某型航空活塞發(fā)動機曲軸熱處理工藝及缺陷分析

丁發(fā)軍

（中國民航飛行學院飛機修理廠，四川 廣漢 6 1 8 3 0 7）

0 引言

金屬材料是航空工業(yè)的基本材料，金屬按其成分可分為純金屬和合金，合金由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。金屬材料的機械性能主要包括強度、塑性、硬度、韌性和抗疲勞性能等，如圖1所示。金屬材料的優(yōu)異的性能與其成分和組織有著密切的關系。熱處理是改變金屬材料組織，發(fā)揮金屬材料潛力的有效手段。金屬熱處理是將工件放在一定的介質(zhì)中加熱、保暖和冷卻，通過改變工件表層的化學成分、表面或內(nèi)部顯微組織的結(jié)構(gòu)來改變其性能的熱加工工藝。

1 鋼的熱處理

熱處理方法雖然很多，但都是由加熱、保溫和冷卻3個階段組成的，通常用熱處理工藝曲線表示［1］，如圖2所示。

圖1 低碳鋼的應力-應變示意圖

圖2 熱處理工藝曲線示意圖

當鋼的含碳量小于0.9%時，隨著含碳量增加，鋼的強度硬度上升，韌性不斷降低。工業(yè)中使用的碳鋼中碳質(zhì)量分數(shù)最一般不超過1.3%～1.4%，低合金鋼（合金元素總質(zhì)量分數(shù)5%）、中合金鋼（合金元素總質(zhì)量分數(shù)在5%～10%）和高合金鋼（合金元素總質(zhì)量分數(shù)＞10%）。為了改善鋼的機械性能或使具有某些特殊的性能，有目的地向鋼中加入合金元素得到的鋼材叫合金鋼。常用的合金元素有錳、硅、鉻等。

1.1 熱處理分類及概述

熱處理工藝一般分為加熱、保溫和冷卻3個階段，它分含加熱介質(zhì)、加熱速率、加熱溫度、保溫時間和冷卻速率5個要素。根據(jù)加熱介質(zhì)、加熱溫度和冷卻方法的不同，金屬熱處理［2］工藝大體可分為普通熱處理、表面熱處理兩大類。每一大類又可區(qū)分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。普通熱處理分為退火、正火、淬火和回火。表面熱處理分為表面淬火和化學熱處理，表面淬火分為火焰加熱和感應加熱，而化學熱處理分為滲碳、滲氮、碳氮共滲和滲金屬等。

普通熱處理是對工件整體加熱，然后以適當?shù)乃俣壤鋮s，以改變其整體力學性能的金屬熱處理工藝。退火是將工件加熱到適當溫度，根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時間，然后進行緩慢冷卻，目的是使金屬內(nèi)部組織達到或接近平衡狀態(tài)，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進一步淬火作組織準備。正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細，常用于改善材料的切削性能，也有時用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理。淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其它無機鹽、有機水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時變脆。為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650℃的某一適當溫度進行長時間的保溫，再進行冷卻，這種工藝稱為回火。

其中的淬火與回火關系密切，常常配合使用。為了獲得一定的強度和韌性，把淬火和高溫回火結(jié)合起來的工藝，稱為調(diào)質(zhì)。時效處理是某些合金淬火形成過飽和固溶體后，將其置于室溫或稍高的適當溫度下保持較長時間，以提高合金的硬度、強度或電性磁性等。

1.2 鋼在航空工業(yè)中的應用

在航空工業(yè)中廣泛應用合金結(jié)構(gòu)鋼制造飛機、發(fā)動機的主要零件［3］。12CrNi4A、18Cr2Ni 4WA 等都是航空器普遍使用的合金鋼，主要做傳動軸、銷子。40CrMoA調(diào)制合金鋼，綜合機械性能好，在具有相當高的強度的同時又具有良好的韌性。廣泛用于制造高負荷、大尺度的軸零件，也可以用來做大截面、高負荷、高抗磨及良好韌性要求的重要零件，如發(fā)動機曲軸等。

2 曲軸熱處理工藝

2.1 曲軸工作條件

活塞式發(fā)動機一般由氣缸、活塞、曲軸、連桿、氣門機構(gòu)和機匣組成，曲軸的組成，如圖3所示。曲軸除了和連桿一起將活塞的直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，還將功率傳遞給螺旋槳，曲軸由軸頭、軸尾和曲柄等組成，曲柄又由曲頸和曲臂組成，軸頭前段與螺旋槳軸相連。

圖3 曲軸的組成

2.2 材料選擇

IO-360-L2A發(fā)動機曲軸采用高級優(yōu)質(zhì)合金鋼40CrNiMoA鍛件制成，它是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎上，適當?shù)丶尤胍环N或數(shù)種合金元素（總質(zhì)量分數(shù)不超過5%）而制成的鋼種，主要成分應符合GB/T3077的規(guī)定［4］，高級優(yōu)質(zhì)鋼的含硫、磷質(zhì)量分數(shù)應小于0.025%，由于曲軸為熱加工用鋼，其銅質(zhì)量分數(shù)規(guī)定應不大于0.20%，如表1所示。

它屬于低合金中碳超高強度鋼。該材質(zhì)經(jīng)處理后具有良好的綜合機械性能，Cr、Ni等合金元素的加入使其淬透性較好并使鐵素體的強度和韌性得到提高；Mo、Cr等碳化物形成元素的加入，可阻止奧氏體晶粒長大，提高鋼的回火穩(wěn)定性，在使用中能有一定的沖擊抗力和斷裂韌性，高的疲勞強度滿足曲軸對材質(zhì)性能的要求。

表1 40CrNiMoA主要化學成分%

2.3 曲軸熱處理

IO-360-L2A發(fā)動機使用多曲柄曲軸，由鉻鎳鉬鋼鍛件制成，曲軸是發(fā)動機受力最大的部件之一，曲軸的曲頸和曲柄表面都經(jīng)過滲氮處理，增加了表面的抗磨性，曲軸上螺旋槳安裝凸緣表面未進行滲氮處理，表面僅鍍一層防腐金屬層，維護時應避免劃傷，預防曲軸腐蝕和產(chǎn)生裂紋。曲柄是空心的，這不僅可以減輕曲軸的質(zhì)量，還可為滑油提供通道，同時也是一個收集淤泥、積碳和其它雜質(zhì)的空腔，滑油流動越多，清潔效果越好。

材料40CrMoA曲軸熱處理工藝是鍛造→正火→粗車→調(diào)質(zhì)→精車→去應力退火→精加工到成品→氮化→拋光→裝機［5］，其技術參數(shù)如表2所示。

表20 CrNiMoA曲軸技術參數(shù)

2.3.1 曲軸熱處理技術要求

主軸頸和連桿軸徑處要求淬硬層硬度為 56～63 HRC；淬硬層深度為3.5～5.5 mm，淬硬層邊緣到曲軸對于V形軸不大于 4～5mm，對直列軸不大于6～8mm。為了確保質(zhì)量，對曲軸的熱處理實際采用中頻感應加熱淬火法［6］，如圖 4 所示，采用曲軸軸徑輪流淬火，分別進行表面淬火，其加熱頻率1 000 Hz；始鍛溫度1 150℃，終鍛溫度850℃。

2.3.2 曲軸熱處理工藝［7］

1）正火+高溫回火。正火處理的目的是為了改善曲軸的基體組織，消除鍛造過程造成的粗大組織及魏氏組織，細化晶粒，并消除鍛造應力?；鼗鸷鬄榉乐够鼗鸫嘈裕瑧痛?，回火溫度在600～640℃左右。最好是淬火出來先打一個淬火硬度，根據(jù)實際情況調(diào)整回火溫度。

圖4 感應加熱表面淬火的示意圖

a.正火：加熱溫度880℃，保溫270 min，出爐空冷；b.回火：加熱溫度640℃，保溫600 min，出爐空冷。

2）熱處理調(diào)質(zhì)處理。曲軸鍛造、正火后要進行熱處理調(diào)質(zhì)處理，以獲得整體的最佳綜合機械性能，并為表面氮化處理做好組織準備。曲軸調(diào)質(zhì)后的金相組織應為均勻的回火索氏體+少量貝氏體組織，不允許出現(xiàn)大量的鐵素體組織，否則將導致氮化層的脆性加大，降低曲軸的疲勞性能。

a.淬火：加熱880℃（氮氣保護）保溫時間5 h；冷卻曲軸出爐后預冷1.5 min（曲軸表面顏色在800℃以上一點），隨后淬入水玻璃水溶液中，冷卻6～7 min出水空冷。淬火介質(zhì)使用玻美度3～3.5的水玻璃水溶液。

b.回火：40CrMoA軸加熱溫度560～570℃，保溫時間為5.5 h，出爐空冷。

3）氣體氮化處理。曲軸表面進行氮化處理，一方面是為了獲得高的疲勞強度，另一方面是為了獲得高的表面硬度，提高曲軸的耐磨性能。曲軸表面經(jīng)氮化處理后，生成極細顆粒具有高硬度的ε相，同時還生成Fe3N和FeN，使軸頸和圓角均得到強化處理，改善表面耐磨性，增加表面強度，特別是增加抗疲勞強度，并提高材料的抗腐蝕性能。

3 曲軸熱處理缺陷分析及其防止措施

曲軸在生產(chǎn)過程中要經(jīng)過冶煉、鑄造、軋制（或鍛造）等工序，最后成材，由這些工藝過程控制的質(zhì)量，一般稱為熱處理質(zhì)量。熱處理質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的性能和使用安全。熱處理缺陷中最危險的是裂紋，稱為第一類熱處理缺陷。工程構(gòu)件在交變應力作用下，經(jīng)一定循環(huán)周次后發(fā)生的斷裂稱作疲勞斷裂，曲軸失效可以由多種原因引起，然而，沖擊疲勞失效可能是曲軸失效中最普遍的原因。當裂紋尖端的應力強度因子KI達到材料斷裂韌度KIc（或是裂紋尖端的應力集中達到材料的斷裂強度）時，裂紋就會失穩(wěn)快速擴展疲勞最終斷裂是瞬時的，因此它的危害性較大，甚至會造成機毀人亡的慘劇。鋼質(zhì)工件經(jīng)熱處理后常見的質(zhì)量缺陷有淬火顯微組織過熱、欠熱、淬火裂紋、硬度不夠、熱處理變形、表面脫碳、軟點等。

3.1 淬火裂紋及防止措施

淬火裂紋是鋼材的淬火或淬火后形成，由于冷卻時的高應力所造成；也有可能是在淬火油中的水所導致。具體如下：鋼質(zhì)工件由于結(jié)構(gòu)設計不合理，鋼材選擇不當、淬火溫度控制不正確、淬火冷卻速度不合適等；增大淬火內(nèi)應力，會使已形成的淬火顯微裂紋擴展，形成淬火裂紋；由于增大了顯微裂紋的敏感度，增加了顯微裂紋的數(shù)量，從而增大淬火裂紋的形成。淬火裂紋一旦發(fā)生，絕大部分將造成零件的報廢，必須預防淬火裂紋的產(chǎn)生。首先曲軸原材料的橫截面酸浸低倍組織試片上，不得有目視可見的縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮、白點、晶間裂紋等缺陷。

材料選擇上做到經(jīng)濟性和技術性的合理搭配，既要保證價格便宜又要保證材料有較好的加工性，熱處理性要好，易于淬火，變形小，淬裂傾向小。隨著含碳量的提高，Ms點降低，淬裂傾向增大，在滿足基本性能如硬度、強度的條件下，盡量選用含碳量低的鋼。為了防止零件在淬火急冷中開裂，應使其均勻加熱、均勻冷卻、均勻漲縮。在零件結(jié)構(gòu)設計上，盡量避免截面形狀尺寸突變，同時注意圓角過渡。合理安排工藝路線，如正確安排好預備熱處理、冷加工和熱加工等工序可以有效減少熱處理淬火開裂傾向。恰當?shù)剡x擇加熱介質(zhì)、加熱速度、加熱溫度和保溫時間也可以有利于減少淬火開裂。

3.2 氧化與脫碳及防止措施

氧化是因為鋼在有氧化性氣體中加熱時，會發(fā)生氧化而在表面形成一層氧化皮，在高溫下，甚至晶界也回會發(fā)生氧化。脫碳是鋼在某些介質(zhì)中加熱時，這些介質(zhì)會使鋼表面的含碳量下降，脫碳的實質(zhì)是鋼中碳在高溫下與氧和氫發(fā)生作用生產(chǎn)一氧化碳。脫碳會明顯降低鋼的淬火硬度、耐磨性及抗疲勞性能。

防止氧化、脫碳的有效措施是采用鹽熔爐加熱、護氣氛爐、真空爐加熱和預留足夠的加工余量，見表3所示［8］。

表3 防止氧化與脫碳的措施

4 結(jié)論

曲軸是重要的傳遞動力部件，在工作過程中承受彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷，同時受很大的沖擊載荷，工作環(huán)境比較惡劣，軸頸表面易受到磨損，曲軸易受損、斷裂，嚴重的會造成機毀人亡的慘劇。曲軸作為發(fā)動機的心臟，本文以某型活塞式飛機的發(fā)動機曲軸為研究對象，分析了曲軸熱處理加工工藝，并以熱處理淬火裂紋，氧化與脫碳等缺陷為例，對缺陷產(chǎn)生的原因及控制措施進行分析，研究了IO-360-L2A發(fā)動機曲軸的合理鍛造溫度是始鍛溫度1150℃，終鍛溫度850℃。熱處理工藝采用正火+高溫回火、熱處理調(diào)質(zhì)處理、氣體氮化處理等。

［1］ 冒建國，張賢，田國祥.40CrNiMoA調(diào)制鋼MAG焊接工藝探討與應用［J］.機械工人，2006（9）：47-50.

［2］ 王秋冰，馬鳴，盧震鳴，等.發(fā)動機連桿用材料與工藝的發(fā)展趨勢［J］.柴油機設計與制造，2007（1）：40-44.

［3］ 秦萍麗，馬連友，李慧雪，等.40CrNiMoA材質(zhì)熱處理工藝研究［J］.鍋爐制造，2010（1）：39-31..

［4］ 張進，李靜媛，王一德，等.Mn18Cr18高氮鋼熱加工工藝的研究［J］.鍛壓技術，2009，34（1）：10-13..

［5］ 秦征平.40CrNiMo熱處理工藝的改進［J］.一重技術，2009，127（1）：31-32.

［6］ 劉如鐵，李溪濱，趙福安，等.熱壓鎳鉻鉬合金的研究［J］.粉末冶金工業(yè),2005，15（2）：43-45.

［7］ 遲紹寧.190柴油機曲軸斷裂失效分析［D］.濟南：山東大學，2007:13-15.

［8］ 許天已.鋼鐵熱處理實用技術［M］.2版.北京:化學工業(yè)出版社，2008：200-224