1、1 汽車發動機活塞銷的零件圖如下圖1 汽車發動機活塞銷零件尺寸圖2 服役條件與性能分析活塞銷（英文名稱：Piston Pin），是裝在活塞裙部的圓柱形銷子，它的中部穿過連桿小頭孔，用來連接活塞和連桿，把活塞承受的氣體作用力傳給連桿。為了減輕重量，活塞銷一般用優質合金鋼制造，并作成空心。塞銷的結構形狀很簡單，基本上是一個厚壁空心圓柱。其內孔形狀有圓柱形、兩段截錐形和組合形。圓柱形孔加工容易，但活塞銷的質量較大；兩段截錐形孔的活塞銷質量較小，且因為活塞銷所受的彎矩在其中部最大，所以接近于等強度梁，但錐孔加工較難。本次設計選用內孔為原形的活塞銷。服役條件：(1)高溫條件下承受周期性強烈沖擊和彎曲、剪

2、切作用 (2)銷表面承受較大的摩擦磨損。失效形式：由于承受周期性的應力，使其發生疲勞斷裂和表面嚴重磨損。性能要求：（1）活塞銷在高溫條件下承受很大的周期性沖擊負荷，且由于活塞銷在銷孔內擺動角度不大，難以形成潤滑油膜，因此潤滑條件較差。為此活塞銷必須有足夠的剛度、強度和耐磨性，質量盡可能小，銷與銷孔應該有適當的配合間隙和良好的表面質量。在一般情況下，活塞銷的剛度尤為重要，如果活塞銷發生彎曲變形，可能使活塞銷座損壞；（2）具有足夠的沖擊韌性；（3）具有較高的疲勞強度。3 技術要求 活塞銷技術要求: 活塞銷全部表面滲碳，滲碳層深度為0.8 12mm，滲碳層至心部組織應均勻過渡，不得有驟然轉變。 表面

3、硬度58 64 HRC，同一個活塞銷上的硬度差應3 HRC。 活塞銷心部硬度為24 40 HRC。 活塞銷滲碳層的顯微組織應為細針馬氏體，允許有少量均勻分布的細小粒狀碳化物，不得有針狀和連續網狀分布的游離碳化物存在。心部的針狀應是低碳馬氏體及鐵素體。表1 活塞銷內、外圓滲碳技術要求活塞銷壁厚mm外圓表面滲碳層厚度mm內孔表面滲碳層厚度mm內外圓表面滲碳層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 選材活塞銷的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼，如20、15Cr、20Cr或2OCr

4、MnTi等。外表面滲碳淬硬，再經精磨和拋光等精加工。這樣既提高了表面硬度和耐磨性，又保證有較高的強度和沖擊韌性。（1）20鋼為低碳鋼，由于碳含量低，淬透性差，強度低，即使滲碳以后，強度仍然不高，只適應于表面耐磨、載荷小、沖擊輕微要求強度低的小工件，如軸套、鏈條、小水閥等。（2）15Cr是一種常用的低碳合金滲碳鋼，在滲碳時可顯著地增加表面含碳量，增大滲碳深度，但在高溫長時間滲碳時有晶粒長大傾向及形成網狀碳化物的傾向；對形狀簡單、要求不高的零件，滲碳后可直接降溫淬火，但熱處理后變形較大，又有回火脆性。（3）20Cr與15Cr鋼相比，有較高的強度及淬透性，在油中臨界淬透直徑達4 22mm，在水中臨界

5、淬透直徑達1140mm，但韌性較差，此鋼滲碳時仍有晶粒長大傾向，降溫直接淬火對沖擊韌性影響較大，所以滲碳后需淬火以提高零件心部韌性，無回火脆性。(3) 20CrMnTi是滲碳鋼，滲碳鋼通常為含碳量為0.17%-0.24%的低碳鋼。汽車上多用其制造傳動齒輪，是中淬透性滲碳鋼，其淬透性較高，在保證淬透情況下，具有較高的強度和韌性，特別是具有較高的低溫沖擊韌性。20CrMnTi表面滲碳硬化處理用鋼。良好的加工性，加工變形微小，抗疲勞性能相當好。主要用途有：用于齒輪，軸類，活塞類零配件以及汽車，飛機各種特殊零件部位。 綜合這幾種材料的性能與經濟因素等，最終本次設計選用20Cr作為活塞銷的加工材料。表2

6、 20Cr鋼的成分及含量（質量百分數）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）：使基體達到一定的強韌度主要貢獻元素。鉻（Cr）：降低相變G驅動力,也阻止了相變時碳化物的形核長大，所以提高鋼的淬透性；碳化物形成元素，回火時阻止M3C型長大，提高回火穩定性；Cr的碳化物穩定，不易長大，能細化晶粒，改善碳化物均勻性；Cr促進雜質原子偏聚，增大回火脆性傾向；同時能提高鋼的抗氧化性；全部淬透零件在高溫回火后可獲得高而均勻的綜合力學性能，特別是高的屈強比，能提高材料的疲勞強度。錳（Mn）：Mn強化鐵素體，其固溶強化效果非常明顯；

7、Mn降低相變G驅動力使奧氏體等溫轉變曲線右移，提高淬透性；奧氏體形成元素，降低鋼的A1溫度，促進顆粒長大，增大鋼的過熱敏感度；Mn促進有害元素在晶界上的偏聚，增大鋼的回火脆性傾向。硅（Si）：有利于鐵素體組織的形成，在鋼中不形成碳化物，主要固溶于鐵中。對奧氏體形成速度無甚影響，可升高A1點，相對的減緩了奧氏體的形成速度。對加熱時奧氏體晶粒大小稍有阻礙或不起作用，可推遲珠光體相變使C曲線右移，Ms點降低，提高過冷奧氏體的穩定性，從而降低淬火臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。顯著地減慢馬氏體在較低溫度的分解，顯著阻礙碳化物的聚集，阻礙鋼在回火時消除各類畸變的作用，從而增強了鋼的回火穩定性。可提高a相的

8、再結晶溫度，可使鋼回火脆性顯著增強。表3 20Cr鋼的臨界溫度鋼號Ac1Ac3Ar1Ar3Ms20Cr7658367027993905 零件的加工路線制定活塞銷的制造工藝路線有多種，主要分為三個類別：（1）擠壓成形：棒料退火磷化冷擠壓滲碳淬火回火精加工成品。（2）鉆削加工成形：棒料粗車外圓滲碳鉆內孔淬火回火精加工成品。（3）管料制造：棒料熱軋管粗車外圓滲碳淬火回火精加工成品。大量生產的活塞銷均為冷擠壓或溫擠壓成形，產量較少的活塞銷則采用鉆削加工成形或管料制造。冷擠壓成形具有以下特點：擠壓零件尺寸準確表面光潔 節約原材料：冷擠壓件材料利用率通常可以達到80%以上。如解放牌汽車活塞銷動切削加工材料

9、利用率為43.3%，而用冷擠壓時材料利用率提高到92%。生產率高 冷擠壓件強度高、剛性好而重量輕。本次設計采用冷擠壓成形滲碳處理。具體工藝路線：棒料軟化退火磷化冷擠壓滲碳淬火回火精加工成品。6 具體工藝6.1軟化退火棒料在冷擠壓前的退火目的是：降低硬度，提高塑性，為冷擠壓工藝作準備。（1）本次設計采用完全退火工藝完全退火：指將鋼件或鋼材加熱至Ac3以上3050，保溫一定時間后緩慢冷卻，獲得接近平衡組織的熱處理工藝。所謂“完全”是指在加熱和冷卻過程中鋼的內部組織全部進行了相變重結晶。完全退火主要用于亞共析鋼的鑄件、鍛件和熱軋鋼材等。完全退火隨爐緩冷的冷卻速度一般小于30/h。在實際生產中，為了提

10、高生產效率，隨爐冷卻至500左右即可出爐空冷。其主要目的：細化晶粒和改善組織（如消除中碳結構鋼和鍛軋件中常見的魏氏組織、過熱組織和帶狀組織）、消除內應力、降低硬度和改善鋼的切削加工性能。（2）退火溫度20Cr的Ac3溫度為836，完全退火溫度為Ac3以上3050，所以本次退火溫度選用860.（3）升溫速度查熱處理手冊可得低合金鋼：100/h（4）保溫時間按照查手冊得到的退火經驗，保溫時間為：1.52min/mm。本次設計的活塞銷有效厚度為（38-25）/2=6.5mm,6.5*2=13min。考慮到工件尺寸小，多個工件同時加熱保溫，所以退火保溫時間選擇30min。（5）退火設備選擇熱處理電阻爐

11、是以電為能源的，通過爐內電熱元件將電能轉化為熱能而加熱工件的爐子，是一種造價相對便宜的爐子，以降低成本。中溫箱式電阻爐可用于退火、正火、回火或固體滲碳等。本次退火設備選用RX3-15-9型中溫箱式電阻爐，額定功率15kw，最高工作溫度950，爐膛尺寸：600*300*250mm，最大裝載量80kg。（6）裝爐方式緊密型排列裝爐，即如下圖2所示：圖2 裝爐方式活塞銷質量為0.514kg,做大裝載量的85%為68kg,所以，一次裝爐量為130件。（7）退火方式在退火保溫過程中，為防止脫碳或滲碳，須在爐內滴入甲醇。另外，為保證生產效率，當隨爐冷至600時，出爐坑冷，坑冷時也要通入放熱式控制氣氛保護防

12、止脫碳。表4 退火的具體工藝參數退火溫度時間加熱速度設備參數86030min100/hRX3-15-9型中溫箱式電阻爐圖3 退火的工藝曲線圖6.2 滲碳 滲碳的選擇： 化學熱處理主要是滲碳、滲氮、碳氮共滲。滲碳：是對金屬表面處理的一種，采用滲碳的多為低碳鋼或低合金鋼，具體方法是將工件置入具有活性滲碳介質中，加熱到900-950攝氏度的單相奧氏體區，保溫足夠時間后，使滲碳介質中分解出的活性碳原子滲入鋼件表層，從而獲得表層高碳，心部仍保持原有成分。 滲碳工件的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼(含碳量小于0.25%)。滲碳后鋼件表面的化學成分可接近高碳鋼。工件滲碳后還要經過淬火以得到高的表面硬度高的耐磨

13、性和疲勞強度并保持心部有低碳鋼淬火后的強韌性使工件能承受沖擊載荷。滲碳工藝廣泛用于飛機汽車和拖拉機等的機械零件如齒輪軸凸輪軸等。滲氮：指在一定溫度下，使活性氮原子滲入到工件表面的一種熱處理方法。滲氮件具有高的表面硬度及耐磨性，高的疲勞強度和耐腐蝕性，且工件變形小。但是滲氮工藝的生產周期長，生產成本高，滲氮層較薄（一般在0.5mm左右），且脆性高，不能承受太高的接觸應力和沖擊載荷，不能滿足活塞銷的要求。碳氮共滲：是指在奧氏體狀態下，同時將碳、氮兩種元素滲入工件表面層，并以滲碳為主的化學熱處理工藝。目的是在保持工件內部具有較高韌性的條件下，得到高硬度、高強度的表面層，以提高工件的耐磨性和疲勞性能。

14、活塞銷主要是要求表面強度，考慮到工藝復雜和經濟因素。本次不需要選擇碳氮共滲。（1）滲碳方法的比較固體滲碳法：優點：(a)設備便宜，操作簡單，不需要高技術。(b)加熱用熱源，可用電氣、瓦斯、燃料油。（c）大小工件均勻，尤其對大型或需原滲碳層者有利。（d）適合多種少量生產。缺點：（a）滲碳層深度及表面碳濃度不易正確調節，有過剩滲碳的傾向。處理件變形大。（b）滲碳終了時不易直接淬火，需要加熱。（c）作業環境不良，作業人員多。液體滲碳法優點：（a）適合中小量生產，設備費用低，不需要高技術。（b）容易均熱、極速加熱，可直接淬火。（c）適合小件，薄滲碳層處理件。（d）滲碳均勻，表面光滑。缺點：（a）不適于

15、大型處理件的深層滲碳。（b）鹽浴組成易變動，管理上麻煩。（c）有毒、排氣或公害問題。（d）處理后，表面附著鹽類不易洗凈，易生銹。（e）難以防止滲碳，有噴濺危險。氣體滲碳法優點：（a）操作方便(b)加熱快，滲碳過程短(c)有可能較準確地控制滲碳層的濃度，逐漸實現生產過程中的計算機群控。(d)可以直接淬火(e)輔助工序少(f)占用車間面積少(g)清潔衛生，勞動條件好缺點：（a）設備費昂貴。 （b）處理量少時成本高。 （c）需要專業知識。綜合以上各種滲碳方法的優缺點，和活塞銷的性能要求，本次滲碳選用氣體滲碳中的 “滴注式可控氣氛滲碳法”。滴注式可控氣氛滲碳法是目前生產上常用的滲碳方法，即向滲碳爐中同

16、時滴入兩種液體，一種液體產生的氣體碳勢較低，作為稀釋氣體；另一種液體產生的氣體碳勢較高，作為富化氣，通過改變兩種液體的比例，可使工件表面含碳量控制在所要求的范圍內。（2）滲劑選擇滴注式氣體滲碳的滲碳劑一般為甲醇，煤油、丙酮等，作為滲碳劑的有機溶劑，要求其單位液體加熱分解后的產氣量高，碳氧比大，碳當量小，產生炭黑少，氣氛中的CO和H2的含量穩定，安全性好。下表列出了幾種常用作滲碳劑的幾種有機溶劑的碳當量、碳氧比。表5 常用的有機液體的碳氧比和碳當量名稱分子式碳當量/g碳氧比產氣量（mL-1）用途甲醇CH3OH6411.66稀釋劑乙醇C2H5OH4621.55滲碳劑異丙酮C3H7OH303_強滲碳

17、劑乙酸乙酯CH3COOC2H5442_滲碳劑煤油C16H34(主)28.250.73強滲碳劑煤油是傳統的滲碳滴注劑，煤油價格低廉，滲碳能力強，當用煤油直接滴入滲碳爐內進行滲碳時，由于在滲碳溫度熱分解時析出活性碳原子過多，往往不能被鋼件表面全部吸收，而在工件表面沉積形成炭黑，焦油等，阻礙滲碳過程的繼續進行，造成滲碳層深度及碳濃度不均勻等缺陷。而采用兩種有機液體同時滴入爐內，一種液體產生的氣體碳勢低，作為載氣，另一種液體產生的氣體碳勢較高，作為富化氣。這樣的配合使用，往往可以得到炭黑少，滲速快，碳勢易于調節，滲碳質量高的良好結果。本次設計采用甲醇煤油混合液作為滲碳滴注劑，其中甲醇是稀釋劑，煤油是滲

18、碳劑。（3）滲劑用量查手冊得滲碳層深度要求為0.8-1.4mm,滲碳溫度為940時的滲碳各階段滲劑用量如下表格：表6 一定條件下20Cr活塞銷滲碳滲劑用量滲碳過程排氣期強滲期擴散期煤油180d/min220 d/min50-60 d/min甲醇0020-30 d/min（4）滲碳溫度：查手冊可得如下表格：表7 20Cr活塞銷滲碳層深度與溫度關系滲碳層深度/mm1.3-1.91.0-1.40.8-1.10.5-0.8滲碳溫度/95010940109401093010由于本次設計的活塞銷壁厚為6.5mm，由技術要求和上表綜合考慮。另外，滲碳溫度一般在在Ac3以上，考慮碳在鋼中的擴散速度等因素，目前

19、在生產上廣泛采用的溫度為92010。隨著滲碳層度的升高，碳在鋼中的擴散系數呈指數上升，滲碳速度加快，但滲碳溫度過高會造成晶粒粗大，工件畸變增大，設備壽命降低等負面效應。最終決定滲碳溫度選擇：940，把加熱溫度控制940左右，目的是控制奧氏體晶粒長大，獲得細小的奧氏體晶粒，淬火后獲得細小的馬氏體組織。（5）滲碳時間滲碳時間主要分為：排氣階段、強滲階段、擴散階段。 滲碳時間主要根據滲層深度確定，而且與滲碳溫度及爐內氣氛等因素有關。表8 20Cr滲層深度與時間關系滲碳層深度/mm0.4-0.60.6-0.80.8-1.01.0-1.21.2-1.41.4-1.6保溫時間/h1.5-2.52.5-3.

20、53.5-4.54.5-5.55.5-6.56.5-7.5本次設計的活塞銷要求滲碳層深度為：0.8-1.2，因此滲碳總時間選擇:5.5h。通過查詢手冊可得一定條件下，各個階段的時間要求，如下表所示：表8 煤油-甲醇滴注式通用氣體滲碳工藝滲碳過程排氣強滲擴散滲層深度及時間0.81.2mm1h2h2h1.11.6mm1h2.5h3h綜上，本次滲碳工藝時間為5h,其中排氣1.5h，強滲2h,擴散2h。（6）滲碳設備RQ系列滲碳井式爐即在井式爐爐膛結構中加一密封爐罐，成為專為周期作業的滲碳、滲氮、碳氮共滲等所用。滲碳爐爐溫均勻、升溫快、保溫好 ，工件滲碳速度加快，同時爐蓋上還開有滲碳劑滴入孔和廢氣排出

21、孔，所以選用該類井式爐。本次設計選用RQ3-35-9型井式滲碳爐，額定功率25kw，額定溫度950，相數3，爐膛尺寸（直徑*深度）300*600，最大裝載量70kg。該爐爐溫均勻，介質流動性好，加熱速度，溫度均勻，工件變形小，加熱質量好，利于提高產品質量，爐膛容積有效利用率高，產量大，耗電量少，可節省電能與筑爐材料，電極壽命長，減小停爐時間。 為了保證工藝實施的流暢性，應與前期預備熱處理爐子裝爐量相同。這時井式爐中可通過懸掛的方式裝爐。20Cr鋼的滲碳工藝曲線如下：圖4 20Cr鋼活塞銷的滲碳工藝曲線6.3淬火目的：活塞銷滲碳后形成了表面的高硬度，為了提高工件的心部韌性以及消除表面層出現的網狀

22、碳化物，在滲碳后要進行淬、回火工藝。(1)淬火溫度20Cr鋼為亞共析鋼，淬火加熱溫度選擇Ac3以上3050。而20Cr的Ac3為836，所以，淬火加熱溫度可選擇880。(2)淬火時間根據經驗公式：=kD 式中 加熱時間，min； 加熱時間系數，min/mm；k裝爐量修正系數； D工件有效厚度，mm。查手冊得，低合金鋼在780-900氣體中加熱時，直徑50mm時，加熱時間系數為1.5-1.8 。k活塞銷的裝爐方式為查手冊得此種裝爐方式的爐修正系數為：2.0。D活塞銷的有效厚度為6.5mm。=kD=1.8*2*6.5=23.4考慮到工件透熱等因素，最終選用保溫時間為40min。(3)淬火設備為了保

23、證工件表面不脫碳，可應用保護氣氛加熱，常用井式對流爐。參考淬火工藝參數及生產流水線生產量，選用RJ240-9，額定功率40kw，額定電壓380V，相數3，最高工作溫度950，爐膛尺寸600*800mm，最大裝載量350kg。通N2作為加熱保護氣氛。(4)冷卻方式由于20Cr剛的淬透性較好，冷卻速度越大，則淬火內應力越大，淬火變形也越大，這樣工件容易變形開裂，而損壞工件。所以應該使用較為緩和的淬火介質，其熱應力就相對較小，因此，選擇使用油冷。由于零件尺寸不是非常大，比較小，油淬可以達到淬火臨界冷卻速度，并且油淬經濟，操作簡單。選用20#機油。表9 淬火具體工藝參數淬火溫度時間min冷卻介質設備保

24、護氣氛工藝參數88040油冷RJ240-9N2圖5 淬火的工藝曲線6.4 回火回火指鋼件經淬硬后，再加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。常見的回火工藝有：低溫回火，中溫回火，高溫回火等。(1)本次設計采用低溫回火。理由：低溫回火可以獲得回火馬氏體組織，回火后零件具有高的硬度和耐磨性能，消除了淬火應力和脆性，改善了零件淬火后的韌性及組織穩定性。適應于要求高硬度、高耐磨性能零件的場合。例如量具、刀具、冷沖壓剪切磨具、軸承內外圈及滾動體、滲碳及碳氮共滲零件等。(2)回火溫度根據下表來確定回火溫度：表10 20Cr回火溫度與硬度關系回火溫度150200300400硬度HRC62615243根據活塞銷的技術要求，本次設計回火溫度選擇：200（3）回火時間下表為合金鋼的回火時間與有效厚度之間的關系：表11 空氣爐回火溫度時間表有效厚度/mm2520-4040-6060-8080-100保溫時間/mm30-6060-9090-120120-150150-180本次設計的活塞銷有效厚度為6.5mm，但考慮到多個零件同時加熱，因此本次設計回火時間選擇70min。（4）回火設備本次設計的回火設備選擇RX3-15-6型低溫電阻爐，額定功率15kw，最高工作溫度650，爐膛尺寸：600*300*250，最大裝載量