日产VC涡轮发动机用高强度螺栓的研制
1.简介
日产的新型2.0L汽油涡轮增压发动机(KR20DDET)是世界上第一款可量产的可变压缩比发动机(VC-Turbo)，该发动机采用了多连杆可变压缩比(VCR)的设计机构。1)发动机的理论热效率随着压缩比的提高而提高，从而有可能提高燃油经济性。然而，提高压缩比容易引起爆震或缸内压力过高。在实际发动机中，压缩比受到大开节气门时爆震极限的限制，这是最严峻的工作条件，也是气缸内压力的设计限制。另一方面，在部分负荷下，气缸内燃烧气体的压力和温度较低，这使得提高压缩比成为可能，因为有防止爆震发生的余量和允许的气缸内压力。因此，如果压缩比是可变的，并且可以优化设置以匹配操作条件，热效率和输出都可以提高。VC-Turbo采用日产独特的多连杆曲轴旋转机构取代了传统的活塞曲柄机构。多连杆可变压缩比系统结构如图1所示。活塞和曲轴由两个连杆直接连接，一个是上连杆(u形连杆)，另一个是下连杆(l形连杆)。l型连杆由上部和下部组成，上部和下部通过双螺栓机构连接。控制连杆(c -连杆)和控制轴，使u -连杆和l -连杆改为无轨运动。控制轴的C-link支撑点由执行器(电动机)控制。因此，u型连杆的下端位置垂直移动，该连杆安排改变活塞顶部和底部死中心的位置，范围约为6mm。这使得压缩比可以在8:1和14:1之间变化。所有组成部分都必须提供高功能，以使该系统可行。图1显示了L-link螺栓的负载输入。燃烧载荷在打开l -连杆的方向上起作用，输入力在拉动螺栓的方向上起作用，u型销为受力点，曲柄销为受力点。由于杠杆的原理，燃烧负荷大约增加了一倍。与传统活塞曲柄机构的连杆螺栓相比，应用到螺栓上的载荷要大得多。图2显示了常规连杆螺栓和l型连杆螺栓的载荷和轴向力输入情况。结果表明，与日产此前使用的连杆螺栓相比，L-link螺栓可以在更恶劣的环境中使用。为了使用抗拉强度为1.4-GPa或更低的螺栓来传递这么大的轴向力，L-link和相关部件的尺寸必须增加，这将大大增加发动机的重量。增加螺栓强度必须克服的一个问题是延迟断裂，这也被称为氢脆。在零件制造时或从使用环境中侵入钢铁材料的氢聚集在晶界处，导致裂缝发生，导致断裂。高强度材料在抗延迟断裂方面有缺点。高强度螺栓一般采用调质合金马氏体钢制成。已知沿晶界形成薄膜的渗碳体会促进晶间断裂。降低裂纹萌生点和晶界处的应力集中是至关重要的。通过高温回火使类薄膜碳化物在晶界处球化是实现这一目的的有效措施。形成有害氢的俘获点也是有效的。钒(V)、铌(Nb)、钼(Mo)等碳化物在这方面是有效的。1.2GPa或以下的高强度螺栓采用符合JIS SCM 440等标准的材料制成。在日产，1.4 GPa的紧固螺栓由含钒合金的CrMoV钢制成，已被用作日产GT-R的连杆螺栓。同时，其他公司采用了冷加工1.6GPa的珠光体钢制成的连杆螺栓，并将其紧固到弹性区域。对于VC-Turbo发动机来说，必须将螺栓紧固到塑性区域，以确保轴向力的稳定。然而，以目前可用的钢材类型，已经很难同时达到强度和延迟断裂阻力，因此有必要开发一种新型钢材。本研究的目的是寻找一种具有与现有高强度螺栓相当的高强度和延迟抗断裂性能的1.6GPa紧固螺栓的化学成分和热处理条件。(1)获得高强度:添加高碳(C)和高硅(Si)含量，添加铬(Cr)和钼(Mo)，提高回火软化性能；(2)延迟断裂阻力:通过高温回火使晶界处的细碳化物球化，并通过添加Mo形成晶内氢俘获位点。图3显示了用这个概念形成的微结构示意图。回火温度低时，晶界碳化物呈膜状析出;回火温度高时，晶界碳化物呈球形分散。此外，诱导Mo碳化物的晶内析出具有形成氢俘获位点的作用。开发新钢的目标是达到比标准螺栓用钢更高的C、Si和Mo含量。原型螺栓设置的含量范围分别为C: 0.5-0.6 wt%， Si: 0-2.0 wt%， Cr: 0-1.0 wt%， Mo: 0-1.6 wt%。化学成分用于比较的两种参考钢(CrMoV钢和SCM440)的强度，如表1所示。首先对轧制后的棒材进行二次加工，然后采用冷镦成形螺栓头，冷轧成形螺纹部分。然后对螺栓样品进行回火淬火热处理。对按预定螺栓形状制造的原型试样进行拉伸试验和延迟断裂试验。在室温下对不同回火温度下制备的螺栓试样进行拉伸试验。基础评价使用的螺栓尺寸为M16，并从中切割出JIS 4号试件。使用万能试验机，测试速度设置为4mm /min。在最后的测试中使用了与实际L-link螺栓形状相似的测试件。测量了不引起延迟断裂的扩散氢含量的上限(称为临界扩散氢含量Hc)和从环境中侵入钢材的扩散氢含量He。通过比较测量的比例来评估延迟断裂阻力。图4 (a)是测量中使用的充氢方法的示意图。在屈服点处用螺母将测试螺栓固定在支架上，然后将其浸入盐酸(HCI)溶液中一段时间。通过改变充氢条件，试验螺栓中含氢量发生变化。测定了螺栓浸泡在酸溶液中的断裂时间。试验结束后，采用热解吸光谱法(TDS)测定螺栓样品中含氢量。图4 (b)显示了测量Hc结果的示例。浸水试验进行100 h，定义未破损螺栓在100 h后的最大含氢量为Hc。首先，对化学成分不同的样品进行拉伸试验，作为基础研究。图5为不同Si和Cr含量样品的拉伸试验结果，图6为不同C和Mo含量样品的拉伸试验结果。从两幅图中可以看出，较高的C和Si含量可以有效地增强基体。此外，如图7所示，在600℃附近，添加Mo大大提高了回火软化性能。图5 Si和Cr对抗拉强度的影响 图6 C和Mo对抗拉强度的影响新开发的钢(0.6 wt%、C：2.0 wt%、Si：1.2 wt%、Cr：1.6 wt%、Mo)和两种参考钢的抗拉强度是根据研究结果得出的，如图7所示。如图所示，两种参考钢(SCM 440和CrMoV)在回火温度为550℃或更高时，没有达到抗拉强度标准(1569-1667 MPa)。相比之下，新开发的钢在大约600℃的回火温度下达到了所需的强度1.6GPa，这表明这种新钢可以设置高回火温度。测定结果图8给出了不同Mo含量螺栓的Hc测量结果。结果表明，Mo含量越高，Hc值越高延迟断裂性能得到改善。据推测，钼碳化物具有捕获氢的作用。图9给出了不同Si含量螺栓的Hc测量结果。结果表明，Si含量越高，Hc值越高，延缓断裂性能越好。利用扫描电子显微镜(SEM)观察了试验螺栓的截面结构，以确定热处理后碳化物分散的状态。图10为新开发的钢(0.6 wt%、C：2.0 wt%、Si：1.2 wt%、Cr：1.6 wt%、Mo)在两种不同温度回火后显微组织的SEM图像。如图所示，600℃高温回火使晶界上的薄膜状碳化物分散。此外，利用透射电镜观察到碳化物析出。图11是新开发的钢的显微组织的TEM图像。由于高温回火，晶粒内部可以观察到细小的Mo碳化物。上述结果表明，对新开发的钢进行高温回火，可以得到符合开发理念的理想组织。首先，在规定条件下，对新开发的钢和SCM 440参比钢充氢后的氢含量进行了测量。图12为两种钢在0.3% HCl溶液中充氢24 h后的氢热解吸曲线。一般来说，在200℃或更低的温度出现的峰是由缺陷或弱俘获的扩散氢脱位和影响延迟性断裂。另一方面，在200℃以上出现的峰值是强烈捕获的非扩散氢，据报道，这对延迟断裂影响不大。如图所示12，新开发的钢在200℃以下显示出一个较小的峰值，这表明它倾向于抵抗影响延迟断裂的扩散氢的入侵，或者由于被捕获，扩散氢变得无害。首先，可以引用的抑制氢侵入的原因包括Si可以有效地加强碱基，并有效地稳定位错结构。至于使氢无害，想必钼碳化物具有捕获氢的作用。然后求出Hc/He比值，并对三种钢材料进行比较。作为估算He的一种方法，我们发现SCM440螺栓的充氢条件是Hc/He比值为1.0，该螺栓有应用于连杆螺栓的记录。然后对新开发的钢和在相同条件下进行充氢试验铬钼钢。图13显示了新开发钢和两种参考钢的Hc/He比值。其抗拉强度为:SCM 440钢1.2-GPa, CrMoV钢1.4-GPa，新开发的钢1.6 GPa。首先，新开发钢的Hc值高于参考钢，这表明它比其他两种钢具有更强的抗延迟断裂能力。此外，新开发的钢的He值低于两种参考钢，这意味着它往往更能抵抗影响延迟断裂的扩散氢的入侵，或者扩散氢被捕获而变得无害。上述结果证实了新开发的高强度螺栓钢比现有的高强度螺栓钢具有更好的抗延迟断裂性能。研发了1.6 GPa的塑料紧固螺栓，并成功投入批量生产，作为新型VC-Turbo发动机多连杆机构的组成部分。为了克服强度增加时出现的延迟断裂问题，对分散球形渗碳体颗粒的组成和热处理条件进行了研究。当使用新钢种(0.6 wt% C-2.0 wt% Si-1.2 wt% Cr-1.6 wt% Mo)时，设定了较高的回火温度(570℃)。测定了Hc/He比，并与其他两种钢的Hc/He比进行了比较。结果表明，新研制的高强度螺栓钢具有与现有高强度螺栓钢相同或更好的抗延迟断裂性能。
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首次发布时间：2023-06-17
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