2.3曲軸飛輪機構的熱處理

2.3.1曲軸

1.工作條件和性能要求

曲軸（圖2-9)是內燃機最重要的零件之一，它與氣缸、活塞和連桿等零件組成了發動機的動力裝置。

圖2-9 曲軸的構造

1—曲軸前端 2—連桿軸頸 3—主軸頸 4—曲柄臂 5—平衡重 6—飛輪接盤

曲軸的作用是將做功行程中經連桿傳來的力變成轉矩，并帶動發動機其他機件（如水泵、油泵和氣門等)運動和向外輸出動力（功率)。曲軸的轉速為6000r/min，發動機的每個工作行程都有很大的燃氣壓力，通過活塞、連桿突然傳遞到曲軸上，并以100～200次/s的頻率反復沖擊曲軸，因此將造成曲軸的扭轉振動和彎曲振動，同時在一定的條件下還會產生很大的附加應力，因此受力十分復雜。此外在高速內燃機中還存在扭轉振動，這會造成很大的應力。曲軸的主軸徑、連桿軸徑和曲軸臂各處受到較嚴重的磨損，受力各不相同。

具體而言，曲軸應具有以下力學性能:具有足夠的強度，減少軸徑的翹曲變形，提高自抗振能力；表面有高的硬度、彎曲疲勞強度、抗扭強度和耐磨性，軸頸處有高耐磨性；有高的疲勞強度和沖擊韌度；有良好的潤滑作用。

2.材料的選用

曲軸常用中碳鋼和中碳合金鋼模鍛而成，也可采用球墨鑄鐵制造。一般根據發動機的負荷、種類不同而選用不同的鋼種，汽油機采用碳素鋼，而柴油機多采用低或中碳合金鋼制造。鋼分為碳素結構鋼（如45、50等)、中碳合金結構鋼（如40Cr、40MnB、50Mn、35CrMo、42CrMo、40CrNiMoA、18Cr2Ni4WA等)、非調質鋼（如45V、48MnV、49MnVS3等)。球墨鑄鐵分為鎂球墨鑄鐵、稀土球墨鑄鐵和合金球墨鑄鐵等。為提高曲軸的耐磨性和疲勞強度，曲軸軸頸表面需進行高頻感應淬火或滲氮處理，并進行磨削加工，以獲得低的表面粗糙度值和高的表面精度。

通常材料的選擇依據為:低速內燃機采用正火狀態的碳素鋼、球墨鑄鐵；中速內燃機采用調質碳素鋼或合金鋼，如45、40Cr、45Mn2、50Mn2等及球墨鑄鐵；高速內燃機則采用高強度合金鋼，如35CrMo、42CrMo、18Cr2Ni4WA等。

曲軸的常用材料及相關技術要求見表2-20。在實際生產過程中常采用45鋼和球墨鑄鐵制造曲軸。部分內燃機曲軸用鑄鐵及其力學性能要求見表2-21，供參考。

表2-20曲軸的常用材料及相關技術要求

表2-21部分內燃機曲軸用鑄鐵及其力學性能要求

曲軸采用鍛壓或沖壓成形，曲軸的整體流線隨軸向而變化，可確保具有最佳的力學性能。成形后經正火、調質處理，切削加工后進行的熱處理通常是在軸徑部位進行感應淬火。整體鍛壓曲軸的方式有自由鍛、模鍛等，其中模鍛曲軸具有強度高，有利于纖維方向和組織的合理分布，有利于獲得最佳的截面模量和結構緊密的細晶粒金相組織，尺寸緊湊，質量較輕等特點，因此在實際生產過程中應用較廣。

3.曲軸的熱處理工藝

（1)曲軸的熱處理技術要求

1)在所有主軸徑和連桿軸徑處鍛鋼淬硬層硬度均為55～63HRC，淬硬層深度為2.0～4.5mm，晶粒度為3～7級，淬硬層邊緣到曲軸端面的非淬硬帶長度，對于V形曲軸不大于4～5mm，對于直列式曲軸不大于6～8mm。

2)球墨鑄鐵淬硬層硬度為42～55HRC，淬硬層深度為1.5～4.5mm。

3)曲軸毛坯熱處理前的硬度:鍛鋼正火后為163～241HBW，調質后為207～302HBW；球墨鑄鐵正火后為240～300HBW。

（2)曲軸的預備熱處理 可獲得必要的力學性能，改善材料的切削加工性，為最終熱處理做組織準備。對鍛鋼而言，調質處理后為回火索氏體組織，硬度為207～302HBW；正火后組織為珠光體＋鐵素體，硬度為163～241HBW，晶粒度為10～14級；對球墨鑄鐵來說，正火硬度為240～300HBW，石墨球等級為1～3級，晶粒度為5～8級。

（3)曲軸的熱處理

1)45鋼曲軸的熱處理。根據曲軸的技術要求，材料表面應硬度高，耐磨性好，而心部應具有高的強度和沖擊韌度。因此曲軸的熱處理可采用一般淬火、火焰淬火和高頻感應淬火三種方法。

①一般整體加熱淬火和冷卻。在箱式爐或在鹽浴爐中快速加熱，在淬火機床中加壓冷卻，通過調整加熱溫度、加熱速度、冷卻時間和淬火冷卻介質，可獲得不同的淬火組織。表面組織為馬氏體而心部組織為索氏體，達到外硬內韌的技術要求。

②火焰淬火和冷卻。用氧-乙炔火焰加熱后水冷，噴嘴不動，曲軸的轉動速度為8m/min，應控制加熱的速度和溫度，淬火后的淬硬層為3～5mm。

③高頻感應淬火和冷卻。采用曲軸軸徑輪流淬火的方法，分別進行表面淬火，曲軸的淬火溫度為860～900℃，感應器（圈)內壁圓周上鉆有供應冷卻水的小孔，其直徑為1.5～2.5mm，水的壓力通常為0.15～0.35MPa。硬度和淬硬層符合要求。感應淬火是一種節能的熱處理技術，可明顯提高熱處理的工作效率，按生產節拍組織生產，因此可稱為熱處理成本最低的熱處理技術。各種表面處理對曲軸彎曲疲勞強度的影響如圖2-10所示。

圖2-10 各種表面處理對曲軸彎曲疲勞強度的影響

2)球墨鑄鐵曲軸的熱處理。其熱處理工藝有正火和高頻感應淬火兩種。球墨鑄鐵主要進行奧氏體正火處理，為提高曲軸的力學性能，也可采用調質或正火后表面淬火、等溫淬火等工藝，以提高球墨鑄鐵曲軸的韌性和塑性。球墨鑄鐵的傳統正火工藝見表2-22。

表2-22球墨鑄鐵的傳統正火工藝

高頻感應淬火溫度為900～950℃，加熱速度要低（75～150℃/s)。在300℃自回火，回火溫度為180～220℃，時間為1.5～2h，硬度為52～57HRC。

3)曲軸的表面熱處理（表面強化)。曲軸經過氮碳共滲處理后，其疲勞強度和軸徑的耐磨性得到大幅度提高，硬度≥420HV，滲層深度不小于0.10mm。而離子滲氮的硬度和滲層深度優于氮碳共滲處理工藝。

（4)常見曲軸的熱處理工藝規范 常見曲軸用材料的預備熱處理和最終熱處理工藝規范見表2-23。

表2-23常見曲軸用材料的預備熱處理和最終熱處理工藝規范

曲軸的感應淬火是熱處理工藝中的重要工序，是曲軸軸徑硬化的必備措施。常見的曲軸感應器有兩類，一是整圈分開式感應器，用于曲軸靜止不動條件下的表面淬火；另一種為半圈淬火感應器，曲軸在感應器內作旋轉運動。頻率根據軸徑而定，一般直徑小于50mm為8000Hz，大于50mm時為2500Hz即可。

曲軸的半圈感應器最常用，應用范圍廣。它是由有效圈、外護板、定位塊和淬火冷卻裝置四個主要部分組成的，具體如圖2-11所示。其中的有效圈是用異性純銅管焊焊接而成的一個串聯成“呂”字形的半圓導體，有效圈的示意圖如圖2-12所示。它的形狀是由4根軸向導線和4根圓弧導線組成的兩個“口”字形線圈串聯形成的，其圍成半圓弧形扣在軸徑上，8根有效導線與軸徑表面的間隙為1.5～2mm。4根軸向導線產生橫向磁場，產生的軸向感應電流加熱軸徑，曲軸以60～100 r/min的速度旋轉，噴水冷卻，一般在導線上裝有“∏”形硅鋼片導磁體。

圖2-11 曲軸半圈淬火感應器示意圖

1—定位塊 2—有效圈 3—外護板 4—淬火冷卻裝置

圖2-12 曲軸半圈感應器原理示意圖

曲軸經感應淬火后，其軸徑和曲柄連接的圓角處未淬火處理，因此會產生較大的拉應力，降低了曲軸的疲勞強度。對于大功率的汽車曲軸應采用軸徑和圓角同時淬火的熱處理工藝方法，該方法的特點為在原半圓感應器的基礎上，將有效弧形段截面的厚度加以改變，并捆上導磁體，目的是使曲軸圓角和軸徑同在較強的感應器下被加熱淬火，獲得理想的淬火效果和一定的殘留壓應力。

資料介紹球墨鑄鐵采用上述方法處理后，曲軸的疲勞壽命大大提高。對曲軸軸徑、圓角同時感應加熱時，在保持硬化層深度的前提下，還要特別注意其形狀和分布情況。理想的硬化層截面分布為整個圓角處完整延續并呈圓弧過渡。

目前國際上通用的曲軸圓角淬火技術是在圓弧導體上加上硅鋼片導磁體，使中頻電流流向圓弧導體的外側，得到包括軸徑兩端圓角在內的硬化層，這種硬化層的合理分布可大大提高曲軸的疲勞強度。曲軸圓角淬火感應器及硬化層分布如圖2-13所示。495曲軸的圓弧硬度分布曲線如圖2-14所示。

6100發動機曲軸軸徑與感應器有效圈尺寸的關系見表2-24。

圖2-13 曲軸圓角淬火感應器及硬化層分布

1—軸徑表面加熱用導磁體 2—圓角加熱用導磁體

圖2-14 495曲軸的圓弧硬度分布曲線

表2-246100發動機曲軸軸徑與感應器有效圈尺寸的關系

采用整圈分開式感應器，使曲軸靜止加熱淬火，有兩個缺點:①曲柄相對磁場屏蔽，會造成曲軸軸徑和徑向各部分的加熱溫度產生極大的差別，故表面硬度不均勻；②曲軸靜止加熱，淬火后軸徑周圍硬化層深度不均勻。而采用半圓淬火感應器、曲軸本身旋轉的加熱方法則克服了整圈淬火的缺點，即具有硬化層深度均勻、寬度一致，減小曲軸淬火變形量，阻止軸徑上油孔出現淬火裂紋等優點，因此在曲軸的實際感應淬火中采用該工藝方法。

6100發動機曲軸感應加熱的電參數和淬火工藝規范見表2-25。這里以材料QT600-3為例，感應淬火前曲軸正火硬度為220～260HBW，感應圈與軸徑的間隙為2mm。

（5)曲軸的化學熱處理 曲軸的化學熱處理包括離子滲氮、氣體氮碳共滲等，為了提高曲軸的表面硬度，獲得良好的耐磨性、疲勞強度和高的耐蝕性，通常大功率柴油機曲軸采用離子滲氮（或氣體滲氮)的方法，它具有滲層厚、時間長、設備復雜等特點。汽車和拖拉機用曲軸一般采用鐵素體氮碳共滲的方法，其特點為滲層薄、摩擦因數低，因此提高了曲軸的抗咬合、抗擦傷能力，獲得了高的疲勞強度和耐磨性等。其工藝特點為溫度低、時間短、化學處理后變形小、節能等，因此大部分曲軸普遍采用該工藝。

表2-256100發動機曲軸感應加熱的電參數和淬火工藝規范

表面熱處理和化學熱處理同普通的熱處理工藝相比，可獲得最佳的表面硬化層，提高了曲軸的疲勞強度、抗彎強度，曲軸具有良好的耐磨性、耐蝕性等。熱處理方法對球墨鑄鐵曲軸耐磨性的影響見表2-26，硬度不足將造成性能和使用壽命的降低，而過厚的硬化層會增大曲軸的脆性和內應力，出現早期的失效和損壞，因此工藝方法對曲軸的壽命有重大的影響。

表2-26熱處理方法對球墨鑄鐵曲軸耐磨性的影響

目前對球墨鑄鐵采用了熱處理強化和冷加工復合強化新工藝，即球墨鑄鐵曲軸經熱處理后再進行滾壓處理。如正火＋滾壓軸頸與曲柄臂過渡圓角處，在表面形成了0.5mm的冷加工硬化層，增大了殘留壓應力的作用，提高使用壽命70％以上，效果十分明顯，在生產中得到了十分廣泛的應用。

目前曲軸氮碳共滲有液體氮碳共滲、氣體氮碳共滲兩種。液體氮碳共滲具有時間短、滲速快、質量穩定等特點。國內某柴油機廠對曲軸進行液體氮碳共滲，采用德固薩氮碳共滲基鹽（TF1)和氧化鹽（AB1)處理曲軸效果不錯。國內大部分曲軸制造廠采用國產氮碳共滲基鹽（CJ-1、TJ-2、TJ-3)和氧化鹽（Y-1)對曲軸進行化學熱處理。液體氮碳共滲后的鹽浴有輕微毒性，會造成環境的污染，故需要進行中和處理。而采用含氧氣氛的氣體氮碳共滲，則可避免出現環境污染問題。495柴油機曲軸氣體氮碳共滲工藝規范如圖2-15所示。

球墨鑄鐵的成分、鑄造和熱處理工藝對其使用性能有重大影響，因此應嚴格控制各工序的技術參數。鑄態曲軸應無石墨漂浮、皮下氣孔和疏松等，一般球墨鑄鐵曲軸的熱處理工藝曲線如圖2-16所示。常見球墨鑄鐵曲軸的化學成分見表2-27。

圖2-15 495柴油機曲軸氣體氮碳共滲工藝規范

（QT600-3、原始硬度為229～302HBW，滲層深0.10～0.16mm)

圖2-16 球墨鑄鐵曲軸的熱處理工藝曲線

表2-27常見球墨鑄鐵曲軸的化學成分

為了獲得高強度、高韌性和高耐磨性的綜合力學性能，對球墨鑄鐵曲軸進行等溫淬火，可獲得下貝氏體組織。曲軸的毛坯應經過完全奧氏體化正火，使自由滲碳體積磷共晶符合技術要求，同時使珠光體的體積分數在75％以上，這樣才能為曲軸等溫淬火的快速加熱創造條件。球墨鑄鐵曲軸的等溫淬火工藝規范如圖2-17所示。

采用貝氏體等溫淬火獲得了以下貝氏體為主的組織，其具有強度高、耐磨性好、疲勞強度高等優良性能。球墨鑄鐵的上、下貝氏體的分界溫度約為300℃，因此等溫溫度應嚴格控制。等溫淬火工藝為880℃×15min，260～280℃×60min，既可防止溫度升高到300℃以上生成上貝氏體，同時也避免了因溫度過低造成的馬氏體數量增加、沖擊韌度下降的質量缺陷。

S195曲軸經不同熱處理后的性能對比見表2-28。從表中可以看出，經正火處理的曲軸中頻感應淬火后有最高的使用壽命和高的耐磨性，成本低，能耗少。因此，曲軸采用正火＋中頻感應淬火的熱處理工藝是十分適宜的。

圖2-17 球墨鑄鐵曲軸的等溫淬火工藝規范

表2-28S195曲軸經不同熱處理后的性能對比

4.熱處理工藝分析與操作要點

1)采用鍛造余熱淬火、回火或鍛后空冷正火，可達到節能、改善切削加工性、提高曲軸質量的效果，采用非調質鋼同樣可獲得理想的結果。

2)曲軸的加熱溫度為860～900℃（以45鋼為例)，中頻感應淬火的加熱時間一般與功率的大小有關，冷卻時間為加熱時間的0.9～1.2倍。此時水壓為0.015～0.4MPa，水溫為18～35℃。球墨鑄鐵曲軸采用的加熱溫度為900～950℃，在300℃左右進行自回火后，仍需在180～220℃補充一次回火處理，可有效防止變形與開裂。

3)曲軸上油孔與軸頸表面交接處的孔壁很薄，淬火加熱時此處升溫速度快、溫度高，而冷卻時降溫速度快，因此會產生油孔裂紋。特別需要注意的是，在感應器的有效圈上鑲入硅鋼片導磁體，可有效防止曲軸油孔出現C型淬火裂紋。

4)防止出現淬火開裂的方法包括:嚴格控制硬化層深度；在孔洞中打入銅棒，堵塞噴水孔；降低加熱的比功率，減緩加熱速度，提高傳熱效果，提高油孔（洞)周圍溫度的均勻性和提高自回火溫度等。

5)曲軸除了出現淬火開裂以外，在熱處理后的磨削過程中，由于進行高速磨削會出現磨削裂紋，有時出現龜裂、裂紋局部凸出表面和鼓起等，甚至有薄片的剝落。磨削裂紋產生的過程實際上是淬火的過程，高速磨削的砂輪與工件接觸處溫度可達1000℃左右，磨削過程中需要不斷地向砂輪和工件噴射切削液，其目的是對砂輪和工件降溫、在磨削過程中加以潤滑、沖洗砂輪防止砂輪微孔被磨粒等塞滿。

6)為了提高曲軸的疲勞強度，所有的表面強化方法都是為了在軸頸表面，尤其是在圓角部位形成有效的壓應力層。經驗表明，各種表面強化方法對提高曲軸疲勞強度的貢獻從小到大依次為離子滲氮、氣體氮碳共滲、液體氮碳共滲、軸頸感應淬火復合圓角滾壓強化、軸頸與圓角感應淬火，應進行合理的工藝選擇。

7)曲軸的感應淬火與表面處理檢測項目見表2-29。

表2-29曲軸的感應淬火與表面處理檢測項目

5.曲軸的常見感應淬火缺陷和防止措施（表2-30)

表2-30曲軸的常見感應淬火缺陷和防止措施

6.曲軸的表面強化技術

曲軸的表面強化技術包括氮碳共滲與圓角滾壓工藝等，其中滾壓和噴丸強化工藝已經得到了較為廣泛的應用。曲軸在工作過程中要承受高壓力、交變載荷的作用，因此必須采用表面強化工藝。表面強化既可采用化學熱處理的方法，改變零件表面的組織、成分和性能，滿足技術要求；也可使用機械的方法，使零件局部的表面狀態發生變化，形成殘余壓應力，提高疲勞壽命等；另外對零件進行表面感應淬火等，同樣可獲得較高的強度和使用壽命。根據曲軸的工作條件和使用狀況，可采用上述工藝措施實現曲軸的表面處理。在不改變曲軸材料和結構的條件下，采用熱處理和機械的強化方法，實現曲軸表面強化的效果十分明顯。機械的強化方法為噴丸和圓角滾壓；熱處理的強化方法有淬火、調質、正火、表面淬火、等溫淬火等，化學熱處理的強化方法有多種，如滲氮、氮碳共滲、硫碳氮共滲、氧碳氮共滲、碳氮共滲、滲碳等。表面強化又分為前期強化、中期強化和后期強化三種，經過比較后期強化處理的效果最為明顯。曲軸采用了對軸徑表面和圓角進行強化處理的方法，提高了軸徑表面的硬度和耐磨性。

綜合歸納出表面強化的作用有以下幾點:使表面殘留奧氏體誘變為馬氏體，強化了非馬氏體組織，同時產生冷作硬化；細化了表層組織，降低了表面粗糙度，提高了表層的硬度；消除磨削加工產生的殘余應力；提高了疲勞強度和抗應力腐蝕的能力；延長了彎曲疲勞裂紋萌生期及降低了裂紋的擴展速率。

（1)曲軸的圓角滾壓工藝 在曲軸的曲柄和軸徑過渡圓角等應力集中部位，采用機械方法對圓角表面進行滾壓，實現表面冷加工硬化，故形成殘余壓應力表面層，同時可消除切削加工的痕跡以及亞微觀裂紋，并使內圓角的幾何形狀精確，因此可提高曲軸的疲勞強度。通常曲軸圓角滾壓工藝具有以下特點:工藝簡單，生產周期短，制造成本低；使用范圍廣，可滾壓所有材料的曲軸；明顯提高曲軸的疲勞強度；表面硬度提高，耐磨性提高；采用圓角滾壓可減少磨削時間，提高砂輪的壽命；可消除表面的顯微裂紋、針孔、氣孔等曲軸的鑄造缺陷；滾壓硬化層的深度和最大殘余應力值，取決于采用的壓力、滾輪的形狀、尺寸大小和曲軸的材料。

（2)噴丸強化工藝 除采用表面滾壓工藝外，噴丸強化也收到了良好的效果。用壓縮空氣將大直徑的0.4～2mm的丸粒（如鑄鐵丸、鋼丸、鋁丸和玻璃丸等)以35～50m/s的速度，高速噴射到曲軸表面，其表面產生很大的塑性變形，表面產生冷作硬化，故存在較大的壓應力作用。對表面粗糙度Ra值為2.5～5μm的曲軸，使用直徑0.7mm的鋼丸噴射后的表面粗糙度Ra值變為0.32～0.63μm，明顯改善了表面質量。常用的鋼丸粒是切得很短的鋼絲（呈球狀)，用小丸粒可對曲軸的凹槽和凸起、過渡圓弧處進行強化處理，在實際強化處理過程中，壓縮空氣噴丸和機械噴丸的效果一致，噴丸機的性能不同其相應的技術參數也有區別，應根據具體的設備性能和曲軸的技術要求進行選擇，形狀復雜的零件等強化后的使用壽命成倍提高。

對表面進行噴丸強化的作用有:提高了疲勞強度，延長了構件的壽命；在壽命相同的條件下，提高了承載能力；可減小零件的尺寸和質量；降低了對精加工尺寸的要求；降低了制造成本；使用滿足高強度要求的零件，不必擔心出現缺口敏感性。

2.3.2飛輪

1.工作條件與技術要求

飛輪的主要功用是儲存做功行程能量，用于克服進氣、壓縮和排氣行程的阻力和其他阻力，使曲軸能均勻地旋轉。飛輪外緣壓有的齒圈與起動機的驅動齒輪嚙合，供起動發動機用；汽車離合器也裝在飛輪上，利用飛輪后端面作為驅動件的摩擦面，用來對外傳遞動力。

飛輪是高速旋轉件，因此，要進行精確地平衡校準，平衡性能要好，達到靜平衡和動平衡。飛輪是一個很重的圓盤，用螺栓固定在曲軸后端的接盤上，具有很大的轉動慣量。飛輪的大部分質量集中在輪緣上，飛輪輪緣上鑲有齒圈，齒圈與飛輪緊配合，有一定的過盈量。

2.材料的選用

一般飛輪多采用灰鑄鐵制造，如HT200、HT250。當輪緣的圓周速度超過50m/s時，應選用球墨鑄鐵或鑄鋼制造，如QT450-10、QT600-3、QT500-7等，而國外也采用45鋼制作的飛輪。

3.熱處理工藝

需要注意的是，曲軸的正時齒輪一端和飛輪一端在等溫淬火后要進行機械加工，因此要防止其硬度過高。正時齒輪一端加一軸套，而飛輪一端在等溫淬火后，在鹽浴爐中進行快速的局部退火，即900～950℃加熱、保溫2～3min后空冷，使該部分硬度控制在240～290HBW，其余部分的硬度一般在42～48HRC。通常球墨鑄鐵曲軸等溫淬火后不再進行回火處理，如果硬度超過工藝要求，如要求硬度為47～49HRC，則進行380℃回火即可。