課程設(shè)計(jì)---42crmo柴油機(jī)連桿螺栓熱處理工藝研究

1、<p><b>　　專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　42CrMo柴油機(jī)連桿螺栓熱處理工藝研究</p><p><b>　　學(xué) 校： </b></p><p>　　學(xué) 院：材料科學(xué)與工程</p><p>　　專 業(yè)：金屬材料工程</p><

2、p><b>　　姓 名： </b></p><p><b>　　學(xué) 號(hào)： </b></p><p><b>　　完成日期： </b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要 ……………………………………

3、……………………………… 2</p><p>　　第1章 柴油機(jī)連桿螺栓失效分析及服役條件………………… 2</p><p>　　1.1 柴油機(jī)連桿螺栓失效形式 …………………………… 2</p><p>　　1.2 連桿螺栓原因分析……………………………………… 2</p><p>　　1.3 連桿螺栓服役條件

4、……………………………………… 3</p><p>　　第2章 材料的選取與概述……………………………………… 4</p><p>　　2.1 42CrMo鋼的基本特性…………………………………… 4</p><p>　　2.2 材料的選取概況………………………………………… 4</p><p>　　42CrMo熱處理

5、加工工藝研究…………………………… 5</p><p>　　3.1 42CrMo的工藝條件與確定……………………………… 5</p><p>　　3.1.1 鍛造工藝規(guī)范與鋼的C曲線…………………………… 5</p><p>　　3.1.2 各類加工工藝條件的確定……………………………… 6</p><p>　　3.2

6、 熱處理加工工藝步驟與結(jié)論…………………………… 8</p><p>　　3.2.1 加工工藝路線…………………………………………… 8</p><p>　　3.2.2 正火處理………………………………………………… 8</p><p>　　3.2.3 淬火處理………………………………………………… 8 </p><p>　　3

7、.2.4 調(diào)質(zhì)處理………………………………………………… 9</p><p>　　3.2.5 結(jié) 論…………………………………………………… 10</p><p>　　參考文獻(xiàn)……………………………………………………………… 10</p><p>　　摘要：隨著我國(guó)科技的進(jìn)步，我國(guó)對(duì)490柴油機(jī)連桿螺栓的性能要求越來越高。</p><p&

8、gt;　　42CrMo合金鋼是高強(qiáng)度鋼，具有高強(qiáng)度和韌性，淬透性也較好，無明顯的回火脆性，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗沖擊多次能力，低溫沖擊韌性良好，實(shí)用于制造像柴油機(jī)連桿螺栓這樣要求一定強(qiáng)度和韌性的材料。</p><p>　　關(guān)鍵詞：連桿螺栓，42CrMo合金鋼，熱處理，失效形式，服役條件。</p><p>　　第1章 柴油機(jī)連桿螺栓失效分析及服役條件</p><p

9、>　　1.1柴油機(jī)連桿螺栓失效形式</p><p>　　螺栓聯(lián)接根據(jù)載荷性質(zhì)不同，其失效形式也不同：受靜載荷螺栓的失效多為螺紋部分的塑性變形或螺栓被拉斷；受變載荷螺栓的失效多為螺栓的疲勞斷裂；對(duì)于受橫向載荷的鉸制孔用螺栓聯(lián)接，其失效形式主要為螺栓桿剪斷，栓桿或被聯(lián)接件孔接觸表面擠壓破壞；如果螺紋精度低或聯(lián)接時(shí)常裝拆，很可能發(fā)生滑扣現(xiàn)象。1.2 連桿螺栓失效原因分析</p><p>

10、　　通過對(duì)損壞的柴油機(jī)各部件進(jìn)行勘驗(yàn)，在排除了柴油機(jī)飛車、氣缸嚴(yán)重拉毛、活塞環(huán)卡死等原因造成連桿螺栓超載斷裂后，過程分析如下：主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，第五缸連桿的四只螺栓中的一只逐漸松動(dòng)脫落，導(dǎo)致同側(cè)另一只螺栓負(fù)荷增加，超出許用負(fù)荷，致使螺紋損壞脫落。同一側(cè)的兩只螺栓全部脫落后，連桿瓦蓋與連桿體在一側(cè)逐漸分離，產(chǎn)生額外拉伸和彎曲負(fù)荷，最終使另一側(cè)的兩個(gè)螺栓拉斷，連桿蓋與連桿體完全分離。分離的連桿體失去運(yùn)動(dòng)約束，打壞附近零部件。因此，事故起因是第

11、一只連桿螺栓產(chǎn)生了松動(dòng)。而造成螺栓松動(dòng)的能因素主要有以下三個(gè)方面：</p><p>　　(1)螺栓擰緊力矩不足或不均勻。柴油機(jī)連桿螺栓的裝配質(zhì)量是柴油機(jī)正常安全運(yùn)行的重要保證。四沖程柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，連桿螺栓承受交變拉伸載荷，最小載荷為膨脹沖程，連桿軸承上瓦受力，連桿螺栓受力為零；最大拉伸載荷為柴油機(jī)運(yùn)動(dòng)部件由下止點(diǎn)運(yùn)行至上止點(diǎn)時(shí)的慣性力。為了保證柴油機(jī)正常工作，連桿螺栓的預(yù)緊力必須克服連桿瓦與連桿瓦孔的過盈力、運(yùn)動(dòng)

12、部件的慣性力以及連桿螺栓伸長(zhǎng)造成的卸載力。擰緊力矩不足，將導(dǎo)致螺栓松動(dòng)，其它螺栓承受過載的</p><p>　　拉力，造成拉斷或螺紋損壞螺帽脫落。而擰緊力矩過大，會(huì)造成螺紋損壞，失去緊固作用。該型柴油機(jī)每一只連桿安裝四只連桿螺栓，按規(guī)定預(yù)緊過程需要分三次均勻擰緊，。這樣的過程一般由兩人配合操作，在柴油機(jī)兩側(cè)輪流擰緊，需要多次盤車至各缸合適的位置。如果操作時(shí)工作者不認(rèn)真仔細(xì)，稍有疏忽即有可能遺漏，而在最后復(fù)核時(shí)又沒

13、有被查出，就會(huì)留下隱患。此外，該型柴油機(jī)規(guī)定用扭矩扳手作為上緊螺栓和測(cè)試力矩的工具，使預(yù)緊力存在一定程度的不確定性。柴油機(jī)裝配中常采用三種測(cè)量螺栓預(yù)緊力的方法：①根據(jù)螺栓的伸長(zhǎng)量測(cè)量；②根據(jù)螺母擰過的角度測(cè)量；③用扭矩扳手測(cè)量。無論是理論分析還是實(shí)踐驗(yàn)證，第三種方法的準(zhǔn)確性都是最差。此方法測(cè)量的扭矩很大程度上受螺紋和支承面的摩擦力影響，而摩擦力又取決于接觸面的粗糙度、潤(rùn)滑情況、以及材料的疲勞情況等，這些因素是變化的、不穩(wěn)定。因此采用扭矩

14、法擰緊的螺栓會(huì)因?yàn)槁菟ā⒙菽?、支撐平面等狀態(tài)的不一致而使預(yù)緊力不均勻。該型柴油機(jī)的連桿螺栓采用自鎖螺母鎖緊的形式。螺栓擰緊力矩不足還將直接導(dǎo)致鎖緊失效。</p><p>　　(2)裝配時(shí)連桿瓦座貼合不好，導(dǎo)致螺栓擰緊力不實(shí)。該型柴油機(jī)采用上下瓦偏置斜切口式連桿軸承，上下瓦座結(jié)合面采用鋸齒面定位。裝配時(shí)如連桿體與連桿瓦蓋齒面沒有完全貼臺(tái)，當(dāng)一側(cè)連桿螺栓開始上緊時(shí)，對(duì)另一側(cè)螺栓形成較大的附加力，螺栓承受的拉力不實(shí)，雖

15、然擰緊時(shí)扭矩扳手上到了規(guī)定的力矩，但柴油機(jī)運(yùn)行后，受沖擊、振動(dòng)，連桿體與連桿瓦蓋可能復(fù)位貼合，導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力減少或消失而松動(dòng)脫落，其它螺栓超載斷裂。</p><p>　　(3)螺母自鎖失效。連桿螺栓的自鎖防護(hù)是柴油機(jī)設(shè)計(jì)、制造、裝配的重要環(huán)節(jié)。目前，柴油機(jī)連桿螺栓普遍采用穿開口銷、裝止轉(zhuǎn)銷、鍍銅、穿鋼絲及特殊自鎖螺母等方式進(jìn)行自鎖防護(hù)。</p><p>　　190柴油機(jī)連桿螺栓采用了開槽螺

16、母自鎖形式(見圖1)。這種結(jié)構(gòu)當(dāng)使用時(shí)間較長(zhǎng)、多次拆裝、過度磨損后。在振動(dòng)和沖擊載荷下就會(huì)失去自鎖作</p><p>　　用而松動(dòng)。有關(guān)這種螺母的白鎖原理和失效機(jī)理</p><p>　　1.3 連桿螺栓服役條件</p><p>　　柴油機(jī)連桿螺栓在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中承受很大的交變沖擊載荷，是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零件，它是用優(yōu)質(zhì)合金鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理和精密加工制成，有較高的強(qiáng)度和抗沖擊韌

17、性，不可用一般普通螺桂或劣質(zhì)零件代替。若螺栓材質(zhì)、熱處理、加工精度不符合技術(shù)要求，將導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度不夠而發(fā)生變形斷裂事故。裝配前應(yīng)仔細(xì)檢查。當(dāng)發(fā)現(xiàn)螺栓上有劃傷、滑扣、裂口、凹痕、縮頸或裂紋(應(yīng)用浸油法檢查或磁力探傷檢查)，或螺栓、螺母配合松弛，或螺栓不能與螺栓孔緊密配合，或利用對(duì)比法觀察，螺栓長(zhǎng)度比新的標(biāo)準(zhǔn)螺栓長(zhǎng)度長(zhǎng)2％的，都應(yīng)予更換。連桿螺栓或螺母與連桿端蓋臺(tái)肩支承面的貼合不應(yīng)該有刺或不平否則連桿螺栓受附加力矩作用，極易折斷。</

18、p><p>　　連桿軸承與連桿軸頸的配合間隙不易過大，應(yīng)該始終，否則易于導(dǎo)致連桿螺栓的斷裂事故。此時(shí)應(yīng)更換新的連桿軸承或加大軸承，并予選配或刮配。打螺栓時(shí)若發(fā)現(xiàn)同一連桿上某一螺栓扭矩超過規(guī)定值過多時(shí)，應(yīng)將該連桿上的兩只連桿螺栓全部擰松后重新分次交替擰緊，并使兩只螺栓松緊一致。不允許僅僅松退擰得過緊的那只螺栓，否則螺栓產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，易疲勞斷裂。</p><p>　　第2章 材料的選取與概述&

19、lt;/p><p>　　2.1 42CrMo鋼的基本特性</p><p>　　42CrMo合金鋼是高強(qiáng)度鋼，具有高強(qiáng)度和韌性，淬透性也較好，無明顯的回火脆性，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗沖擊多次能力，低溫沖擊韌性良好。</p><p><b>　　其力學(xué)性能為：</b></p><p>　　抗拉強(qiáng)度 σb (MPa)：≥1

20、080</p><p>　　屈服強(qiáng)度 σs (MPa)：≥930</p><p>　　斷面收縮率Ψ(%)≥45</p><p>　　伸長(zhǎng)率 δ5 (％)：≥12</p><p>　　沖擊功：AKv(J):≥63</p><p>　　沖擊韌性值akv(J/cm2):≥78</p><p><

21、b>　　硬度:≤217HB</b></p><p>　　試樣尺寸：試樣毛坯尺寸為：14×77mm</p><p>　　42CrMo的化學(xué)成分：</p><p>　　碳C:0.38～0.45%； 硅Si0.17～0.37％；</p><p>　　錳Mn:0.50～0.80％； 硫S

22、:允許殘余含量≤0.035％；</p><p>　　磷P:允許殘余含量≤0.03％5； 鉻Cr:0.90～1.2％；</p><p>　　鎳Ni:允許殘余含量≤0.030％；銅Cu:允許殘余含量≤0.030％；</p><p>　　鉬Mo:0.15～0.29％。</p><p>　　2.2 材料的選取概況</p><p&g

23、t;　　根據(jù)42CrMo鋼的性能，其經(jīng)過正火，調(diào)質(zhì)，感應(yīng)加熱淬火加低溫回火后表面硬度可達(dá)HRC50的高硬度，表面耐磨性好，心部硬度可達(dá)HRC35~45。42CrMo鋼屬于超高強(qiáng)鋼，具有高強(qiáng)度和高韌性，淬透性好，調(diào)質(zhì)后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊的能力。淬火時(shí)變形小，高溫時(shí)具有高的蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度，且無明顯的回火脆性。</p><p>　　42CrMo鋼中含有的合金元素Cr，Mo。其中鉻能增加鋼的淬透性并有二次硬

24、化作用。可提高高碳鋼的硬度和耐磨性而不使鋼變脆；含量超過12%時(shí)。使鋼有良好的高溫抗氧化性和耐氧化性介質(zhì)腐蝕的作用。還增加鋼的熱強(qiáng)性，鉻為不銹耐酸鋼及耐熱鋼的主要合金元素。鉻在調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼中的主要作用是提高淬透性。使鋼經(jīng)淬火回火后具有較好的綜合力學(xué)性能，在滲碳鋼中還可以形成含鉻的碳化物，從而提高材料表面的耐磨性。而鉬在鋼中能提高淬透性和熱強(qiáng)性。防止回火脆性，增加剩磁和矯頑力以及在某些介質(zhì)中的抗蝕性，在調(diào)質(zhì)鋼中，鉬能使較大斷面的零件淬深、淬

25、透，提高鋼的抗回火性或回火穩(wěn)定性，使零件可以在較高</p><p>　　的溫度下回火，從而更有效地消除（或降低）殘余應(yīng)力，提高塑性。所以在生產(chǎn)中常常選用42CrMo作為高強(qiáng)度連桿螺栓的材料。其綜合力學(xué)性能優(yōu)良符合質(zhì)量要求。</p><p>　　42CrMo熱處理加工工藝研究</p><p>　　3.1 42CrMo的工藝條件與確定</p><

26、p>　　3.1.1 鍛造工藝規(guī)范與鋼的C曲線</p><p>　　查閱《熱處理工藝規(guī)范數(shù)據(jù)手冊(cè)》可以找出42CrMo鋼的鍛造工藝的加熱溫度、始鍛溫度冷卻方式，本設(shè)計(jì)具體的鍛造工藝參數(shù)如表1所示。</p><p>　　表1 42CrMo鋼的熱加鍛造工藝規(guī)范</p><p>　　通過查找《熱處理手冊(cè)》獲得42CrMo鋼的C曲線如下圖所示。</p>&

27、lt;p>　　3.1.2 各種加工工藝條件的確定</p><p>　　（1） 正火加熱保溫時(shí)間確定與目的</p><p>　　保溫時(shí)間,這個(gè)問題比較復(fù)雜,一般由試驗(yàn)確定,但也有個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式:t = αKD</p><p>　　t—保溫時(shí)間(min)α—加熱系數(shù)(min/mm)K—工件加熱是的修正系數(shù)D—工件的有效厚度(mm) 工件有效厚度的計(jì)算原則是:薄

28、板工件的厚度即為其有效厚度;長(zhǎng)的圓棒料直徑為其有效厚度;正方體工件的邊長(zhǎng)為其有效厚度;長(zhǎng)方體工件的高和寬為其有效厚度;帶錐度的圓柱形工件的有效厚度是距小端2L/3(L為工件的長(zhǎng)度)處的直徑;帶有通孔的工件,其壁厚為有效厚度. 一般情況下，碳鋼可以按工件有效厚度每25毫米為一小時(shí)來計(jì)算，合金鋼可以按工件的有效厚度每20毫米一小時(shí)來計(jì)算保溫時(shí)間。</p><p>　　正火的主要目的是消除鍛造缺陷，使其成分均勻,硬度和

29、韌性好，并改善材切削性,也為調(diào)質(zhì)做好了組織準(zhǔn)備。</p><p>　　（2）淬火溫度的選擇與時(shí)間的確定。</p><p>　　42CrMo鋼，含碳量為0.42%，屬于亞共析鋼，由表1可得含碳量為0.42%鋼的Ac3為800℃，由亞共析鋼淬火溫度要求T=Ac3+30~50（℃）可得，淬火溫度T=830~850（℃），我們可以設(shè)定在850℃。</p><p>　　根據(jù)有

30、效直徑Φ=15mm，可查知合金鋼直徑≤50時(shí)，保溫系數(shù)為1.2~1.5，所以保溫時(shí)間要大于22.5min，為保證獲得理想組織可選25min。</p><p>　?。?） 確定淬火介質(zhì)。</p><p>　　根據(jù)零件使用要求，可知要求淬火調(diào)質(zhì)后心部硬度為HRC23~33，42CrMo鋼的淬透性高，所以應(yīng)盡量選擇油淬，可增加奧氏體的穩(wěn)定性。</p><p>　　（4）確

31、定回火溫度與保溫時(shí)間與回火目的。</p><p>　　( a ) .如圖2不同含碳量與回火溫度的曲線中（《鋼的熱處理》胡光立、謝希文 西北工業(yè)大學(xué)出版社。）查出含碳量為0.4~0.5%的曲線帶，再在縱坐標(biāo)上查出HRC=22~33，取中值28其曲線帶相交的點(diǎn)即為加熱溫度，大約為550℃。</p><p>　?。╞）．回火溫度時(shí)間確定原則</p><p>　　回火時(shí)間從

32、工件入爐后爐溫升至回火溫度時(shí)間開始計(jì)算回火時(shí)間一般可參考經(jīng)驗(yàn)公式加以確定：tn=Kn+AnD</p><p>　　式中tn-回火時(shí)間（min）；</p><p>　　Kn-回火時(shí)間基數(shù)；</p><p><b>　　An-回火系數(shù)；</b></p><p>　　D-工件有效厚度14（mm），為了簡(jiǎn)便起見，高溫回火的保溫

33、時(shí)間，可按在同種加熱介質(zhì)中淬火保溫時(shí)間的1.2～1.5倍計(jì)算。所以550℃的回火保溫時(shí)間約等于35min 。</p><p>　　圖2 不同含碳量鋼硬度與回火溫度關(guān)系曲線</p><p><b>　?。?）．回火的目的</b></p><p>　　42CrMo鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后獲得顯微組織表面為馬氏體、殘余奧氏體和碳化物，心部組織為回火索氏體?；鼗鸷蟛?/p>

34、僅消除了淬火時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，降低了脆性，防止變形和開裂，調(diào)整了強(qiáng)度，硬度，塑性和韌性，而且穩(wěn)定了顯微組織和工件尺寸，使其達(dá)到了使用性能和工藝要求。</p><p><b>　　（6）調(diào)質(zhì)的目的。</b></p><p>　　（1）淬火后高溫回火的方法為調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)可以使鋼的性能，材質(zhì)得到很大程度的調(diào)整，其強(qiáng)度、塑性和韌性都較好，具有良好的綜合機(jī)械性能。調(diào)質(zhì)處理后得到回

35、火索氏體，Cr能增加鋼的淬透性，提高鋼的強(qiáng)度和回火穩(wěn)定性，具有優(yōu)良的機(jī)械性能。</p><p>　　3.2 熱處理加工工藝步驟與結(jié)論</p><p>　　3.2.1 加工工藝路線</p><p>　　試樣尺寸：試樣毛坯尺寸為：15×77mm</p><p>　　加工路線：備料→鍛造→正火→粗、半精加工→調(diào)質(zhì)</p>

36、<p>　　3.2.2 正火處理</p><p>　　一般均安排在毛坯生產(chǎn)之后，切削加工之前，或粗加工之后，半精加工之前。正火的目的是為了細(xì)化晶粒、改善組織，提高切削加工性能，為淬火和最終熱處理做好準(zhǔn)備。正火工藝曲線如圖3所示。</p><p>　　3.2.3 淬火處理</p><p>　　淬火處理可以得到淬火馬氏體，選擇淬火溫度為850℃提高材料的強(qiáng)度，

37、可以進(jìn)一步為調(diào)質(zhì)做準(zhǔn)備。如圖4所示為淬火工藝曲線圖。</p><p><b>　　溫度/℃</b></p><p><b>　　850℃</b></p><p><b>　　25min</b></p><p><b>　　空冷</b></p>

38、<p><b>　　時(shí)間min</b></p><p>　　圖3 42CrMo鋼熱處理正火工藝曲線</p><p>　　溫度/℃ 850℃</p><p><b>　　25min</b></p><p><b>　　油冷</b></p>

39、<p><b>　　時(shí)間min</b></p><p>　　圖4 42CrMo鋼熱處理淬火工藝曲線</p><p>　　3.2.4 調(diào)質(zhì)處理</p><p>　?。?）淬火后高溫回火的方法為調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)可以使鋼的性能，材質(zhì)得到很大程度的調(diào)整，其強(qiáng)度、塑性和韌性都較好，具有良好的綜合機(jī)械性能。調(diào)質(zhì)處理后得到回火索氏體，Cr能增加鋼的淬透

40、性，提高鋼的強(qiáng)度和回火穩(wěn)定性，具有優(yōu)良的機(jī)械性能。截面尺寸大或重要的調(diào)質(zhì)工件，應(yīng)采用42CrMo鋼工件淬火后油冷，42CrMo鋼的淬透性較好，在油中冷卻能淬硬，而且工件的變形、開裂傾向小。所以42CrMo鋼采用850℃淬油，再550度回火處理。硬度可達(dá)HRC22-33。圖5為調(diào)質(zhì)工藝曲線。</p><p>　　850℃ </p><p>　　油 冷 550℃&l

41、t;/p><p><b>　　25min</b></p><p><b>　　35min</b></p><p><b>　　空冷</b></p><p>　　圖5 42CrMo調(diào)質(zhì)工藝曲線圖</p><p>　?。?）．回火脆性缺陷及其預(yù)防、補(bǔ)救<

42、/p><p>　　a）形成原因及防止措施</p><p>　　主要原因是由于所選回火溫度不當(dāng)，或回火冷卻速度不夠（第二類回火脆性）所致。防止回火脆性的出現(xiàn)應(yīng)正確選擇回火溫度和冷卻方式。</p><p><b>　　b) 返修方法</b></p><p>　　一旦出現(xiàn)回火脆性，對(duì)于第一類回火脆性，只能通過加熱淬火，令選回火溫度

43、回火。</p><p><b>　　3.2.5結(jié) 論</b></p><p>　　通過這次課程設(shè)計(jì)，將大學(xué)這幾年的專業(yè)課進(jìn)行了系統(tǒng)的回顧，并且經(jīng)過這幾天在圖書館與閱覽室的查閱，讓我對(duì)專業(yè)課有了進(jìn)一步的了解，懂得了像42CrMo這樣的合金鋼的熱處理工藝與原理，以及各種合金鋼的淬火、正火、回火加熱與保溫時(shí)間的確定。也懂得了連桿螺栓的失效形式與失效原因，以及連桿螺栓服役條件

44、與防御措施。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1]葉衛(wèi)平，張覃鐵.熱處理實(shí)用數(shù)據(jù)速查手冊(cè).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010,11.</p><p>　　[2]雷廷權(quán).金屬熱處理工藝方法500種.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998,10. </p><p>　　[3] 樊東黎.熱處理技術(shù)數(shù)據(jù)