汽车涡轮轴的选材及热处理

攀枝花学院学生课程设计（论文）汽车涡轮轴的选材及热加工工艺设计学生姓名： 张学勇学生学号： 201311105084院（系）： 材料工程学院年级专业：2013级金属材料工程指导教师： 邓刚 副教授二0六年五月攀枝花学院本科学生课程设计任务书题目选材及热加工工艺设计1、课程设计的目的使学生融会贯通相关金属材料专业基础课程理论知识，加深对所学理论知识 的掌握与应用，培养学生综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力，培养学 生计算、绘图、编写设计文件或撰写科研报告的能力。2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）内容：（1）零件或工具的服役条件选择与分析。（2）零件或工具的选材及分析。（3） 零件或工具的生产工艺流程选择。（4）零件或工具的热处理工艺设计。（5）零件 或工具的内部质量预测。要求：（1）结合热加工工艺，分析所选材料中合金元素的作用。（2）采用新 工艺、新技术。（3）预测热加工过程中可能会出现的缺陷，针对这些缺陷提出预 防措施或补救措施。（4）提交35千字的设计说明书（或设计报告）。3、主要参考文献1 中国机械工程学会热处理学会.热处理手册.典型零件热处理：第2卷M.第四 版.北京机械工业出版社.2013.2 查理.涡轮轴发动机技术J.国防科技,2004,02:39-43.3 王广生.金属热处理缺陷分析及案例M.第2版.北京:机械工业出版社，2007.4 陈曼龙.涡轮轴疲劳试验台系统设计J.机床与液压,2013,13:113-115.4、课程设计工作进度计划第一周周一，布置题目，提出设计内容要求，初步讲解撰写格式；周三周五， 辅导答疑，学生撰写初稿，第二周上半周，学生撰写设计内容，下半周，辅导， 检查报告的格式。第二周结束后，学生完成课程设计，上交作业。指导教师（签字）日期年月日教研室意见：年月日学生（签字）:接受任务时间：年月日注：任务书由指导教师填写。涡轮轴是一个肩负120000至160000 rpm转动及超高温的精密零件。其精细 的加工公差、精深的材料运用和处理正是所有涡轮厂最为核心的技术。目前国际 国内大部分都使用45号钢，但是GCr15钢相对于45号钢，具有高硬度，高耐磨 性，高的耐点蚀性能，高的疲劳强度，因此我们采用GCr15钢。我们将铸造出来 的零件通过球化退火，降低组织硬度，然后对零件进行机械加工，再淬火加低温 回火的热处理工艺，为了改善冶炼质量，从而获得优质的涡轮轴。1涡轮轴的分析1.1零件的作用蜗轮轴是轴类零件中常见的，是动力机械中的主要零件之一，其主要功能是传递运动和动力。如图1.1图1.11.2服役条件分析涡轮轴运转时，内外套圈与滚动体之间呈点接触或线接触，受到周期性的载 荷作用，由于接触面积极小，在接触面上承受极大的压应力和交变载荷，接触应 力可达20005000MPa，应力交变次数可达每分钟数万次甚至更高，从而容易造 成涡轮轴的接触疲劳破换。涡轮轴在工作中，滚动体和套圈及保持器之间还会有 相对滑动，产生相互摩擦，同时产生高温高压；大气和润滑剂对轴承还有一定的 腐蚀作用；某些情况下涡轮轴还会受到冲击负荷的作用。涡轮轴的破坏形式是多 种多样的，如疲劳剥落、卡死、套圈断裂、磨损、锈蚀等。1.3零件性能要求(1) 高的弹性极限、抗拉强度和接触疲劳强度;(2) 高的淬硬性和必要的淬透性，以保证高耐磨性，其硬度为(HRC) 6165；(3) 一定的冲击韧性；(4) 良好的尺寸稳定性(或组织稳定性)，这对精密轴承特别重要；(5) 在润滑油接触时要能抵抗化学腐蚀；(6) 好的工艺性能，以满足大规模生产的需要。2涡轮轴选材2.1零件选材涡轮轴一般要经球化退火处理和淬火加低温回火处理，球化退火的目的是降 低硬度，改善切削加工性，同时获得均匀分布的细粒状珠光体，为最终热处理做 好组织上的准备。2.1.1GCr15 钢GCr15SiMn(A)钢是在GCr15钢基础上，提高Si、Mn含量的改型钢，以改善 其淬透性和弹性极限，耐磨性也有所提高。但其热处理工艺麻烦，成本高。2.1.2渗碳钢渗碳钢如 20Mn、20NiMo、12Cr2Ni4A、20Cr2Ni4A、20Cr2Mn2MoA 等，经渗碳 -淬火低温回火处理后，表面有高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度，而心部具有 很高的冲击韧性。用渗碳钢做轴承，加工工艺性能好，可以采用冷冲压技术，提 高材料的利用率，再经渗碳淬火处理后，在表层形成有利的残余应力，提高轴承 的使用寿命。但适用于轧钢机械、矿山挖掘机和其他一些受冲击负载荷较大的机 械使用的轴承。2.1.3高速钢高速钢如Cr4Mo4V(M50)、W6Mo5Cr4V2、W9Cr4V2。这类钢的特点是含有大量 的M、Mo、Cr、V等碳化物形成元素，经淬火后可获得高合金化的高碳马氏体， 具有良好的回火稳定性，并在高温回火后产生二次硬化现象，因此能在高温下保 持高硬度、高耐磨性和良好的接触疲劳强度。但其加工复杂，成本高，适用于在 高温、高速和高载荷下工作的航空发电机、宇航飞行器、燃气轮机和涡轮增压器 等装置中的轴承。综上所述，GCr15钢含有较少的合金元素，综合性能良好，淬火回火后具有 高而均匀的硬度，耐磨性能好，接触疲劳强度高。钢的热加工性好，球化退火后有良好的可切削性。适宜制造涡轮轴。2.2GCr15钢的化学成分MoPSNiCuNi+CuCSiMnCr0.95-0.15-0.25-1.40-3 W684085035 456W984585545559 W1285086055 605.3回火5.3.1回火温度加热150190C，保温2h,炉冷，硬度5862HRC,工艺特点为强调硬度取 下限，强调韧性取上限。5.3.2回火温度时间回火时间从工件入炉后炉温升至回火温度时间开始计算回火时间一般为13h，可参考经验公式加以确定：tn=Kn+AnD式中tn-回火时间（min）；Kn-回火时间基数；An-回火系数；D-工件有效厚度（mm），当回火温度低于300C时，Kn为120min和An为1，因此本零件工件回火时 间为2.53.0h。5.3.3回火的目的对涡轮轴回火目的是在保持高硬度的条件下，消除残余内应力，防止开裂，并能使亚稳 组织转变为相对稳定的组织，从而稳定尺寸，提高韧性，获得良好的综合力学性能。6零件缺陷及补救6.1零件可能出现的缺陷由于涡轮轴在实际生产中应用广泛，其产生的故障现象也多种多样，常见的 有疲劳剥落、过量的永久变形和磨损。6.1.1疲劳剥落涡轮轴在正常的条件下使用应力是变化的，工作一段时间后，接触表面就可 能发生疲劳点蚀，以致造成疲劳剥落。所以疲劳剥落是轴承的正常失效形式，它 决定了轴承的工作寿命。6.1.2过量的永久变形涡轮轴在转速很低或者间歇往复摆动的工作状态时，在过大的静载荷或冲击 载荷作用下，会使套圈滚道和滚动体接触处的局部应力超过材料的屈服强度，以 致在表面发生过大的塑性变形，使涡轮轴不能正常工作。6.1.3磨损在润滑不良和密封不严的情况下，涡轮轴工作接触面容易发生磨损，转速越 高，磨损越严重。磨损会使涡轮轴的游隙增加，振动和噪声增大，各项技术性能 急剧下降，导致轴承失效。 此外，轴承还有胶合、烧伤、轴圈断裂、滚动体压 碎、保持架磨损和断裂、锈蚀等失效形式。6.2缺陷预防及补救措施涡轮轴故障涉及因素很多，且处于动态之中，但只要在检修过程和机车运用 过程中，从涡轮轴检修、检测、组装、试验以及监控等方面入手，采取必要的预 防措施，把握好轴承检修运用的各个环节，轴承质量就能够实现有序可控。根据我国国情利用国外先进经验，拟从两个方面入手：（1）当前立即采取可以操作和见效的应急措施；（2）经过试验研究后以采取的措施，其核心是防滑、增粘、改进车轮材质 等，以减少涡轮轴擦伤剥离的产生。7参考文献1 中国机械工程学会热处理学会.热处理手册.典型零件热处理：第2卷M.第 四版.北京机械工业出版社.2013.2 查理.涡轮轴发动机技术J.国防科技,2004,02:39-43.3 王广生.金属热处理缺陷分析及案例M.第2版.北京：机械工业出版社， 2007.4 陈曼龙.涡轮轴疲劳试验台系统设计J.机床与液压,2013,13:113-115.