汽车发动机活塞销的选材及热处理工艺设计课程设计报告.docx
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汽车发动机活塞销的选材及热处理工艺设计课程设计报告.docx
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汽车发动机活塞销的选材及热处理工艺设计课程设计报告
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:
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。
塞销的构造形状很简单,根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)销外表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外表严重磨损。
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外表质量。
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活塞销全部外表渗碳,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外表硬度58~64HRC,同一个活塞销上的硬度差应≤3HRC。
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
外圆外表渗碳层厚度mm
内孔外表渗碳层厚度mm
内外圆外表渗碳层厚度之和占壁厚的比例%
1.5~3
≥0.25
≥0.05
≤40
3~4
≥0.30
≤35
4~6
≥0.40
≥0.10
6~8
0.50~1.20
≥0.40
≤33
8~10
0.60~1.20
>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。
外外表渗碳淬硬,再经精磨和抛光等精加工。
这样既提高了外表硬度和耐磨性,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,只适应于外表耐磨、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外表含碳量,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外表渗碳硬化处理用钢。
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〕
合金元素
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〕:
使基体到达一定的强韧度主要奉献元素。
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320Cr钢的临界温度
钢号
Ac1
Ac3
Ar1
Ar3
Ms
20Cr
765℃
836℃
702℃
799℃
390℃
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,产量较少的活塞销那么采用钻削加工成形或管料制造。
冷挤压成形具有以下特点:
挤压零件尺寸准确外表光洁节约原材料:
冷挤压件材料利用率通常可以到达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%。
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展了相变重结晶。
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〔如消除中碳构造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30℃~50℃,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历,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,是一种造价相对廉价的炉子,以降低本钱。
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
严密型排列装炉,即如下列图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
860℃
30min
<100℃/h
RX3-15-9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:
是对金属外表处理的一种,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﹐钢件外表的化学成分可接近高碳钢。
工件渗碳后还要经过淬火﹐以得到高的外表硬度﹑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外表的一种热处理方法。
渗氮件具有高的外表硬度及耐磨性,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,生产本钱高,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外表层,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、高强度的外表层,以提高工件的耐磨性和疲劳性能。
活塞销主要是要求外表强度,考虑到工艺复杂和经济因素。
本次不需要选择碳氮共渗。
〔1〕渗碳方法的比拟
固体渗碳法:
优点:
(a)设备廉价,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〕渗碳层深度及外表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,外表光滑。
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,外表附着盐类不易洗净,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〕处理量少时本钱高。
〔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
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