汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞銷的選材與熱處理工藝課程設(shè)計(jì)

1、1汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞銷的零件圖如下XY/A髦一V1w4034w354668w3381010-4選材活塞銷的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼，如20、15Cr、20Cr或2OCrMnT等。外表面滲碳淬硬，再經(jīng)精磨和拋光等精加工。這樣既提高了表面硬度和耐磨性， 又保證有較高的強(qiáng)度和沖擊韌性。（1）20鋼為低碳鋼，由于碳含量低，淬透性差，強(qiáng)度低，即使?jié)B碳以后，強(qiáng)度 仍然不高，只適應(yīng)于表面耐磨、載荷小、沖擊輕微要求強(qiáng)度低的小工件，如軸套、 鏈條、小水閥等。（2）15Cr是一種常用的低碳合金滲碳鋼，在滲碳時(shí)可顯著地增加表面含碳量， 增大滲碳深度，但在高溫長時(shí)間滲碳時(shí)有晶粒長大傾向及形成網(wǎng)狀碳化物的傾 向；對(duì)形狀

2、簡單、要求不高的零件，滲碳后可直接降溫淬火，但熱處理后變形較 大，又有回火脆性。（3） 20Cr與15Cr鋼相比，有較高的強(qiáng)度及淬透性，在油中臨界淬透直徑達(dá)422mm，在水中臨界淬透直徑達(dá)1140mm，但韌性較差，此鋼滲碳時(shí)仍有晶粒 長大傾向，降溫直接淬火對(duì)沖擊韌性影響較大，所以滲碳后需淬火以提高零件心 部韌性，無回火脆性。20CrMnTi是滲碳鋼，滲碳鋼通常為含碳量為%勺低碳鋼。汽車上多用其制造 傳動(dòng)齒輪，是中淬透性滲碳鋼，其淬透性較高，在保證淬透情況下，具有較高的 強(qiáng)度和韌性，特別是具有較高的低溫沖擊韌性。20CrM nTi表面滲碳硬化處理用鋼。良好的加工性，加工變形微小，抗疲勞性能相當(dāng)好

3、。主要用途有：用于齒輪， 軸類，活塞類零配件以及汽車，飛機(jī)各種特殊零件部位。綜合這幾種材料的性能與經(jīng)濟(jì)因素等，最終本次設(shè)計(jì)選用20Cr作為活塞銷的 加工材料。表2 20Cr鋼的成分及含量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）合金兀素CSiMnCr含量wt%各元素的作用:碳（C）:使基體達(dá)到一定的強(qiáng)韌度主要貢獻(xiàn)元素。鉻（Cr）:降低相變？GY-a驅(qū)動(dòng)力，也阻止了相變時(shí)碳化物的形核長大，所以提 高鋼的淬透性；碳化物形成元素，回火時(shí)阻止M3C型長大，提高回火穩(wěn)定性；Cr的碳化物穩(wěn)定，不易長大，能細(xì)化晶粒，改善碳化物均勻性；Cr促進(jìn)雜質(zhì)原子偏聚，增大回火脆性傾向；同時(shí)能提高鋼的抗氧化性；全部淬透零件在高溫回 火后可獲得高而均

4、勻的綜合力學(xué)性能， 特別是高的屈強(qiáng)比，能提高材料的疲勞強(qiáng) 度。錳（Mn）:Mn強(qiáng)化鐵素體，其固溶強(qiáng)化效果非常明顯；Mn降低相變？Ga驅(qū)動(dòng)力使奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線右移，提高淬透性；奧氏體形成元素，降低鋼的A1溫度，促進(jìn)顆粒長大，增大鋼的過熱敏感度；Mn促進(jìn)有害元素在晶界上的偏聚， 增大鋼的回火脆性傾向。硅（S）：有利于鐵素體組織的形成，在鋼中不形成碳化物，主要固溶于鐵中。 對(duì)奧氏體形成速度無甚影響，可升高A1點(diǎn)，相對(duì)的減緩了奧氏體的形成速度。 對(duì)加熱時(shí)奧氏體晶粒大小稍有阻礙或不起作用，可推遲珠光體相變使C曲線右移，Ms點(diǎn)降低，提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而降低淬火臨界冷卻速度，提高 鋼的淬透性。顯著

5、地減慢馬氏體在較低溫度的分解，顯著阻礙碳化物的聚集，阻 礙鋼在回火時(shí)消除各類畸變的作用， 從而增強(qiáng)了鋼的回火穩(wěn)定性?？商岣遖相的 再結(jié)晶溫度，可使鋼回火脆性顯著增強(qiáng)。表3 20Cr鋼的臨界溫度鋼號(hào)AciAc3Ar1Ar3Ms20Cr765r836r702r：799C390r5零件的加工路線制定活塞銷的制造工藝路線有多種，主要分為三個(gè)類別：（1）擠壓成形：棒料f退火f磷化f冷擠壓f滲碳f淬火f回火f精加工f成 品。2）鉆削加工成形：棒料f粗車外圓f滲碳f鉆內(nèi)孔f淬火f回火f精加工f成品。3）管料制造：棒料f熱軋管f粗車外圓f滲碳f淬火f回火f精加工f成品。 大量生產(chǎn)的活塞銷均為冷擠壓或溫?cái)D壓成形

6、，產(chǎn)量較少的活塞銷則采用鉆削加工 成形或管料制造。冷擠壓成形具有以下特點(diǎn)：1擠壓零件尺寸準(zhǔn)確表面光潔節(jié)約原材料：冷擠壓件材料利用率通?？梢赃_(dá) 到80%以上。如解放牌汽車活塞銷動(dòng)切削加工材料利用率為，而用冷擠壓時(shí)材料利用率提高到92%。生產(chǎn)率高冷擠壓件強(qiáng)度高、剛性好而重量輕。本次設(shè)計(jì)采用冷擠壓成形滲碳處理。具體工藝路線：棒料f軟化退火f磷化f冷擠壓f滲碳f淬火f回火f精加工f成品。6具體工藝軟化退火棒料在冷擠壓前的退火目的是：降低硬度，提高塑性，為冷擠壓工藝作準(zhǔn)備。（1） 本次設(shè)計(jì)采用完全退火工藝完全退火：指將鋼件或鋼材加熱至Ac以上30C50C，保溫一定時(shí)間后緩慢冷 卻，獲得接近平衡組織的熱處

7、理工藝。所謂“完全 ”是指在加熱和冷卻過程中鋼 的內(nèi)部組織全部進(jìn)行了相變重結(jié)晶。完全退火主要用于亞共析鋼的鑄件、鍛件和熱軋鋼材等。完全退火隨爐緩冷的冷 卻速度一般小于30C/h。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了提高生產(chǎn)效率，隨爐冷卻至500r左右即可出爐空冷。其主要目的：細(xì)化晶粒和改善組織（如消除中碳結(jié)構(gòu)鋼和鍛軋件中常見的魏氏組 織、過熱組織和帶狀組織）、消除內(nèi)應(yīng)力、降低硬度和改善鋼的切削加工性能。2）退火溫度20Cr的Acs溫度為836T，完全退火溫度為Acs以上30C50C，所以本次退火 溫度選用860r.3）升溫速度查熱處理手冊(cè)可得低合金鋼：i00r/h（4）保溫時(shí)間按照查手冊(cè)得到的退火經(jīng)驗(yàn)，保溫時(shí)間

8、為：2min/mm。本次設(shè)計(jì)的活塞銷有效 厚度為（38-25）/2=,*2=13min?？紤]到工件尺寸小，多個(gè)工件同時(shí)加熱保溫，所 以退火保溫時(shí)間選擇30min。(5) 退火設(shè)備選擇熱處理電阻爐是以電為能源的，通過爐內(nèi)電熱元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能而加熱工件 的爐子，是一種造價(jià)相對(duì)便宜的爐子，以降低成本。中溫箱式電阻爐可用于退火、 正火、回火或固體滲碳等。本次退火設(shè)備選用RX3-15-9型中溫箱式電阻爐，額定功率15kw，最高工作溫度950C，爐膛尺寸：600*300*250mm，最大裝載量80kg。(6) 裝爐方式緊密型排列裝爐，即如下圖2所示：圖 2 裝爐方式活塞銷質(zhì)量為，做大裝載量的85%為6

9、8kg所以，一次裝爐量為w130件。(7)退火方式在退火保溫過程中，為防止脫碳或滲碳，須在爐內(nèi)滴入甲醇。另外，為保證生產(chǎn) 效率，當(dāng)隨爐冷至600C時(shí)，出爐坑冷，坑冷時(shí)也要通入放熱式控制氣氛保護(hù)防 止脫碳。表4退火的具體工藝參數(shù)退火溫度時(shí)間加熱速度設(shè)備參數(shù)860C30mi nv100C/hRX3-15-9 型中溫箱式電阻爐t/h圖 3 退火的工藝曲線圖滲碳滲碳的選擇： 化學(xué)熱處理主要是滲碳、滲氮、碳氮共滲。滲碳：是對(duì)金屬表面處理的一種，采用滲碳的多為低碳鋼或低合金鋼， 具體方法 是將工件置入具有活性滲碳介質(zhì)中，加熱到900-950攝氏度的單相奧氏體區(qū)， 保溫足夠時(shí)間后，使?jié)B碳介質(zhì)中分解出的活性碳

10、原子滲入鋼件表層，從而獲得表層高碳，心部仍保持原有成分。滲碳工件的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼(含碳量小于)。滲碳后，鋼件表面 的化學(xué)成分可接近高碳鋼。工件滲碳后還要經(jīng)過淬火，以得到高的表面硬度、高 的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，并保持心部有低碳鋼淬火后的強(qiáng)韌性，使工件能承受沖擊載荷。滲碳工藝廣泛用于飛機(jī)、汽車和拖拉機(jī)等的機(jī)械零件，如齒輪、軸、凸輪軸等。滲氮：指在一定溫度下，使活性氮原子滲入到工件表面的一種熱處理方法。滲氮件具有高的表面硬度及耐磨性，高的疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性，且工件變形小。但是 滲氮工藝的生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)成本高，滲氮層較?。ㄒ话阍谧笥遥掖嘈愿?，不能承受太高的接觸應(yīng)力和沖擊載荷，不能滿足

11、活塞銷的要求。碳氮共滲：是指在奧氏體狀態(tài)下，同時(shí)將碳、氮兩種元素滲入工件表面層，并以 滲碳為主的化學(xué)熱處理工藝。目的是在保持工件內(nèi)部具有較高韌性的條件下，得 到高硬度、高強(qiáng)度的表面層，以提高工件的耐磨性和疲勞性能?；钊N主要是要 求表面強(qiáng)度，考慮到工藝復(fù)雜和經(jīng)濟(jì)因素。本次不需要選擇碳氮共滲。（1） 滲碳方法的比較1固體滲碳法：優(yōu)點(diǎn)：（a）設(shè)備便宜，操作簡單，不需要高技術(shù)。（b）加熱用熱源，可用電氣、瓦 斯、燃料油。（c）大小工件均勻，尤其對(duì)大型或需原滲碳層者有利。（d）適合多 種少量生產(chǎn)。缺點(diǎn)：（a）滲碳層深度及表面碳濃度不易正確調(diào)節(jié)，有過剩滲碳的傾向。處理件 變形大。（b）滲碳終了時(shí)不易直接

12、淬火，需要加熱。（c）作業(yè)環(huán)境不良，作業(yè)人 員多。2液體滲碳法優(yōu)點(diǎn)：（a）適合中小量生產(chǎn)，設(shè)備費(fèi)用低，不需要高技術(shù)。（b）容易均熱、極速 加熱，可直接淬火。（c）適合小件，薄滲碳層處理件。（d）滲碳均勻，表面光滑。缺點(diǎn)：（a）不適于大型處理件的深層滲碳。（b）鹽浴組成易變動(dòng)，管理上麻煩。（c）有毒、排氣或公害問題。（d）處理后，表面附著鹽類不易洗凈，易生銹。（e）難以防止?jié)B碳，有噴濺危險(xiǎn)。3氣體滲碳法優(yōu)點(diǎn)：（a）操作方便（b）加熱快，滲碳過程短（c）有可能較準(zhǔn)確地控制滲碳層的濃度， 逐漸實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的計(jì)算機(jī)群控。（d）可以直接淬火（e）輔助工序少占用車間 面積少（g）清潔衛(wèi)生，勞動(dòng)條件好缺點(diǎn)

13、：（a）設(shè)備費(fèi)昂貴。（b）處理量少時(shí)成本高。（c）需要專業(yè)知識(shí)。綜合以上各種滲碳方法的優(yōu)缺點(diǎn)，和活塞銷的性能要求，本次滲碳選用氣體滲碳 中的“滴注式可控氣氛滲碳法”。滴注式可控氣氛滲碳法是目前生產(chǎn)上常用的滲碳方法， 即向滲碳爐中同時(shí)滴入兩 種液體，一種液體產(chǎn)生的氣體碳勢(shì)較低， 作為稀釋氣體；另一種液體產(chǎn)生的氣體 碳勢(shì)較高，作為富化氣，通過改變兩種液體的比例，可使工件表面含碳量控制在 所要求的范圍內(nèi)。（2） 滲劑選擇滴注式氣體滲碳的滲碳劑一般為甲醇，煤油、丙酮等，作為滲碳劑的有機(jī)溶劑， 要求其單位液體加熱分解后的產(chǎn)氣量高，碳氧比大，碳當(dāng)量小，產(chǎn)生炭黑少，氣 氛中的CO和H2的含量穩(wěn)定，安全性好。

14、下表列出了幾種常用作滲碳劑的幾種有 機(jī)溶劑的碳當(dāng)量、碳氧比。表5常用的有機(jī)液體的碳氧比和碳當(dāng)量名稱分子式碳當(dāng)量/g碳氧比產(chǎn)氣量（mL-1）用途甲醇CHsOH641稀釋劑乙醇C2H5OH462滲碳劑異丙酮CsHzOH303強(qiáng)滲碳劑乙酸乙酯CH3COOCH5442滲碳劑煤油016出4(主)強(qiáng)滲碳劑煤油是傳統(tǒng)的滲碳滴注劑，煤油價(jià)格低廉，滲碳能力強(qiáng)，當(dāng)用煤油直接滴入滲碳 爐內(nèi)進(jìn)行滲碳時(shí)，由于在滲碳溫度熱分解時(shí)析出活性碳原子過多， 往往不能被鋼 件表面全部吸收，而在工件表面沉積形成炭黑，焦油等，阻礙滲碳過程的繼續(xù)進(jìn) 行,造成滲碳層深度及碳濃度不均勻等缺陷。而采用兩種有機(jī)液體同時(shí)滴入爐內(nèi)， 一種液體產(chǎn)生的

15、氣體碳勢(shì)低，作為載氣，另一種液體產(chǎn)生的氣體碳勢(shì)較高， 作為 富化氣。這樣的配合使用，往往可以得到炭黑少，滲速快，碳勢(shì)易于調(diào)節(jié)，滲碳 質(zhì)量高的良好結(jié)果。本次設(shè)計(jì)采用甲醇一煤油混合液作為滲碳滴注劑，其中甲醇是稀釋劑，煤油是滲碳劑。(3)滲劑用量查手冊(cè)得滲碳層深度要求為滲碳溫度為940C時(shí)的滲碳各階段滲劑用量如下表格：表6一定條件下20Cr活塞銷滲碳滲劑用量滲碳過程排氣期強(qiáng)滲期擴(kuò)散期煤油180d/min220 d/min50-60 d/min甲醇0020-30 d/min(4)滲碳溫度：查手冊(cè)可得如下表格:表7 20Cr活塞銷滲碳層深度與溫度關(guān)系滲碳層深度/mm滲碳溫度廠C9501094010940

16、1093010由于本次設(shè)計(jì)的活塞銷壁厚為，由技術(shù)要求和上表綜合考慮。另外，滲碳溫度一 般在在Acs以上，考慮碳在鋼中的擴(kuò)散速度等因素，目前在生產(chǎn)上廣泛采用的溫 度為920103。隨著滲碳層度的升高，碳在鋼中的擴(kuò)散系數(shù)呈指數(shù)上升，滲碳 速度加快，但滲碳溫度過高會(huì)造成晶粒粗大，工件畸變?cè)龃?，設(shè)備壽命降低等負(fù) 面效應(yīng)。最終決定滲碳溫度選擇：9403，把加熱溫度控制9403左右，目的是控制奧氏 體晶粒長大，獲得細(xì)小的奧氏體晶粒，淬火后獲得細(xì)小的馬氏體組織。(5)滲碳時(shí)間 滲碳時(shí)間主要分為：排氣階段、強(qiáng)滲階段、擴(kuò)散階段。滲碳時(shí)間主要根據(jù)滲層深度確定，而且與滲碳溫度及爐內(nèi)氣氛等因素有關(guān)。表8 20Cr滲層

17、深度與時(shí)間關(guān)系滲碳層深度/mm保溫時(shí)間/h本次設(shè)計(jì)的活塞銷要求滲碳層深度為：，因此滲碳總時(shí)間選擇：。 通過查詢手冊(cè)可得一定條件下，各個(gè)階段的時(shí)間要求，如下表所示:表8煤油-甲醇滴注式通用氣體滲碳工藝滲碳過程排氣強(qiáng)滲擴(kuò)散滲層深度及時(shí)間1.2mm2h2h1.6mm3h綜上，本次滲碳工藝時(shí)間為5h,其中排氣，強(qiáng)滲2h,擴(kuò)散2h。(6)滲碳設(shè)備RQ系列滲碳井式爐即在井式爐爐膛結(jié)構(gòu)中加一密封爐罐，成為專為周期作業(yè)的 滲碳、滲氮、碳氮共滲等所用。滲碳爐爐溫均勻、升溫快、保溫好，工件滲碳速度加快，同時(shí)爐蓋上還開有滲碳劑滴入孔和廢氣排出孔，所以選用該類井式爐。本次設(shè)計(jì)選用RQ-35-9型井式滲碳爐，額定功率2

18、5kw，額定溫度950C，相數(shù)3,爐膛尺寸(直徑*深度)300*600，最大裝載量70kg。該爐爐溫均勻，介質(zhì) 流動(dòng)性好，加熱速度，溫度均勻，工件變形小，加熱質(zhì)量好，利于提高產(chǎn)品質(zhì)量， 爐膛容積有效利用率高，產(chǎn)量大，耗電量少，可節(jié)省電能與筑爐材料，電極壽命 長，減小停爐時(shí)間。為了保證工藝實(shí)施的流暢性，應(yīng)與前期預(yù)備熱處理爐子裝爐量相同。 這時(shí)井 式爐中可通過懸掛的方式裝爐。20Cr鋼的滲碳工藝曲線如下：溫ft/t琨址和紅耐13022(50-6。ssor:、爐炯令30-30側(cè)圧閉a2.00003000050150時(shí)伺/t2h2k排汽強(qiáng)憩擴(kuò)歆圖 4 20Cr 鋼活塞銷的滲碳工藝曲線淬火目的：活塞銷滲

19、碳后形成了表面的高硬度，為了提高工件的心部韌性以及消除表 面層出現(xiàn)的網(wǎng)狀碳化物，在滲碳后要進(jìn)行淬、回火工藝。(1)淬火溫度20Cr鋼為亞共析鋼，淬火加熱溫度選擇Acs以上30T50C。而20Cr的Acs為836E，所以，淬火加熱溫度可選擇880C。(2)淬火時(shí)間根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：T=akD式中T卩熱時(shí)間，min；a熱時(shí)間系數(shù)，min/mm；k-裝爐量修正系數(shù)；D-工件有效厚度，mm。a手冊(cè)得，低合金鋼在780r-900r氣體中加熱時(shí)，直徑50mnW，加熱 時(shí)間系數(shù)為。k活塞銷的裝爐方式為T=akD=*2*=考慮到工件透熱等因素，最終選用保溫時(shí)間為40min。(3)淬火設(shè)備為了保證工件表面不脫碳，可

20、應(yīng)用保護(hù)氣氛加熱，常用井式對(duì)流爐。參考淬火工 藝參數(shù)及生產(chǎn)流水線生產(chǎn)量，選用RJ40-9，額定功率40kw，額定電壓380V, 相數(shù)3,最高工作溫度950C，爐膛尺寸600*800mm，最大裝載量350kg。通N2作為加熱保護(hù)氣氛。(4)冷卻方式由于20Cr剛的淬透性較好，冷卻速度越大，則淬火內(nèi)應(yīng)力越大，淬火變形也越 大，這樣工件容易變形開裂，而損壞工件。所以應(yīng)該使用較為緩和的淬火介質(zhì)， 其熱應(yīng)力就相對(duì)較小，因此，選擇使用油冷。由于零件尺寸不是非常大，比較小，油淬可以達(dá)到淬火臨界冷卻速度，并且油淬經(jīng)濟(jì)，操作簡單。選用20#機(jī)油表9淬火具體工藝參數(shù)淬火溫度C時(shí)間min冷卻介質(zhì)設(shè)備保護(hù)氣氛工藝參數(shù)

21、880：40油冷RJ40-9:N2圖 5 淬火的工藝曲線回火回火指鋼件經(jīng)淬硬后，再加熱到Aci以下的某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻 到室溫的熱處理工藝。常見的回火工藝有：低溫回火，中溫回火，高溫回火等。(1) 本次設(shè)計(jì)采用低溫回火。理由：低溫回火可以獲得回火馬氏體組織，回火后零件具有高的硬度和耐磨性能， 消除了淬火應(yīng)力和脆性，改善了零件淬火后的韌性及組織穩(wěn)定性。適應(yīng)于要求高 硬度、高耐磨性能零件的場(chǎng)合。例如量具、刀具、冷沖壓剪切磨具、軸承內(nèi)外圈 及滾動(dòng)體、滲碳及碳氮共滲零件等。(2) 回火溫度根據(jù)下表來確定回火溫度：表10 20Cr回火溫度與硬度關(guān)系回火溫度c150200300400硬度HR

22、C62615243查手冊(cè)得此種裝爐方式的爐修正系數(shù)為:D活塞銷的有效厚度為T/C根據(jù)活塞銷的技術(shù)要求，本次設(shè)計(jì)回火溫度選擇：200C(3) 回火時(shí)間下表為合金鋼的回火時(shí)間與有效厚度之間的關(guān)系：表11空氣爐回火溫度時(shí)間表有效厚度/mm 12520-4040-6060-8080-100保溫時(shí)間/mm30-60:60-9090-120120-150P150-180本次設(shè)計(jì)的活塞銷有效厚度為，但考慮到多個(gè)零件同時(shí)加熱，因此本次設(shè)計(jì)回火 時(shí)間選擇70min。(4) 回火設(shè)備本次設(shè)計(jì)的回火設(shè)備選擇RX3-15-6型低溫電阻爐，額定功率15kw，最高工作溫 度650C，爐膛尺寸：600*300*250，最大裝載量80kg，裝爐方式和裝爐量和退 火相同。表12回火具體參數(shù)回火溫度C時(shí)間min冷卻設(shè)備工藝參數(shù)200：70空冷RX3-15-6低溫電阻爐圖 6 回火工藝曲線圖7質(zhì)量檢驗(yàn)(1)活塞銷滲碳的質(zhì)量檢驗(yàn)項(xiàng)目、方法與要求如下表所示: 表13質(zhì)量檢驗(yàn)