------------------------------（9）

Word 资料

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3.2.6软点-----------------------------------------------------------------------------------------（9）

3.2.7回火缺陷-----------------------------------------------------------------------------------（9）

4 . 总结--------------------------------------------------------------------------------（10） 5. 参考文献-------------------------------------------------------------------------（10） 6.致谢----------------------------------------------------------------------------------（10）

摘 要

综述了汽车发动机连杆的工作环境，使用性能，失

效形式，连杆材料的选择，热处理工艺等。主要就连杆的热处理工艺做了详细的分析，通过大量的实验得出了连杆材料热处理后的金相组织图等资料。分别对球化退火、淬火、回火过程中组织、硬度的的变化做了分析并以图表的形式列出。并就实验中出现的问题作了分析，以供参考。 关键词：连杆热处理；等温退火；淬火；回火；问题分析

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1.概 述

1.1 前言

连杆（link） 连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件。例如在往复活塞式动力机械和压缩机中，用连杆来连接活塞与曲柄。连杆多为钢件，其主体部分的截面多为圆形或工字形，两端有孔，孔内装有青铜衬套或滚针轴承，供装入轴销而构成铰接。 连杆是汽车发动机中的重要零件，它连接着活塞和曲轴，其作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。 连杆在工作中，除承受燃烧室燃气产生的压力外，还要承受纵向和横向的惯性力。因此，连杆在一个复杂的应力状态下工作。它既受交变的拉压应力、又受弯曲应力。 连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。通常疲劳断裂的部位是在连杆上的三个高应力区域。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的钢性和韧性。

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1.2 使用性能

1.2.1. 功用：连接活塞与曲轴 ，并把活塞承受的气体压力传给曲轴，使得活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动。

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1.2.2. 工作条件：承受压缩、拉伸和弯曲等交变载荷 。 1.2.3. 对其要求：强度高、刚度大、重量轻 。

1.2.4. 材料：一般都采用中碳钢或合金钢经模锻或辊锻，然后经机加工和热处理

1.3 失效形式

连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。通常疲劳断裂的部位是在连杆上的三个高应力区域。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的钢性和韧性。

1.4 材料选择

1.4.1 技术要求

连杆应按经规定程序批准的图样和技术文件制造.并符合本标准的要求。 连杆体及连杆盖应采用下列牌号的材料制造

40Cr,35CrMo,45,

连杆体和连杆盖应经调质处理，硬度为HB 217-293，同一型号发动机的连杆体及连杆盖其硬度差应不大于HB 40单位。

2 连杆纵向剖面上的金属宏观组织的纤维方向应沿着连杆中心线并与连杆外形相符，无紊乱及间断现象.

成品连杆的金相显微组织在连杆小头工字形截面检验应为均匀的细晶粒索氏体结构，不允许有片状

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铁素体和非金属夹杂物，脱碳层深度在工字形表面上不得大于。.10 min, 连杆毛坯应进行强化喷丸处理。

连杆不得有因金属未充满锻模而产生的缺陷，不得焊补。

连杆非加工表面不得有裂纹、夹层、气孔、夹渣、折迭、氧化皮腐蚀等缺陷。分模而飞边高度应不大于0.8mm，允许有数量不多于2个，直径不大于5mm,深度不大于0.5 mm的凹坑或修整缺陷的痕迹但位置不得在同一横截面上，经修整的痕迹应圆滑过渡。

连杆应经磁力探伤或其它无损探伤检测，磁力探伤后应退磁。

1.4.2 材料比较

材料40Cr, 35CrMo, 45,的成分，热处理，机械性能见表1.1 表1.1材料40Cr, 35CrMo, 45的成分，热处理，机械性能

钢 号 主要化学成分（w/%） C Mn Si Cr Mo 热处理 淬火/oC 830 ~ 840水 850 油 回火/oC 580 ~ 0 空 500 油，水 机械性能 σb/MPa σs/MPa /% ≥650 ≥350 ≥38 ψΆk(J/cm2) ≥45 45 0.42 0.50 0.17 ~ ~ ~ 0.50 0.80 0.37 40Cr 0.37 0.50 0.20 0.80 ~ ~ ~ ~ 0.45 0.80 0.40 1.10 1000 800 45 60 Word 资料

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35CrMo 0.32 0.40 0.20 0.80 0.15 850 ~ ~ ~ ~ ~ 油 0.40 0.70 0.40 1.10 0.25 550 油，水 1000 850 45 80 在Cr钢中加入Mn,,能改善塑性和韧度，提高硬度，强度和淬透性。Mo在CrMo钢中能降低固溶体的分解速度和淬火临界冷却速度。

CrMo钢和Cr钢相比，过热和晶粒粗化敏感性小，淬透性和回火稳定性高。并能消除 3 Cr钢对于回火脆性的敏感性。制造要求承受较高的抗拉，压，弯曲强度和疲劳强度的连杆等零件。

综上所述，连杆的材料最终选择为35CrMo.

1.5 热处理工艺及目的

热处理：把金属或合金加热到给定温度并保持一段时间,然后用选定的速度和方法使之冷却,以得到所需要的显微组织和性能的操作工艺,被称为热处理. 轴承热处理直接关系着后续的加工质量，以致最终影响零件的使用性能及寿命，同时轴承热处理又是轴承制造中的能源消耗大户和污染大户。轴承的热处理装备直接影响轴承热处理质量，以及能源消耗和污染。轴承钢的硬度和强度都很高，经过退火后才可以进行加工，而且细化晶粒，提高原始组织的性能，当粗加工完毕后还要对其进行淬火和冷处理。

1.5.1 退火:将工件加热到临界点(Ac1或Ac3)以上某一温度,停留一定的时间(保温),然后进行缓慢冷却(同炉子一起冷却),这种操作过程叫做退火. 退火的目的:

（1）降低硬度,便于工件易切削. （2）改善材料的组织及机械性能.

（3）改善组织结构,为以后的淬火做好准备.

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（4）消除内应力. （5）得到细小的结晶.

退火设备：现阶段我国的退火设备是氧化炉和保护气氛炉共存，氧化炉多于保护气氛炉；周期炉和连续炉共存，且周期炉多于连续炉。美国、英国、日本等国家早在20世纪六七十年代就已全面推广推杆式和辊底式等温球化退火炉，缩短退火周期，节约能源，并提高退火质量。随着轴承零件加工技术的发展，以及精密锻造和精密辗扩(冷辗)工艺的采用，零件毛坯的加工精度越来越高，由此带来了对保护气氛退火的需求。轴承行业应迅速推广保护气氛球化退火，以减少退火后的氧化脱碳，提高加工效率，节材节能，降低成本。

1.5.2 正火:将工件加热到Ac3或Acm以上30-50℃,经保温后,从炉中取出放在空气中冷却的一种热处理操作.(正火的冷却速度要比退火快的多).

正火后其强度和硬度较退火的高一些,塑性稍低,使珠光体数量增加,改善组织保证得到较高的机械性能,由于在空气中冷却,生产率高.

1.5.3 淬火：是将工件加热到临界点(Ac3或Ac1)以上,经保温后急速冷却以获得马氏体组织(也有一定量的残余奥氏体),这种热处理操作称之为淬火.钢经过淬火后在性能上的突出特点是硬度很高而塑性很低. 淬火的目的:

（1）增加钢制工件的硬度及耐磨性.

（2）通过淬火和随后的中温或高温回火能使工件获得良好的综合性能. 淬火设备：淬火冷却装备是除淬火介质外影响工件淬火效果的另一大因素。我国

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现阶段淬火冷却装备控制参数较少，一般只对油温和油的循环进行控制。国外对 4 常用的淬火油槽实行多参数控制，如油温、油的冷却特性、油的循环与搅拌的方向，以及速度、工件入油的方式等，以求得到最佳的淬火组织与性能，同时把变形减小到最小程度。我国一些轴承厂家也在尝试多参数控制，特别是通过对圆锥轴承进行工件入油方式的控制来解决轴承零件淬火过程中角度的变化。

1.5.4 回火:是将淬火后的工件加热到Ac1以下的温度,保温一段时间,然后在水,油或空气中冷却下来.(回火是紧接着淬火以后进行的,回火有低温回火,中温回火和高温回火)

回火的目的:减少或消除工件在淬火时造成的内应力,提高塑性和韧性,以得到工件在使用时所要求的和可能达到的机械性能。

2.热处理工艺

2.1工艺路线

制造连杆的工艺路线：下料——锻造（模锻）——预备热处理（正火、等温退火）——粗加工——最终热处理（淬火+高温回火）——精加工.

2.1.1 等温退火:可降低刚的硬度，改善切削加工性能，同时获得均匀分布的细颗粒状珠光体。退火温度760~780摄氏度，保温时间2~4小时，炉冷至670摄氏度左右，保温1~2小时，炉冷至500摄氏度后出炉空冷。硬度200-230HBS. 等温退火工艺：

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温度 760~780，2~4h 500，空冷 660~680,1-2h 电炉 时间

2.1.2 淬火：提高连杆的硬度，强度和耐磨性。淬火温度控制在850~870摄氏度，（空气炉加热时为防止脱碳应采用气体保护）.空气炉中加热升温时间t1=(15-20s\\kg)*1kg=15-20s,保温时间t2=(1.5-2)min\\mm*10mm=15-20min加热时间t=t1+t2,冷却介质（油）。金相组织：马氏体+残余奥氏体+碳化物。

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s s---s=10mm,m=1kg 淬火工艺：

有效壁厚 ,

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温度 850-870，15~20min,油时间 电炉

2.1.3 回火：淬火后及时回火，以防止内应力过大产生开裂，提高韧性，稳定组织和尺寸。回火温度500~550摄氏度，保温时间1~2小时。组织为回火索氏体+残余奥氏体+碳化物。硬度：40-45HRC.

回火工艺为：

温度 500-550,1~2h 时间 电炉

3.实验结果及分析

3.1 组织及分析

3.1.1 原始组织 6

35CrMo钢的锻后组织组织如图（1）所示

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图（1） 硬度为30HRC

3.1.2 等温退火后组织

经760~780摄氏度的等温退火， 保温2~4h，然后炉冷至650~670 摄氏度后（大约1~2h）空冷后抛 光用4%的腐蚀5秒后得到下

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图2组织。图中颗粒状的组织为 珠光体，白色区域可能因腐蚀时 不够均匀。

等温退火后金相组织图（2）： 硬度90HRB

图（2）

3.1.3 淬火后组织 图（2）

实验中试样的质量50g，那么 t1=15s\\kg*0.05kg=0.75s, t2= 2min\\mm*10mm=20min,所以 t=20min.经850~870摄氏度淬火，保 温20min，油淬，抛光后用4%的硝 酸腐蚀5秒得到下图组织。该组织中 白色片状物质为碳化物，灰色组织为 残余奥氏体和隐晶马氏体，马氏体比 较小，一般分辨不出。

淬火后金相组织图（3）：

硬度52HRC 图（3） 7

3.1.4 回火后组织

经500~650摄氏度高温回火后， 以获得粒状回火索氏体组织。此时F基 体上分布着粒状K,残余应力已基本消除，

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强度，塑性，韧性达到比较恰当的配合。 使钢具有良好的综合机械性能。 淬火加高温回火又称调制。 回火后金相组织图（4）： 硬度37HRC

图（4）

3.2 缺陷分析 图（4）

3.2.1 过热

从零件粗糙口上可观察到淬火后的显微组织过热，但要切当判断其过热的水平必须观察显微组织。若在35CrMo钢的淬火组织中出现粗针状马氏体，则为淬火过热组织。形成缘故原由可能是淬火加热温渡太高或加热保温时间太长酿成的全面过热；也可能是因原始组织带状碳化物严重，在两带之间的低碳区形成局部马氏体针状粗大，酿成的局部过热。过热组织中残留奥氏体增多，尺寸稳定性降落。由于淬火组织过热，钢的晶体粗大，会导致零件的韧性降落，抗打击性能降低，使用寿命也降低。过热严重甚至会造成淬火裂纹。 3.2.2

欠热

淬火温度偏低或冷却不良则会在显微组织中孕育发生超过标准规定的托氏体组织，称为欠热组织，它使硬度降落，耐磨性急剧降低，影响寿命。

3.2.3 淬火裂纹

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零件在淬火冷却过程当中因内应力所形成的裂纹称淬火裂纹。造成这种裂纹的缘故原由有：由于淬火加热温渡太高或冷却太急，热应力和金属质量体积变化时的组织应力大于钢材的抗断裂强度；工作外貌的原有缺陷(如外貌微细裂纹或划痕)或是钢材内部缺陷(如夹渣、严重的非金属同化物、白点、缩孔残余等)在淬火时形成应力集中；严重的外貌脱碳和碳化物偏析；零件淬火后回火不足或未及时回火；前面工序酿成的冷冲应力过大、铸造折叠、深的车削刀痕、油沟尖锐棱角等。总之，造成淬火裂纹的缘故原由可能是上面所说的因素的一种或多种，内应力的存在是形成淬火裂纹的主要缘故原由。淬火裂纹深而细长，断口平直，破断面无氧化色。淬火裂纹的组织特征是裂纹两侧无脱碳征象，明显区别与铸造裂纹和材料裂纹。

3.2.4 脱碳组织

8 因为加热时无气体保护状态，实验中，材料表面出现了很严氧化现象，需打磨掉氧化层。加热时温度过高，出现了脱碳现象。脱碳组织为：

脱碳后500倍金相组织图(5)

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图（5）为退火时无气体保护的组织，从图中可以发现组织基本是由白色大晶粒组成，仅有细小的点状碳化物，黑点为试样上抛光时留下的脏污。这是因为长时间退火导致的试样表面严重脱碳，打磨抛光时仅呈现出试样表层的组织。因此，出现这种情况时应将试样打磨一定的厚度，才能看到试样真实组织。

在热处理过程当中，如果是在氧化性介质中加热，外貌会发生氧化作用使零件外貌碳的质量分数削减，造成外貌脱碳。外貌脱碳层的深度超过最后加工的留量就会使零件报废。外貌脱碳层深度的标定在金相检验中可用金相法和显微硬度法。以外貌层显微硬度分布曲线测量法为准，可做仲裁判据。

3.2.5 热处理变形

零件在热处理时，存在有热应力和组织应力，这种内应力能彼此叠加或部分抵消，是复杂多变的，因为它能随着加热温度、加热速率、冷却方式、冷却速率、零件形状和大小的变化而变化，所以热处理变形是不免的。认识和掌握它的变化纪律可使零件的变形(如尺寸涨大等)置于可控的范围，有利于生产的进行。当然在热处理过程当中的机械碰撞也会使零件孕育发生变形，但这种变形是可以用改进操作加以削减和避免的。

3.2.6 软点

由于加热不足，冷却不良，淬火操作不当等缘故原由酿成的轴承零件外貌局部硬度不够的征象称为淬火软点。它象外貌脱碳一样可以造成外貌耐磨性和疲劳强度的严重降落。

3.2.7 回火缺陷

回火缺陷主要是指回火裂纹和回火硬度不够。

通常在出现硬度不合格时，是否发生了混料，这是引起淬火后硬度不合

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格的主要原因。 9

回火脆性是钢的一种热处理特性，而不是热处理中常说的热处理缺陷。但是，有时就会成为回火缺陷的根源。

某些合金钢在500~650回火后缓慢冷却，出现了冲击韧度下降的现象（高温回火脆性），这类已经脆化的钢再次重新加热到预定的回火温度，然后快冷到室温下，使脆性消失。

4 . 总结

通过本次试验，我对工具钢牌号、工具钢材料，工具的使用条件及性能有了初步的了解，对热处理的流程、设备有了初步的了解，通过对制作金相、材料热处理等实践操作，大大锻炼了自己的动手能力。

5. 参考文献

参考文献：

（1） 设计型综合实验指导书：王鑫，刘健康编；

（2） 热处理实用数据速查手册：机械工业出版社，叶卫平 ，张覃轶主编； （3） 简明金属热处理工手册：国防工业出版社，范逸明主编，李海江 王春

城 编著；

（4） 热处理技师手册；张玉庭 主编；

（5） 钢铁热处理实用技术；化学工业出版社，许天已 编著； （6） 新编工模具钢金相热处理 机械工业出版社，蔡美良 编著； （7） 现代轿车发动机主要零部件设计计算方法 杨世友 卓斌 陆季波 高

义峰

6.致谢

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王鑫老师在理论课上详细的讲解，刘建康老师在实验中细心地指导，经常工作到深夜，其工作态度让人敬佩，杨通老师在实验中给予大力的支持与帮助，在此一并表示忠心的感谢!

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