汽车发动机活塞销的选材与热处理工艺课程设计

1 汽车发动机活塞销的零件图如下 图1 汽车发动机活塞销零件尺寸图 2 服役条件与性能分析 活塞销（英文名称：Piston Pin），是装在活塞裙部的圆柱形销子，它的中部穿过连杆小头孔，用来连接活塞和连杆，把活塞承受的气体作用力传给连杆。为了减轻重量，活塞销一般用优质合金钢制造，并作成空心。塞销的结构形状很简单，基本上是一个厚壁空心圆柱。其内孔形状有圆柱形、两段截锥形和组合形。圆柱形孔加工容易，但活塞销的质量较大；两段截锥形孔的活塞销质量较小，且因为活塞销所受的弯矩在其中部最大，所以接近于等强度梁，但锥孔加工较难。本次设计选用内孔为原形的活塞销。 服役条件：(1)高温条件下承受周期性强烈冲击和弯曲、剪切作用 (2)销表面承受较大的摩擦磨损。 失效形式：由于承受周期性的应力，使其发生疲劳断裂和表面严重磨损。 性能要求：（1）活塞销在高温条件下承受很大的周期性冲击负荷，且由于活塞销在销孔内摆动角度不大，难以形成润滑油膜，因此润滑条件较差。为此活塞销必须有足够的刚度、强度和耐磨性，质量尽可能小，销与销孔应该有适当的配合间隙和良好的表面质量。在一般情况下，活塞销的刚度尤为重要，如果活塞销发生弯曲变形，可能使活塞销座损坏；（2）具有足够的冲击韧性；（3）具有较高的疲劳强度。

3 技术要求 活塞销技术要求: ① 活塞销全部表面渗碳，渗碳层深度为 ～ 1．2mm，渗碳层至心部组织应均匀过渡，不得有骤然转变。 ② 表面硬度58 ～ 64 HRC，同一个活塞销上的硬度差应≤3 HRC。 ③ 活塞销心部硬度为24 ～ 40 HRC。 ④ 活塞销渗碳层的显微组织应为细针马氏体，允许有少量均匀分布的细小粒状碳化物，不得有针状和连续网状分布的游离碳化物存在。心部的针状应是低碳马氏体及铁素体。

表1 活塞销内、外圆渗碳技术要求 活塞销壁厚mm 外圆表面渗碳层厚度mm 内孔表面渗碳层厚度mm 内外圆表面渗碳层厚度之和占壁厚的比例%

~3 ≥ ≥ ≤40

3~4 ≥

≤35 4~6 ≥ ≥

6~8 ~ ≥ ≤33

8~10 ~ >10 ~ -

4 选材 活塞销的材料一般为低碳钢或低碳合金钢，如20、15Cr、20Cr或2OCrMnTi等。外表面渗碳淬硬，再经精磨和抛光等精加工。这样既提高了表面硬度和耐磨性，又保证有较高的强度和冲击韧性。 （1）20钢为低碳钢，由于碳含量低，淬透性差，强度低，即使渗碳以后，强度仍然不高，只适应于表面耐磨、载荷小、冲击轻微要求强度低的小工件，如轴套、链条、小水阀等。 （2）15Cr是一种常用的低碳合金渗碳钢，在渗碳时可显著地增加表面含碳量，增大渗碳深度，但在高温长时间渗碳时有晶粒长大倾向及形成网状碳化物的倾向；对形状简单、要求不高的零件，渗碳后可直接降温淬火，但热处理后变形较大，又有回火脆性。 （3）20Cr与15Cr钢相比，有较高的强度及淬透性，在油中临界淬透直径达4 ～22mm，在水中临界淬透直径达11～40mm，但韧性较差，此钢渗碳时仍有晶粒长大倾向，降温直接淬火对冲击韧性影响较大，所以渗碳后需淬火以提高零件心部韧性，无回火脆性。 (3) 20CrMnTi是渗碳钢，渗碳钢通常为含碳量为%%的低碳钢。汽车上多用其制造传动齿轮，是中淬透性渗碳钢，其淬透性较高，在保证淬透情况下，具有较高的强度和韧性，特别是具有较高的低温冲击韧性。20CrMnTi表面渗碳硬化处理用钢。良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相当好。主要用途有：用于齿轮，轴类，活塞类零配件以及汽车，飞机各种特殊零件部位。 综合这几种材料的性能与经济因素等，最终本次设计选用20Cr作为活塞销的加工材料。 表2 20Cr钢的成分及含量（质量百分数） 合金元素 C Si Mn Cr 含量wt% ～ ～ ～ ～ 各元素的作用： 碳（C）：使基体达到一定的强韧度主要贡献元素。 铬（Cr）：降低相变∆Gγ→α驱动力,也阻止了相变时碳化物的形核长大，所以提高钢的淬透性；碳化物形成元素，回火时阻止M3C型长大，提高回火稳定性；Cr的碳化物稳定，不易长大，能细化晶粒，改善碳化物均匀性；Cr促进杂质原子偏聚，增大回火脆性倾向；同时能提高钢的抗氧化性；全部淬透零件在高温回火后可获得高而均匀的综合力学性能，特别是高的屈强比，能提高材料的疲劳强度。 锰（Mn）：Mn强化铁素体，其固溶强化效果非常明显；Mn降低相变∆Gγ→α驱动力使奥氏体等温转变曲线右移，提高淬透性；奥氏体形成元素，降低钢的A1温度，促进颗粒长大，增大钢的过热敏感度；Mn促进有害元素在晶界上的偏聚，增大钢的回火脆性倾向。 硅（Si）：有利于铁素体组织的形成，在钢中不形成碳化物，主要固溶于铁中。对奥氏体形成速度无甚影响，可升高A1点，相对的减缓了奥氏体的形成速度。对加热时奥氏体晶粒大小稍有阻碍或不起作用，可推迟珠光体相变使C曲线右移，Ms点降低，提高过冷奥氏体的稳定性，从而降低淬火临界冷却速度，提高钢的淬透性。显著地减慢马氏体在较低温度的分解，显著阻碍碳化物的聚集，阻碍钢在回火时消除各类畸变的作用，从而增强了钢的回火稳定性。可提高a相的再结晶温度，可使钢回火脆性显著增强。 表3 20Cr钢的临界温度 钢号 Ac1 Ac3 Ar1 Ar3 Ms 20Cr 765℃ 836℃ 702℃ 799℃ 390℃

5 零件的加工路线制定 活塞销的制造工艺路线有多种，主要分为三个类别： （1）挤压成形：棒料→退火→磷化→冷挤压→渗碳→淬火→回火→精加工→成品。 （2）钻削加工成形：棒料→粗车外圆→渗碳→钻内孔→淬火→回火→精加工→成品。 （3）管料制造：棒料→热轧管→粗车外圆→渗碳→淬火→回火→精加工→成品。 大量生产的活塞销均为冷挤压或温挤压成形，产量较少的活塞销则采用钻削加工成形或管料制造。冷挤压成形具有以下特点： ①挤压零件尺寸准确表面光洁 ②节约原材料：冷挤压件材料利用率通常可以达到80%以上。如解放牌汽车活塞销动切削加工材料利用率为%，而用冷挤压时材料利用率提高到92%。③生产率高 ④冷挤压件强度高、刚性好而重量轻。 本次设计采用冷挤压成形渗碳处理。 具体工艺路线：棒料→软化退火→磷化→冷挤压→渗碳→淬火→回火→精加工→成品。

6 具体工艺 软化退火 棒料在冷挤压前的退火目的是：降低硬度，提高塑性，为冷挤压工艺作准备。（1）本次设计采用完全退火工艺 完全退火：指将钢件或钢材加热至Ac3以上30℃~50℃，保温一定时间后缓慢冷却，获得接近平衡组织的热处理工艺。所谓“完全”是指在加热和冷却过程中钢的内部组织全部进行了相变重结晶。 完全退火主要用于亚共析钢的铸件、锻件和热轧钢材等。完全退火随炉缓冷的冷却速度一般小于30℃/h。在实际生产中，为了提高生产效率，随炉冷却至500℃左右即可出炉空冷。 其主要目的：细化晶粒和改善组织（如消除中碳结构钢和锻轧件中常见的魏氏组织、过热组织和带状组织）、消除内应力、降低硬度和改善钢的切削加工性能。 （2）退火温度 20Cr的Ac3温度为836℃，完全退火温度为Ac3以上30℃~50℃，所以本次退火温度选用860℃. （3）升温速度 查热处理手册可得低合金钢：<100℃/h （4）保温时间 按照查手册得到的退火经验，保温时间为：~2min/mm。本次设计的活塞销有效厚度为（38-25）/2=,*2=13min。考虑到工件尺寸小，多个工件同时加热保温，所以退火保温时间选择30min。 （5）退火设备选择 热处理电阻炉是以电为能源的，通过炉内电热元件将电能转化为热能而加热工件的炉子，是一种造价相对便宜的炉子，以降低成本。中温箱式电阻炉可用于退火、正火、回火或固体渗碳等。 本次退火设备选用RX3-15-9型中温箱式电阻炉，额定功率15kw，最高工作温度950℃，炉膛尺寸：600*300*250mm，最大装载量80kg。 （6）装炉方式 紧密型排列装炉，即如下图2所示：

图2 装炉方式 活塞销质量为,做大装载量的85%为68kg,所以，一次装炉量为≤130件。 （7）退火方式 在退火保温过程中，为防止脱碳或渗碳，须在炉内滴入甲醇。另外，为保证生产效率，当随炉冷至600℃时，出炉坑冷，坑冷时也要通入放热式控制气氛保护防止脱碳。 表4 退火的具体工艺参数 退火 温度 时间 加热速度 设备 参数 860℃ 30min <100℃/h RX3-15-9型中温箱式电阻炉

图3 退火的工艺曲线图 渗碳 渗碳的选择： 化学热处理主要是渗碳、渗氮、碳氮共渗。 渗碳：是对金属表面处理的一种，采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢，具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中，加热到900--950摄氏度的单相奥氏体区，保温足够时间后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而获得表层高碳，心部仍保持原有成分。 渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于%)。渗碳后﹐钢件表面的化学成分可接近高碳钢。工件渗碳后还要经过淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。渗碳工艺广泛用于飞机﹑汽车和拖拉机等的机械零件﹐如齿轮﹑轴﹑凸轮轴等。 渗氮：指在一定温度下，使活性氮原子渗入到工件表面的一种热处理方法。渗氮件具有高的表面硬度及耐磨性，高的疲劳强度和耐腐蚀性，且工件变形小。但是渗氮工艺的生产周期长，生产成本高，渗氮层较薄（一般在左右），且脆性高，不能承受太高的接触应力和冲击载荷，不能满足活塞销的要求。 碳氮共渗：是指在奥氏体状态下，同时将碳、氮两种元素渗入工件表面层，并以渗碳为主的化学热处理工艺。目的是在保持工件内部具有较高韧性的条件下，得到高硬度、高强度的表面层，以提高工件的耐磨性和疲劳性能。活塞销主要是要求表面强度，考虑到工艺复杂和经济因素。本次不需要选择碳氮共渗。 （1）渗碳方法的比较 ①固体渗碳法： 优点：(a)设备便宜，操作简单，不需要高技术。(b)加热用热源，可用电气、瓦斯、燃料油。（c）大小工件均匀，尤其对大型或需原渗碳层者有利。（d）适合多种少量生产。 缺点：（a）渗碳层深度及表面碳浓度不易正确调节，有过剩渗碳的倾向。处理件变形大。（b）渗碳终了时不易直接淬火，需要加热。（c）作业环境不良，作业人员多。 ②液体渗碳法 优点：（a）适合中小量生产，设备费用低，不需要高技术。（b）容易均热、极速加热，可直接淬火。（c）适合小件，薄渗碳层处理件。（d）渗碳均匀，表面光滑。 缺点：（a）不适于大型处理件的深层渗碳。（b）盐浴组成易变动，管理上麻烦。（c）有毒、排气或公害问题。（d）处理后，表面附着盐类不易洗净，易生锈。（e）难以防止渗碳，有喷溅危险。 ③气体渗碳法 优点：（a）操作方便(b)加热快，渗碳过程短(c)有可能较准确地控制渗碳层的浓度，逐渐实现生产过程中的计算机群控。(d)可以直接淬火(e)辅助工序少(f)占用车间面积少(g)清洁卫生，劳动条件好 缺点：（a）设备费昂贵。 （b）处理量少时成本高。 （c）需要专业知识。 综合以上各种渗碳方法的优缺点，和活塞销的性能要求，本次渗碳选用气体渗碳中的 “滴注式可控气氛渗碳法”。 滴注式可控气氛渗碳法是目前生产上常用的渗碳方法，即向渗碳炉中同时滴入两种液体，一种液体产生的气体碳势较低，作为稀释气体；另一种液体产生的气体碳势较高，作为富化气，通过改变两种液体的比例，可使工件表面含碳量控制在所要求的范围内。 （2）渗剂选择 滴注式气体渗碳的渗碳剂一般为甲醇，煤油、丙酮等，作为渗碳剂的有机溶剂，要求其单位液体加热分解后的产气量高，碳氧比大，碳当量小，产生炭黑少，气氛中的CO和H2的含量稳定，安全性好。下表列出了几种常用作渗碳剂的几种有机溶剂的碳当量、碳氧比。 表5 常用的有机液体的碳氧比和碳当量 名称 分子式 碳当量/g 碳氧比 产气量（mL-1） 用途 甲醇 CH3OH 64 1 稀释剂 乙醇 C2H5OH 46 2 渗碳剂