船用柴油機連桿的熱處理工藝優化

趙云鵬

摘要：連桿是柴油機上重要的傳動部件，關系到船只的動力傳遞，因此連桿質量必須得到保障，但現代船用柴油機連桿生產中的熱處理工藝存在缺陷，并不能保障連桿滿足船只運作要求，說明當前熱處理工藝需要得到優化。本文出于熱處理工藝優化目的將展開研究，論述船用柴油機連桿運作原理與性能要點，隨后結合案例的連桿熱處理原工藝展開分析，指出原工藝的不足，最后進行優化，同時通過測試驗證優化后熱處理工藝是否有效。

關鍵詞：船用柴油機連桿;動力傳遞;熱處理工藝

中圖分類號：U664.121? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0021-02

0? 引言

隨著我國外貿運輸等行業的發展，海上航行對于船只性能的要求越來越高，因此生產廠家需要提高船只性能，這時就暴露出傳統船用柴油機連桿熱處理工藝上的不足，生產出來的連桿總體性能水平低于當下要求，且在耐用性等性能指標上也不能完全達標，說明傳統熱處理工藝不再適用。面對這種情況，優化船用柴油機連桿熱處理工藝是必行之舉，這時如何正確優化就成為了一項值得思考的問題，因此有必要展開相關研究。

1? 船用柴油機連桿運作原理與性能要點

1.1 運作原理? 船用柴油機連桿是安裝在柴油機活塞、曲軸之間的連接件，本身由小頭、桿身、大頭三個部分組成，在運作中小頭會隨著柴油機活塞一起運動，運動形式為往復直線，這樣能夠將活塞頂端的氣體燃燒壓力通過桿身、大頭傳遞給曲軸，而在曲軸的作用下活塞端的往復運動會變成曲軸回轉運動，促使柴油機發力，給船只提供動力[1]。

1.2 性能要點? 在船用柴油機連桿運作過程中連桿的性能要點包括：①剛度與強度，即連桿的運作方式會使得連桿受到由壓縮、拉伸、彎曲、沖擊組成的交變載荷，若連桿的剛度與強度不足，則很可能在這個過程中損壞、變形，不利于動力傳遞，同時連桿的剛度與強度不是越大越高，若過于大則會阻礙動力傳遞，這是另一種問題;②抗疲勞能力與抗沖擊韌性，即連桿的運作就是在不斷的重復相同的運動過程，而在這個過程中連桿會不斷的受到相同的沖擊，這種沖擊可能會導致連桿出現兩種損傷：一是疲勞損傷，這是任何金屬物件在不斷重復相同運動時都會發生的一種現象，不可避免，但可以通過良好的抗疲勞能力去延緩損耗，因此連桿面對疲勞損傷要具備良好的抗疲勞能力。二是沖擊損傷，這種損傷來源于連桿運作中受到的物理沖擊，這種沖擊力度較大，若連桿韌性不足，則在一段時間的沖擊后就會變形，不能繼續正常運作，而良好的韌性可以在合理沖擊下讓連桿恢復原狀，因此連桿要具備良好的抗沖擊韌性。另外，以上性能要點在連桿的幾個高應力區的要求更高，分別為桿身中部、小頭、桿部過渡區、大頭和桿部過渡區[2]。

2? 船用柴油機連桿熱處理原工藝概況與主要問題

2.1 原工藝概況? 某船用柴油機生產廠家以訂單需求，將采用45鋼制作一批船用柴油機連桿，連桿生產材料均經過檢測，其中化學成分檢測全部符合《優質碳素結構鋼》規范要求，因此生產基礎良好，理論上可保障連桿質量滿足要求。表1為該批次連桿的基本參數信息。在該批次連桿生產中廠家主要使用的熱處理工藝為：毛坯鍛造→正火+回火（熱處理）→機加工。表2為該批次連桿的力學性能要求。

2.2 主要問題? 該廠家依照原工藝試生產了部分連桿，隨后進行了質量檢測，結果發現這一部分連桿存在兩大質量問題，具體內容如下：

2.2.1 力學性能不達標? 在原工藝無異常、工藝各項指標全部準確的條件下，該廠家通過質量檢測發現該批次連桿的力學性能并不滿足訂單的力學性能要求，即訂單中的柴油機信息顯示，該批次連桿將應用于單缸100kW、138kW的傳統柴油發動機中，因此連桿的力學性能需要滿足表3要求，而對比之下，該批次連桿的實際力學性能與訂單要求有不小差距，若使用該批次連桿在柴油機內變形，導致柴油機不能正常運作[3]。表3為該批次連桿訂單提出的力學性能要求。

2.2.2 連桿有脫碳層? 在連桿的表面檢測中發現很多連桿表面都有脫碳層，其余為半脫碳層，經過檢驗確認連桿脫碳層與半脫碳層的厚度保持在0.6～0.8mm，屬于中度脫碳，若繼續加工脫碳層厚度還會進一步增長。根據觀察發現，大部分連桿的脫碳層或半脫碳層都集中在高應力區（詳見上文1.2論述），因此受脫碳層與半脫碳層影響，連桿的表面硬度降低，運作中容易出現細小裂紋或其他損傷，使得連桿機能與質量下降，不利于柴油機運作，同時還會帶來更大的拉應力，有可能使連桿斷裂。另外，脫碳層與半脫碳層均會對連桿的抗疲勞能力造成不利影響，這是無可避免的。

3? 船用柴油機連桿熱處理工藝優化

3.1 優化思路? 著眼于該廠家連桿生產工藝的參數了解到，在毛坯鍛造、機加工兩個工藝環節上沒有工藝問題，連桿力學性能與脫碳層的問題與這兩個環節基本無關，而針對正火+回火的熱處理工藝進行分析后發現，這種熱處理工藝的基本形式并沒有問題，真正的問題在于工藝的參數，固優化將著重對原工藝的參數進行調整。表4為原工藝參數。

3.2 優化分析? 為了了解原工藝參數的主要問題，本文此處將針對該廠家船用柴油機連桿熱處理原工藝的參數進行分析，具體如下：

3.2.1 爐溫? 該廠家船用柴油機連桿的材料為45鋼，一般情況下需要使用840～870℃的溫度對45鋼進行淬火處理，但該廠家為了加強滲碳質量，加大了淬火爐溫，用900℃溫度進行淬火處理。這樣做確實讓滲碳質量加強，但卻造成了奧氏體晶粒增大，因此導致連桿力學性能不佳，說明爐溫是導致問題的工藝參數問題，是工藝優化的主要目標。

3.2.2 燃燒介質? 該廠家船用柴油機連桿熱處理原工藝中的燃燒介質是煤油，這種燃燒介質在燃燒過程中會產生富化氣，而該氣體就會對連桿表面造成影響，導致連桿出現脫碳層或半脫碳層，且多數情況下都會造成中度以上的脫碳。在這種情況下，煤油也成為了本文船用柴油機連桿熱處理原工藝優化目標。

3.2.3 冷卻介質? 經過一系列測驗，水作為冷卻介質并不會造成船用柴油機連桿問題，因此沒有必要進行優化。

3.3 優化方案? 為了對船用柴油機連桿熱處理原工藝進行優化，保障優化后工藝生產的連桿能滿足訂單力學性能要求，且不出現脫碳或半脫碳現象，本文主要采用調質+增碳方案來進行優化，具體內容如下：

3.3.1 調質? 在調質中本文作出了多次嘗試，結果顯示主要朝優化方向進行調質，就能讓連桿的珠光體組織粗度不超過正火，且具有更高的綜合力學性能，但與此同時，在一系列無保護措施的情況下進行調質，會導致連桿出現嚴重的脫碳現象（所有半脫碳層全部轉化為脫碳層，且脫碳層的厚度比原工藝中更厚），深度超過了1.00mm，這種脫碳連桿在淬火過程中因表面不均勻，所以冷卻時的應力存在差異，使得很多連桿變形，甚至開裂，屬于低質量連桿。因此本文對調質方法進行了選型，主要選擇了煤油+酒精的燃燒介質，其中酒精能夠起到保護作用，即針對煤油產生的富化氣，酒精內的乙醇成分會產生稀釋氣體，這種氣體將大幅降低富化氣的濃度，對連桿起到保護作用，能避免脫碳或半脫碳現象的發生。

3.3.2 增碳? 首先調質中煤油+酒精的燃燒介質除了能保護連桿不脫碳以外，還具有一定的增碳作用，即采用這種燃燒介質，會讓連桿在淬火時形成高碳勢，能對脫碳層進行增碳修復。其次單純依靠調質成果進行增碳還不足夠，因此在船用柴油機連桿熱處理原工藝優化中，還對爐溫進行了調整，這個過程中主要選擇了兩個溫度，分別為850℃、870℃，兩個溫度的測試結果為：①850℃處于45鋼一般淬火溫度的區間內，但這個問題在調質成果下無法保障材料充分分解，固不考慮該溫度;②870℃也處于45鋼一般淬火溫度的區間內，但卻是該區間的最高溫度，經過檢測該溫度能夠實現增碳，滲碳時間在2h左右，同時不會導致奧氏體晶粒增大的現象，固選擇870℃。另外，870℃增碳設備并未調整，依舊是常見的滲碳爐。

3.4 方案測試與結果? 具體內容如下：

3.4.1 方案測試? 以廢棄連桿作為測試對象，用優化后的熱處理工藝進行測試，具體工藝為：先用常規方法加熱滲碳爐，同步檢測爐溫，在爐溫達到50%時候先滴入適量酒精，在爐溫達到55%時再滴入煤油完成調質，隨即待爐溫達到870℃后放入廢棄連桿，經過2h的正火處理加工出爐，保溫進行淬火處理，過程中冷卻介質為水，完成后回火。

3.4.2 測試結果? 根據測試結果對廢棄連桿的脫碳情況、力學性能進行了觀察與測試，結果為：①觀察發現，原本存在嚴重脫碳的廢棄連桿在優化熱處理工藝處理后脫碳現象得到了明顯修復，即接受優化熱處理工藝處理前廢棄連桿表面的碳化物比較少，而越向內越多，但在接受優化熱處理工藝處理后廢氣連桿的脫碳現象有顯著好轉，其中晶粒更細、組織為回火索氏體，同時這種表現說明連桿的力學性能有明顯提升;②在測試中以供選擇了五個廢棄連桿為測試對象，因此通過力學性能測試得到了5組數據，具體如表5。表5數據顯示，所有廢棄連桿的力學性能都優于原工藝產物，且全部滿足訂單要求，因此優化方案有效。

4? 結語

綜上，本文對船用柴油機連桿的運作原理與性能要點進行了論述，并介紹了連桿的熱處理工藝，可以看出原工藝對于連桿性能的保障力度較小，且會造成脫碳或半脫碳問題，因此原工藝需要得到優化。而采用文中提出的優化方案能實現熱處理工藝優化目的，優化后的熱處理工藝不存在原工藝中的相關問題，因此連桿質量保障力度大，同時生產出的連桿在力學性能上全面滿足現實要求，望能帶來參考幫助。

參考文獻：

[1]李波，唐軍，周鵬，等.42CrMo4合金鋼連桿熱處理工藝優化[J].鍛造與沖壓，2018（015）：29-33.

[2]李京，王劍，高磊，等.34CrNiMo6鋼連桿熱處理工藝研究[J].熱加工工藝，2017，046（006）：234-235.

[3]大型船用柴油機連桿晶粒細化鍛造工藝[J].鍛壓技術，2020，

45（05）：40-43.