浅谈发动机曲轴材料的性能特点及发展趋势

赵生莲

摘要：曲轴是发动机中最重要的部件，曲轴的作用是将活塞的往复直线运动转换为自身的旋转运动而对外输出动力。发动机工作过程中，活塞经过混合压缩气的燃爆，推动活塞做直线运动，并通过连杆将力传给曲轴，由曲轴将直线运动转变为旋转运动，所以说，曲轴的旋转是发动机的动力源，也是整个机械系统的源动力。它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发动机上其他附件工作。曲轴受到旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲和扭转交变载荷的作用。因此要求曲轴有足够的抗弯曲、抗扭转的疲劳强度和刚度，轴颈表面需耐磨、工作均匀、平衡性好。目前，汽车发动机曲轴典型用材有球墨铸铁（含ADI）、调质钢（45，40Cr，40MnB，42CrMo）、非调质钢（C38N2，S38MnSiV，S45 CVS、48MnV、49MnVS3）等钢。本文阐述了发动机曲轴材料的性能特点及发展趋势。

关键词：曲轴;材料

【中图分类号】G718.5

【文献标识码】A

【文章编号】2236-1879（2018）13-0153-01

一、球墨铸铁（含ADI）的性能特点

等温淬火球墨铸铁（Austempered Ductile Iron，简称ADI）通常称为奥一贝球铁，具有很高的综合力学性能。与普通球铁相比，在相同韧度下，强度可提高1倍;与钢相比，具有更好的耐磨性能，在很多应用场合可取代锻钢制造机械（汽车）零件。

ADI具有强度、塑性和韧性都很高的综合力学性能，特别具有很高的弯曲疲劳强度，和良好的耐磨性，显著优于铁素体球铁和珠光体球铁，也优于传统的经调质处理的球铁以及贝氏体球铁，可与合金锻钢相媲美，因此被誉为是近30年来铸铁冶金方而的重大成就之一。

由于其基体为奥氏体，当受到外力作用时，会发生加工硬化现象，即奥氏体向马氏体的转变，从而产生更好的耐磨性能。

二、调质钢的性能特点

调质钢的成分是含碳0.25%～0.5%碳素钢或低合金钢和中合金钢，以含碳0. 4%居多，调质处理后的金相组织是回火索氏体。调质处理是淬火成马氏体后在500～ 650。C之間温度范围内回火。经调质处理后，钢的强度、塑性及韧性有良好的配合。

加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等：这些合金元素除了提高淬透性外，还能形成合金铁素体，提高钢的强度。如调质处理后的40Cr钢的性能比45钢的性能高很多;加入防止第二类回火脆性的元素：含Ni、Cr、Mn的合金调质钢，高温回火慢冷时易产生第二类回火脆性。在钢中加入Mo、W可以防止第二类回火脆性，其适宜含量：Mo的质量分数为0.15%～0.30%，或W的质量分数为0. 8%～1.2%。

三、非调质钢的性能特点

非调质钢是在中碳锰钢的基础上加入钒、钛、铌微合金化元素，使其在加热过程中溶于奥氏体中，因奥氏体中的钒、钛、铌的固溶度随着冷却而减小。微合金元素钒、钛、铌将以细小的碳化物和氮化物形式在先析出的铁素体和珠光体中析出。这些析出物与母相保持共格关系，使钢强化。这类钢在热轧状态、锻造状态或正火状态的力学性能达到或接近调制钢，既缩短了生产周期，又节省了能源。

非调质钢是在轧制状态或正火状态下使用的高强度钢;非调质钢显微组织主要是铁素体和珠光体;提高非调质钢强度的方法，主要是通过添加合金元素和轧制，细化组织，常采用对于焊接性影响较小而又廉价的硅和锰作为非调质钢主要合金元素。通过控制轧制也可细化组织，提高非调质钢的强度和韧性。

非调质钢的力学性能取决于基体显微组织和析出相的强化。非调质钢分为热锻用非调质钢、直接切削用非调质钢、冷作强化非调质钢和高韧性非调质钢。热锻用非调质钢用于热锻件（如曲轴、连杆等），直接切削用非调质钢用热轧件直接加工成零件，冷作强化非调质钢用于标准件（如螺母等），高韧性非调质钢用于要求韧性较高的零部件。

非调质钢的优点：与调质的42CrMo、40Cr、45相比，机械性能更好，从心部到边缘的硬度更均匀，疲劳寿命更长;大幅降低制造成本，无需调质处理及相关的矫直、运输;直接进入机加工工序，制造周期更短，资金占用更少;非调质钢为设备小型化或达到更高性能提供更大的设计空间;非调质钢是响应政府节能减排要求的新型产品，同时也符合发达国家的准入制度，使用者更易得到政策支持，并能提高产品国际市场竞争力。

因为非调质钢的一系列优点，各大汽车主机厂近年来逐步广泛应用非调质钢取代调质钢制造汽车关键结构件。