连杆的材料选择

1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划连杆的材料选择汽车发动机连杆材料的现状及发展趋势高强度、轻量化、低成本是汽车发动机连杆用材料的发展趋势，我国的发动机锻钢连杆制造技术与国外差距不大，但在连杆轻量化方面还相当落后。中国第一汽车集团公司技术中心曹正为了保证连杆的疲劳强度，要求连杆的材料要具有良好的综连杆用材料1.碳素钢和合金钢碳素调质钢和合金调质钢是连杆用钢的传统钢种，通常小功率的发动机采用碳素调质钢，大功率的发动机采用合金调质钢。碳素钢的碳含量范围通常是%，合金钢主要添加的合金元素是铬、锰、钼、硼，可单独添加或复合添加。碳素钢连杆的调质硬度一般在229269HBS，合金钢连杆的调质硬度可达到300HBS，但最高不超过330HBS，这主要是考虑后续的机械加工。调质连杆具有足够的强度和塑性，一般碳素钢抗拉强度可达到800MPa材料Cr40MnB53CaS45Mn242CrMo以上，冲击韧度在60J/cm2以上；合金钢调质钢抗拉强度可达到900MPa以上，冲击韧度在80J/cm2以上，可满足连杆的可靠性要求。我国汽车

2、发动机调质钢连杆所用材料牌号和技术指标见表1。美国汽车发动机调质钢连杆所用材料牌号和技术指标见表2。日本及其它国家调质钢连杆所用材料牌号和技术指标见表3。调质钢连杆的制造工序是，棒料经过剪切，热锻成形，调质处理，强力喷丸、机械加工，装配和检测。我国在调质钢应用方面与国外差距不大，但在锻造技术方面与国外比还有一些差距。硬度229255HBS226271HBS229269HBS223262HBS229269HBS229269HBS2832HRC杆材料几乎普遍采用碳素调质钢和合金调质钢，20世纪70年代由于石油危机，为节省能源，欧美和日本开始大量应用非调质钢，并取得很大的进展。随着汽车工业制造技术的发展，对于汽车发动机的动力性能及可靠性要求越来越高，而连杆的强度、刚度对提高发动机的动力性及可靠性至关重要，因此国内外各大汽车公司对发动机连杆用材料及制造技术的研究都非常重视。在满足性能指标的前提下，连杆的材料和制造技术关联很大，非调质钢的应用就是考虑节省调质工序。近年来，采取裂解连杆体和连杆盖分界面技术可以大幅度地减少机械加工工序，由此开发了高强度低韧性的高碳非调质钢和粉末冶金锻件，以满足工艺的

3、需要。XX年第1期合力学性能及工艺性能。以往连表1国内发动机连杆用材料及热处理硬度热处理调质余热淬火调质调质调质调质调质汽车工艺与材料AT&M7专题报道性可以分4类，见表4。其中基本型和高强度型适用于发动机连杆。早在20世纪60年代，美国在SAE1140钢的基础上提高锰含量并添加微合金元素，锻造后不经过调质处理即应用于轿车发动机连杆的制造中。70年代初期，德国、日本各钢铁公司和汽车制造厂家对非调质钢进行了大量的研究工作并开发了一系列钢种，应用于汽车曲轴、半轴、轮毂轴、发动机连杆、转向节臂等的生产中。20世纪80年代初，我国开始研究非调质钢，开发了十多个钢国外连杆毛坯的加热大多采用电加热或感应加热，加热时间短，加热温度控制稳定，采用辊锻制坯，液压模锻成形，锻件尺寸精度高，避免了锻件表面的脱碳。而我国现在多数连杆生产厂采用的是空气锤制坯，蒸汽锤成形，因此我国连杆锻件普遍存在的问题是尺寸精度差、锻件表面状态不好、锻件表面脱碳严重等问题。调质钢连杆由于最终的力学性能是通过调质处理控制的，因此调质钢连杆的性能稳定，综合力学性能好。对于一些大功率柴油机，要求连杆要有较高的强度和一定的韧性，使用调质

4、钢可以保证其可靠性。2.非调质钢非调质钢的强化机理是在中碳钢的基础上添加钒、钛、铌等微合金元素，通过控制轧制或控制锻造过程的冷却速度，使其在基体组织中弥散析出碳、氮的化合物使其得到强化。非调质钢省略了锻后的热处理，从而节省了能源，减少了生产工序，降低了成本。另外，由于省略了调质工序，避免了零件在热处理工序中产生的淬火裂纹和变形等一系列的质量问题，对提高产品质量有一定的好处。非调质钢按其强韧表2美国汽车发动机连杆材料及热处理硬度材料SAE1041SAE1340SAE1340HSAE1141SAE1355SAE5135SAE5140SAE4135HSAE8635SAE9437SAE3135H相当国内牌号热处理40S锻后空冷50、55锻后空冷40Mn调质40Mn2调质40Mn2S调质55Mn2调质35Cr调质40Cr调质35CrMo调质35CrNiMo调质38CrNiMo调质35CrNi2调质硬度HBS192285处理工艺正火调质锻造空冷调质调质调质调质种，主要是钒系、锰钒系、锰钒氮系。另外，从切削角度每个系列都开发了添加易切削元素的钢种。其中，用于发动机连杆的钢种有35MnVS、35MnV

5、N、40MnV、48MnV等，这些钢种的强度级别都在900MPa以下。通过疲劳试验，其结果表明，非调质钢连杆的疲劳强度与相同级别的调质钢相当。近年，一汽与德国合资生产表3国外部分厂家发动机连杆剖析结果生产厂家日本丰田波罗乃兹太脱拉斯可达福特300钢号S53CS55CS58CSAE1141相当国内牌号0Mn40Mn2硬度229HBS2930HRC235HBS207HBS229252HBS263269HBS223HBS表4非调质钢强韧性分类类型基本型组织F+P基本成分中碳+V中碳+高Mn+V+Ti低碳+高Mn+V+S中碳+高Mn+V+Ti高碳+Mn+V+S低碳+高Mn+Cr+B+Ti,NbRm/MPaAkv7009000505010005080110适用部件连杆、曲轴、轮毂轴等转向节臂、轮毂轴高韧性型高强度型高强度、高韧性型F+PF+P，F+BM9001050连杆、轮毂轴转向节、前轴8汽车工艺与材料AT&MXX年第1期的捷达轿车发动机连杆、上海与德国合资生产的桑塔纳轿车发动机连杆、一汽技术引进的道依兹柴油机连杆和开发的CA6DL系列柴油机连杆，设计强度均在900MPa以上，均采用裂解连杆大

6、头接合面的生产技术。裂解法工艺要求连杆锻件在裂解的过程不能有过大的塑性变形，因此对连杆材料的要求是，在保证其强韧综合性能指标的前提下，限制连杆的韧性指标，使其断口呈脆性断裂状态。现在用的材料是从德国进口的C70SC系列高碳非调质钢。C70SC系列高碳非调质钢成分特点是低硅、低锰、添加微量合金元素钒及易切削元素硫。合金元素的范围要求窄、材料的纯净度要求高。现已开展了该系列钢种的国产化工作，东北特钢和江阴兴澄特钢都进行了试验，目前还没有应用于批量生产。非调质钢由于其添加的是微合金元素，因此材料的成本不高。作为一种廉价的节能钢种，非调质钢正在逐步的取代调质钢，国外几乎完全采用非调质钢生产连杆。另外，随着发动机轻量化的要求，连杆的设计应力提高，中碳锰钒系列非调质钢的强度无法满足要求，再者裂解技术的应用现在正在扩大，C70S6系列的钢种的应用会越来越多。目前德国在该钢种的基础上开发了强度级别更高的钢种，正在推广应用。对于非调质钢，由于锻造后不再进行其他热处理，锻造工序决定了连杆最终的力学性FE专题报道TAURES的合金粉末试制发动机连杆，并通过零件拉压疲劳性能试验及发动机台架试验。德国还采用成分

7、为Fe-()C-()Mn-()Cr-()Ni粉末冶金连杆，用在Porsche928高性能发动机上。粉末冶金锻造连杆的强度、韧性能达到锻钢连杆的水平，是通过以下两个方面得到保证的，一是通过锻造提高粉坯的密度，二是通过添加合金元素，使粉末锻造连杆具有足够的淬透性，保证热处理后零件的质量。从理论上讲，烧结锻造零件的密度，如能达到钢材的理论密度的话，将具有与钢制零件等同的力学性能。日本生产的Fe-粉末锻造烧结连杆及粉末烧结锻造连杆的密度达到g/cm3，通过试验证明，这样密度的烧结零件，能够达到锻钢连杆的疲劳性能。粉末烧结锻造连杆锻后的金相组织为珠光体-一铁素体组织，锻后的热处理与锻钢连杆的热处理相同。一般是进行调质处理，也可锻造后空冷再直接进行切削加工，这点与非调质钢的性质一样，要在金属粉末中添加可弥散强化基体的合金元素，保证锻后空冷零件的金相组织具有足够的强韧性。粉末烧结锻造连杆的特点是经济效益显著，一般认为粉末烧结锻造连杆与锻钢连杆相比，材料可节约40%，生产成本可降低10%，能源消耗可节能，因此控制锻造加热温度和锻造后冷却速度是保证非调质钢连杆性能的重要环节。一般要求采用感应加热，锻造后

8、要有控冷装置。我国发动机连杆制造企业在锻造加热和锻后控制方面近年已经取得长足的进步，具备了应用非调质钢生产连杆的条件，将来非调质钢有望完全取代调质钢制造发动机连杆。3.粉末冶金连杆粉末烧结锻造工艺在20世纪60年代就已出现。当时，美国、日本及欧洲的一些国家均进行了大量的试验研究工作。由于当时金属粉末的种类极少，又受到成本的限制，发展不快。随着金属粉末、合金粉末的开发及相关工业的发展，粉末烧结锻造工艺也相应的得到发展，并且逐渐的应用到汽车结构件的制造之中。用粉末烧结锻造工艺生产汽车发动机连杆零件，最早是美国通用汽车公司进行这方面的试验并取得成功，但当时没有达到批量生产。随后，日本丰田汽车公司采用成分为Fe-的合金粉末生产汽车发动机连杆，并与锻钢连杆进行了拉压疲劳性能对比试验。结果表明，粉末烧结锻造连杆与锻钢连杆具有等同的疲劳性能。另外，采用4100S金属粉末，添加钛合金，使连杆的整体质量减轻到原来锻钢连杆质量的6580，并且通过了发动机台架试验。目前，丰田汽车粉末冶金连杆已经商品化。英国、瑞士、德国合作，选用一种成分为XX年第1期汽车工艺与材料AT&M9约50%。国内烧结锻造技术还很落后

9、，专用的粉末冶金压机及烧结炉的应用还不普遍。金属粉末的品种少，质量差且不稳定。另外，烧结保护气体还需进一步地研究改进，这些都影响着我国超高密度粉末冶金零件的发展，是今后急需研究和改进的课题。4.钛合金连杆用钛合金制造发动机连杆主要考虑的是轻量化，金属钛的密度为/cm，仅为钢铁材料的58，因此用钛合金制造汽车发动机连杆，可大幅度地降低连杆的质量。金属钛的抗拉强度比较低，仅有250300MPa，生产中要添加合金元素来强化基体，通常是添加铝和矾。因此，影响钛合金硬度和强度的主要因素是合金中的铝和钒含量，铝钒含量越高，合金的硬度，强度越高。对于钛合金，也可以象钢铁材料那样，用热处理的方法改变金属组织，调整性能，使之达到使用要求。钛合金的疲劳性能也与屈服强度、抗拉强度有一定的关系。从试验结果看，屈服强度在850MPa以下的钛合金，疲劳强度与屈服强度呈正比；但屈服强度在850MPa以上的钛合金，疲劳强度与屈服强度成为极限状态。也就是说，屈服强度在850MPa以上的钛合金，不管屈服强度多高，疲劳强度与屈服强度850MPa的钛合金相差不大。钛合金的切削性能较差，通常要添加易切削元素硫和稀土，形成硫和稀土的化合物以解决切10汽车工艺与材料

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