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: 活塞销全部表面渗碳，渗碳层深度为0.8 12mm，渗碳层至心部组织应均匀过渡，不得有骤然转变。 表面硬度58 64 HRC，同一个活塞销上的硬度差应3 HRC。 活塞销心部硬度为24 40 HRC。 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%1.530.250.0540340.3035460.400.10680.501.200.40338100.601.20100.801.70-4 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1140mm，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CSiMnCr含量wt%0.180.240.170.370.500.800.701.00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G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G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Ac1Ac3Ar1Ar3Ms20Cr7658367027993905 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：挤压零件尺寸准确表面光洁 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43.3%，而用冷挤压时材料利用率提高到92%。生产率高 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6.1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3050，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3050，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：1.52min/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。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86030min100/hRX3-15-9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。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。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CH3OH6411.66稀释剂乙醇C2H5OH4621.55渗碳剂异丙酮C3H7OH303_强渗碳剂乙酸乙酯CH3COOC2H5442_渗碳剂煤油C16H34(主)28.250.73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全部吸收，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，造成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要求为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/min220 d/min50-60 d/min甲醇0020-30 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/mm1.3-1.91.0-1.40.8-1.10.5-0.8渗碳温度/95010940109401093010由于本次设计的活塞销壁厚为6.5mm，由技术要求和上表综合考虑。另外，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92010。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，但渗碳温度过高会造成晶粒粗大，工件畸变增大，设备寿命降低等负面效应。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）渗碳时间渗碳时间主要分为：排气阶段、强渗阶段、扩散阶段。 渗碳时间主要根据渗层深度确定，而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/mm0.4-0.60.6-0.80.8-1.01.0-1.21.2-1.41.4-1.6保温时间/h1.5-2.52.5-3.53.5-4.54.5-5.55.5-6.56.5-7.5本次设计的活塞销要求渗碳层深度为：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，各个阶段的时间要求，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0.81.2mm1h2h2h1.11.6mm1h2.5h3h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）300*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，炉膛容积有效利用率高，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。 为了保证工艺实施的流畅性，应与前期预备热处理炉子装炉量相同。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3050。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：=kD 式中 加热时间，min； 加热时间系数，min/mm；k装炉量修正系数； D工件有效厚度，mm。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。=kD=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RJ240-9，额定功率40kw，额定电压380V，相数3，最高工作温度950，炉膛尺寸600*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。所以应该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，油淬可以达到淬火临界冷却速度，并且油淬经济，操作简单。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88040油冷RJ240-9N2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，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。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。适应于要求高硬度、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确定回火温度：表10 20Cr回火温度与硬度关系回火温度150200300400硬度HRC62615243根据活塞销的技术要求，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/mm2520-4040-6060-8080-100保温时间/mm30-6060-9090-120120-150150-180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