球铁的强化在曲轴中的应用.doc

球铁的强化在曲轴中的应用 摘要： 这里提供的是一项研究的结果，在此，得出如下结论：通过单独的深度圆角滚压、等温淬火，或两者相结合的方法，可以在很大程度上改善球铁曲轴的弯曲疲劳强度。选作测试工具的曲轴，具有不同尺寸，并且能够代表在重型内燃机中应用。本项目要求对样本曲轴进行以下几方面的研究：铸造、机械加工、深度圆角滚压、等温淬火、弯曲疲劳强度测试、残余应力测量、机械性能评估，及光学、电子金相检验等。研究的结果表明：通过深度滚压或等温淬火可以在很大程度上提高圆角疲劳强度，并且两种方法相结合的情况下效果更加明显。利用经过淬火和回火的1046钢曲轴作为参考对象，此曲轴具有48000Psi的强度极限，研究结果表明：经过圆角滚压的球铁曲轴的强度极限约高出100％，达到97000 Psi；采用等温淬火的曲轴可达到60000 Psi；采用等温淬火与圆角滚压相结合的曲轴143000 Psi，相对于调质钢曲轴强度极限可高出190％。金相检验、残余应力分析及横截面硬度检测，被用来记录球铁强化的原因。 研究表明，对球铁可以采用特殊的强化方法，从而利用这种材料的特殊性能。首先，因为高的工作硬化代表着珠光体球铁中存在高硅基体，深度圆角滚压能够产生显著的强化，原因是冷加工和伴随产生的压力残余应力，其次，在理想状况下，球铁的等温淬火可以产生具有高强度、韧性及硬度的综合体，组织中残余奥氏体的百分比含量显著，高达40％，如果此组织又是以冷加工（深度圆角滚压）为条件，那么局部显著的强化是由于残余奥氏体和加工贝氏体的转变形成的。相对于钢，球铁的这种来自于等温淬火和冷加工的强化影响，将更加特殊、明显和有益。事实上，应用此方法，在钢中不可能获得同样程度的提高。通过采用合理的设计、铸造技术、热处理和局部机械加工，最终可以利用球铁的内在潜力。 简介 在应用于内燃机中，采用球铁曲轴代替锻钢曲轴被广泛接受，从而达到降低材料消耗的目的。事实上，由于球铁低的材料消耗和加工消耗，另外其它通常低的花费，使得汽车设计者自从1960年开始，大量使用这种材料作为汽油内燃机曲轴材料。在最近20年这个领域的服务实践表明：一个经过正确设计的球铁曲轴，在轻型、中型内燃机应用中具有很好的服务记录。尽管球铁在消耗和工艺条件上值得注意，但由于球铁低的弯曲疲劳强度，在中型到重型内燃机应用中的增加中受到限制。与锻钢相比，需要强调的是弯曲疲劳强度并不是曲轴材料的唯一要求，其它情况如硬度（弹性模数）和剪切疲劳强度都必需被考虑。然而，与球铁相关的低的弯曲疲劳强度仍然是它被广泛应用的最大障碍。 本报告中研究的最大推动力是提高球铁曲轴弯曲疲劳强度的方法，尤其是在曲轴应力最集中的区域轴颈圆角部分，为达到这些目标，工艺参数的研究如下： 机械加工或曲轴圆角滚压被作为最基本的提高工艺，并且深度滚压曲轴的成功应用被美国汽车工业所介绍。 球铁的等温淬火，在球铁曲轴的疲劳强度方面有实质上的提高，提供独特的性能，也被认真加以研究，另外，等温淬火会显著提高球铁件中心部位的强度，从而更好地抵抗剪切应力。 等温淬火球铁曲轴的深度圆角滚压被研究。 两种不同尺寸的曲轴，代表在重型内燃机方面的应用，被用作测试的工具。样本曲轴的研究项目包括：铸造、机械加工、深度圆角滚压、等温淬火、弯曲疲劳测试、残余应力分析、机械性能评估及光学、电子金相检测等，在本论文中将进行描述。 试验过程 图1展示的是代表V－8曲轴的示意图，作为整个论文用不同特征曲轴有关术语和定义的参考。 应用在本项目中曲轴的典型尺寸表格见表格1。 球铁曲轴铸件 202曲轴 曲轴铸件采用无烘烤铸型，浇注方式采用位于发兰盘的的单内浇口浇注，模型水平放置在砂箱的中心线上，采用湿砂造型，仍按正常浇注过程浇注。 图1 典型V－8内燃机曲轴示意图 曲轴的的熔炼、浇注顺序没有改变，仍采用正常产品的方法，顺序如下： 在20T感应电炉中熔化 转移到50T保温电炉 从保温电炉倾注3303镑到处理包 在3500镑包中插入含9％的镁硅合金进行处理。 在处理包倾倒到1500镑浇注包的过程中用0.5％硅作为硅铁进行二次孕育。 浇注曲轴铸件温度在2500～2550F。 约45分钟后振动脱箱 化学成份根据不同铸件进行调整，仍采用正常的产品生产过程，经过清理、打冒口、X－射线检测后开始加工。 303曲轴 下面是曲轴产品的重要数据 表格1 V－8球铁曲轴的标准尺寸 英寸 规格 202 303 长度 26.30 30.00 主轴颈 直径 3.12