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1、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
2、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: 活塞销全部表面渗碳，渗碳层深度为0.8 12mm，渗碳层至心部组织应均匀过渡，不得有骤然转变。 表面
3、硬度58 64 HRC，同一个活塞销上的硬度差应3 HRC。 活塞销心部硬度为24 40 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%1.530.250.0540340.3035460.400.10680.501.200.40338100.601.20100.801.70-4 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2OCr
4、MnTi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
5、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
6、 20Cr钢的成分及含量（质量百分数）合金元素CSiMnCr含量wt%0.180.240.170.370.500.800.701.00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G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；
7、Mn降低相变G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
8、再结晶温度，可使钢回火脆性显著增强。表3 20Cr钢的临界温度钢号Ac1Ac3Ar1Ar3Ms20Cr7658367027993905 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：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%以上。如解放牌汽车活塞销动切削加工材料
9、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3050，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30/h。在实际生产中，为了提
10、高生产效率，随炉冷却至500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能。（2）退火温度20Cr的Ac3温度为836，完全退火温度为Ac3以上3050，所以本次退火温度选用860.（3）升温速度查热处理手册可得低合金钢：100/h（4）保温时间按照查手册得到的退火经验，保温时间为：1.52min/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
11、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950，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，为保证生产效率，当随炉冷至600时，出炉坑冷，坑冷时也要通入放热式控制气氛保护防
12、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86030min100/hRX3-15-9型中温箱式电阻炉图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
13、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。
14、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）不适于
15、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。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(f)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
