汽车发动机活塞销的选材与热处理工艺课程设计.docx
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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
Y///////////////A
V///////////////A
苇
*80^0,1
耳
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:
PistonPin),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58〜64HRC,同一个活塞销上的硬度差应w3HRC。
3活塞销心部硬度为24〜40HRC。
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%
1.5~3
>0.25
<40
3~4
>0.30
>0.05
4~6
>0.40
>0.10
<35
6~8
0.50~1.20
<33
8~10
0.60~1.20
>0.40
>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。
⑶20CrMnTi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220Cr钢的成分及含量(质量百分数)
合金兀素
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):
使基体达到一定的强韧度主要贡献元素。
铬(Cr):
降低相变?
GY-a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?
Gy-
a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(S):
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320Cr钢的临界温度
钢号
Ac1
AC3
Ar1
Ar3
Ms
20Cr
765C
836C
702C
799C
390C
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f退火f磷化f冷挤压f渗碳f淬火f回火f精加工f成品。
(2)钻削加工成形:
棒料f粗车外圆f渗碳f钻内孔f淬火f回火f精加工f成品。
(3)管料制造:
棒料f热轧管f粗车外圆f渗碳f淬火f回火f精加工f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43.3%,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f软化退火f磷化f冷挤压f渗碳f淬火f回火f精加工f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Ac以上30C~50C,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30E/h。
在实际生产中,为了提高生产效率,随炉冷却至500r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
(2)退火温度
20Cr的AC3温度为836C,完全退火温度为Aq以上30C~50C,所以本次退火温度选用860E.
(3)升温速度
查热处理手册可得低合金钢:
v100C/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950E,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w130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600r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
860r
30min
<100r/h
RX-15-9型中温箱式电阻炉
t/h
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
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⑴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
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
Cl6H34(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。
本次设计采用甲醇一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940C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
220d/min
50-60d/min
甲醇
0
0
20-30d/min
(4)渗碳温度:
查手册可得如下表格:
表720Cr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/C
950±10
940±10
940±10
930±0
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920±0C。
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:
940E,把加热温度控制940E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820Cr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
0.8〜1.2mm
羽h
2h
2h
1.1〜1.6mm
羽h
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RQ-35-9型井式渗碳炉,额定功率25kw,额定温度950C,相数3,炉膛尺寸(直径*深度)①300*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:
sg/t,
SaOT:
、炉彬
\
琨址]人打mi"
130
22(
SO-60
甲SV辐•mln」
30-30
炉託声a
30Q-,^0
50^150
时闫/L
2h
排r
强憩
o
IB
■
图420Cr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30E〜50C。
而20Cr的Ac3为836E,所以,淬火加热温度可选择880C。
(2)淬火时间
根据经验公式:
t=a・k•D
式中t—□热时间,min;a□热时间系数,min/mm;k装炉量修
正系数;D工件有效厚度,mm。
a手册得,低合金钢在780r-900r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一一活塞销的有效厚度为
6.5mm>
t=a・k•D=1.8*2*6.5=2
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R1—40--9,额定功率40kw,额定电压380V,相数3,最高工作温度950C,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。
图5淬火的工艺曲线
表9淬火具体工艺参数
淬火
温度C
时间min
冷却介质
设备
保护气氛
工艺参数
880
40
油冷
RJ—40--9
2
6.4回火
回火指钢件经淬硬后,再加热到Ag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
(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。
⑵回火温度
根据下表来确定回火温度:
表1020Cr回火温度与硬度关系
回火温度c
150
200
300
400
硬度HRC
62
61
52
43
根据活塞销的技术要求,本次设计回火温度选择:
200C
(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650E,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C
时间min
冷却
设备
工艺参数
200
70
空冷
RX3-15-6低温电阻炉
200nC
图6回火工艺曲线图
7质量检验
(1)活塞销渗碳的质量检验项目、方法与要求如下表所示:
表13质量检验项目、方法与要求
检验项目
检验方法
检验要求
渗碳层深度/mm
过共析层加共析层加1/2过渡层
按产品图样要求
硬度
(HRC
表面
不同部位至少取三点,取平均值
按产品图样要求,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20mn之内横向截
取,观察整个截面
细针状马氏体
心部
板条状马氏体和铁素体
表面质量
观察
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)常见缺陷及预防补救措施
1深层过浅
产生的原因主要是加热温度低,时间短,炉内的碳势低等原因造成的。
应针
对具体原因采取防止措施。
深层过浅可采取补渗予以补救。
2渗层过深
产生的原因主要是加热温度高,时间长,炉内的碳势高等原因造成的。
应针
对具体原因采取防止措施。
但对已超过标准要求的是无法补救的。
3渗层深度不均匀
产生这种缺陷的主要原因是炉温不均匀,炉内碳势不均匀,或工件表面不净。
防止方法主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
产生这种缺陷的主要原因是渗碳后期碳势降低太大,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,防止办法采取相应措施,可以用补渗的办法补救。
5网状碳化物
产生网状碳化物的主要原因是炉内碳势太高,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处理来消除。
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。
适当降低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处理等方法进行补救。
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