淺談發動機曲軸材料的性能特點及發展趨勢

趙生蓮

摘要：曲軸是發動機中最重要的部件，曲軸的作用是將活塞的往復直線運動轉換為自身的旋轉運動而對外輸出動力。發動機工作過程中，活塞經過混合壓縮氣的燃爆，推動活塞做直線運動，并通過連桿將力傳給曲軸，由曲軸將直線運動轉變為旋轉運動，所以說，曲軸的旋轉是發動機的動力源，也是整個機械系統的源動力。它承受連桿傳來的力，并將其轉變為轉矩通過曲軸輸出并驅動發動機上其他附件工作。曲軸受到旋轉質量的離心力、周期變化的氣體慣性力和往復慣性力的共同作用，使曲軸承受彎曲和扭轉交變載荷的作用。因此要求曲軸有足夠的抗彎曲、抗扭轉的疲勞強度和剛度，軸頸表面需耐磨、工作均勻、平衡性好。目前，汽車發動機曲軸典型用材有球墨鑄鐵（含ADI）、調質鋼（45，40Cr，40MnB，42CrMo）、非調質鋼（C38N2，S38MnSiV，S45 CVS、48MnV、49MnVS3）等鋼。本文闡述了發動機曲軸材料的性能特點及發展趨勢。

關鍵詞：曲軸;材料

【中圖分類號】G718.5

【文獻標識碼】A

【文章編號】2236-1879（2018）13-0153-01

一、球墨鑄鐵（含ADI）的性能特點

等溫淬火球墨鑄鐵（Austempered Ductile Iron，簡稱ADI）通常稱為奧一貝球鐵，具有很高的綜合力學性能。與普通球鐵相比，在相同韌度下，強度可提高1倍;與鋼相比，具有更好的耐磨性能，在很多應用場合可取代鍛鋼制造機械（汽車）零件。

ADI具有強度、塑性和韌性都很高的綜合力學性能，特別具有很高的彎曲疲勞強度，和良好的耐磨性，顯著優于鐵素體球鐵和珠光體球鐵，也優于傳統的經調質處理的球鐵以及貝氏體球鐵，可與合金鍛鋼相媲美，因此被譽為是近30年來鑄鐵冶金方而的重大成就之一。

由于其基體為奧氏體，當受到外力作用時，會發生加工硬化現象，即奧氏體向馬氏體的轉變，從而產生更好的耐磨性能。

二、調質鋼的性能特點

調質鋼的成分是含碳0.25%～0.5%碳素鋼或低合金鋼和中合金鋼，以含碳0. 4%居多，調質處理后的金相組織是回火索氏體。調質處理是淬火成馬氏體后在500～ 650。C之間溫度范圍內回火。經調質處理后，鋼的強度、塑性及韌性有良好的配合。

加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等：這些合金元素除了提高淬透性外，還能形成合金鐵素體，提高鋼的強度。如調質處理后的40Cr鋼的性能比45鋼的性能高很多;加入防止第二類回火脆性的元素：含Ni、Cr、Mn的合金調質鋼，高溫回火慢冷時易產生第二類回火脆性。在鋼中加入Mo、W可以防止第二類回火脆性，其適宜含量：Mo的質量分數為0.15%～0.30%，或W的質量分數為0. 8%～1.2%。

三、非調質鋼的性能特點

非調質鋼是在中碳錳鋼的基礎上加入釩、鈦、鈮微合金化元素，使其在加熱過程中溶于奧氏體中，因奧氏體中的釩、鈦、鈮的固溶度隨著冷卻而減小。微合金元素釩、鈦、鈮將以細小的碳化物和氮化物形式在先析出的鐵素體和珠光體中析出。這些析出物與母相保持共格關系，使鋼強化。這類鋼在熱軋狀態、鍛造狀態或正火狀態的力學性能達到或接近調制鋼，既縮短了生產周期，又節省了能源。

非調質鋼是在軋制狀態或正火狀態下使用的高強度鋼;非調質鋼顯微組織主要是鐵素體和珠光體;提高非調質鋼強度的方法，主要是通過添加合金元素和軋制，細化組織，常采用對于焊接性影響較小而又廉價的硅和錳作為非調質鋼主要合金元素。通過控制軋制也可細化組織，提高非調質鋼的強度和韌性。

非調質鋼的力學性能取決于基體顯微組織和析出相的強化。非調質鋼分為熱鍛用非調質鋼、直接切削用非調質鋼、冷作強化非調質鋼和高韌性非調質鋼。熱鍛用非調質鋼用于熱鍛件（如曲軸、連桿等），直接切削用非調質鋼用熱軋件直接加工成零件，冷作強化非調質鋼用于標準件（如螺母等），高韌性非調質鋼用于要求韌性較高的零部件。

非調質鋼的優點：與調質的42CrMo、40Cr、45相比，機械性能更好，從心部到邊緣的硬度更均勻，疲勞壽命更長;大幅降低制造成本，無需調質處理及相關的矯直、運輸;直接進入機加工工序，制造周期更短，資金占用更少;非調質鋼為設備小型化或達到更高性能提供更大的設計空間;非調質鋼是響應政府節能減排要求的新型產品，同時也符合發達國家的準入制度，使用者更易得到政策支持，并能提高產品國際市場競爭力。

因為非調質鋼的一系列優點，各大汽車主機廠近年來逐步廣泛應用非調質鋼取代調質鋼制造汽車關鍵結構件。