2.2活塞連桿機構的熱處理

2.2.1活塞

1.工作條件和性能要求

活塞為曲柄連桿機構的主要部件，活塞的功能是與氣缸蓋、氣缸壁共同組成燃燒室，承受氣缸中氣體的壓力并通過活塞銷和連桿傳給曲軸。

活塞在工作過程中受力比較復雜:活塞交替地壓向氣缸壁，側向壓力作用于活塞裙部；活塞裙、活塞環槽和活塞銷孔凸部都受到摩擦力的作用；混合氣的燃燒使氣缸內產生2500K以上的高溫，通過活塞頂、活塞環帶和活塞環將大量的熱傳給氣缸壁。可見，活塞承受不同類型的應力與應變，故應具有低的密度、足夠的強度與剛度、良好的耐熱性、優異的傳熱性、摩擦力小以及良好的耐磨性、溫度變化時尺寸及形狀變化小等特性，滿足其服役需要。引起活塞損壞的原因包括發動機裝配和安裝操作不當（如氣缸蓋螺栓擰緊不均勻引起的氣缸變形、活塞銷在連桿孔中裝配過緊、氣缸套不規則等)。常見的失效方式為活塞拉傷（無油運行拉傷)、活塞頂穿孔、燒蝕、變形與斷裂等。

2.活塞材料的選用

為滿足活塞的以上技術要求，發動機廣泛采用的活塞材料是鑄造鋁合金，常采用ZL108、ZL109、ZL110、ZL201等，它們具有較高的高溫強度和低膨脹系數，適于制作發動機活塞、氣缸頭以及高溫零件。有的柴油機也采用高級鑄鐵或耐熱鋼制造活塞。另外可采用鋁硅合金（AlSi12CuNi)制造活塞，更高負荷則采用AlSi18CuNi、AlSi25CuNi制造活塞。鋁合金活塞具有導熱性好、質量輕、易于加工等特點，均是鑄造加工的，應用比較廣泛。

3.活塞的熱處理

（1)活塞的技術要求 鑄造鋁合金經過熱處理后，同一活塞中的硬度差應不大于10HBW，其力學性能與體積穩定性見表2-1。金相組織應符合JB/T 6289—2005《內燃機 鑄造鋁活塞 金相檢驗》的規定。

表2-1活塞的力學性能與體積穩定性

注:其中D為活塞的直徑。

（2)活塞的熱處理工藝 活塞常用鑄造鋁合金的熱處理工藝規范見表2-2。

表2-2活塞常用鑄造鋁合金的熱處理工藝規范

（3)表面處理 表面處理包括鍍鉻、噴鉬、鍍錫以及滲氮等。

4.活塞的熱處理操作與質量檢驗

1)活塞采用吊裝或裝夾具加熱，鑄件要均勻分層擺放，避免疊壓，在加熱溫度下裝爐，不要接觸爐壁。

2)固溶加熱設備的控溫精度不大于±5℃，時效處理控溫精度應不大于±10℃，否則會造成活塞硬度與體積穩定性不符合要求。

3)固溶處理的轉移時間應不超過15～20s，活塞淬入水中要不停運動，在水中的冷卻時間不少于5min，并立即在油中或硝鹽中進行時效處理。

4)活塞的熱處理質量檢驗包括硬度、抗拉強度等，在本體上取樣進行性能檢測。

5.鋁合金活塞的熱處理缺陷分析與對策（表2-3)

表2-3鋁合金活塞的熱處理缺陷分析與對策

2.2.2活塞環

1.工作條件和性能要求

活塞環是汽車發動機中的重要零件，它對發動機的功率、油耗以及缸體壽命有較大的影響。活塞環包括氣環和油環，氣環用來密封氣體，即用來封閉活塞與氣缸之間的間隙，防止氣缸漏氣和高溫下燃氣滴入曲軸箱內，同時將活塞上的熱量傳給冷卻的氣缸，幫助活塞散熱。油環安裝在活塞的油環槽內，油環的作用是把缸壁上的機油刮布均勻和將多余的機油收集在槽內，并經槽底通孔流回油底殼，減少缸壁上的機油刮入燃燒室內造成燃燒室積炭，避免機油的消耗量增大。

要求活塞環具有足夠高的彈性極限，良好的耐磨性及一定的抗擦傷性，一定的強度、韌性、抗疲勞性，良好的導熱性和良好的抗燃氣腐蝕性。其主要的失效形式為擦傷、磨損和疲勞折斷。

2.材料的選用

根據活塞環的功能與工作條件，制造活塞環的材料應具有良好的耐磨性、儲油性、導熱性、耐熱性和高的沖擊韌度，彈性與彈性模量大，具有足夠的強度（包括抗折強度與疲勞強度)等。活塞環通常采用高強度優質灰鑄鐵、合金鑄鐵、可鍛鑄鐵等制造，上壓縮環用合金鑄鐵，其余高應力活塞環是由球墨鑄鐵或高合金鋼制造的。

球墨鑄鐵作為活塞環的材料，應用最為廣泛。對于強力發動機，為保持其動能而采用高合金鑄鐵，如Cu-V-Ti合金鑄鐵、Cr-Mo合金鑄鐵、高P鑄鐵、W-V-Ti鑄鐵及球墨鑄鐵等。這些材料普遍具有高的耐磨性和耐蝕性，在活塞的反復運動過程中，始終能確保不漏油和氣，同時也易于制作，具有小的摩擦因數。活塞環的形式如圖2-1所示，第一道氣環和第二道氣環是防止燃燒氣體泄漏的密封環，而油環的主要作用是控制潤滑氣缸內壁和活塞的潤滑油的油量。

通常鋼制活塞環選用的材料為65Mn、50CrVA、T8A、20Cr13、95Cr18等。鋼制作的活塞環具有強度高、抗折斷、成本低等優點，鋼帶組合油環的控油效果好。

圖2-1 活塞環

目前國外已經開始采用鐵基粉末冶金材料制造活塞環，它具有金屬利用率高、材料性能好、內部空隙儲油功能，具有良好的發展前景。

3.活塞環的熱處理

考慮到活塞環粗加工后加工應力較大，要進行去應力退火處理。鑄鐵的石墨形狀為片狀，具有良好的導熱性、耐磨性和抗擦傷能力，加入合金元素后提高了熱穩定性，細化了晶粒和提高了耐磨性，因此合金鑄鐵廣泛應用于制作活塞環。

活塞環的熱處理技術要求為硬度98～108HRB，同一活塞環上硬度差不大于3HRB；其組織為細片珠光體（或索氏體)＋體積分數少于20％的石墨（長度為0.12～0.18mm)＋體積分數少于5％的鐵素體（應分散分布)＋磷共晶碳化物（應呈細小均勻分布)。

（1)去應力退火 溫度在550～570℃范圍內，保溫120min結束后出爐空冷或爐冷至480℃出爐空冷，可將加工應力消除90％以上。后一種處理的活塞環的硬度均勻性好。通常鑄鐵環在粗磨兩端面后退火，目的是消除鑄造和機械加工應力、穩定尺寸和精度等。

（2)活塞環的熱定型（固定) 將縫隙大小固定，以使其壓緊于氣缸壁內，在工作過程中有適當的彈性。熱定型是去應力退火的一種形式，活塞環的熱定型采用專用夾具，上下為兩個壓盤，中間穿螺栓壓緊，其中一個底盤固定。定型桿的寬度等于活塞環（脹圈)定型后的開口尺寸。壓緊的程度以裝好后用力抖動活塞環的位置不變為宜。裝夾后的活塞環可在可控氣氛爐中加熱，溫度的選擇以不破壞鑄鐵的組織為原則。定型處理后的硬度為220～270HBW（98～105HRB)。具體鑄鐵活塞環熱定型工藝規范如圖2-2所示。

定型后的活塞環改善了組織，降低了基體的硬度，消除了應力，獲得了一定的殘留變形。為了保持彈性的穩定，活塞環還要在氣缸中進行400℃、保溫2～4h的穩定化處理。

鑄鐵活塞環調質處理的目的是提高彈性模量與熱穩定性，球墨鑄鐵活塞環調質處理的工藝規范如圖2-3所示。

圖2-2 鑄鐵活塞環熱定型工藝規范

圖2-3 球墨鑄鐵活塞環調質處理的工藝規范

（3)鋼帶活塞環的熱處理 鋼帶活塞環的熱處理工藝規范如圖2-4所示。

（4)活塞環的表面處理 其目的是為了提高活塞環的表面硬度與耐磨性，改善表面的儲油能力，以防粘著磨損，改善與氣缸壁的磨合性能，提高其耐熱性；加快活塞環的初期磨合，以改善活塞環與氣缸的運動條件。

圖2-4 鋼帶活塞環的熱處理工藝規范

1)一般氣環的工作條件差，外圓面上要進行多孔性鍍鉻，具有硬度高、可儲存少量的潤滑油、使用壽命提高2～3倍等特點。另外，也可噴涂鉬或進行滲氮、激光熱處理，端面進行磷化處理同樣可起到良好的作用。

2)油環鍍錫或磷化處理，也可鍍鉻或噴涂鉬，改善磨合性能和提高活塞環的耐磨性。壓縮環鍍鉻層深度≥0.10mm，油環鍍鉻層深度≥0.08mm。鍍鉻后的活塞環要進行去氫處理，鍍鉻層硬度不低于750HV（200HRB)。應對活塞環的未磨損部位進行防蝕處理，常見的方法為鍍錫、滲氮等，滲層深度為0.001～0.003mm。

表2-4列出了常見鑄鐵活塞環的性能對比。

表2-4常見鑄鐵活塞環的性能對比

活塞環的表面處理在其制造過程中占有十分重要的地位，在生產中大量采用了上述處理工藝方法，提高了活塞環的耐磨性。對要求更高的耐熱性和抗粘著活塞環，可進行噴涂鉬處理，為便于比較幾種表面處理工藝及性能，將其列于表2-5中供參考。

表2-5活塞環表面處理工藝及其性能特點

活塞環鍍鉻后的硬度比熱處理后的硬度約高2.5倍，其耐磨性提高，電解析出的鉻層與基體金屬具有較高的結合強度，同時鍍鉻溫度在70℃以下，故不會破壞活塞環原來的金相組織，也不會使活塞環產生熱應力變形，故其應用十分廣泛。

活塞環除了采用鍍鉻與噴涂鉬處理外，其他的表面處理還包括磷化處理與發藍處理，少數采用滲硫或滲氮處理。磷化處理是以加快活塞環初期磨損、防止擦傷氣缸為主要目的表面處理方法，在90～98℃的溫度下進行，蒸汽磷化法的磷化時間可縮短到普通的1/10。

（5)鋼帶活塞環的熱處理與表面處理 常用的鋼帶活塞環材料為50CrVA、65Mn、T8A等，刮環用鋼帶的熱處理是在管式可控氣氛爐中進行的，淬火冷卻介質為機械油。熱處理后的鋼帶在繞圈機上纏繞后，與定型胎套一起放進熱定型筒中密封，在電阻爐中進行定型處理。具體熱處理工藝規范見表2-6。

表2-6常用鋼帶活塞環材料的淬火和回火、定型熱處理工藝規范

國外鋼制活塞環通常選用Cr13、Cr18等高碳高鉻馬氏體不銹鋼制作，在調質處理后進行氮碳共滲處理（560～580℃×2～3h)，滲氮層深度在0.05mm以上，目的是提高活塞環的耐磨性與抗咬合性，進行表面強化處理，但需要采用活塞環專用滲氮工藝裝備，防止縮口，以確保自由開口與尺寸穩定。

4.活塞環的熱處理工藝分析與操作要點

1)活塞環的熱定型包括鑄鐵熱定型與鋼帶熱定型兩種，前者采用鹽浴爐或電爐進行處理，后者則在電爐中完成。活塞環在心軸上的裝配應壓緊，墊片與插入的開口定型金屬鑲塊應垂直無變形。加熱完畢后空冷即可。

2)應根據活塞環的磨損與潤滑條件采用不同的表面處理方法。為提高活塞環的耐磨性，同時降低氣缸的磨損，可選用鍍鉻工藝。為防止干摩擦，提高缸的抗拉能力，則選擇噴鉬和鑲嵌金屬氧化物填料的方法。為使環與氣缸突出部位相接觸而加劇磨損，縮短磨合期，使活塞環進入穩定的工作狀態，應選擇鍍錫、發藍和磷化處理等。

3)活塞環作為有特殊要求的零件，在鍍鉻后應進行除氫熱處理，目的是使大部分殘留氫氣排出，減小零件的脆性，提高其疲勞強度。采用的方法有水煮法（煮沸6h)、油煮法（250℃×2h)和空氣加熱法（180～200℃×2～3h)，其中油煮法效果最好，采用空氣加熱工藝較為普遍。

4)鋼帶活塞環的熱處理回火溫度與定型溫度是一致的，硬度不會降低，其回火托氏體組織又具有良好的彈性，起到穩定化的作用。質量檢驗包括以下內容。

①硬度為98～108HRB，同一活塞環上的硬度差不大于3HRB。

②金相組織為細片珠光體（或索氏體)＋體積分數為20％的石墨＋體積分數為5％的鐵素體（應均勻分布)＋磷共晶碳化物（細小均布)。

③外觀檢查包括:不允許有裂紋、毛刺、銹跡和崩缺等，鍍鉻后的活塞環表面無鉻瘤、鉻層裂紋、尖銳鉻邊和崩塊等，鉻層與活塞環應牢牢結合，無脫落現象；活塞環外圓表面及上下端面無粗加工后的刀痕、振紋以及氧化皮等，退磁徹底，否則將造成活塞環的異常磨損。

2.2.3活塞銷

1.工作條件和性能要求

活塞銷是發動機上用于連接活塞和連桿小頭的結構件，相當于雙點支承架，為鋼制的空心圓柱體。其作用是連接活塞和連桿，將活塞承受的氣體作用力傳遞給連桿。由于在較高的溫度下工作，同時要承受非對稱交變的載荷、一定的沖擊力和摩擦力的作用，且表面處于潤滑條件較差的摩擦條件下（一般靠飛濺潤滑)，因此要求它具有足夠高的強度和剛度，韌性、表面耐磨性好，具有高的疲勞強度，質量盡可能小，同時要求配合表面有很高的表面質量和尺寸精度等。活塞銷失效的主要形式為表面磨損和疲勞裂紋，活塞銷的內孔形式如圖2-5所示。

2.材料的選用

根據活塞銷的工作特點，活塞銷在高溫下承受極大的周期性沖擊載荷，潤滑條件差，故要求選用的材料有足夠的強度、韌性、耐磨性及高的疲勞極限等，為減小往復慣性力，要求其質量輕。因此，制作活塞銷的材料通常選用韌性較好的低碳鋼或低合金結構鋼（滲碳鋼)，常見的材料為15、20、12CrNi3A、15Cr、18Cr2Ni4WA、20Cr、20Mn2、20CrMnTi、20CrMnMo等低碳鋼與低碳合金結構鋼，也采用滲氮鋼制造。為提高其在彎曲疲勞下的表面壓力，外表面必須進行硬化處理，而內部具有高韌性，事實證明冷拔材料的耐久性較好。

圖2-5 活塞銷的內孔形式

a)圓柱形 b)組合形 c)兩段截柱形

3.活塞銷的熱處理

（1)技術要求 活塞銷的外圓硬度為58～64HRC，其余技術要求見表2-7和表2-8。

表2-7活塞銷的心部硬度與壁厚的關系

表2-8活塞銷的滲碳技術要求（成品)

活塞銷的滲碳層深度較深為0.8～1.9mm時，滲層深度包括共析層深度、過共析層深度和1/2過渡層深度，不允許有大塊的碳化物。內孔表面脫碳或貧碳層不大于0.03mm。

（2)退火處理工藝 大多數的活塞銷是經冷擠壓或溫擠壓加工成形的，因此熱處理前首先進行預備熱處理即退火與軟化退火。常見活塞銷（冷擠壓坯料)的退火工藝規范見表2-9。

表2-9常見活塞銷（冷擠壓坯料)的退火工藝規范

活塞經過擠壓成形，材料的晶粒被擠壓后出現加工硬化，故應進行軟化退火或再結晶退火，其規范為680～720℃×12～14h，爐冷至300℃出爐后空冷。

（3)活塞銷的滲碳工藝 一般活塞銷采用20Cr、20CrMo經冷擠壓成形及進行雙面滲碳處理，20Cr鋼活塞銷滲碳工藝規范見表2-10。

表2-1020Cr鋼活塞銷滲碳工藝規范

注:此表是在RJJ-90-9滲碳爐中滲碳時的具體數值。

為控制滲碳層碳化物級別，要嚴格控制碳勢。推薦采用雙面滲碳，雙面滲碳后活塞銷內孔表面得到強化，產生了較大的殘留壓應力，防止了內孔的縱向開裂，同時可抵消部分外加拉應力的作用，因此提高了疲勞強度，延長了其使用壽命。20Cr鋼活塞銷的滲碳處理工藝為920～940℃×6～10h，具體工藝如圖2-6所示。

20鋼滲碳層的檢驗一般是在850℃保溫20min空冷后進行的；15Cr、20Cr、20Mn2等經過850℃×15～20min＋650℃×10～20min退火后在100倍顯微鏡下測量。

圖2-6 20Cr鋼活塞銷的具體滲碳工藝規范

（4)淬火和回火 活塞銷滲碳結束后既可在860℃左右冷卻，也可緩冷到室溫后重新在鹽浴爐或保護氣氛爐中加熱處理，在860～870℃保溫后油冷。加熱保溫系數按0.7～0.8δ（單位為min/mm)計算，其中δ為活塞銷的壁厚。淬火后的硬度不小于58HRC，應無淬火軟點或軟帶。在硝鹽爐或油爐中進行180～200℃×1.5～2h回火處理，回火后硬度控制在58～64HRC，同一活塞銷中硬度差不大于3HRC。如采用網帶爐或振底爐，則工藝參數為840～850℃×60min，采用循環油冷卻，馬氏體級別1～5時為合格，碳化物為1～3級時合格。

4.熱處理工藝分析與操作要點

1)15Cr鋼活塞銷930℃滲碳空冷后，采用850℃×2h油冷熱處理，要求低溫回火后硬度為57～65HRC，抗拉強度為800～1250MPa，但油冷后個別活塞銷存在軟點，硬度為50～55HRC，抗拉強度明顯低于要求。15Cr鋼活塞銷930℃滲碳后經不同熱處理后的各項技術指標的對比見表2-11。

表2-1115Cr鋼活塞銷930℃滲碳后經不同熱處理后的各項技術指標的對比

從表2-11中可知，活塞銷油冷后出現軟點，心部有鐵素體組織，將影響其使用性能。采用三硝水作為淬火冷卻介質，則心部形成馬氏體組織，抗拉強度在800～1250MPa范圍內，完全符合技術要求。

2)15Cr、20Cr鋼活塞銷滲碳后大多采用二次淬火工藝，其缺點在于滲碳層的碳質量分數為1.0％～1.3％，超過了共析成分，在淬火時得到了較多的碳化物，同時殘留奧氏體增加，個別位置的硬度降低，因此在活塞銷的摩擦部位會有麻點產生，造成其耐磨性的下降。經反復實踐證明，通過調整活塞銷的滲碳氣氛，控制碳質量分數在0.8％左右，淬火后得到馬氏體＋均勻分布的顆粒狀碳化物，因此可在滲碳后進行一次淬火工藝，20Cr鋼活塞銷滲碳新工藝如圖2-7所示。

圖2-7 20Cr鋼活塞銷滲碳新工藝

3)活塞銷除了采用一般的熱處理工藝進行淬火和回火外，對其進行高頻感應淬火更有意義。高頻感應淬火后的顯微組織分級是控制產品質量的一個重要指標，活塞銷同樣也不例外。通常活塞銷的顯微級別為3～6級，同時3～6級也是高頻感應淬火的常見金相組織級別，能滿足零件的技術要求和確保零件使用壽命的提高。

感應加熱速度快，組織變化比較大，因此顯微組織能夠及時反映感應淬火后是否過熱或欠熱、加熱不足等，從上面的講述中可以了解到:3級為中等針狀馬氏體；4～5級為細針狀馬氏體；6級為細針狀馬氏體，是最理想的組織。

4)質量檢查檢驗包括以下幾個方面:滲碳層深度符合要求；活塞銷的內孔硬度合格，同一銷的工作面硬度差不大于3HRC；金相組織為細針狀馬氏體，允許存在少許粒狀碳化物；表面不允許有任何形式的裂紋和銹跡，無尖角、毛刺和氧化物，應進行磁粉無損檢測；外圓不得有麻點、黑斑、刻痕以及磕碰傷。

5.活塞銷的常見熱處理缺陷和預防挽救措施

在活塞銷滲碳和熱處理過程中，有一些因素直接影響產品質量。常見的活塞銷熱處理缺陷和預防補救措施見表2-12。另外，材料本身的原因也會造成活塞銷的淬火開裂，如材料的化學成分、材料的質量狀態及原始應力狀態等，而成分主要取決于零件的工作狀況和服役條件，高的硬度要選擇含碳量高的材料；對于大轉矩、大彎矩作用下工作的零件，要求材料具有高的抗扭強度或抗彎強度和高的彎曲疲勞強度等。

表2-12常見的活塞銷熱處理缺陷和預防補救措施

2.2.4活塞桿

1.工作條件和技術要求

活塞桿同活塞一起在腐蝕的環境下工作，負責動力的傳遞，在工作過程中受到往復拉、壓交變應力的周期作用，活塞環與填料之間發生滑動摩擦，因此要求活塞桿具有足夠的強度和高的表面硬度，以及具有抗腐蝕、抗疲勞、抗擦傷和抗咬合能力。

從活塞桿在工作過程中的受力狀況而言，選用的材料應為調質鋼，熱處理后表面硬度高，而內部有良好的綜合力學性能。為提高活塞桿的使用壽命，其表面應進行強化處理，以滿足其表面耐磨、耐蝕、摩擦因數小的技術要求。

2.材料的選用

38CrMoAlA是活塞桿的首選材料。

3.活塞桿的熱處理工藝

熱處理技術要求:調質處理硬度為28～35HRC，滲氮層深度大于0.35mm，表面硬度為1100HV5以上，脆性2級，無網狀與脈狀組織。

（1)材料的預備熱處理 38CrMoAlA鋼的預備熱處理包括正火和調質，其正火工藝為770℃×60min＋940℃×30min，保溫結束后取出空冷。

調質工藝為880～900℃×30min＋930～950℃×25～30min，預冷至880℃左右淬油，在610～630℃×120～180min高溫回火后空冷，基體硬度為28～35HRC。

活塞桿經真空熱處理可以發揮材料的潛力，避免零件表面的氧化和脫碳，具有表面光亮和變形小等特點，表面的狀態沒有受到影響，因此明顯提高了疲勞強度。

（2)材料的最終熱處理——離子滲氮 采用離子滲氮是為了提高活塞桿的表面硬度、獲得良好的耐磨性和耐蝕性，可明顯提高其使用壽命。

在活塞桿的實際生產過程中通常選用三段離子滲氮工藝，即510～530℃×4h＋560～580℃×8h＋510～530℃×4h，滲氮結束后隨爐降溫至100℃以下出爐空冷。滲層深度為0.37～0.39mm，硬度為1096～1150HV5，脆性小于2級，滲氮層無網狀、脈狀滲氮物，組織正常。

目前用中頻感應淬火來代替活塞桿的離子滲氮，實際使用效果不錯。首先進行調質處理后再進行中頻感應淬火，可使表面硬度控制在52～60HRC之間，變形量小于0.5mm。

4.熱處理工藝分析與操作要點

1)正火時活塞桿均勻散開，防止冷卻不均勻而影響后面工序的調質處理質量，同時也會產生較大的變形。

2)離子滲氮前的去應力退火溫度為580～600℃，保溫8～10h。目的是消除校直和機械加工產生的應力或錘擊力，避免后面工序中出現變形等缺陷影響加工質量，不能進行人工校直。

3)進行離子滲氮時應對螺紋部分進行保護處理，可套上螺母或銅環等加以屏蔽。

4)質量檢驗包括基體硬度、組織、表面硬度與滲氮層深度、變形量等，按要求進行檢查。

5.活塞桿的常見熱處理缺陷與對策（表2-13)

表2-13活塞桿的常見熱處理缺陷與對策

2.2.5連桿

1.工作條件和技術要求

汽車發動機連桿（圖2-8)將活塞和曲軸連接起來，小頭與活塞一起作往復運動，把作用于活塞頂部端面的膨脹氣體壓力傳遞給曲軸，將活塞的往復直線運動變為曲軸的旋轉運動，連桿在工作過程中將活塞受到的氣體壓力傳遞給曲軸，再由曲軸轉變成輸出的轉矩。連桿的大頭和曲軸一起作旋轉運動，而桿身作十分復雜的平面擺動等，因此連桿在工作過程中會受到交變的拉應力和彎應力作用，同時承受急劇變化的動載荷的沖擊，其受力方式十分復雜，整個截面都要承受均勻的拉應力、壓應力以及脈動交變應力的作用。因此要求其所用材料具有良好的綜合力學性能。

綜上所述，連桿在工作過程中受到壓縮、拉伸、彎曲和沖擊交變載荷作用。因此，和活塞一樣，要求連桿質量輕，具有足夠的剛度和強度、高的疲勞強度和沖擊韌度等，否則連桿螺栓、桿身的大端蓋將發生斷裂，造成發動機的損壞。作為發動機容易損壞的零件，其損壞形式為斷裂，疲勞斷裂發生在連桿的三個高應力作用區，即大頭與桿身和小頭與桿身的過渡區（在螺栓孔附近)以及桿身中間。斷裂與原材料缺陷、鍛造折疊及淬火裂紋等造成的失效有關。

圖2-8 汽車發動機連桿

1—襯套 2—小頭 3—桿身 4—螺栓 5—大頭 6—軸瓦 7—軸承蓋 8、9—止口

2.材料的選用

根據連桿的工作條件和技術要求，連桿調質處理后的顯微組織應為均勻、細小的索氏體，為確保連桿既具有足夠的強度，又獲得較高的韌性以及優良的抗疲勞性能，不得有片狀鐵素體和非金屬夾雜物。最后需進行強化噴丸處理。對于非調質鋼可采用鐵素體-珠光體鋼制造汽車曲軸和連桿工藝，如35VS、35MnV、35MnVS、40MnV以及43MnS等。目前國外汽車公司在賽車上使用鈦合金連桿，具有強度更高和質量更輕的特點，減輕了質量且提高了使用壽命。

根據連桿的工作環境的具體要求，連桿通常采用中碳鋼或合金鋼模鍛或輥鍛而成，常見的材料有40、45、50、45Mn2、40Cr、35CrMo、42CrMo等，也有少數采用稀土-鎂球墨鑄鐵制造的連桿。

3.連桿的熱處理

目前連桿的生產廠家利用鍛造余熱進行淬火和回火，以此來取代調質工藝，但應注意回火后的連桿在熱校直后，仍要進行低溫回火處理。

連桿的熱處理技術要求為:花鍵與桿部硬度為37～44HRC，盤外圓硬度為24～34HRC。常見連桿常用材料的預備熱處理技術要求見表2-14。

表2-14連桿常用材料的預備熱處理技術要求

（1)調質處理 連桿經調質處理后可獲得良好的力學性能，降低了硬度，改善了切削加工性，細化了晶粒，為最終熱處理做好了組織準備。表2-15為常見碳素鋼、合金結構鋼連桿調質處理工藝規范。

表2-15常見碳素鋼、合金結構鋼連桿調質處理工藝規范

（續)

（2)利用鍛造余熱進行連桿的淬火和回火 該工藝具有可簡化程序、節省能源、改善切削加工性、提高力學性能的優點。資料介紹，40Cr和45鋼連桿分別利用余熱淬火和回火，與調質處理的力學性能相比，抗拉強度、斷面收縮率、沖擊韌度和硬度均有提高，二者的工藝和力學性能比較見表2-16。一般碳的質量分數為0.40％～0.55％的中碳鋼鍛件均可采用余熱淬火。

表2-1640Cr和45鋼連桿鍛造余熱淬火工藝與一般調質處理的工藝和力學性能比較

（3)連桿的噴丸強化處理 連桿經調質處理后，硬度為228～269HBW，連桿經過噴丸處理后，表層會產生一定的塑性變形，這將使晶體的點陣發生畸變，表層形成高密度的位錯纏結，從而使表層得到了強化。采用噴丸強化處理后，連桿表面的殘留壓應力增大，表面硬度得到了明顯提高，如45鋼的壓應力增大到－350MPa時，其疲勞壽命從48萬次提高到190萬次以上，即使用壽命約提高到原來的4倍。可見對連桿進行噴丸強化后，明顯提高了疲勞強度、使用壽命、抗彎強度等。表2-17為常見連桿材料噴丸強化工藝參數。另外對連桿進行滾壓加工也不失為一種良好的強化工藝措施，既可消除切削加工的痕跡，又可使槽的幾何尺寸和形狀精確，提高了連桿的疲勞壽命。

表2-17常見連桿材料噴丸強化工藝參數

注:0.18C表示C型標準試樣的測量弧高為0.18mm。

4.熱處理工藝分析與操作要點

1)連桿的鍛造加熱溫度控制在1100～1220℃為宜，終鍛溫度（淬火溫度)為900～1000℃，鍛造后油冷應控制入油的停留時間，以防析出鐵素體。

2)要控制淬火油溫和在油中的冷卻時間，連桿要及時回火，否則會引起裂紋的產生。

3)目前，對連桿進行中頻感應加熱是一種經濟有效的毛坯熱處理方法，處理后的各項技術指標符合連桿的要求。

4)40、40Cr、40MnB鋼連桿的熱處理質量檢驗項目見表2-18。

表2-1840、40Cr、40MnB鋼連桿的熱處理質量檢驗項目

（續)

5.連桿的常見熱處理缺陷和補救措施（表2-19)

表2-19連桿的常見熱處理缺陷和補救措施