汽车发动机连杆螺栓热处理工艺设计

金属材料热处理原理与工艺课程设计40Mn发动机连杆螺栓热处理工艺设计

专业班级：材料132601班

设计人：焦攀龙

设计题目：发动机连杆螺栓选材与加工工艺设计

指导教师：职称

专业：

班级：

完成时间：

摘要

综述了发动机连杆螺栓的工作环境，使用性能，失效形式，连杆螺栓材料的选择，热处理工艺等。主要就连杆螺栓的热处理工艺做了详细的分析，通过大量的实验得出了连杆螺栓材料热处理后的金相组织图等资料。分别对球化退火、淬火、回火过程中组织、硬度的的变化做了分析。并就实验中出现的问题作了分析，以供参考。

关键词：连杆螺栓热处理；等温退火；淬火；回火；问题分析

目录

摘要............................................................................................................................................. I 前言. (1)

1 连杆螺栓的使用性能 (1)

2 材料选择及技术要求 (1)

2.1.螺栓的热处理工艺规范 (2)

2.2材料的选择 (2)

3 热处理工艺及目的 (3)

3.1退火 (3)

3.2正火 (3)

3.3淬火 (4)

3.4回火 (4)

4 设计说明 (4)

4.1失效形式 (4)

4.2工作要求 (4)

4.3结构钢40M N的化学成分 (5)

4.3.1 主要特性 (5)

4.3.2 材料分析 (5)

4.3.3 力学性能要求 (6)

4.3.4 基于材料的零件设计 (6)

4.5热处理工艺说明 (7)

5 设计方案 (8)

5.1正火 (8)

5.2调质处理 (8)

5.3回火的制定 (9)

6 螺栓的热处理质量检测 (9)

6.1硬度计 (9)

6.2外观检测与金相组织检验 (9)

7 螺栓热处理回火缺陷的原因及解决方案 (10)

参考文献 (11)

前言

连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件。例如在往复活塞式动力机械和压缩机中，用连杆来连接活塞与曲柄。连杆多为钢件，其主体部分的截面多为圆形或工字形，两端有孔，孔内装有青铜衬套或滚针轴承，供装入轴销而构成铰接。连杆是汽车发动机中的重要零件，它连接着活塞和曲轴，其作用是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。由于连杆的重要性，连杆螺栓起到固定螺栓的作用也变得十分重要，连杆螺栓是紧固连杆大端及其端盖的重要部件，在工作过程中受到均匀拉伸应力的作用，因此，对于螺栓的力学性能有着很强的挑战性。考虑到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三个高应力区域。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的钢性和韧性。因此也要求螺栓具有较高的强度和抗疲劳性能，并且保证韧性和耐磨性。

1 连杆螺栓的使用性能

（1）功用：连接活塞与曲轴，并把活塞承受的气体压力传给曲轴，使得活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动。

（2）工作条件：承受压缩、拉伸和弯曲等交变载荷。

（3）性能要求：强度高、刚度大、重量轻。

连杆螺栓是发动机工作过程中最为关键的零部件，它与曲柄配合完成活塞运动，使发动机获得动力，连杆螺栓是紧固连杆大端及其端盖的重要部件，在工作过程中受到均匀拉伸应力的作用，由于曲柄旋转产生离心力的作用周期性变化，螺栓有受到反复的交变应力，活塞换向对连杆大端施加冲击，加上各种附加力的作用，其工作状况不容乐观。

2 材料选择及技术要求

2.1. 螺栓的热处理工艺规范

根据螺栓连杆的工作特点，在气温、环境经常变化的条件下，情况比较复杂，螺栓要具有较低的冷脆转变温度和较小的延迟破坏敏感度，确保其安全服役，从以上分析可知，螺栓要具有足够的抗拉强度、屈服强度、良好的韧性、较高的疲劳强度以及一定的延伸率，只有这样才能缓冲应力集中，承受冲击载荷左的作用。

2.2 材料的选择

在紧固件制造中，正确选用紧固件材料是重要一环，因为紧固件的性能和其材料有着密切的关系。如材料选择不当或不正确，可能造成性能达不到要求，使用寿命缩短，甚至发生意外或加工困难，制造成本高等，因此紧固件材料的选用是非常重要的环节。冷镦钢是采用冷镦成型工艺生产的互换性较高的紧固件用钢。由于它是常温下利用金属塑性加工成型，每个零件的变形量很大，承受的变形速度也高，因此，对冷镦钢原料的性能要求十分严格。在长期生产实践和用户使用调研的基础上，结合

GB/T6478-2001《冷镦和冷挤压用钢技术条件》

GB/T699-1999《优质碳素结构钢》及日本

JISG3507-1991《冷镦钢用碳素钢盘条》的特点，

以8.8级，9.8级螺栓螺钉的材料要求为例，各种化学元素的确定。C含量过高，冷成形性能将降低；太低则无法满足零件机械性能的要求，因此定为0.25%-0.55%。Mn能提高钢的渗透性，但添加过多则会强化基体组织而影响冷成形性能；在零件调质时有促进奥氏体晶粒长大的倾向，故在国际的基础上适当提高，定为0.45%-0.80%。Si能强化铁素体，促使冷成形性能降低，材料延伸率下降定为Si小于等于0.30%。S.P.为杂质元素，它们的存在会沿晶界产生偏析，导致晶界脆化，损害钢材的机械性能，应尽可能降低，定为P小于等于0.030%，S 小于等于0.035%。B.含硼量最大值均为0.005%，因为硼元素虽然具有显著提高钢材渗透性等作用，但同时会导致钢材脆性增加。含硼量过高，对螺栓，螺钉和螺柱这类需要良好综合机械性能的工件是十分不利的。

表1 螺栓性能要求与40Mn钢性能对比

σb/MPaσs/MPaδ( %)ψ( %)Ak/ J·cm- 2

性能要求831 734 10 42 48.8～55.7

40Mn 885 735 12 45 55