汽车发动机活塞销的选材与热处理工艺课程设计.doc

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朴，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，且由于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。
性能规定：（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，质量尽也许小，销与销孔应当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，假如活塞销发生弯曲变形，也许使活塞销座损坏；（2）具有足够的冲击韧性；（3）具有较高的疲劳强度。
3 技术规定
活塞销技术规定:
① 活塞销所有表面渗碳，渗碳层深度为0.8 ～ 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、外圆渗碳技术规定
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%
1.5~3
≥0.25

≥0.05
≤40
3~4
≥0.30

≤35
4~6
≥0.40
≥0.10
6~8
0.50~1.20

≥0.40

≤33
8~10
0.60~1.20
>10
0.80~1.70
-
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、冲击轻微规定强度低的小工件，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长表面含碳量，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；对形状简朴、规定不高的零件，渗碳后可直接降温淬火，但热解决后变形较大，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0.17%-0.24%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表面渗碳硬化解决用钢。良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相称好。重要用途有：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%
0.18～0.24
0.17～0.37
0.50～0.80
0.70～1.00
各元素的作用：
碳（C）：使基体达成一定的强韧度重要奉献元素。
铬（Cr）：减少相变∆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；所有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减少相变∆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，减少钢的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）：有助于铁素体组织的形成，在钢中不形成碳化物，重要固溶于铁中。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点减少，提高过冷奥氏体的稳定性，从而减少淬火临界冷却速度，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，重要分为三个类别：
（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：冷挤压件材料运用率通常可以达成80%以上。如解放牌汽车活塞销动切削加工材料运用率为43.3%，而用冷挤压时材料运用率提高到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解决。
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
6.1软化退火
棒料在冷挤压前的退火目的是：减少硬度，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℃，保温一定期间后缓慢冷却，获得接近平衡组织的热解决工艺。所谓“完全”是指在加热和冷却过程中钢的内部组织所有进行了相变重结晶。
完全退火重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。
其重要目的：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、减少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
查热解决手册可得低合金钢：<100℃/h
（4）保温时间
按照查手册得到的退火经验，保温时间为：1.5~2min/mm。本次设计的活塞销有效厚度为（38-25）/2=6.5mm,6.5*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
热解决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，以减少成本。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0.514kg,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。此外，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

6.2 渗碳
渗碳的选择： 化学热解决重要是渗碳、渗氮、碳氮共渗。
渗碳：是对金属表面解决的一种，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0.25%)。渗碳后﹐钢件表面的化学成分可接近高碳钢。工件渗碳后还要通过淬火﹐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解决方法。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0.5mm左右），且脆性高，不能承受太高的接触应力和冲击载荷，不能满足活塞销的规定。
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解决工艺。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。活塞销重要是规定表面强度，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，操作简朴，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，特别对大型或需原渗碳层者有利。（d）适合多种少量生产。
缺陷：（a）渗碳层深度及表面碳浓度不易对的调节，有过剩渗碳的倾向。解决件变形大。（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，薄渗碳层解决件。（d）渗碳均匀，表面光滑。
缺陷：（a）不适于大型解决件的深层渗碳。（b）盐浴组成易变动，管理上麻烦。（c）有毒、排气或公害问题。（d）解决后，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)有也许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
缺陷：（a）设备费昂贵。 （b）解决量少时成本高。 （c）需要专业知识。
综合以上各种渗碳方法的优缺陷，和活塞销的性能规定，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规定的范围内。
（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，规定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
1.66
稀释剂
乙醇
C2H5OH
46
2
1.55
渗碳剂
异丙酮
C3H7OH
30
3
_
强渗碳剂
乙酸乙酯
CH3COOC2H5
44
2
_
渗碳剂
煤油
C16H34(主)
28.25
—
0.73
强渗碳剂
煤油是传统的渗碳滴注剂，煤油价格低廉，渗碳能力强，当用煤油直接滴入渗碳炉内进行渗碳时，由于在渗碳温度热分解时析出活性碳原子过多，往往不能被钢件表面所有吸取，而在工件表面沉积形成炭黑，焦油等，阻碍渗碳过程的继续进行，导致渗碳层深度及碳浓度不均匀等缺陷。而采用两种有机液体同时滴入炉内，一种液体产生的气体碳势低，作为载气，另一种液体产生的气体碳势较高，作为富化气。这样的配合使用，往往可以得到炭黑少，渗速快，碳势易于调节，渗碳质量高的良好结果。
本次设计采用甲醇—煤油混合液作为渗碳滴注剂，其中甲醇是稀释剂，煤油是渗碳剂。
（3）渗剂用量
查手册得渗碳层深度规定为0.8-1.4mm,渗碳温度为940℃时的渗碳各阶段渗剂用量如下表格：
表6 一定条件下20Cr活塞销渗碳渗剂用量
渗碳过程
排气期
强渗期
扩散期
煤油
180d/min
220 d/min
50-60 d/min
甲醇
0
0
20-30 d/min
（4）渗碳温度：查手册可得如下表格：
表7 20Cr活塞销渗碳层深度与温度关系
渗碳层深度/mm
1.3-1.9
1.0-1.4
0.8-1.1
0.5-0.8
渗碳温度/℃
950±10
940±10
940±10
930±10
由于本次设计的活塞销壁厚为6.5mm，由技术规定和上表综合考虑。此外，渗碳温度一般在在Ac3以上，考虑碳在钢中的扩散速度等因素，目前在生产上广泛采用的温度为920±10℃。随着渗碳层度的升高，碳在钢中的扩散系数呈指数上升，渗碳速度加快，但渗碳温度过高会导致晶粒粗大，工件畸变增大，设备寿命减少等负面效应。
最终决定渗碳温度选择：940℃，把加热温度控制940℃左右，目的是控制奥氏体晶粒长大，获得细小的奥氏体晶粒，淬火后获得细小的马氏体组织。
（5）渗碳时间
渗碳时间重要分为：排气阶段、强渗阶段、扩散阶段。
渗碳时间重要根据渗层深度拟定，并且与渗碳温度及炉内气氛等因素有关。表8 20Cr渗层深度与时间关系
渗碳层深度/mm
0.4-0.6
0.6-0.8
0.8-1.0
1.0-1.2
1.2-1.4
1.4-1.6
保温时间/h
1.5-2.5
2.5-3.5
3.5-4.5
4.5-5.5
5.5-6.5
6.5-7.5
本次设计的活塞销规定渗碳层深度为：0.8-1.2，因此渗碳总时间选择:5.5h。
通过查询手册可得一定条件下，各个阶段的时间规定，如下表所示：
表8 煤油-甲醇滴注式通用气体渗碳工艺
渗碳过程
排气
强渗
扩散
渗层深度及时间
0.8～1.2mm
≥1h
2h
2h
1.1～1.6mm
≥1h
2.5h
3h
综上，本次渗碳工艺时间为5h,其中排气1.5h，强渗2h,扩散2h。
（6）渗碳设备
RQ系列渗碳井式炉即在井式炉炉膛结构中加一密封炉罐，成为专为周期作业的渗碳、渗氮、碳氮共渗等所用。渗碳炉炉温均匀、升温快、保温好 ，工件渗碳速度加快，同时炉盖上还开有渗碳剂滴入孔和废气排出孔，所以选用该类井式炉。
本次设计选用RQ3-35-9型井式渗碳炉，额定功率25kw，额定温度950℃，相数3，炉膛尺寸（直径*深度）Φ300*600，最大装载量70kg。该炉炉温均匀，介质流动性好，加热速度，温度均匀，工件变形小，加热质量好，利于提高产品质量，炉膛容积有效运用率高，产量大，耗电量少，可节省电能与筑炉材料，电极寿命长，减小停炉时间。
为了保证工艺实行的流畅性，应与前期预备热解决炉子装炉量相同。这时井式炉中可通过悬挂的方式装炉。
20Cr钢的渗碳工艺曲线如下：

图4 20Cr钢活塞销的渗碳工艺曲线
6.3淬火
目的：活塞销渗碳后形成了表面的高硬度，为了提高工件的心部韧性以及消除表面层出现的网状碳化物，在渗碳后要进行淬、回火工艺。
(1)淬火温度
20Cr钢为亚共析钢，淬火加热温度选择Ac3以上30℃～50℃。而20Cr的Ac3为836℃，所以，淬火加热温度可选择880℃。
(2)淬火时间
根据经验公式：τ=α·k·D
式中 τ——加热时间，min； α——加热时间系数，min/mm；k——装炉量修正系数； D——工件有效厚度，mm。
α——查手册得，低合金钢在780℃-900℃气体中加热时，直径≤50mm时，加热时间系数为1.5-1.8 。k——活塞销的装炉方式为

查手册得此种装炉方式的炉修正系数为：2.0。D——活塞销的有效厚度为6.5mm。
τ=α·k·D=1.8*2*6.5=23.4
考虑到工件透热等因素，最终选用保温时间为40min。
(3)淬火设备
为了保证工件表面不脱碳，可应用保护气氛加热，常用井式对流炉。参考淬火工艺参数及生产流水线生产量，选用RJ2—40--9，额定功率40kw，额定电压380V，相数3，最高工作温度950℃，炉膛尺寸φ600*800mm，最大装载量350kg。通N2作为加热保护气氛。
(4)冷却方式
由于20Cr刚的淬透性较好，冷却速度越大，则淬火内应力越大，淬火变形也越大，这样工件容易变形开裂，而损坏工件。所以应当使用较为缓和的淬火介质，其热应力就相对较小，因此，选择使用油冷。由于零件尺寸不是非常大，比较小，油淬可以达成淬火临界冷却速度，并且油淬经济，操作简朴。选用20#机油。
表9 淬火具体工艺参数
淬火
温度℃
时间min
冷却介质
设备
保护气氛
工艺参数
880
40
油冷
RJ2—40--9
N2

图5 淬火的工艺曲线
6.4 回火
回火指钢件经淬硬后，再加热到Ac1以下的某一温度，保温一定期间，然后冷却到室温的热解决工艺。常见的回火工艺有：低温回火，中温回火，高温回火等。
(1)本次设计采用低温回火。
理由：低温回火可以获得回火马氏体组织，回火后零件具有高的硬度和耐磨性能，消除了淬火应力和脆性，改善了零件淬火后的韧性及组织稳定性。适应于规定高硬度、高耐磨性能零件的场合。例如量具、刀具、冷冲压剪切磨具、轴承内外圈及滚动体、渗碳及碳氮共渗零件等。
(2)回火温度
根据下表来拟定回火温度：
表10 20Cr回火温度与硬度关系
回火温度℃
150
200
300
400
硬度HRC
62
61
52
43
根据活塞销的技术规定，本次设计回火温度选择：200℃
（3）回火时间
下表为合金钢的回火时间与有效厚度之间的关系：
表11 空气炉回火温度时间表
有效厚度/mm
≤25
20-40
40-60
60-80
80-100
保温时间/mm
30-60
60-90
90-120
120-150
150-180
本次设计的活塞销有效厚度为6.5mm，但考虑到多个零件同时加热，因此本次设计回火时间选择70min。
（4）回火设备
本次设计的回火设备选择RX3-15-6型低温电阻炉，额定功率15kw，最高工作温度650℃，炉膛尺寸：600*300*250，最大装载量80kg，装炉方式和装炉量和退火相同。
表12 回火具体参数
回火
温度℃
时间min
冷却
设备
工艺参数
200
70
空冷
RX3-15-6低温电阻炉

图6 回火工艺曲线图
7 质量检查
（1）活塞销渗碳的质量检查项目、方法与规定如下表所示：
表13 质量检查项目、方法与规定
检查项目
检查方法
检查规定
渗碳层深度/mm
过共析层加共析层加1/2过渡层
按产品图样规定
硬度（HRC）
表面
不同部位至少取三点，取平均值
按产品图样规定，同一销的工作面硬度差不大于3
心部
组
织
渗碳层
距活塞销两端20mm之内横向截取，观测整个截面
细针状马氏体
心部
板条状马氏体和铁素体
表面质量
观测
无裂纹、锈蚀、麻点、黑斑裂痕、尖角、毛刺等
探伤
磁力探伤
无裂纹，注意退磁
（2）常见缺陷及防止补救措施
①深层过浅
产生的因素重要是加热温度低，时间短，炉内的碳势低等因素导致的。应针对具体因素采用防止措施。深层过浅可采用补渗予以补救。
②渗层过深
产生的因素重要是加热温度高，时间长，炉内的碳势高等因素导致的。应针对具体因素采用防止措施。但对已超过标准规定的是无法补救的。
③渗层深度不均匀
产生这种缺陷的重要因素是炉温不均匀，炉内碳势不均匀，或工件表面不净。防止方法重要是改善炉内温度和碳势的均匀性，清洁工件表面。这类缺陷可在比较缓和的渗碳气氛炉内重新渗碳，使其扩散均匀。
④渗碳层脱碳
产生这种缺陷的重要因素是渗碳后期碳势减少太大，或是出炉冷速慢，零件在高温下与空气接触时间太长，或在重新加热时炉气保护不良等，防止办法采用相应措施，可以用补渗的办法补救。
⑤网状碳化物
产生网状碳化物的重要因素是炉内碳势太高，或是渗碳后的冷却速度太慢。可通过控制合适的碳势，或加大冷却速度来防止。已有的网状碳化物可以通过正火解决来消除。
⑥残余奥氏体量过多
钢中的合金元素较多碳浓度过高，淬火温度高时易产生多量残余奥氏体。适当减少碳势和淬火温度可防止产生多量残余奥氏体。采用长时间的较高温度回火可使残余奥氏体分解，也可以采用重新加热淬火及深冷解决等方法进行补救。