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汽车发动机曲轴用钢研究开发

摘要:汽车的核心零件是发动机,发动机的重要组成是曲轴。本次研究通过文献法,对相关文献进行归纳和总结,分析汽车发动机曲轴用钢研究与开发,对汽车的动力、使用年限和耗油量的相关影响进行探讨。汽车的动力提供者是发动机,常见的家用车的内燃机大多数都是复活塞式,这种内燃机的工作原理是实现动能的转换把化学物质的能量转化为汽车提供动力的机械能量。本篇文展主要分析了汽车发动机曲轴原材料的化学成分组成和影响曲轴选择的因素,加工工艺和处理过程中保温和冷却技术的使用,不断促进我国汽车发动机的技术革新和汽车领域的发展。

关键词:汽车发动机;曲轴用钢;研究;开发

引言

近年来,国家对汽车行业的节能减排要求的不断提高,对发动机节能减排环保的技术水平研发力度也在加大,现在中冷发动机已占领市场的主导,发动机曲轴的功率和爆发压力在增加的同时对于发动机的可靠性要求及汽车尾气的排放要求也在提高,发动机的改变主要是在曲轴,所以对曲轴的动力性能需求也越来越高,消费者对于汽车的性能要求也越来越高,对于发动机的复合强度、驾车的安全系数、汽车重量等方面成为购买汽车的重要考虑方面。曲轴是汽车重要的安全组成零件,在汽车行驶发生周期性的气体变化、惯性等因素的共同作用下进行工作,承受巨大的载负力。因此需要曲轴的强度、耐用性及循环性能均达到相关要求,否则容易造成曲轴老化现象,引起汽车发动机出现故障。

1汽车发动机曲轴用钢研究

曲轴影响着汽车发动机的性能和发动机的使用时间。对于汽车来说有一个质量好的曲轴,在汽车运转中会产生事半功倍的效果,最大的动力负荷和发动机功率的进行都在曲轴完成,在汽车运行中承担着跟随方向指令不断变化的任务,完成一系列的旋转和弯曲动作,发动机的长时间使用,曲轴消耗性的高速运转会使曲轴发生磨损。

1.1原材料检测分析

金属材料有耐热耐磨的特点,在汽车产业有着广泛应用,金属材料被制成各种零部件及汽车外用制品,在加工时要保证其强性和稳定性不被破坏,对于加工技术的要求越来越高,稳定金属属性及其化学成分,有利于使保护汽车行驶中的安全,减少发生安全事故的可能。金属材料的实际晶粒度在进行热加工的时候会发生改变,这与金属材料的性能有关。因此钢铁产品在技术加工时都要求规定晶粒度的级别,晶粒度也成了检验金属制品的重要检测项目之一。可以通过实际晶粒度的测定,来判断金属材料的质量,热加工过程中的技术是否正确、晶粒度对汽车的材料性能有十分重要的影响。在工厂生产机械零件处理工艺中,对于汽车行业使用的材料的晶粒度有规范的范围,这也是对机械零件质量测评的重要指标。所以实际晶粒度的加工处理标准被工厂生产者格外重视。
1.2原材料的化学组成

在原材料分析技术条下,对原材料的化学元素都有相应的化学元素成分组成范围,化学元素的用量超出规定的范围对实际的晶粒度会产生较大的影响,所以在不影响钢的韧性的前提下,增加对可以钢的强度的化学元素的用量,通常在汽车行业中使用的金属化学组成种类较多,这对于与锡、铅、铝、锰、铬等合金元素的结合以及细化晶粒度起到推动作用。对于有害化学元素,要严格控制使用率,有的金属中不可避免会有一些有害化学元素,但数量不多,长期使用不会造成不利影响;易形成氮化物或氮和碳结合物的元素会将晶粒细化、通过元素置换来提高钢元素含量,以此提高钢的韧性,相关研究表明,非调质钢中氮元素增加到0.02%左右,有利于和钢元素交换,对提高钢的性能,改善钢的易变形属性具有重要作用[1]。

1.3原材料的金属构成

根据相关法规规定对生产出来的零部件进行检查,其中最主要的是对原材料金属检验标准,按照标准从原材料上采取检验样品,经过一系列的检验手法在专业的检测仪器中,分析零件的组成及使用有毒有害的材料的程度。测定在微镜下观察晶粒度情况,按照国家标准对原材料中的金属构成进行评级,目前对于汽车行业的金属材料中晶粒度8级表示晶粒度符合标准。原材料的金属组织均为网状铁元素+珠光元素构成,金属材料组织在显微镜下看见金属分布均匀,成色较好,化学成分符合标准,表示合格可以用于发动机曲轴的使用[2]。

2汽车发动机曲轴用钢的开发

国产汽车由原先零配件生产到能够整车装配,再到发动机自主研发核心技术等实现国产汽车一次又一次的迈向新发展机遇。中国的汽车市场整体需求量大,对汽车行业和汽车发展环境总体上来说较为积极,国家也出台购车的相关优惠政策,刺激消费者购买力,在国民经济稳步发展、节能环保排放标准的升级、新能源乘用车制度的实施、互网联汽车快速发展等因素影响下,我国汽车产业将在高质量发展的同时在汽车制造上取得更多进展。

2.1加强工艺技术

曲轴锻造工艺的好坏决定了成品的质量,考验工作人员的锻造技术,在设备中停留的时间长短影响着材料的成分组成。主要是原材料通过设备加热到一定温度进行锻打和切边最后再控温冷却,最后成型。在此期间在锻件锻造的不同阶段工艺加温温度是不同的,原材料进入时的温度是1100-1200摄氏度;初始锻造温度是1100-1000摄氏度;最终锻造温度1000-900摄氏度;快要结束锻造时进行控温加冷却,控冷线上的温度≥800摄氏度,采用连续的控冷方式循环,控冷线下温度控制在<550摄氏度。所以在热加工工艺方面,温度是影响晶粒大小的主要因素,锻造时温度越高导致晶粒长大倾向的可能会越大,其次是零件的保温时间、终末锻造温度和冷却速度和时间影响晶粒的大小。车企的竞争方向将逐渐变成以服务、品牌、技术主导的发展方向。全球有影响力的汽车企业开始寻求国际合作和国内车企的合作加强[3]。

2.2曲轴扭转振动的强度试验

对曲轴的实验也在不断的发展,国内外目前比较通用的是转动的强度实验,是检验曲轴使用寿命的重要实验。曲轴锻件通过前期冶炼、锻造及保温控冷环节和在后期的机加和曲轴强化处理等程序,这样的发动机曲轴才能具备较高水平的疲劳极限强度和综合性能,能更好地符合节能减排的要求和高爆发压力的汽车发动机对曲轴的强度要求。国内目前对曲轴进行寿命考察和实验的技术发展速度较慢,相对于国外的技术积累经验少,国外较大型的汽车企业都会有自己的研发基地和实验场地,有自主研发技术和试验方法,经过多次反复的开发和实验,这使得汽车在销售后发生发动机问题的概率小很多,产品的质量得到保障。像汽车行业中的德国汽车受到广大消费者的好评的原因是德国汽车企业多数都有研发技术和先进的实验室进行实验,对于曲轴疲劳试验、惯性振动扭转性试验的开发已经有多年的发展,技术已经很成熟。我国注重科技的创新,强调核心技术的自主研发,已经在各地建立多个实验基地,用于技术研发及实验。国内多所高等院校也开始重视技术的开发,建立实验室,推动我国汽车行业的发展,科技将逐渐是汽车产业的新的决定因素,我国要加强自主创新技术的研发,使国产汽车的市场占比增加,保障我国的国产汽车与中外合资的品牌汽车具有相同的影响力[4]。

2.3曲轴材料的使用

国家检测部门对使用的曲轴材料有明确的标准,在出厂前要经过严格检测才可以使用,不同部位零件材料选择有所不同,要锻造的技术也有不同标准,目前曲轴的使用材料一般是用锻钢和球墨铸铁,随着新型材料的开发,压力铸造纤维以及铝合金复合材料在曲轴上的使用,在曲轴材料选择上种类增多,球铁使用率在下降,新型材料已经可以部分替代球铁曲轴,小规模的实验效果和体验感觉不错,但目前的加工工艺和技术还不成熟,还不能实现大规模生产和使用。在曲轴选材上,上文提到的几种材料都有优缺点,根据其自身特点会有其应用范围和一定的发展方向和前景。就性能而言,锻钢材料是作为曲轴的最佳原材料,球铁次之,铝合金复合材料由于锻造工艺水平不成熟靠后。虽然钢的性能最好,但钢不适用所有的情况,应该根据实际情况从各方面综合考虑材料的选择,比如性价比、质量、使用年限、韧度等。球铁之所以被广泛应用,原因是造价低性能位于平均水平,均衡考虑为最佳选项。目前中低功率锻钢制造的发动机曲轴正在被逐渐替代,锻钢由于性能好是最大优点,是现在大功率和有增压需求的发动机曲轴首选材料,锻钢也有很多种,比如:调质钢容易变形而且是大能量损耗。非调质钢复合金替代调质钢锻造的曲轴仍是未来的主要发展方向,所以汽车发动机曲轴材料的选择要综合考量,在满足使用性能的同时要考虑成本、节能减排,汽车重量等因素来选择材料。

2.4锻造保温和冷却技术

在制成成品后期保温及冷却时需要精准的把控,才能保证制成后产品在多次检验中符合标准。可以说锻造保温和冷却是生产中最关键部分,需要有一定工作经验的人员才能把控锻造的时间及冷却温度。在锻造时的保温时间十分重要,曲轴保温时间越长会在此阶段使晶粒长的越大。目前锻造加热的工艺已经出现部分改革,在中频加热时按照新标准要求锻造快速地完成,但是整体加热方法仍沿用以前加热方法,原材料进入加热炉中,按照过去的方法在高温环境内停留时间过长,锻件在高温条件下停留时间越长,锻件的晶粒也就越长,这也是锻件晶粒大的重要影响因素。锻件最后阶段会采用控温冷却方式,使锻件控温冷却成型后进行入口,此时监测温度约为900摄氏度上下浮动,实际控制过线时间是45min,在出口传送处零件温度大约为210摄氏度左右,通过生产数据发现锻件进入控温口监测温度比冷却后在出口传送处的温度偏高,这是因为锻件在控温冷却生产线长,冷却速速慢,导致制作过程中晶粒也变大。

3结语

本篇文章通过对汽车发动机曲轴用钢研究发现发动机曲轴的原材料使用和成分分析,影响曲轴性能的化学元素。在以后的开发中要在提高技术水平、加大科研力度等方面努力。中国汽车工业相比于国外起步较晚,上个世纪主要发展军用车辆。在家用车方面,起步还要晚于军用车。在我国汽车销售市场中,合资和进口车成为国内汽车需求市场的主力。我国汽车品牌和国外汽车企业合作,是市场需求大的合资品牌。我国也意识到自主研发、核心技术的重要性,经过几十年的发展,国产品牌汽车产业开始蓬勃发展,进入到汽车发展新时代。望此次研究能够被当代学者关注,并且在此基础上进行创新应用,为我国汽车发动机曲轴用钢方面的理论研究和实际应用献出绵薄之力。

参考文献:

[1]周成宏,刘灿军,钟凡,等.汽车曲轴用非调质钢48MnV的试制开发[J].江西冶金,2018,38(4):1-4.

[2]周亚倬,金文辉,于勤,等.非调质钢曲轴用材发展趋势[J].热处理技术与装备,2018,39(4):61-65.

[3]郑文超,夏旺苟,何浪,等.汽车曲轴用含硫易切削钢C38N2硫化物控制的工艺实践[J].特殊钢,2019,40(1):43-46.

[4]宋欣颖.曲轴的表面激光熔凝及耐磨性能研究[J].机械设计与制造工程,2019,48(8):87-90.

作者:王旭 单位:南京南钢产业发展有限公司

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