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

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:

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 ～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、外圆渗碳技术要求

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。

(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）

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∆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；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∆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，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

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→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→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30℃~50℃，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