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1、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
2、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0812mm渗碳层至心部组织应均匀过渡，不得有 骤然转变。 表面硬度5864 HRC,同一个活塞
3、销上的硬度差应V 3 HRG 活塞销心部硬度为2440 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1.53 0.25 0.05 0.30 0.40 0.10680.501.20 0.40100.801.70-4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
4、度和耐磨性，乂保证有 较高的强度和冲击韧性。(1) 20钢为低碳钢，由丁碳含量低，淬透性差，强度低，即使渗碳以后，强度仍然不高，只 适应丁表面耐磨、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，乂有回火脆性。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422mm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
5、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。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：用丁齿轮，轴类， 活塞类零配件以及汽车，飞机各种特殊零件部位。合金兀系CSiMnCr含量wt%0.18 0.240.17 0.370.50 0.800.70 1.00表2 20Cr钢的成分及含量（质量白分数）综合这几
6、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。各碳（C）:使基体达到一定的强韧度主要贡献元素。铭（Cr）:降低相变？ GyTa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。铤（Mn）: Mn强化铁素体，其固溶强化效果非常明显；Mn降低相变？乎t a驱动力使奥氏 体等温转变曲线右移，
7、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（SD：有利丁铁素体组织的形成，在钢中不形成碳化物，主要固溶丁铁中。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。钢号
8、Ac1AC3Ar1Ar3Ms20Cr765 C836 C702 C799 C390 C零件的加工路线制定5表3 20Cr钢的临界温度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T退火T磷化T冷挤压T渗碳T淬火T回火T精加工T成品。（2）钻削加工成形：棒料T粗车外圆T渗碳T钻内孔T淬火T回火T精加工T成品。(3) 管料制造：棒料T热轧管T粗车外圆T渗碳T淬火T回火T精加工T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恕上。如 解放
9、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T软化退火T磷化T冷挤压T渗碳T淬火T回火T精加 工T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As以上30C50C，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。完全退火主要用于业共析钢的铸件、锻件和热轧钢材等。完全退火随炉缓冷 的
10、冷却速度一般小 于30C /h。在实际生产中，为了提高生产效率，随炉冷却至500 C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a Q温度为836C,完全退火温度为A0以上30C50C所以本次退火温度选用860C .(3) 升温速度查热处理手册可得低合金钢：100C /h(4) 保温时间按照查手册得到的退火经验，保温时间为：152min/mmt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
11、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丁退火、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撮高工作温度950C，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%; 68kg,所以，一次装炉量为V 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
12、，为保 证生产效率，当随炉冷至600C时，出炉坑冷，坑冷时也要通入放热式控制气余保护防止脱碳。表4退火的具体工艺参数温度时间加热速度设备860 C30min100 C /hRX-15-9型中温箱式电阻炉退火参数T/5C86况t/h6.2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：是对金届表面处理的一种，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（含碳量小丁 0.25%）
13、。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图好，退火得到高的表面硬度、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。渗碳工艺广泛用丁飞机、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
14、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）不适丁大型处理件的深层渗碳。（b）盐浴组成易变动，管理上麻 烦。（c） 有蠹、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
