15Cr活塞销的热处理工艺设计

攀枝花学院学生课程设计（论文）题目：15Cr活塞销的热处理工艺设计学生姓名： X X X 学号： 2011111020XX 所在院(系)：材料工程学院专业： 2011级材料成型及控制工程班级：材料成型及控制工程（1）班指导教师： X X X 职称：讲师2013年12月15日攀枝花学院教务处制攀枝花学院本科学生课程设计任务书注：任务书由指导教师填写。

课程设计（论文）指导教师成绩评定表摘要本课设计了15Cr活塞销热处理工艺设计。

主要的工艺过程包括锻造、预备热处理（完全退火）、渗碳、淬火+低温回火等过程。

15Cr钢是一种常用的低碳合金渗碳钢，活塞销在较高温度下工作，承受很大的周期性冲击载荷，损坏形式主要是表面磨损和疲劳裂纹。

因此要求其具有足够的强度和刚度，表面应耐磨，心部有较好的韧性和较高的疲劳强度。

渗碳钢活塞销在渗碳后经淬火、低温回火处理。

性能要求较高的活塞销采用二次淬火、回火。

对合金元素含量较高及尺寸稳定性要求较高的活塞销，渗碳淬火后要进行深冷处理，活塞销是连接活塞和连杆小头，在运动时相当于双点支撑梁，在较高工作温度下承受非对称交变载荷和一定的冲击载荷，其表面长期在润滑条件差的摩擦条件下工作。

活塞销的主要失效方式是表面磨损和疲劳裂纹。

关键词：15Cr钢，活塞销,完全退火，，渗碳，淬火，低温回火，目录摘要 (Ⅰ)1、设计任务 (1)1.1设计任务 (1)1.2设计的技术要求 (1)1.3热处理工件图 (1)2、设计方案 (2)2.1 活塞销设计的分析 (2)2.1.1工作条件 (2)2.1.2失效形式 (2)2.1.3性能要求 (2)2.2钢种材料 (3)3、设计说明 (4)3.1加工工艺流程 (4)3.2具体热处理工艺 (4)3.2.1预备热处理工艺 (5)3.2.2机械加工 (5)3.2.3渗碳工艺 (5)3.2.4淬火+低温回火热处理工艺 (6)3.2.5活塞销的质量检验 (7)4、分析与讨论 (8)4.1缺陷及防治措施 (8)5、结束语 (9)6、热处理工艺卡片 (10)参考文献 (11)1 设计任务1.1设计任务15Cr活塞销热处理工艺设计1.2设计的技术要求15Cr钢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，钢的淬透性较15号碳钢高，在油中临界淬透直径为2～15mm，在水中临界淬透直径为6～29mm。

此外，钢的冷变形塑形高，焊接性良好，在退火状态下可切削性甚好。

由于它的含碳量低(在0.12-0.16%之间)所以，硬度比较低。

因此，为满足其在制造活塞销的寿命要求，应提高其硬度。

活塞销在较高温度下工作，承受很大的周期性冲击载荷，损坏形式主要是表面磨损和疲劳裂纹。

因此要求其具有足够的强度和刚度，表面应耐磨，心部有较好的韧性和较高的疲劳强度。

[1]活塞销对渗碳及热处理的要求较高，外圆表面硬度要求HRC55-62，渗碳层厚一般控制在0.8-1.2mm范围内，心部和内孔表面硬度要求严格控制在HRC38以下。

这种工艺要求的依据就是基于传统理论的分析，外表面淬硬是为适应脉动单向最大弯曲应力发生在外表面的分布情况，而心部和内孔壁面不得渗碳的要求是用来满足抗冲击性能的。

[2]在15Cr钢进行热处理时，即去应力退火，渗碳，淬火和回火时应严格按照卡片所列出的时间进行保温以及其它操作的要求。

1.3 热处理工件图图1 活塞销工件图2 设计方案2.1活塞销设计的分析2.1.1工作条件活塞销在高温下承受很大周期性冲击载荷，并且润滑条件也比较差，因此，要求强度高耐冲击且表面耐磨损。

为减小活塞销本身的往复惯性力，还要求重量尽量轻。

[3]2.1.2失效形式活塞销的主要失效形式是表面磨损和疲劳断裂。

表面磨损。

活塞销在发动机工作时，承受较大的交变载荷，它与活塞销座孔和连杆衬套间的配合处产生相对运动而发生磨损。

磨损后配合间隙增大，从而使配合件间出现不正常的敲击声，加速零件的磨损疲劳断裂。

主要是活塞销与销孔和衬套配合间隙过大，在交变冲击力作用下，活塞销疲劳折断或者活塞销质量差。

[4]2.1.3性能要求活塞销的制造尺寸、公差、材质在设计上是非常严格的。

原厂发动机设计的活塞销形式大都使用半浮式设计，也就是活塞销固定在连杆小端是不转动的，而在活塞两侧的销孑L内，销子是可以转动的。

如果活塞已经升级为锻造活塞，这时的活塞销几乎全都需要采用全浮式的设计，即销子相对于连杆小头、相对于活塞座孔都是可以转动的。

全浮式和半浮式在结构上的差别只是装配上的公差配合不同。

因此，在装配全浮式活塞销时，一定要仔细测量活塞销孔和连杆小端的尺寸与配合公差。

如果连杆小端的间隙比活塞孔间隙大时，受负荷后，活塞部分因紧度的差别可能会停止转动，唯一能转动的部分只剩下连杆小端，接着就会发生活塞销和连杆小端异常的磨损，甚至会有咬死的现象产生，对发动机将造成致命性的损害。

[5] 15Cr钢其塑性、韧性高，但强度、硬度高，锻造、焊接和冷冲压性能不良，冷变形塑性高，但切削加工时不易得到光洁的表面。

用于制造受力不大、韧性要求高的零件和渗碳件，紧固件和冲模锻件以及不经热处理的低负荷零件。

15Cr钢力学性能：抗拉强度σb (MPa)：≥735，屈服强度σs (MPa)：≥490，伸长率δ5/（%）：≥11。

2.2钢种材料15Cr钢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，钢的淬透性较15号碳钢高，在油中临界淬透直径为2～15mm，在水中临界淬透直径为6～29mm。

此外，钢的冷变形塑形高，焊接性良好，在退火状态下可切削性甚好。

3 设计说明3.1加工工艺流程15Cr活塞销热处理工艺设计的热加工工艺流程经过许多次改进形成如下的工艺流程: 下料→锻造→预备热处理(完全退火)→机械加工→渗碳→淬火+低温回火→精加工→组装。

A钢属于低碳钢，其成分[6]如下表1表1 A钢的化学成分（质量分数，%）C Mn P S Cr Si Ni 其他0.12～0.18 0.40～0.70≤0.035≤0.0350.70～1.000.17～0.37一一成分分析：Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂。

它能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。

Mn和Fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，经固溶处理后有良好的韧性，当受到冲击而变形时，表面层将因变形而强化，具有高的耐磨性；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。

Si能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。

硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比(σs/σb),以及疲劳强度和疲劳比(σ-1/σb)等。

硅能促使铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。

3.2具体热处理大量生产的活塞销均为冷挤压或温挤压成形后进行渗碳，产量较小时则可采用棒料或管料经机加工后进行渗碳。

冷挤压活塞销坯料需经退火，使其硬度降至≤140HBS，提高塑性，为挤压工艺作准备，15Cr钢退火见预备热处理工艺。

退火后尚需磷化处理，以减少挤压成形时所需的挤压力和提高挤压模具的寿命。

渗碳钢活塞销在渗碳后经淬火、低温回火处理。

性能要求较高的活塞销采用二次淬火、回火。

对合金元素含量较高及尺寸稳定性要求较高的活塞销，渗碳淬火后要进行深冷处理，以减少渗层中残留奥氏体。

15Cr钢见渗碳工艺。

活塞销渗碳淬火后的表层组织为细针状马氏体，不允许有粗的或连续游离碳化物网．心部为板条马氏体加铁素体。

同一销的表面硬度差不超过3HRC，心部硬度为24～25HRC。

[7]3.2.1预备热处理工艺退火是将偏离平衡状态的金属坯料或零件加热至较高温度，保持一定的时间后通常以相当缓慢的速度冷却，以得到接近于平衡状态组织的各种工艺方法。

退火的目的是：a消除钢锭的成分偏析，使成分均匀化。

b消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷。

c降低硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。

d细化晶粒，均匀组织，为后续热处理做组织准备。

e[g]图2 15Cr钢完全退火工艺曲线3.2.2机械加工由于我们专业并不怎么涉及机加工方面的知识，因此此处只能说明其在车床上进行加工。

3.2.3渗碳工艺渗碳是将工件放入渗碳气氛中，并在900~950℃的温度下加热、保温，使其表面层增碳的一种工艺操作。

渗碳的目的在于使工件在继续经过相应热处理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部任保持一定的强度和较高的任性。

固体渗碳工艺如图3 [8]所示。

图3 15Cr钢的渗碳工艺曲线3.2.4淬火+低温回火热处理工艺①淬火淬火是将钢加热至临界温度点Ac3或Ac1以上一定的度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺叫做淬火。

其目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，然后配以不同温度回火获得各种需要的性能。

钢的理想淬火冷却曲线如图4[9]所示图4②低温回火回火是将淬火钢加热到A1以下某一温度，经过保温，然后以一定的冷却方法冷至室温的热处理操作。

其目的在于：a.降低脆性，消除内应力。

工件淬火后存在着很大的内应力和脆性，若不及时回火，零件会产生变形或开裂。

b.得到对工件所要求的力学性能。

工件淬火后，硬度高，脆性大，为了了获得对工件要求的性能，可以用回火温度调整硬度，减小脆性，得到所需要的塑性、强度和硬度。

c.稳定工件尺寸。

淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体，这两种组织都是不稳定的，会自发地逐渐地发生组织转变，因而引起工件尺寸和形状的改变。

通过回火，可以促使这些组织转变。

达到较稳定状态，以便在以后的使用过程中不发生变形。

3.2.5活塞销的质量检验常用钢活塞销的质量检验参见表2 [10]检验项目检验方法检验要求渗碳层深度/mm硬度（HRC）组织JB/NQ54.1TB1461表面心部渗碳层心部过公析层加共析层加1/2过渡层过共析层加共析层加过渡层不同部位至少测三点，取平均值距活塞销两端20mm之内横向截取，观察整个截面观察磁力探伤在两平面间压碎或用v形槽按产品图样要求按产品图样要求，按产品图样要求，同一销的工作面硬度差不大于3HRC细针状马氏体，不允许有粗块状或连续网状碳化物板条马氏体和铁素体，不允许大块铁素体无裂纹、锈蚀、麻点、黑斑、刻痕、尖角、毛刺、氧化皮无裂纹，注意退磁表面质量探伤压碎试验表24 分析与讨论A钢制造机床B热处理工艺设计已经在前面展示，单就其性能以及热处理的过程想必是没多大问题，若放入实际生产中有很多不可预知的问题，因此，不能纸上谈兵须得到工厂或者实验室中反复的通过实验数据进行分析，然后在得出最重要的结论用于实践中，从而在生产中减低成本、提高效率并且减少工时，降低能源消耗。