论曲轴加工过程中的强化技术

李鸿飞

摘 要：本文首先阐述了曲轴的常用材料及铸造工艺，然后对曲轴的几种常见的加工强化技术工艺加以研究，对国内外的曲轴加工技术展望。

关键词：曲轴；强化技术；曲轴加工

中图分类号：TG156 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）12-0060-02

曲轴是活塞式发动机的关键零件之一，其质量的好坏将直接影响到发动机的可靠性和使用寿命。随着科技的发展和社会的不断进步，发动机逐渐朝着轻量化、结构简单化及性能优质化的方向发展，这就对作为发动机主要承受负荷零件之一的曲轴的刚度和强度有了更高的要求。若曲轴的质量达不到要求，在长时间、高转速的情况下，很容易出现断裂或失效现象。因此，如何改进曲轴加工方法，强化曲轴性能就变得十分重要。

1 曲轴的材料选用及铸造工艺

1.1 曲轴常用材料

曲轴的常用材料包括球墨铸钢、调质钢及非调质钢。球墨铸钢具有较好的强度和塑性，切削性能良好，力学性能与调质钢相差不大但成本远低于调质钢，故而被广泛应用与曲轴加工制造之中。我国的汽油机曲轴大多采用球墨铸铁制造，而柴油机曲轴则大多采用调质钢或者非调质钢制造。

1.2 曲轴的铸造工艺

曲轴的铸造工艺主要有壳型法铸造工艺、铁型覆沙法铸造工艺及铁型湿沙法铸造工艺等。壳型法铸造是指将覆膜砂制壳粘接在一起形成铸型，并浇注由中频感应电炉熔化的铁水形成铸件的工艺方法。铁型覆沙法铸造是指在壁厚合适的铁型内腔上覆不同厚度的砂，使得同一铸件不同壁厚部分由于覆沙层厚度的影响而具有相同的冷却速度，使得凝固较为均衡。铁型壁厚的确定既要考虑铸件的刚度的强度，又要满足热平衡的需要。铁型湿沙法铸造是指制成砂型后直接在湿态下进行浇注的工艺方法。与壳型法铸造和铁型覆沙法铸造相比，铁型湿沙法铸造法铸造出的曲轴质量，废品率及稳定性都略差一下，但是其生产适应性强，成本低，生产效率高，因而其应用最广泛。

2 几种常见的曲轴加工强化技术工艺

通常曲轴的材料为高碳钢球墨铸铁，热处理后的曲轴应具有较强的抗疲劳性，轴颈应就有较强的耐磨性，因此加工过程中必须对曲轴进行表面强化处理，消除曲轴的轴颈磨损和疲劳断裂。针对不同材料、不同工况下的曲轴，应采用不同的加工强化处理，使曲轴的硬度、抗疲劳强度、耐磨性等方面达到良好的处理效果。

曲轴表面处理方法较多，常见的处理方法归纳起来可以分为以下几种：

2.1 氮化处理

曲轴的氮化处理包括气体软氮化、离子氮化、盐浴氮化等，主要是提高曲轴表面的硬度、抗疲劳强度、耐磨性等，该方法适用于各种曲轴，但对于提高曲轴的抗疲劳强度有限。

气体软氮化并不是单一的渗氮或者渗碳的过程，而是以渗氮为主的氮碳共渗的过程，主要由气体分解、原子吸收、原子扩散三个步骤组成，主要特点为渗速快、硬度高、热处理畸变小，但渗层梯度陡，渗层薄，一般在0.5毫米以下。气体软氮化是保温后直接淬火，温度低于渗碳的温度，一般在580℃左右。气体软氮化通常不会对曲轴的表面粗糙度造成影响，但是在淬火后进行冷却过程中，曲轴与空气接触会形成一层易脱落的薄氧化膜，该氧化膜脱落后会使曲轴生锈，降低曲轴的使用寿命，因此在曲轴软氮化处理后，应对曲轴进行抛光处理。

气体软氮化处理后，曲轴的表面会产生一层致密的化合物，使曲轴表面结构均匀，硬度加大，具有一定韧性，提高曲轴的耐磨性起主要作用；氮碳共渗层会形成具有很高硬度的化合物，提高曲轴表面的抗咬合摩擦力和耐磨性，该化合物还具有润滑减摩作用，降低曲轴的摩擦系数系数。

离子氮化是将曲轴放置在低于2MPa下的含氮气的低真空中，利用阳极与阴极（曲轴）产生的电离气体，电离出的正离子撞击曲轴表面使之温度升高，在此过程中进行一系列化学反应使曲轴表面产生一层氮化膜，提高曲轴表面的耐磨性、抗腐蚀性和抗疲劳强度。在离子氮化过程中冲入二氧化碳可以起到催化剂作用，提高氮离子的利用率，促进曲轴表面对氮元素的吸收，促进金属表面产生化合物。对于球磨铸铁曲轴，离子氮化是增强曲轴表面强度的首选工艺，其表面形成的化合层和氮化层效果良好，增强曲轴的耐磨性和疲劳强度，且不影响其表面粗糙度，是值得推广的表面强化工艺。

盐浴氮化的工作原理是将曲轴在钠盐混合物（NaCN、Na2CO3、NaCNO）和钾盐混合物（KCN、K2CO3、KCNO）的熔融盐液中进行预处理，使金属表面能够渗入多种元素，表面形成由多种元素组成的致密的复合化合物，曲轴表面的耐磨性、抗腐蚀性和抗疲劳强度大幅度提高。由于盐浴氮化的成本较高，且毒性较大污染环境，因此应用并不广泛。

2.2 圆角喷丸处理

曲轴在运动中力的大小和方向都会发生改变产生交变应力，其轴颈面变化转接圆角处产生应力疲劳和应变疲劳，对曲轴的危害极大，因此通过圆角喷丸处理来改变曲轴轴颈面抗疲劳性能。圆角喷丸处理的机理是利用直径一致的具有一定强度的丸粒，通过高速气流形成丸粒流，连续的向曲轴轴颈面喷射，曲轴表面产生较大的塑形变形，使曲轴形成冷作硬化层。由于曲轴在机械加工过程中，在切削力的作用下曲轴表面特别是曲轴轴颈转接圆角处应力分布不均，曲轴在工作中极易产生应力腐蚀降低曲轴使用寿命。曲轴经过喷丸处理后，由于受到丸粒流的撞击，曲轴表面的金属晶格發生了扭曲，产生强化层，其内部存在较高的残余压应力，使曲轴在工作中对拉应力有很好的阻止作用，这种处理后有效的抑制应力腐蚀，提高疲劳寿命。

随着圆角喷丸处理技术的不断发展，用于改善和提高曲轴的应力疲劳和应变疲劳已成为主要研究方向，采用计算机控制系统对喷丸流程进行监控，可以根据曲轴的实际情况控制喷丸的速度和质量，能提高疲劳强度的20%～40%，从而大大提高曲轴的抗疲劳寿命。

2.3 圆角滚压处理

圆角滚压的原理是在曲轴的轴颈和连杆颈的圆角处，利用滚轮碾压使圆角处产生塑性变形，其工艺主要分为曲轴圆角滚压和曲轴液压校正。圆角滚压时由伺服传动系统控制曲轴的转速和转角，伺服液压系统控制压力负载，对曲轴的圆角进行滚压。液压校正首先要检测曲轴的弯曲变形量和相位方向，然后用传感器检测曲轴轴颈处的摆差，对摆差数据进行分析得出还应在哪些轴颈或连杆颈处再进行滚压，消除曲轴弯曲。

圆角滚压的特点有曲轴的圆角处形成致密层，提高曲轴的硬度和机械强度；降低曲轴圆角处的粗糙度，大大减小圆角处的应力集中，提高曲轴的疲劳强度；滚压过程中产生的残余应力，可以抵消曲轴在工作中的拉应力；可控制轴颈和连杆颈滚压压力，同一轴颈圆角在不同角度上的压力也可控；可一次完成曲轴所有圆角滚压，提高生产效率。

2.4 轴颈淬火

曲轴轴颈淬火是为了提高曲轴轴颈表面的硬度、耐磨性和抗疲劳强度。首先对铸件加热到临界温度以上，并保温一定时间，使铸体转化为均匀的奥氏体，然后快速冷却到临界冷却温度以下，得到马氏体或贝氏体组织。在保证铸件奥氏体化的提前下，淬火温度尽量不要太高，防止其残余奥氏体量增加，降低铸件韧性。保温时间不宜过长，以避免奥氏体晶粒粗化。

2.5 复合强化处理

复合强化处理是对曲轴采用多种处理工艺进行强化处理，例如曲轴圆角滚压加轴颈淬火处理，圆角滚压加离子氮化进行复合强化等可以大幅提高曲轴的抗疲劳强度，是曲轴强化的必然趋势。

3 结语

汽车动力系统正在经历一场能源革命，汽车发动机的制造技术也正在朝着高效率、大规模、低成本和柔性化的方向发展。曲轴作为发动机的重要零件之一，其发展趋势应能满足发动机的需求，未来，曲轴制造技术将朝着高效加工的方向继续努力，多品种、小批量的复合加工技术同样也是曲轴的未来发展方向之一。对曲轴加工过程中的强化技术加以研究，能更好的应对不断变化的市场需求。

参考文献

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