发动机连杆材料、工艺以及表面强化的研究现状

［ 关键 词 ］ 连杆 材料 ； 断 工艺 ； 末锻 造 工 艺 ； 丸 强化 撑 粉 喷
Ｋｅ ｒ ｓ ｃ ｎ ｅ ｔ ｇ ｒ ｄ ｍａ ｅ ｉｌ ｒ ａ ｉ ｇ ｐ ｏ ｅ ｓ ｏ ｅ ｏ ｇ ｎ ｒ ｃ ｓ ，ｈ ｔｐ ｅ ｉ ｇ ｙ ｗｏ ｄ ： ｏ ｎ ｃｉ ｏ ｔｒａ ， ｅ ｋ ｎ ｒ ｃ ｓ ， ｗ ｒｆ ｒ ｉ ｇ ｐ ｏ ｅ ｓ ｏ ｅ ｎ ｎ ｎ ｂ ｐ ｓ
徐 燕茹 苏 铁 熊 龚玉 霞 李 慧
（ 中北 大学 ）
［ 要 ］ 车连 杆 的 强度 、 摘 汽 刚度 和质 量 对提 高发 动机 的动 力性 和 可 靠性 至 关重要 ， 着发 动 机 随
向 高功 率 密度 目标 的发展 ， 连杆 材料 和 工 艺均 有 更 高的要 求。本 为介 绍 了先进 连杆 材料 、 艺 以 对 工 及 主要表 面强化 手段 的研 究现状 。
１３ 钛 合 金 材 料 ．
１ 连 杆 最 新 材 料
１１ 非 调 制 钢 ．
非 调 制 钢 可 分 为 两类 ：一 种 是 微 合 金 非 调 制
钢 ， 我 国 的 ３ Ｍｎ 或 ４ Ｍｎ ）德 国 的 ３ Ｍ Ｖ ４ 如 ８ Ｖ（ ０ Ｖ 、 ６ ｎ Ｓ、
Ｓ ３ Ｖ 、 ５ Ｃ Ｆ 、Ｐ Ｉ Ａ Ｃ ３ ４ Ｃ Ｓ ￥ ３ Ｖ— Ｓ Ｓ Ｌ Ｙ Ｓ Ｏ ８等 。该 类材 料 的
最 终 形 零 件 ｆ 末 冶 金） 高 的材 料 力 学 性 能（ 造） 粉 和 锻
粉 末 冶金 材 料 集 材 料 生 产 一 工 技 术 一 件 制 加 零
造 于一 体 ， 主 要 原 料 是雾 化 钢 粉 。 末 冶 金 生 产 其 粉 连 杆 一 般 经过 配 粉 一 制一 结一 锻一 加 工 等 步 压 烧 热 机
性 能好 、 耐腐 蚀 。其缺 点是 成本 高 、 工 性能差 ， 加 切 削 、 接 和表 面 处 理较 难 钛合 金 连 杆 Ｔ一 Ａ１ ４ 焊 ｉ６ — Ｖ
把 不 锈 钢 纤 维 预 制件 压 铸 到 以铝 合 金 为基 体
的连 杆 杆 部 的钢 纤 维增 强 铝 连杆 ，通 过纤 维 强 化 ．
性 相 同时 ， 量 轻 ３ ％左 右 。用含 ９ ％氧化 铝 的 陶 质 ０ ９ 瓷 纤 维 材料 增 强 铝连 杆 ， 对 于 钢连 杆 。 量 轻 ， 相 质 疲
相当于 ４ ５调制 钢 ｆ ５ ］ 国的钛 矿储 量 世 界 第一 ． 。我 所 以钛 在我 国有 广 阔的应 用前 景 。钛 合金 的 推广应 用 最 大 障碍 是其 高 成本 ， 而 降低 成 本 是 钛合 金 研 制 故
产 成 本 的 同时 ， 可改 善 使用 性 能 。粉 锻 连杆 的力 学
与疲 劳性 能 可 和常 规锤 锻 钢连 杆 相 比拟 ． 而且 通 过
连 杆 有技 术 经 济性 的优 点 ， 与锻 钢相 比有 较好 的机
械 性 能和重 量精 度 。
其 优 异 的尺 寸 与重 量控 制 ， 改 善发 动 机 的运 转性 可 能。 使之 运转 较平 稳 。虽 然 ， 粉末锻 造连 杆 的坯件 比 常规锤 锻 钢 连杆 的坯 件 贵 一些 ， 鉴 于 粉锻 连 杆 的 但
劳 强 度 和 刚度 都 较 高 ， 日本 丰 田公 司 的赛 车 发动 机
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内 燃 机 与 配 件
２ １ 年 第 ６期 ０１
和生产 工艺 开 发的重 点
１４ 粉 末 冶 金 材 料 ．
形 性 能较 好 的优 点 ， 发挥 锻 造 变形 有 效地 改 变 金 又
属 材 料组 织 和性 能作 用 的特点 ， 其将 制 造近 终 形 或
了生 产 线 ，随后 瑞 典 巴伐 利 亚州 发 动 机 厂 ｌ９ ９３ 年 、英 国布 里奇 福 特 发动 机 厂在 １ ９ ９ ５年 以及 韩 国 韩独 粉末 冶 金株 式会 社存 １ ９ ９ ７年 引进 德 国技 术 生 产 了粉末 锻 造连 杆 。据 估计 ， 北美 汽 乍市场 一 年 使 用 的粉锻 连 杆不 少 于 １０ ０， ４ ０ ｔ主要 用 于 轻 型车 汽 油
已用 于 摩托 车和 四轮 电动 车 。 大利 法拉 利 ３５ Ｖ 意 ．Ｌ ８ 与 Ａ ｕａ的 Ｎ Ｘ发动 机首 次使 用 了钛合 金连 杆 日 ｃｒ Ｓ
本 制 造 的 Ｔ一 Ａ — Ｖ连 杆 。 抗 拉强 度 和 屈 服强 度 ｉ３ １２ 其
其 高 温 பைடு நூலகம்度 特 性较 好 ， 钢连 杆 相 比 ， 强 度 和 刚 与 在
逾 千万 。 国 内 ， 一汽 丰越 发 动机 厂 生产 的 Ｖ ６系列 发动机 连杆 采用 的是 粉末 冶金 锻造 连杆 。粉末 冶金
发 动 机 ， 今 全 世界 已生产 使用 粉 锻 连 杆 ５亿 件 以 迄
上， 而且 ， 北美 的整个 连 杆市 场 上 ， 锻连 杆 已 占 在 粉 有 ６ ％以上 的份 额 ０ 。世 界 上各 大 汽车 制造 公 司之 所 以大量 的采 用 粉锻 连 杆 ， 主要 是 为其 在 降 低 生
上 后 ， 杆 体 和 连 杆 盖 定位 也 比 较好 ， 断 面 不 需 连 且 再 进 行任 何 加工 。 比如 在 加工 连 杆 螺栓 孔 时 ， 比 相
由于 我 国的粉 末 纯度 较 低 和 粉木 材 料 单价 高 ， 粉 末 冶金 技 术在 我 国还 没 普及 ， 随着 价格 的降 低 但 和技术 的引 进 ．以及 计 算 机辅 助 技术 的高 速发 展 ， 相 信不 久 的 将来 ， 国在粉 末锻 造 连 杆 方 面会 有 一 中
有 很 大优 势 ： 撑 断工 艺效 率 高 。 合 大规 模 生产 ． 且 适
还 可 显 著提 高连 杆 的承 载 能力 、 剪 能 力及 装 配 质 抗
滚 压 、 面 喷丸等） 连杆 的强 化主 要是 表面 喷丸 塑 表 。 、
变 强化 提 高疲 劳 强度 ． 主要 是 冈 为材 料 表层 发 生 ｒ 加 工 硬 化 ． 形 成 了一 个 残 余 压 应 力 层 ， 而 提 高 并 从 了疲劳 裂纹形 成 和扩展 的抗 力 。喷 丸提 高零 件疲 劳
末 冶 金 连 杆 ，其 成 分 为 Ｆ 一０３ — ．５Ｃ （．— ． ｅ （． ０ ） 一０３ ０４ ５ ４ ） Ｍｎ （．— ． ） ｒｆ．— ． Ｎ 。福 特 、 田 、 Ｚ Ａ、 一０１ ０２ Ｃ—０２ ０３ ｉ ５ ） 丰 ＭＡ Ｄ
通 用 等 汽车 公 司粉 末 冶 金 锻 造 连 杆 全 球 的 产 量 已
个 较 大 的 突 破
传 统 加 工 的 ｌ 加 工 工 位 ， 用 撑 断 工艺 ， 用 ６ ４个 采 使
工 位 自动线 就可 以完 成 撑 断工艺 一 次性投 资较 大
３ 连 杆 表 面 强化 处 理
构 性 能上 还是 在 设 备控 制 、 测 等方 面与 罔外 监 先 进技 术 均存 在 较 大差 距 。 目前 ， 高零 件 疲 劳 强 提
０ 引 言
由 于 日益 严 格 的 排 放 法 规 要 求 和燃 油耗 法 规
上 就装 有这 种材 料 的连杆 。因塑 料具 备许 多金 属材
料 没 有 的优 点 。 发 的碳 纤 维增 强 塑料 连杆 质 量 比 开
定 ， 排 量 化 的 高功 率 、 小 高转 矩 是 发 动机 技术 发 展 的 趋 势 之 一 ． 发 动 机 缸 内 最 大 爆 发 压 力 高 达 ２ ＭＰ 。 断 强化 的发 动机设 计 目标 ， ０ ａ不 使得 人 们更 加 关 注 连杆 成 品 的强 度 。 国 内外对 连 杆 材 料 、 艺 和 工 表 面强化 手段 均 在不 断地 探讨 和革 新 。
徐燕茹
苏 铁 熊 龚 玉 霞 ： 动 机 连 杆 材 料 、 艺 以及 表 面 强 化 的 研 究 现状 发 工
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发动机连杆材料 、 工艺 以及 表面强化 的研 究现 状
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｓ ａ ｕ ｆＭ ａ ｅ ｉ ｌ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ ａ ｄ ｓ ａ ｃ ｔ ｔ ｓｏ ｔ ｒａ ｓ， ｃ ｎ ｌ ｇ ｎ Ｓ ｒ ａ ｅ Ｔｒ ａ ｍｅ ｔｉ ｎ ｅ ｔ ｇ Ｒｏ ｕ ｆ ｃ ｅ ｔ ｎ Ｃｏ ｎ ｃｉ ｄ ｎ ｎ
发 动 机 输 出 功 率 高 ， 发 压 力 高 ， 杆 体 具 有很 高 爆 连
的疲 劳 寿命 。 一种是 高 碳非 调制 钢 ， 另 如德 国 的 Ｃ ０ ７
和 Ｃ ０ ６ 法 国 的 Ｃ ０ ３和 Ｓ ＬＴ Ｓ Ｏ ０ 我 国 的 ７Ｓ 、 ７Ｅ Ｐ ＩＡ Ｃ ７ 、
金 属 钛 的 密 度 为 ４５ｇ ｃ 。 ． ／ ｍ ，仅 为 钢 铁 材 料 的 ５％ ， ８ 因此 用钛 合金 制造 汽 车发 动机 连杆 ， 在保证 性
骤 。 日本 丰 田汽 车公 司采 用 成分 为 Ｆ 一 Ｃ 一 ．５ 一 ｅ ２ ｕ ０５ Ｃ
结 合 起来 ． 补 了常规 粉末 冶 金 与锤 锻 工艺 问的 空 填 隙 。从 １ ７ ９ ０年德 国及美 国建立 第 一 条粉 末 锻 造 生 产 线后 ， 日本 神 户制 钢 所 在 ２ ０世 纪 ８ ０年代 也 建 立
钢 连杆 轻 ６ ％左 右 。克 莱斯 勒公 司与杜邦 公 司合作 ０ 开 发 的纤 维 增强 铝 锂合 金 基 复合 铸 造 汽 车连 杆 ， 质 量 轻 、 度 好 、 胀 系数 小 ， 提高 发 动机 效 率 和燃 强 膨 对 料 经 济 性非 常有 利 ， 试 验 循环 次 数超 过 千 万次 ｌ 其 ｌ ｌ 。 日本 日产 公 司采 用 ＳＣ晶 须增 强 Ａ１ 复合 材料 制 ｉ 基 造 了汽 车发 动机 连 杆圜 日本本 田研 究 开 发 中心开 。 发 出不锈 钢纤维增 强 Ｆ ｅ基 合 金 连 杆 ，质 量 减 小 ２％ ， ７ 其结 果使 发动 机摩 擦 力 降低 ， 因而减 小 了曲轴 的轴 径 ， 高 了发 动机 功率 和燃 油经 济性 ［ 提 ３ １ 合材 。复 料 的高成 本 制约 了其 大范 围 的应 用 。
废 料极 少 ，并 可 大 大减 少锻 造 后 的切 削 加 １ ， －ｌ 序 从 而使 汽车 制造公 司的总生 产成 本显 著 降低 。
２ 连 杆 先 进 工 艺
２１ 撑 断 工 艺 ．
连 杆 的机 械 加工 目标是 高 效 率 和低 成 本 ， 断 撑 工 艺充 分体 现 了这一 优势 。采用撑 断 【艺加 工 的连 杆 ， 面 呈 犬 牙 交 错 的 自然 断 裂 表面 ． 然 比较 粗 断 虽 糙 ，但其 特 性使 连 杆体 和连杆 盖 有 较 高 吻合 度 ， 合
０１ ． Ｓ的合 金 粉末 生产 汽 车 发动 机 连 杆 ， 由实 验 得 并
出 粉末 烧 结 锻 造 连 杆 与 锻 钢 连 杆 的疲 劳 性 能 同等
嘲
。
英 国 、 士 、 国合 作 开 发 的粉 末合 金 连杆 已通 瑞 德
过 拉 压 疲 劳 性 能 台 架 试 验 ，其 主 要 成 分 为 Ｆ 一 ｅ １ Ｃ 一 ．Ｃ Ｐ ｒｅｅ ２ ． ｒ ０５ 。 ｏｓｈ ９ ８发动 机采 用 了德 国研 发 的粉 ５
能 的 同 时 。 量 化 效果 十 分 明显 。与其 他 的金属 材 轻
Ｃ ０ ６ Ｙ等 。 由于省 略 了锻 后 的热处 理 ， 调 制钢 ７Ｓ Ｂ 非 不仅节省能源 ． 而且 减 少 了 生 产工 序 ， 而 降低 了 从 成本。
１２ 复 合 材 料 ＿
料相比 。 钛合 金 具有 三 个显 著 的优点 ： 强度 高 、 中温
度 最常 用且 非 常有 效 的方法 是 表面 塑变 强化 ｆ 面 表
且 对 连杆 的 要求 高 ， 因撑 断 工 艺简 化 了连 杆 螺 栓 但
孑 的加 Ｔ 工 序 ， Ｌ 节省 了材料 、 工 和 加工 设 备 ， 产 人 生
线 运 行 费和 设备 维 修 费就 少 ， 总体 成 本 上还 是 占 在