探析柴油發動機連桿的材料及其生產工藝（上）

文／燕來榮·東風汽車公司重型車總裝配廠

探析柴油發動機連桿的材料及其生產工藝（上）

文／燕來榮·東風汽車公司重型車總裝配廠

由于日益嚴格的排放法規要求和燃油消耗法規規定，小排量、高功率、高轉矩成為了發動機技術的發展趨勢，現在發動機缸內最大爆發壓力可高達20MPa。不斷強化的發動機設計目標，使得人們更加關注連桿成品的強度。國內外也一直在對連桿材料、加工工藝和表面強化手段進行探討和革新。

連桿的功用及結構特點

柴油發動機連桿的強度、剛度和質量對提高發動機的動力性和可靠性至關重要，連桿是柴油機的主要運動部件，其作用是將活塞的直線往復運動轉化為曲軸的旋轉運動，實現發動機由化學能轉變為機械能的輸出，它承受著復雜的拉壓交變載荷，如果材料與熱加工工藝過程失控，會給連桿留下內在缺陷，在柴油機運轉過程中極易造成連桿斷裂失效，不僅使整機毀壞，且易危及人身安全。因此，隨著發動機向高功率密度目標的發展，對連桿的材質與熱加工工藝的控制也提出了更高的要求。連桿的材料從優質中碳合金結構鋼向中、高碳非調質鋼發展，相應地，連桿熱處理技術由調質處理、鍛造余熱淬火發展至鍛后控制冷卻，連桿大頭孔剖分由切割技術發展至脹斷裂解技術。

現代高速柴油機技術的發展呈現出高效、節能、環保、節約的趨勢，這導致柴油機關鍵零件的制造不斷涌現出新材料與新工藝。以發動機連桿為例，連桿自身的可靠性要求制造連桿體的材料要有足夠的強度，連桿體的幾何結構要有良好的結構剛度。連桿屬于典型的“雜件”類零件，不但精度要求高、形狀復雜、制造難度大，而且批量大，會直接影響發動機的質量。

連桿是較細長的變截面非圓形桿件，其桿身截面從大頭到小頭逐步變小，以適應在工作中承受的急劇變化的動載荷。中等尺寸或大型連桿是由連桿體和連桿蓋兩部分組成的，連桿體與連桿蓋用螺栓和螺母與曲軸主軸頸裝配在一起，而尺寸較小的連桿(如摩托車發動機用連桿）多數為整體結構。為了減少磨損和磨損后便于修理，在連桿小頭孔中壓入青銅襯套，大頭孔中裝有薄壁巴氏合金軸瓦。連桿體和連桿蓋可以分開鍛造，也可以整體鍛造，選用哪種鍛造方式取決于毛坯尺寸及鍛造毛坯的設備的能力。

連桿是柴油發動機中的重要零件，它連接著活塞和曲軸，將活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動，并把作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。連桿在工作中，除承受燃燒室燃氣產生的壓力外，還要承受縱向和橫向的慣性力。因此，連桿在一個復雜的應力狀態下工作，它既受交變的拉壓應力，又受彎曲應力。

連桿的主要損壞形式是疲勞斷裂和過量變形，通常疲勞斷裂的部位是在連桿上的3個高應力區域。連桿的工作條件要求連桿要具有較高的強度和抗疲勞性能，也要具有足夠的剛性和韌性。

連桿的材料

連桿主要承受氣體壓力和往復慣性力所產生的交變載荷，因此連桿必須具有足夠的疲勞強度與剛度。同時，為了減少慣性力，連桿的重量應盡可能的輕。

傳統的連桿加工工藝中，其材料一般采用45鋼或40Cr、45Mn2等優質鋼或合金鋼，如今越來越多地采用球墨鑄鐵，其毛坯用模鍛的方法制造。連桿用的材料一般有以下6種：中碳鋼；中碳合金鋼；鑄鐵，分可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵；粉末冶金；非調質鋼；脹斷連桿用鋼。現在國外所廣泛采用的連桿裂解的加工技術要求其脆性較大，硬度更高，因此德國汽車企業生產的新型連桿材料多為C70S6高碳微合金非調質鋼、SPLITASCO系列鍛鋼、FRACTIM鍛鋼和S53CV-FS鍛鋼等(以上均為德國DIN標準）。合金鋼雖具有很高的強度，但對應力集中很敏感，所以在連桿外形、過渡圓角等方面需嚴格要求，還應注意表面加工質量以提高疲勞強度，否則高強度合金鋼的應用并不能達到預期效果。

連桿是柴油機的重要部件，不但要有高的抗拉、壓強度和高的疲勞強度，而且要有足夠的剛性和韌性。連桿的硬度應在207～289HB，因不同柴油機型號而異。通常連桿以調質狀態在發動機里服役，其壽命首先取決于調質工藝質量，因此連桿的調質熱處理非常重要。它的金相組織必須是1～4級晶粒度的細的回火索氏體(可有少量托氏體和極少量鐵素體）；小型汽油機連桿多采用可鍛鑄鐵或者球墨鑄鐵，前者硬度應為210～260HBS，抗拉強度不低于619MPa，后者硬度應為240～280HBS，抗拉強度不低于690MPa。鑄鐵材料的連桿一般也要經過表面噴丸等處理。粉末鍛造工藝在歐美國家于20世紀30年代就已經應用于實際生產，隨著技術的不斷改進，粉末鍛造成為了一種新興的金屬零件成形工藝。粉末鍛造連桿常用的材料為HS150TM及HS160TM。粉末鍛造連桿的力學性能以及疲勞強度與鍛鋼連桿相似，高強度的粉末鍛造連桿抗拉強度可達1000MPa以上。

長期以來連桿使用的材料是中碳鋼、中碳合金鋼或鑄鐵，當然最理想的是高比強度的輕質材料——鈦合金，但目前限于成本昂貴，鈦合金連桿僅用于賽車發動機上。碳素調質鋼和合金調質鋼是連桿用鋼的傳統鋼種，通常小功率的發動機采用碳素調質鋼，大功率的發動機采用合金調質鋼。碳素調質鋼硬度一般在229～269HBS；合金調質鋼可達到300HBS，但最高不超過330HBS。碳素調質鋼抗拉強度可達到800MPa以上，沖擊韌度在60J/cm2以上；合金調質鋼抗拉強度可達到900MPa以上，沖擊韌度在80J/cm2以上。調質鋼連桿用于要求連桿有較高強度和韌性的大功率柴油機。多年來，高速柴油機連桿一直以優質中碳結構鋼和中碳合金結構鋼為主，如45、40Cr、35CrMo、42CrMo和40MnB，美國AISI C-1541，德國CK45、DIN 37MnSi5，日本S45C等結構鋼。結構鋼在熱模鍛后經調質處理，可獲得良好的綜合力學性能。

近年來連桿材料發生不少變化，如粉末冶金和裂解連桿用高碳鋼用于大規模生產。這既是對傳統連桿用材料的挑戰，也是降低成本的有效途徑。使用溫壓粉末冶金可使連桿的總成本降低30%，使用裂解連桿用高碳鋼則可降低11%的總成本。目前，主要汽車廠家都在考慮變換連桿材料以代替傳統的連桿材料。美國杜邦公司和克萊斯勒汽車廠合作開發的剛玉纖維增強鋁鋰合金基復合鑄造的汽車連桿，其重量輕、強度好，抗拉強度達560MPa，而且膨脹系數小，對提高發動機的效率極為有利，其剛度、強度和疲勞極限都能滿足高性能汽車的材料要求。本田研究開發中心開發了一種不銹鋼加強的鐵合金連桿，重量減輕了30%，應用在家庭小汽車上，提高了發動機的功率和燃料經濟性能。

溫壓粉末冶金克服了傳統粉末冶金密度低、成本高的缺點，將其密度提高了0.15～0.40g/cm3，生產成本也較傳統的粉末冶金低。溫壓工藝中使用潤滑劑以降低粉末之間的摩擦力、減小壓制過程中的顆粒重排阻力、提高密度。溫壓技術的出現為制造高性能粉末冶金壓制連桿提供了新的契機，它不但可以有效提高粉末冶金壓制連桿的密度，而且可以使燒結態連桿獲得足夠的使用性能，免去普通粉末冶金工藝后期的熱處理工序。發動機試驗結果表明，溫壓—燒結連桿的使用性能和粉末鍛造連桿相同，并且有效降低了連桿的制造成本，其溫壓溫度為1130℃時的燒結密度達7.4g/cm3。在燒結狀態下，抗拉強度為1050MPa，屈服強度為560MPa，抗壓屈服強度為750MPa，對稱循環抗拉疲勞強度為320MPa，標準差僅為±10MPa。溫壓技術提高了密度，使壓坯有足夠的強度滿足去毛刺、鉆孔、攻螺紋等機加工的要求，以及有望直接對連桿壓坯大頭進行裂解處理。連桿坯燒結之后僅需組裝和一些精切削與磨削加工工序，最大限度地減少了連桿后期的機加工工序。

發動機連桿裂解加工技術是目前國際上連桿生產的新技術，具有傳統連桿加工方法無可比擬的優勢，其加工工序少、節省精加工設備、節材節能、生產成本低，近年來國內已越來越普遍地采用這種加工技術來生產連桿。對于連桿的裂解加工來說，連桿的材料及其金相組織不僅影響產品性能和切削性，而且還決定可裂開性和斷面質量，因此所用材料對裂解工藝有著決定性的作用。為了滿足裂解加工的質量要求，連桿材料要在保證強韌綜合性能的前提下限制連桿的韌性而使斷口呈脆性斷裂特征。目前裂解連桿的材料主要有粉末冶金、鍛鋼和球墨鑄鐵。粉末冶金材料具有良好的脆性斷裂性能，連桿裂解加工技術早期廣泛采用此種材料。其優點是粉末鍛造毛坯的精度高，不需連桿毛坯粗加工，減少了材料費用和加工工序，但粉末冶金連桿制坯成本較高且其疲勞強度低于鍛鋼連桿。鑄造連桿的低塑性和易脆斷性非常適合裂解加工技術的應用，但是鑄造連桿重量偏差大、力學性能較差，這使其應用受到了限制。鍛鋼連桿尺寸精度高、組織結構與力學性能好，在傳統連桿制造業中應用最為廣泛，尤其適用于負荷大、轉速高的發動機以及要求連桿具有高疲勞強度和可靠性的場合。

康明斯發動機連桿選材為美國標準SAE 1541鋼，其材料標準為康明斯標準30062-04，采用調質熱處理工藝。國產化時，將毛坯材料定為40MnBH(GB 5216—1985），采用鍛造余熱淬火加高溫回火調質熱處理新工藝，此方法既能獲得良好的綜合機械性能，又能提高疲勞強度，還能節省大量的能源。毛坯為整體鍛造，其外形精度高，省材料，工藝簡化，便于組織生產、加工和運輸。該連桿硬度為255～302HB(3.5～3.8dB），材料的奧氏體晶粒度國標規定為7～8級，CKD連桿實物的晶粒度水平為7級。近年來，非調質鋼作為在傳統材料基礎上發展起來的一個新品種，得到了廣泛的應用。非調質鋼是在中碳鋼基礎上添加釩、鈦、鈮等微合金元素，通過控制軋制或鍛造過程的冷卻速度，使其在基體組織中彌散析出碳、氮的化合物從而使其得到強化。該材料對鍛造工藝而言，省去了調質處理工藝，避免了熱處理裂紋，節省了大量的能源。從加工方面看，由于添加了S、Ca等元素，因此切削性能得到了明顯的改善，斷屑容易，排屑流暢，刀具壽命大大提高。在1984～1994年期間，康明斯采用調質鋼毛坯SAE 1541鋼，1995年全面轉用非調質鋼毛坯38MnVS。1993年以來，選用了40MnVG非調質鋼進行了材料、加工工藝等各項相關試驗。批量切削試驗表明，零件廢品率明顯降低，拉削加工表面質量提高了一個等級，表面粗糙度Ra值從3.2μm提高到2.2～1.6μm，拉削振動明顯降低，刀具耐用度提高了1.5～2倍。

除康明斯外，Benz、Deutz、MAN、日產、日野等公司的柴油機和中國一汽的6DL柴油機也使用 了 38MnV(或 40MnV）、S43CVS、S53CV-FS、SPLITASCO38等非調質鋼。非調質鋼按其強韌性可以分為4類：基本型、高韌性型、高強度型和高強度、高韌性型，其中基本型和高強度型適用于發動機連桿。我國研究的非調質鋼主要是釩系、錳釩系、錳釩氮系，每個系列都開發了添加易切削元素的鋼種。用于發動機連桿的鋼種有35MnVS、35MnVN、40MnV、48MnV等，其強度都在900MPa以下。疲勞試驗表明，非調質鋼連桿的疲勞強度與相同級別的調質鋼相當。 (未完待續)

燕來榮，高級技工，主要從事汽車裝配試驗技術方面的工作。