探析柴油发动机连杆的材料及其生产工艺（上）

文／燕来荣·东风汽车公司重型车总装配厂

探析柴油发动机连杆的材料及其生产工艺（上）

文／燕来荣·东风汽车公司重型车总装配厂

由于日益严格的排放法规要求和燃油消耗法规规定，小排量、高功率、高转矩成为了发动机技术的发展趋势，现在发动机缸内最大爆发压力可高达20MPa。不断强化的发动机设计目标，使得人们更加关注连杆成品的强度。国内外也一直在对连杆材料、加工工艺和表面强化手段进行探讨和革新。

连杆的功用及结构特点

柴油发动机连杆的强度、刚度和质量对提高发动机的动力性和可靠性至关重要，连杆是柴油机的主要运动部件，其作用是将活塞的直线往复运动转化为曲轴的旋转运动，实现发动机由化学能转变为机械能的输出，它承受着复杂的拉压交变载荷，如果材料与热加工工艺过程失控，会给连杆留下内在缺陷，在柴油机运转过程中极易造成连杆断裂失效，不仅使整机毁坏，且易危及人身安全。因此，随着发动机向高功率密度目标的发展，对连杆的材质与热加工工艺的控制也提出了更高的要求。连杆的材料从优质中碳合金结构钢向中、高碳非调质钢发展，相应地，连杆热处理技术由调质处理、锻造余热淬火发展至锻后控制冷却，连杆大头孔剖分由切割技术发展至胀断裂解技术。

现代高速柴油机技术的发展呈现出高效、节能、环保、节约的趋势，这导致柴油机关键零件的制造不断涌现出新材料与新工艺。以发动机连杆为例，连杆自身的可靠性要求制造连杆体的材料要有足够的强度，连杆体的几何结构要有良好的结构刚度。连杆属于典型的“杂件”类零件，不但精度要求高、形状复杂、制造难度大，而且批量大，会直接影响发动机的质量。

连杆是较细长的变截面非圆形杆件，其杆身截面从大头到小头逐步变小，以适应在工作中承受的急剧变化的动载荷。中等尺寸或大型连杆是由连杆体和连杆盖两部分组成的，连杆体与连杆盖用螺栓和螺母与曲轴主轴颈装配在一起，而尺寸较小的连杆(如摩托车发动机用连杆）多数为整体结构。为了减少磨损和磨损后便于修理，在连杆小头孔中压入青铜衬套，大头孔中装有薄壁巴氏合金轴瓦。连杆体和连杆盖可以分开锻造，也可以整体锻造，选用哪种锻造方式取决于毛坯尺寸及锻造毛坯的设备的能力。

连杆是柴油发动机中的重要零件，它连接着活塞和曲轴，将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。连杆在工作中，除承受燃烧室燃气产生的压力外，还要承受纵向和横向的惯性力。因此，连杆在一个复杂的应力状态下工作，它既受交变的拉压应力，又受弯曲应力。

连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形，通常疲劳断裂的部位是在连杆上的3个高应力区域。连杆的工作条件要求连杆要具有较高的强度和抗疲劳性能，也要具有足够的刚性和韧性。

连杆的材料

连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷，因此连杆必须具有足够的疲劳强度与刚度。同时，为了减少惯性力，连杆的重量应尽可能的轻。

传统的连杆加工工艺中，其材料一般采用45钢或40Cr、45Mn2等优质钢或合金钢，如今越来越多地采用球墨铸铁，其毛坯用模锻的方法制造。连杆用的材料一般有以下6种：中碳钢；中碳合金钢；铸铁，分可锻铸铁和球墨铸铁；粉末冶金；非调质钢；胀断连杆用钢。现在国外所广泛采用的连杆裂解的加工技术要求其脆性较大，硬度更高，因此德国汽车企业生产的新型连杆材料多为C70S6高碳微合金非调质钢、SPLITASCO系列锻钢、FRACTIM锻钢和S53CV-FS锻钢等(以上均为德国DIN标准）。合金钢虽具有很高的强度，但对应力集中很敏感，所以在连杆外形、过渡圆角等方面需严格要求，还应注意表面加工质量以提高疲劳强度，否则高强度合金钢的应用并不能达到预期效果。

连杆是柴油机的重要部件，不但要有高的抗拉、压强度和高的疲劳强度，而且要有足够的刚性和韧性。连杆的硬度应在207～289HB，因不同柴油机型号而异。通常连杆以调质状态在发动机里服役，其寿命首先取决于调质工艺质量，因此连杆的调质热处理非常重要。它的金相组织必须是1～4级晶粒度的细的回火索氏体(可有少量托氏体和极少量铁素体）；小型汽油机连杆多采用可锻铸铁或者球墨铸铁，前者硬度应为210～260HBS，抗拉强度不低于619MPa，后者硬度应为240～280HBS，抗拉强度不低于690MPa。铸铁材料的连杆一般也要经过表面喷丸等处理。粉末锻造工艺在欧美国家于20世纪30年代就已经应用于实际生产，随着技术的不断改进，粉末锻造成为了一种新兴的金属零件成形工艺。粉末锻造连杆常用的材料为HS150TM及HS160TM。粉末锻造连杆的力学性能以及疲劳强度与锻钢连杆相似，高强度的粉末锻造连杆抗拉强度可达1000MPa以上。

长期以来连杆使用的材料是中碳钢、中碳合金钢或铸铁，当然最理想的是高比强度的轻质材料——钛合金，但目前限于成本昂贵，钛合金连杆仅用于赛车发动机上。碳素调质钢和合金调质钢是连杆用钢的传统钢种，通常小功率的发动机采用碳素调质钢，大功率的发动机采用合金调质钢。碳素调质钢硬度一般在229～269HBS；合金调质钢可达到300HBS，但最高不超过330HBS。碳素调质钢抗拉强度可达到800MPa以上，冲击韧度在60J/cm2以上；合金调质钢抗拉强度可达到900MPa以上，冲击韧度在80J/cm2以上。调质钢连杆用于要求连杆有较高强度和韧性的大功率柴油机。多年来，高速柴油机连杆一直以优质中碳结构钢和中碳合金结构钢为主，如45、40Cr、35CrMo、42CrMo和40MnB，美国AISI C-1541，德国CK45、DIN 37MnSi5，日本S45C等结构钢。结构钢在热模锻后经调质处理，可获得良好的综合力学性能。

近年来连杆材料发生不少变化，如粉末冶金和裂解连杆用高碳钢用于大规模生产。这既是对传统连杆用材料的挑战，也是降低成本的有效途径。使用温压粉末冶金可使连杆的总成本降低30%，使用裂解连杆用高碳钢则可降低11%的总成本。目前，主要汽车厂家都在考虑变换连杆材料以代替传统的连杆材料。美国杜邦公司和克莱斯勒汽车厂合作开发的刚玉纤维增强铝锂合金基复合铸造的汽车连杆，其重量轻、强度好，抗拉强度达560MPa，而且膨胀系数小，对提高发动机的效率极为有利，其刚度、强度和疲劳极限都能满足高性能汽车的材料要求。本田研究开发中心开发了一种不锈钢加强的铁合金连杆，重量减轻了30%，应用在家庭小汽车上，提高了发动机的功率和燃料经济性能。

温压粉末冶金克服了传统粉末冶金密度低、成本高的缺点，将其密度提高了0.15～0.40g/cm3，生产成本也较传统的粉末冶金低。温压工艺中使用润滑剂以降低粉末之间的摩擦力、减小压制过程中的颗粒重排阻力、提高密度。温压技术的出现为制造高性能粉末冶金压制连杆提供了新的契机，它不但可以有效提高粉末冶金压制连杆的密度，而且可以使烧结态连杆获得足够的使用性能，免去普通粉末冶金工艺后期的热处理工序。发动机试验结果表明，温压—烧结连杆的使用性能和粉末锻造连杆相同，并且有效降低了连杆的制造成本，其温压温度为1130℃时的烧结密度达7.4g/cm3。在烧结状态下，抗拉强度为1050MPa，屈服强度为560MPa，抗压屈服强度为750MPa，对称循环抗拉疲劳强度为320MPa，标准差仅为±10MPa。温压技术提高了密度，使压坯有足够的强度满足去毛刺、钻孔、攻螺纹等机加工的要求，以及有望直接对连杆压坯大头进行裂解处理。连杆坯烧结之后仅需组装和一些精切削与磨削加工工序，最大限度地减少了连杆后期的机加工工序。

发动机连杆裂解加工技术是目前国际上连杆生产的新技术，具有传统连杆加工方法无可比拟的优势，其加工工序少、节省精加工设备、节材节能、生产成本低，近年来国内已越来越普遍地采用这种加工技术来生产连杆。对于连杆的裂解加工来说，连杆的材料及其金相组织不仅影响产品性能和切削性，而且还决定可裂开性和断面质量，因此所用材料对裂解工艺有着决定性的作用。为了满足裂解加工的质量要求，连杆材料要在保证强韧综合性能的前提下限制连杆的韧性而使断口呈脆性断裂特征。目前裂解连杆的材料主要有粉末冶金、锻钢和球墨铸铁。粉末冶金材料具有良好的脆性断裂性能，连杆裂解加工技术早期广泛采用此种材料。其优点是粉末锻造毛坯的精度高，不需连杆毛坯粗加工，减少了材料费用和加工工序，但粉末冶金连杆制坯成本较高且其疲劳强度低于锻钢连杆。铸造连杆的低塑性和易脆断性非常适合裂解加工技术的应用，但是铸造连杆重量偏差大、力学性能较差，这使其应用受到了限制。锻钢连杆尺寸精度高、组织结构与力学性能好，在传统连杆制造业中应用最为广泛，尤其适用于负荷大、转速高的发动机以及要求连杆具有高疲劳强度和可靠性的场合。

康明斯发动机连杆选材为美国标准SAE 1541钢，其材料标准为康明斯标准30062-04，采用调质热处理工艺。国产化时，将毛坯材料定为40MnBH(GB 5216—1985），采用锻造余热淬火加高温回火调质热处理新工艺，此方法既能获得良好的综合机械性能，又能提高疲劳强度，还能节省大量的能源。毛坯为整体锻造，其外形精度高，省材料，工艺简化，便于组织生产、加工和运输。该连杆硬度为255～302HB(3.5～3.8dB），材料的奥氏体晶粒度国标规定为7～8级，CKD连杆实物的晶粒度水平为7级。近年来，非调质钢作为在传统材料基础上发展起来的一个新品种，得到了广泛的应用。非调质钢是在中碳钢基础上添加钒、钛、铌等微合金元素，通过控制轧制或锻造过程的冷却速度，使其在基体组织中弥散析出碳、氮的化合物从而使其得到强化。该材料对锻造工艺而言，省去了调质处理工艺，避免了热处理裂纹，节省了大量的能源。从加工方面看，由于添加了S、Ca等元素，因此切削性能得到了明显的改善，断屑容易，排屑流畅，刀具寿命大大提高。在1984～1994年期间，康明斯采用调质钢毛坯SAE 1541钢，1995年全面转用非调质钢毛坯38MnVS。1993年以来，选用了40MnVG非调质钢进行了材料、加工工艺等各项相关试验。批量切削试验表明，零件废品率明显降低，拉削加工表面质量提高了一个等级，表面粗糙度Ra值从3.2μm提高到2.2～1.6μm，拉削振动明显降低，刀具耐用度提高了1.5～2倍。

除康明斯外，Benz、Deutz、MAN、日产、日野等公司的柴油机和中国一汽的6DL柴油机也使用 了 38MnV(或 40MnV）、S43CVS、S53CV-FS、SPLITASCO38等非调质钢。非调质钢按其强韧性可以分为4类：基本型、高韧性型、高强度型和高强度、高韧性型，其中基本型和高强度型适用于发动机连杆。我国研究的非调质钢主要是钒系、锰钒系、锰钒氮系，每个系列都开发了添加易切削元素的钢种。用于发动机连杆的钢种有35MnVS、35MnVN、40MnV、48MnV等，其强度都在900MPa以下。疲劳试验表明，非调质钢连杆的疲劳强度与相同级别的调质钢相当。 (未完待续)

燕来荣，高级技工，主要从事汽车装配试验技术方面的工作。