2.3曲轴飞轮机构的热处理

2.3.1曲轴

1.工作条件和性能要求

曲轴（图2-9)是内燃机最重要的零件之一，它与气缸、活塞和连杆等零件组成了发动机的动力装置。

图2-9 曲轴的构造

1—曲轴前端 2—连杆轴颈 3—主轴颈 4—曲柄臂 5—平衡重 6—飞轮接盘

曲轴的作用是将做功行程中经连杆传来的力变成转矩，并带动发动机其他机件（如水泵、油泵和气门等)运动和向外输出动力（功率)。曲轴的转速为6000r/min，发动机的每个工作行程都有很大的燃气压力，通过活塞、连杆突然传递到曲轴上，并以100～200次/s的频率反复冲击曲轴，因此将造成曲轴的扭转振动和弯曲振动，同时在一定的条件下还会产生很大的附加应力，因此受力十分复杂。此外在高速内燃机中还存在扭转振动，这会造成很大的应力。曲轴的主轴径、连杆轴径和曲轴臂各处受到较严重的磨损，受力各不相同。

具体而言，曲轴应具有以下力学性能:具有足够的强度，减少轴径的翘曲变形，提高自抗振能力；表面有高的硬度、弯曲疲劳强度、抗扭强度和耐磨性，轴颈处有高耐磨性；有高的疲劳强度和冲击韧度；有良好的润滑作用。

2.材料的选用

曲轴常用中碳钢和中碳合金钢模锻而成，也可采用球墨铸铁制造。一般根据发动机的负荷、种类不同而选用不同的钢种，汽油机采用碳素钢，而柴油机多采用低或中碳合金钢制造。钢分为碳素结构钢（如45、50等)、中碳合金结构钢（如40Cr、40MnB、50Mn、35CrMo、42CrMo、40CrNiMoA、18Cr2Ni4WA等)、非调质钢（如45V、48MnV、49MnVS3等)。球墨铸铁分为镁球墨铸铁、稀土球墨铸铁和合金球墨铸铁等。为提高曲轴的耐磨性和疲劳强度，曲轴轴颈表面需进行高频感应淬火或渗氮处理，并进行磨削加工，以获得低的表面粗糙度值和高的表面精度。

通常材料的选择依据为:低速内燃机采用正火状态的碳素钢、球墨铸铁；中速内燃机采用调质碳素钢或合金钢，如45、40Cr、45Mn2、50Mn2等及球墨铸铁；高速内燃机则采用高强度合金钢，如35CrMo、42CrMo、18Cr2Ni4WA等。

曲轴的常用材料及相关技术要求见表2-20。在实际生产过程中常采用45钢和球墨铸铁制造曲轴。部分内燃机曲轴用铸铁及其力学性能要求见表2-21，供参考。

表2-20曲轴的常用材料及相关技术要求

表2-21部分内燃机曲轴用铸铁及其力学性能要求

曲轴采用锻压或冲压成形，曲轴的整体流线随轴向而变化，可确保具有最佳的力学性能。成形后经正火、调质处理，切削加工后进行的热处理通常是在轴径部位进行感应淬火。整体锻压曲轴的方式有自由锻、模锻等，其中模锻曲轴具有强度高，有利于纤维方向和组织的合理分布，有利于获得最佳的截面模量和结构紧密的细晶粒金相组织，尺寸紧凑，质量较轻等特点，因此在实际生产过程中应用较广。

3.曲轴的热处理工艺

（1)曲轴的热处理技术要求

1)在所有主轴径和连杆轴径处锻钢淬硬层硬度均为55～63HRC，淬硬层深度为2.0～4.5mm，晶粒度为3～7级，淬硬层边缘到曲轴端面的非淬硬带长度，对于V形曲轴不大于4～5mm，对于直列式曲轴不大于6～8mm。

2)球墨铸铁淬硬层硬度为42～55HRC，淬硬层深度为1.5～4.5mm。

3)曲轴毛坯热处理前的硬度:锻钢正火后为163～241HBW，调质后为207～302HBW；球墨铸铁正火后为240～300HBW。

（2)曲轴的预备热处理 可获得必要的力学性能，改善材料的切削加工性，为最终热处理做组织准备。对锻钢而言，调质处理后为回火索氏体组织，硬度为207～302HBW；正火后组织为珠光体＋铁素体，硬度为163～241HBW，晶粒度为10～14级；对球墨铸铁来说，正火硬度为240～300HBW，石墨球等级为1～3级，晶粒度为5～8级。

（3)曲轴的热处理

1)45钢曲轴的热处理。根据曲轴的技术要求，材料表面应硬度高，耐磨性好，而心部应具有高的强度和冲击韧度。因此曲轴的热处理可采用一般淬火、火焰淬火和高频感应淬火三种方法。

①一般整体加热淬火和冷却。在箱式炉或在盐浴炉中快速加热，在淬火机床中加压冷却，通过调整加热温度、加热速度、冷却时间和淬火冷却介质，可获得不同的淬火组织。表面组织为马氏体而心部组织为索氏体，达到外硬内韧的技术要求。

②火焰淬火和冷却。用氧-乙炔火焰加热后水冷，喷嘴不动，曲轴的转动速度为8m/min，应控制加热的速度和温度，淬火后的淬硬层为3～5mm。

③高频感应淬火和冷却。采用曲轴轴径轮流淬火的方法，分别进行表面淬火，曲轴的淬火温度为860～900℃，感应器（圈)内壁圆周上钻有供应冷却水的小孔，其直径为1.5～2.5mm，水的压力通常为0.15～0.35MPa。硬度和淬硬层符合要求。感应淬火是一种节能的热处理技术，可明显提高热处理的工作效率，按生产节拍组织生产，因此可称为热处理成本最低的热处理技术。各种表面处理对曲轴弯曲疲劳强度的影响如图2-10所示。

图2-10 各种表面处理对曲轴弯曲疲劳强度的影响

2)球墨铸铁曲轴的热处理。其热处理工艺有正火和高频感应淬火两种。球墨铸铁主要进行奥氏体正火处理，为提高曲轴的力学性能，也可采用调质或正火后表面淬火、等温淬火等工艺，以提高球墨铸铁曲轴的韧性和塑性。球墨铸铁的传统正火工艺见表2-22。

表2-22球墨铸铁的传统正火工艺

高频感应淬火温度为900～950℃，加热速度要低（75～150℃/s)。在300℃自回火，回火温度为180～220℃，时间为1.5～2h，硬度为52～57HRC。

3)曲轴的表面热处理（表面强化)。曲轴经过氮碳共渗处理后，其疲劳强度和轴径的耐磨性得到大幅度提高，硬度≥420HV，渗层深度不小于0.10mm。而离子渗氮的硬度和渗层深度优于氮碳共渗处理工艺。

（4)常见曲轴的热处理工艺规范 常见曲轴用材料的预备热处理和最终热处理工艺规范见表2-23。

表2-23常见曲轴用材料的预备热处理和最终热处理工艺规范

曲轴的感应淬火是热处理工艺中的重要工序，是曲轴轴径硬化的必备措施。常见的曲轴感应器有两类，一是整圈分开式感应器，用于曲轴静止不动条件下的表面淬火；另一种为半圈淬火感应器，曲轴在感应器内作旋转运动。频率根据轴径而定，一般直径小于50mm为8000Hz，大于50mm时为2500Hz即可。

曲轴的半圈感应器最常用，应用范围广。它是由有效圈、外护板、定位块和淬火冷却装置四个主要部分组成的，具体如图2-11所示。其中的有效圈是用异性纯铜管焊焊接而成的一个串联成“吕”字形的半圆导体，有效圈的示意图如图2-12所示。它的形状是由4根轴向导线和4根圆弧导线组成的两个“口”字形线圈串联形成的，其围成半圆弧形扣在轴径上，8根有效导线与轴径表面的间隙为1.5～2mm。4根轴向导线产生横向磁场，产生的轴向感应电流加热轴径，曲轴以60～100 r/min的速度旋转，喷水冷却，一般在导线上装有“∏”形硅钢片导磁体。

图2-11 曲轴半圈淬火感应器示意图

1—定位块 2—有效圈 3—外护板 4—淬火冷却装置

图2-12 曲轴半圈感应器原理示意图

曲轴经感应淬火后，其轴径和曲柄连接的圆角处未淬火处理，因此会产生较大的拉应力，降低了曲轴的疲劳强度。对于大功率的汽车曲轴应采用轴径和圆角同时淬火的热处理工艺方法，该方法的特点为在原半圆感应器的基础上，将有效弧形段截面的厚度加以改变，并捆上导磁体，目的是使曲轴圆角和轴径同在较强的感应器下被加热淬火，获得理想的淬火效果和一定的残留压应力。

资料介绍球墨铸铁采用上述方法处理后，曲轴的疲劳寿命大大提高。对曲轴轴径、圆角同时感应加热时，在保持硬化层深度的前提下，还要特别注意其形状和分布情况。理想的硬化层截面分布为整个圆角处完整延续并呈圆弧过渡。

目前国际上通用的曲轴圆角淬火技术是在圆弧导体上加上硅钢片导磁体，使中频电流流向圆弧导体的外侧，得到包括轴径两端圆角在内的硬化层，这种硬化层的合理分布可大大提高曲轴的疲劳强度。曲轴圆角淬火感应器及硬化层分布如图2-13所示。495曲轴的圆弧硬度分布曲线如图2-14所示。

6100发动机曲轴轴径与感应器有效圈尺寸的关系见表2-24。

图2-13 曲轴圆角淬火感应器及硬化层分布

1—轴径表面加热用导磁体 2—圆角加热用导磁体

图2-14 495曲轴的圆弧硬度分布曲线

表2-246100发动机曲轴轴径与感应器有效圈尺寸的关系

采用整圈分开式感应器，使曲轴静止加热淬火，有两个缺点:①曲柄相对磁场屏蔽，会造成曲轴轴径和径向各部分的加热温度产生极大的差别，故表面硬度不均匀；②曲轴静止加热，淬火后轴径周围硬化层深度不均匀。而采用半圆淬火感应器、曲轴本身旋转的加热方法则克服了整圈淬火的缺点，即具有硬化层深度均匀、宽度一致，减小曲轴淬火变形量，阻止轴径上油孔出现淬火裂纹等优点，因此在曲轴的实际感应淬火中采用该工艺方法。

6100发动机曲轴感应加热的电参数和淬火工艺规范见表2-25。这里以材料QT600-3为例，感应淬火前曲轴正火硬度为220～260HBW，感应圈与轴径的间隙为2mm。

（5)曲轴的化学热处理 曲轴的化学热处理包括离子渗氮、气体氮碳共渗等，为了提高曲轴的表面硬度，获得良好的耐磨性、疲劳强度和高的耐蚀性，通常大功率柴油机曲轴采用离子渗氮（或气体渗氮)的方法，它具有渗层厚、时间长、设备复杂等特点。汽车和拖拉机用曲轴一般采用铁素体氮碳共渗的方法，其特点为渗层薄、摩擦因数低，因此提高了曲轴的抗咬合、抗擦伤能力，获得了高的疲劳强度和耐磨性等。其工艺特点为温度低、时间短、化学处理后变形小、节能等，因此大部分曲轴普遍采用该工艺。

表2-256100发动机曲轴感应加热的电参数和淬火工艺规范

表面热处理和化学热处理同普通的热处理工艺相比，可获得最佳的表面硬化层，提高了曲轴的疲劳强度、抗弯强度，曲轴具有良好的耐磨性、耐蚀性等。热处理方法对球墨铸铁曲轴耐磨性的影响见表2-26，硬度不足将造成性能和使用寿命的降低，而过厚的硬化层会增大曲轴的脆性和内应力，出现早期的失效和损坏，因此工艺方法对曲轴的寿命有重大的影响。

表2-26热处理方法对球墨铸铁曲轴耐磨性的影响

目前对球墨铸铁采用了热处理强化和冷加工复合强化新工艺，即球墨铸铁曲轴经热处理后再进行滚压处理。如正火＋滚压轴颈与曲柄臂过渡圆角处，在表面形成了0.5mm的冷加工硬化层，增大了残留压应力的作用，提高使用寿命70％以上，效果十分明显，在生产中得到了十分广泛的应用。

目前曲轴氮碳共渗有液体氮碳共渗、气体氮碳共渗两种。液体氮碳共渗具有时间短、渗速快、质量稳定等特点。国内某柴油机厂对曲轴进行液体氮碳共渗，采用德固萨氮碳共渗基盐（TF1)和氧化盐（AB1)处理曲轴效果不错。国内大部分曲轴制造厂采用国产氮碳共渗基盐（CJ-1、TJ-2、TJ-3)和氧化盐（Y-1)对曲轴进行化学热处理。液体氮碳共渗后的盐浴有轻微毒性，会造成环境的污染，故需要进行中和处理。而采用含氧气氛的气体氮碳共渗，则可避免出现环境污染问题。495柴油机曲轴气体氮碳共渗工艺规范如图2-15所示。

球墨铸铁的成分、铸造和热处理工艺对其使用性能有重大影响，因此应严格控制各工序的技术参数。铸态曲轴应无石墨漂浮、皮下气孔和疏松等，一般球墨铸铁曲轴的热处理工艺曲线如图2-16所示。常见球墨铸铁曲轴的化学成分见表2-27。

图2-15 495柴油机曲轴气体氮碳共渗工艺规范

（QT600-3、原始硬度为229～302HBW，渗层深0.10～0.16mm)

图2-16 球墨铸铁曲轴的热处理工艺曲线

表2-27常见球墨铸铁曲轴的化学成分

为了获得高强度、高韧性和高耐磨性的综合力学性能，对球墨铸铁曲轴进行等温淬火，可获得下贝氏体组织。曲轴的毛坯应经过完全奥氏体化正火，使自由渗碳体积磷共晶符合技术要求，同时使珠光体的体积分数在75％以上，这样才能为曲轴等温淬火的快速加热创造条件。球墨铸铁曲轴的等温淬火工艺规范如图2-17所示。

采用贝氏体等温淬火获得了以下贝氏体为主的组织，其具有强度高、耐磨性好、疲劳强度高等优良性能。球墨铸铁的上、下贝氏体的分界温度约为300℃，因此等温温度应严格控制。等温淬火工艺为880℃×15min，260～280℃×60min，既可防止温度升高到300℃以上生成上贝氏体，同时也避免了因温度过低造成的马氏体数量增加、冲击韧度下降的质量缺陷。

S195曲轴经不同热处理后的性能对比见表2-28。从表中可以看出，经正火处理的曲轴中频感应淬火后有最高的使用寿命和高的耐磨性，成本低，能耗少。因此，曲轴采用正火＋中频感应淬火的热处理工艺是十分适宜的。

图2-17 球墨铸铁曲轴的等温淬火工艺规范

表2-28S195曲轴经不同热处理后的性能对比

4.热处理工艺分析与操作要点

1)采用锻造余热淬火、回火或锻后空冷正火，可达到节能、改善切削加工性、提高曲轴质量的效果，采用非调质钢同样可获得理想的结果。

2)曲轴的加热温度为860～900℃（以45钢为例)，中频感应淬火的加热时间一般与功率的大小有关，冷却时间为加热时间的0.9～1.2倍。此时水压为0.015～0.4MPa，水温为18～35℃。球墨铸铁曲轴采用的加热温度为900～950℃，在300℃左右进行自回火后，仍需在180～220℃补充一次回火处理，可有效防止变形与开裂。

3)曲轴上油孔与轴颈表面交接处的孔壁很薄，淬火加热时此处升温速度快、温度高，而冷却时降温速度快，因此会产生油孔裂纹。特别需要注意的是，在感应器的有效圈上镶入硅钢片导磁体，可有效防止曲轴油孔出现C型淬火裂纹。

4)防止出现淬火开裂的方法包括:严格控制硬化层深度；在孔洞中打入铜棒，堵塞喷水孔；降低加热的比功率，减缓加热速度，提高传热效果，提高油孔（洞)周围温度的均匀性和提高自回火温度等。

5)曲轴除了出现淬火开裂以外，在热处理后的磨削过程中，由于进行高速磨削会出现磨削裂纹，有时出现龟裂、裂纹局部凸出表面和鼓起等，甚至有薄片的剥落。磨削裂纹产生的过程实际上是淬火的过程，高速磨削的砂轮与工件接触处温度可达1000℃左右，磨削过程中需要不断地向砂轮和工件喷射切削液，其目的是对砂轮和工件降温、在磨削过程中加以润滑、冲洗砂轮防止砂轮微孔被磨粒等塞满。

6)为了提高曲轴的疲劳强度，所有的表面强化方法都是为了在轴颈表面，尤其是在圆角部位形成有效的压应力层。经验表明，各种表面强化方法对提高曲轴疲劳强度的贡献从小到大依次为离子渗氮、气体氮碳共渗、液体氮碳共渗、轴颈感应淬火复合圆角滚压强化、轴颈与圆角感应淬火，应进行合理的工艺选择。

7)曲轴的感应淬火与表面处理检测项目见表2-29。

表2-29曲轴的感应淬火与表面处理检测项目

5.曲轴的常见感应淬火缺陷和防止措施（表2-30)

表2-30曲轴的常见感应淬火缺陷和防止措施

6.曲轴的表面强化技术

曲轴的表面强化技术包括氮碳共渗与圆角滚压工艺等，其中滚压和喷丸强化工艺已经得到了较为广泛的应用。曲轴在工作过程中要承受高压力、交变载荷的作用，因此必须采用表面强化工艺。表面强化既可采用化学热处理的方法，改变零件表面的组织、成分和性能，满足技术要求；也可使用机械的方法，使零件局部的表面状态发生变化，形成残余压应力，提高疲劳寿命等；另外对零件进行表面感应淬火等，同样可获得较高的强度和使用寿命。根据曲轴的工作条件和使用状况，可采用上述工艺措施实现曲轴的表面处理。在不改变曲轴材料和结构的条件下，采用热处理和机械的强化方法，实现曲轴表面强化的效果十分明显。机械的强化方法为喷丸和圆角滚压；热处理的强化方法有淬火、调质、正火、表面淬火、等温淬火等，化学热处理的强化方法有多种，如渗氮、氮碳共渗、硫碳氮共渗、氧碳氮共渗、碳氮共渗、渗碳等。表面强化又分为前期强化、中期强化和后期强化三种，经过比较后期强化处理的效果最为明显。曲轴采用了对轴径表面和圆角进行强化处理的方法，提高了轴径表面的硬度和耐磨性。

综合归纳出表面强化的作用有以下几点:使表面残留奥氏体诱变为马氏体，强化了非马氏体组织，同时产生冷作硬化；细化了表层组织，降低了表面粗糙度，提高了表层的硬度；消除磨削加工产生的残余应力；提高了疲劳强度和抗应力腐蚀的能力；延长了弯曲疲劳裂纹萌生期及降低了裂纹的扩展速率。

（1)曲轴的圆角滚压工艺 在曲轴的曲柄和轴径过渡圆角等应力集中部位，采用机械方法对圆角表面进行滚压，实现表面冷加工硬化，故形成残余压应力表面层，同时可消除切削加工的痕迹以及亚微观裂纹，并使内圆角的几何形状精确，因此可提高曲轴的疲劳强度。通常曲轴圆角滚压工艺具有以下特点:工艺简单，生产周期短，制造成本低；使用范围广，可滚压所有材料的曲轴；明显提高曲轴的疲劳强度；表面硬度提高，耐磨性提高；采用圆角滚压可减少磨削时间，提高砂轮的寿命；可消除表面的显微裂纹、针孔、气孔等曲轴的铸造缺陷；滚压硬化层的深度和最大残余应力值，取决于采用的压力、滚轮的形状、尺寸大小和曲轴的材料。

（2)喷丸强化工艺 除采用表面滚压工艺外，喷丸强化也收到了良好的效果。用压缩空气将大直径的0.4～2mm的丸粒（如铸铁丸、钢丸、铝丸和玻璃丸等)以35～50m/s的速度，高速喷射到曲轴表面，其表面产生很大的塑性变形，表面产生冷作硬化，故存在较大的压应力作用。对表面粗糙度Ra值为2.5～5μm的曲轴，使用直径0.7mm的钢丸喷射后的表面粗糙度Ra值变为0.32～0.63μm，明显改善了表面质量。常用的钢丸粒是切得很短的钢丝（呈球状)，用小丸粒可对曲轴的凹槽和凸起、过渡圆弧处进行强化处理，在实际强化处理过程中，压缩空气喷丸和机械喷丸的效果一致，喷丸机的性能不同其相应的技术参数也有区别，应根据具体的设备性能和曲轴的技术要求进行选择，形状复杂的零件等强化后的使用寿命成倍提高。

对表面进行喷丸强化的作用有:提高了疲劳强度，延长了构件的寿命；在寿命相同的条件下，提高了承载能力；可减小零件的尺寸和质量；降低了对精加工尺寸的要求；降低了制造成本；使用满足高强度要求的零件，不必担心出现缺口敏感性。

2.3.2飞轮

1.工作条件与技术要求

飞轮的主要功用是储存做功行程能量，用于克服进气、压缩和排气行程的阻力和其他阻力，使曲轴能均匀地旋转。飞轮外缘压有的齿圈与起动机的驱动齿轮啮合，供起动发动机用；汽车离合器也装在飞轮上，利用飞轮后端面作为驱动件的摩擦面，用来对外传递动力。

飞轮是高速旋转件，因此，要进行精确地平衡校准，平衡性能要好，达到静平衡和动平衡。飞轮是一个很重的圆盘，用螺栓固定在曲轴后端的接盘上，具有很大的转动惯量。飞轮的大部分质量集中在轮缘上，飞轮轮缘上镶有齿圈，齿圈与飞轮紧配合，有一定的过盈量。

2.材料的选用

一般飞轮多采用灰铸铁制造，如HT200、HT250。当轮缘的圆周速度超过50m/s时，应选用球墨铸铁或铸钢制造，如QT450-10、QT600-3、QT500-7等，而国外也采用45钢制作的飞轮。

3.热处理工艺

需要注意的是，曲轴的正时齿轮一端和飞轮一端在等温淬火后要进行机械加工，因此要防止其硬度过高。正时齿轮一端加一轴套，而飞轮一端在等温淬火后，在盐浴炉中进行快速的局部退火，即900～950℃加热、保温2～3min后空冷，使该部分硬度控制在240～290HBW，其余部分的硬度一般在42～48HRC。通常球墨铸铁曲轴等温淬火后不再进行回火处理，如果硬度超过工艺要求，如要求硬度为47～49HRC，则进行380℃回火即可。