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无锡职业技术学院课程设计说明书第1页共15页二缸油泵凸轮轴材料设计班级：材料10971学号：10400971姓名：无锡职业技术学院课程设计说明书第2页共15页机械学院课程设计任务书机械系材料10971班学生学号10400971课程设计课题：二缸油泵凸轮轴材料设计一、课程设计工作日自2011年9月5日至2011年9月9日星期五二、同组学生：曹润、陈胜、封成尧、高兴、葛义尚、韩君、何东、侯存亿三、课程设计任务要求包括课题来源、类型、目的和意义、基本要求、完成时间主要参考资料等。（1）目的和意义1.熟悉课题、查阅资料：要求充分熟悉本课题，并查阅大量有关本课题内容的资料。2.对所属零件进行受力和失效分析，提出性能要求。3.确定合金钢材料：要求在满足零件使用性能的前提下，兼顾经济型和工艺性，合理选择材料。4.确定热处理工艺方法和设备：要求选定热处理方法和热处理设备。5.编写说明书：明确本课题设计方案的内容、确定原则和理由。6.编制热处理工艺卡。（二）基本要求1设计说明书一套2热处理工艺卡一套3课程设计小结一份（三）参考资料教材、课程设计指导书、手册、图册等。指导教师签字：无锡职业技术学院课程设计说明书第3页共15页目录一、二缸凸轮轴的工作环境、受力失效分析1、凸轮轴的工作环境分析2、凸轮轴的失效分析二、二缸凸轮轴的性能要求三、二缸凸轮轴材料选择及其性能分析1、材料合金元素的作用分析2、材料加工工艺分析3、热处理工艺分析4、材料的使用性能比较5、确定材料材料的最终选择四、二缸凸轮轴材料45Mn2B热处理工艺1、二缸凸轮轴选用的热处理设备2、制定工艺流程3、预备热处理工艺4、最终热处理工艺五、热处理工艺卡六、结论参考文献课程设计小结无锡职业技术学院课程设计说明书第4页共15页二缸油泵凸轮轴材料设计姓名摘要此报告主要分析二缸油泵凸轮轴。分析内容首先从二缸凸轮轴工作环境、受力分析、失效分析开始；提出其性能要求，接着分析二缸凸轮轴的材料，用45Mn2B、20CrMnTi两种材料进行对比；然后是分析材料中合金元素的作用；接着分析材料加工工艺以及热处理工艺和使用性能；最后在满足零件使用性能的前提下，兼顾经济性与工艺性，合理选择材料。关键词二缸凸轮轴、合金元素、加工工艺、热处理、性能、经济性。一、二缸凸轮轴的工作环境、受力失效分析1、二缸凸轮轴的工作环境分析凸轮轴是发动机配气系统中的重要部件，凸轮轴的旋转是靠曲轴带动的，用来保证各个气缸内进、排气门按一定的时间正常开启和关闭，保证发动机充分换气，使进、排气门持久地保持燃烧室的密封性，确保发动机保持良好的可持续性和动力性。另外凸轮轴还要用来驱动燃烧系统等零件。凸轮轴在工作过程中除承受一定的弯曲和扭转载荷外，主要是凸轮部分承受周期变化的挤压应力以及与挺杆体相互接触产生的滑动带滚动的摩擦。要求凸轮轴本身具有足够的强度和硬度，还要有良好的抗擦伤性、抗接触疲劳能力和耐磨性，能承受冲击负荷，受力后变形小。2、二缸凸轮轴的失效分析在低应力作用下凸轮轴与气门阀杆、挺杆构成摩擦副，在工作过程中承受连杆挤压应力作用，其次受到一定的弯曲和扭曲的作用，同时又要承受周期性变化的挤压应力以及与挺杆相接处产生的滑动带滚动摩擦的作用，也受到周期性的冲击载荷和摩损。凸轮轴与顶柱配合接触面应力大，工作过程中摩擦生热，而散热条件差，容易出现刮伤、撕裂、剥落以及早期的磨损等，故工作条件恶劣。凸轮轴的主要损坏形式为解除疲劳破坏（黏着磨损及擦伤）、凸轮磨损、表面压应力反复作用造成麻点和块状剥落等。二、二缸凸轮轴的性能要求综合二缸柴油机凸轮轴的工作环境和对其进行失效分析的情况，提出凸轮轴具有以下性能要求：无锡职业技术学院课程设计说明书第5页共15页（1）凸轮轴要有一定的抗弯强度和足够的韧性，能承受一定的抗扭转载荷，保证受力后无明显的变形。（2）凸轮轴表面要有较高的粗糙度、中等强度和硬度以及一定的耐磨性，防止凸轮轴在工作过程中产生磨损、刮伤、断裂等缺陷。（3）凸轮轴需要具有较好的耐磨性能和切削加工性能。（4）凸轮轴要具有准确的尺寸，轴颈要有中等的抗弯强度和抗扭转载荷及中等的韧性和耐磨性。三、二缸凸轮轴材料选择及其性能分析凸轮轴的材料选择主要取决于：工作条件、使用情况；凸轮—挺杆间的最大接触应力、相对滑动速度；润滑条件；润滑油的品种；匹配挺杆的材料、硬度及表面状况。故初步选定材料为：（1）45Mn2B（2）20GrMnTi1、材料合金元素的作用分析45Mn2B的化学成分如表1：化学成分CSiMnCrSPNiCu含量（％）0.42~0.50.17~0.37≤2≤0.25≤0.035≤0.035≤0.25≤0.25表145Mn2B的化学成分C：含量增加，钢的强度和硬度也提高，但塑性和韧性随之降低。Si：能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，但含量超过3%时将显著降低钢的塑性和韧性。硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比以及疲劳强度和疲劳比等。能降低钢的密度、热导率和电导率，是常用的脱氧剂，有固溶强化的作用，能够提高电阻率，降低磁滞损耗，改善磁导率，提高淬透性、抗回火性，对改善综合力学性能有利，提高弹性极限，增加自然条件下的耐磨性。含量较高时，降低焊接性，且易导致冷脆。中碳钢和高碳钢易于在回火时产生石墨化。Mn：降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善其力学性能，为低合金钢的重要合金元素，能明显提高钢的淬透性，但有增加晶粒粗化和回火脆性的影响。Cr：能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，可提高高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆，含量超过12％时，使钢具有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介无锡职业技术学院课程设计说明书第6页共15页质腐蚀作用，还增加钢的热强性，是不锈耐酸钢及耐热钢的主要合金元素；铬能提高碳素钢轧制状态的强度和硬度，降低伸长率和断面收缩率；在调质结构钢中提高淬透性，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能，在渗碳钢中还可以形成含铬的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性；铬能提高工具钢的耐磨性、硬度和红硬性，有良好的回火稳定性。S：改善切削性，产生热脆现象，恶化钢的质量。硫含量高，对焊接性产生不好的影响。P：固溶强化及冷作硬化作用很好，与铜联合使用，提高低合金高强度钢的耐大气腐蚀性能，但降低其冷冲压性能；与硫、锰联合使用，改善切削性，增加回火脆性及冷脆敏感性。Ni：提高塑性及韧性（提高低温韧性更明显），改善耐蚀性能，与铬、钼联合使用，提高热强性，是热强钢及不锈耐酸钢的主要合金元素之一。Cu：在钢中的突出作用是改善普通低合金钢的抗大气腐蚀性能，特别是和磷配合使用时，加入铜能提高钢的强度和屈服比，含量较高时对热变形加工不利，可导致铜脆现象。能提高钢中奥氏体的稳定性，所以可提高可淬性和淬透性，在奥氏体不锈钢中加2～3%Cu，可提高抗酸力及对应力腐蚀的稳定性；在铁素体钢中加Cu，可提高它在某些还原性介质中的耐蚀性和改善钢的韧性。B:辅加元素对主加元素作用的促进作用，是不能忽略的，只有通过元素之间的相互影响和相互配合，才能得到性能优良的高质量钢。20CrMnTi的化学成分如表2：化学成分CSiMnCrTi含量（％）0.17~0.230.17~0.370.80~1.101.00~1.300.04~0.10表220CrMnTi的化学成分C：含量增加，钢的强度和硬度也提高，但塑性和韧性随之降低。Si：是常用的脱氧剂，有固溶强化的作用，能够提高电阻率，降低磁滞损耗，改善磁导率，提高淬透性、抗回火性，对改善综合力学性能有利，提高弹性极限，增加自然条件下的耐磨性。含量较高时，降低焊接性，且易导致冷脆。中碳钢和高碳钢易于在回火时产生石墨化。Mn：降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改无锡职业技术学院课程设计说明书第7页共15页善其力学性能，为低合金钢的重要合金元素，能明显提高钢的淬透性，但有增加晶粒粗化和回火脆性的影响。Cr：能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，可提高高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆，含量超过12％时，使钢具有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀作用，还增加钢的热强性，是不锈耐酸钢及耐热钢的主要合金元素；铬能提高碳素钢轧制状态的强度和硬度，降低伸长率和断面收缩率；在调质结构钢中提高淬透性，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能，在渗碳钢中还可以形成含铬的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性；铬能提高工具钢的耐磨性、硬度和红硬性，有良好的回火稳定性。Ti：固溶强化作用强，但降低固溶体的韧性，固溶于奥氏体中提高钢的淬透性，但化合钛却降低钢的淬透性；改善回火稳定性，并有二次硬化的作用，提高耐热钢的抗氧化性和热强性，且改善钢的焊接性；在普通低合金钢中能提高塑性和韧性，由于钛固定了氮和硫并形成碳化钛，提高了钢的强度。经正火使晶粒细化，析出形成碳化物可使钢的塑性和冲击韧性得到显著改善。含钛的合金结构钢，有良好的力学性能和工艺性能。2、材料加工工艺分析（1）45Mn2B工艺流程下料→锻造→毛坯调质→机加工→热处理（高频表面淬火及回火）→精加工（2）20CrMnTi的工艺流程下料→锻造→去应力退火→机加工→热处理（渗碳淬火及回火）→精加工3、热处理工艺分析（1）预先热处理分析45Mn2B的预先热处理工艺相关要求如表3：工艺加热温度冷却方式硬度（HBS）调质860±5℃淬火水冷≤235650℃高温回火空冷表345Mn2B的预先热处理工艺相关要求45Mn2B经锻造后，锻件凸轮轴内存在残余应力，对凸轮轴在以后的机加工无锡职业技术学院课程设计说明书第8页共15页或使用中潜在地使其产生变形或开裂，预备热处理采用调质，消除锻造应力。调质处理后获得回火索氏体，此组织中的渗碳体为颗粒状，使钢的硬度高，塑性、韧性较好，具有较好的综合性能，达到对心部强韧性的要求。20CrMnTi20CrMnTi的预先热处理工艺相关要求如表4：工艺加热温度保温时间冷却方式硬度（HBS）去应力退火560~580℃1~2h炉冷≤217表420CrMnTi的预先热处理工艺相关要求因20CrMnTi硬度过高，故先采用去应力退火，以改善其切削加工性能，为最终热处理作准备。（2）最终热处理分析45Mn2B1）工艺：高频感应加热淬火+低温回火2）温度：850~900℃3）介质：水或油4）硬度：59~63HRC5）使其表面获得回火索氏体，已达到足够的硬度和耐磨性。20CrMnTi1）工艺：渗碳淬火+低温回火2）渗碳温度：930±10℃3）一次淬火温度：860±10℃4）淬火介质：油5）硬度：56~62HRC6）使其表面获得细针状马氏体+颗粒状碳化物+奥氏体，心部：铁素体+珠光体，已达到足够的硬度和耐磨性。无锡职业技术学院课程设计说明书第9页共15页4、材料的使用性能比较材料预先热处理最终热处理金相组织加工工艺成本性能工艺硬度（HBS）工艺硬度（HRC）45Mn2B调质≤235高频淬火+低温回火48~58索氏体+少量托氏体。低层深：2.5mm。综合力学性能良好，淬透性较低。20CrMnTi去应力退火≤217渗碳淬火+低温回火渗碳表面：56~63一次淬火﹥30低温回火50~61细针状回火马氏体+粗状碳化物+少量残余奥氏体。高层深：1.7~2.2mm。表面有较高的硬度和耐磨性，心部有较高韧性和强度。表5材料的最终使用性能比较45Mn2B综合力学性能良好，但淬透性较低;20CrMnTi表面具有较高的硬度和耐磨性，心部具有较高的韧性和强度及抗冲击韧性。20CrMnTi的淬透性较高，在油中临界淬透直径达12～30mm，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，并具有较高的低温冲击韧性，焊接性中等，正火后可切削性良好；同时钢的热处理工艺性也很好，即钢加热时过热敏感性小、渗碳速度快、过渡层均匀，而且渗碳后可直接降温(不低于800℃)淬火，淬火变形又很小。5、确定材料材料的最终选择45Mn2B经最终热处理后，低温韧性一般，且淬硬层硬度较低，心部强度一般。而20CrMnTi具有低温韧性好，抗冲击性能好，心部强度较高，综合力学性能优，适合做对零件性能要求更高的材料，考虑到对二缸凸轮轴材料性