活塞销的热处理方法及注意事项

2023-08-18 理论教育版权反馈

【摘要】：在硝盐炉或油炉中进行180～200℃×1.5～2h回火处理，回火后硬度控制在58～64HRC，同一活塞销中硬度差不大于3HRC。2)15Cr、20Cr钢活塞销渗碳后大多采用二次淬火工艺，其缺点在于渗碳层的碳质量分数为1.0％～1.3％，超过了共析成分，在淬火时得到了较多的碳化物，同时残留奥氏体增加，个别位置的硬度降低，因此在活塞销的摩擦部位会有麻点产生，造成其耐磨性的下降。

1.工作条件和性能要求

活塞销是发动机上用于连接活塞和连杆小头的结构件，相当于双点支承架，为钢制的空心圆柱体。其作用是连接活塞和连杆，将活塞承受的气体作用力传递给连杆。由于在较高的温度下工作，同时要承受非对称交变的载荷、一定的冲击力和摩擦力的作用，且表面处于润滑条件较差的摩擦条件下（一般靠飞溅润滑)，因此要求它具有足够高的强度和刚度，韧性、表面耐磨性好，具有高的疲劳强度，质量尽可能小，同时要求配合表面有很高的表面质量和尺寸精度等。活塞销失效的主要形式为表面磨损和疲劳裂纹，活塞销的内孔形式如图2-5所示。

2.材料的选用

根据活塞销的工作特点，活塞销在高温下承受极大的周期性冲击载荷，润滑条件差，故要求选用的材料有足够的强度、韧性、耐磨性及高的疲劳极限等，为减小往复惯性力，要求其质量轻。因此，制作活塞销的材料通常选用韧性较好的低碳钢或低合金结构钢（渗碳钢)，常见的材料为15、20、12CrNi3A、15Cr、18Cr2Ni4WA、20Cr、20Mn2、20CrMnTi、20CrMnMo等低碳钢与低碳合金结构钢，也采用渗氮钢制造。为提高其在弯曲疲劳下的表面压力，外表面必须进行硬化处理，而内部具有高韧性，事实证明冷拔材料的耐久性较好。

图2-5 活塞销的内孔形式

a)圆柱形 b)组合形 c)两段截柱形

3.活塞销的热处理

（1)技术要求活塞销的外圆硬度为58～64HRC，其余技术要求见表2-7和表2-8。

表2-7活塞销的心部硬度与壁厚的关系

表2-8活塞销的渗碳技术要求（成品)

活塞销的渗碳层深度较深为0.8～1.9mm时，渗层深度包括共析层深度、过共析层深度和1/2过渡层深度，不允许有大块的碳化物。内孔表面脱碳或贫碳层不大于0.03mm。

（2)退火处理工艺大多数的活塞销是经冷挤压或温挤压加工成形的，因此热处理前首先进行预备热处理即退火与软化退火。常见活塞销（冷挤压坯料)的退火工艺规范见表2-9。

表2-9常见活塞销（冷挤压坯料)的退火工艺规范

活塞经过挤压成形，材料的晶粒被挤压后出现加工硬化，故应进行软化退火或再结晶退火，其规范为680～720℃×12～14h，炉冷至300℃出炉后空冷。

（3)活塞销的渗碳工艺一般活塞销采用20Cr、20CrMo经冷挤压成形及进行双面渗碳处理，20Cr钢活塞销渗碳工艺规范见表2-10。

表2-1020Cr钢活塞销渗碳工艺规范

注:此表是在RJJ-90-9渗碳炉中渗碳时的具体数值。

为控制渗碳层碳化物级别，要严格控制碳势。推荐采用双面渗碳，双面渗碳后活塞销内孔表面得到强化，产生了较大的残留压应力，防止了内孔的纵向开裂，同时可抵消部分外加拉应力的作用，因此提高了疲劳强度，延长了其使用寿命。20Cr钢活塞销的渗碳处理工艺为920～940℃×6～10h，具体工艺如图2-6所示。

20钢渗碳层的检验一般是在850℃保温20min空冷后进行的；15Cr、20Cr、20Mn2等经过850℃×15～20min＋650℃×10～20min退火后在100倍显微镜下测量。

图2-6 20Cr钢活塞销的具体渗碳工艺规范

（4)淬火和回火活塞销渗碳结束后既可在860℃左右冷却，也可缓冷到室温后重新在盐浴炉或保护气氛炉中加热处理，在860～870℃保温后油冷。加热保温系数按0.7～0.8δ（单位为min/mm)计算，其中δ为活塞销的壁厚。淬火后的硬度不小于58HRC，应无淬火软点或软带。在硝盐炉或油炉中进行180～200℃×1.5～2h回火处理，回火后硬度控制在58～64HRC，同一活塞销中硬度差不大于3HRC。如采用网带炉或振底炉，则工艺参数为840～850℃×60min，采用循环油冷却，马氏体级别1～5时为合格，碳化物为1～3级时合格。

4.热处理工艺分析与操作要点

1)15Cr钢活塞销930℃渗碳空冷后，采用850℃×2h油冷热处理，要求低温回火后硬度为57～65HRC，抗拉强度为800～1250MPa，但油冷后个别活塞销存在软点，硬度为50～55HRC，抗拉强度明显低于要求。15Cr钢活塞销930℃渗碳后经不同热处理后的各项技术指标的对比见表2-11。

表2-1115Cr钢活塞销930℃渗碳后经不同热处理后的各项技术指标的对比

从表2-11中可知，活塞销油冷后出现软点，心部有铁素体组织，将影响其使用性能。采用三硝水作为淬火冷却介质，则心部形成马氏体组织，抗拉强度在800～1250MPa范围内，完全符合技术要求。

2)15Cr、20Cr钢活塞销渗碳后大多采用二次淬火工艺，其缺点在于渗碳层的碳质量分数为1.0％～1.3％，超过了共析成分，在淬火时得到了较多的碳化物，同时残留奥氏体增加，个别位置的硬度降低，因此在活塞销的摩擦部位会有麻点产生，造成其耐磨性的下降。经反复实践证明，通过调整活塞销的渗碳气氛，控制碳质量分数在0.8％左右，淬火后得到马氏体＋均匀分布的颗粒状碳化物，因此可在渗碳后进行一次淬火工艺，20Cr钢活塞销渗碳新工艺如图2-7所示。

图2-7 20Cr钢活塞销渗碳新工艺

3)活塞销除了采用一般的热处理工艺进行淬火和回火外，对其进行高频感应淬火更有意义。高频感应淬火后的显微组织分级是控制产品质量的一个重要指标，活塞销同样也不例外。通常活塞销的显微级别为3～6级，同时3～6级也是高频感应淬火的常见金相组织级别，能满足零件的技术要求和确保零件使用寿命的提高。

感应加热速度快，组织变化比较大，因此显微组织能够及时反映感应淬火后是否过热或欠热、加热不足等，从上面的讲述中可以了解到:3级为中等针状马氏体；4～5级为细针状马氏体；6级为细针状马氏体，是最理想的组织。

4)质量检查检验包括以下几个方面:渗碳层深度符合要求；活塞销的内孔硬度合格，同一销的工作面硬度差不大于3HRC；金相组织为细针状马氏体，允许存在少许粒状碳化物；表面不允许有任何形式的裂纹和锈迹，无尖角、毛刺和氧化物，应进行磁粉无损检测；外圆不得有麻点、黑斑、刻痕以及磕碰伤。

5.活塞销的常见热处理缺陷和预防挽救措施

在活塞销渗碳和热处理过程中，有一些因素直接影响产品质量。常见的活塞销热处理缺陷和预防补救措施见表2-12。另外，材料本身的原因也会造成活塞销的淬火开裂，如材料的化学成分、材料的质量状态及原始应力状态等，而成分主要取决于零件的工作状况和服役条件，高的硬度要选择含碳量高的材料；对于大转矩、大弯矩作用下工作的零件，要求材料具有高的抗扭强度或抗弯强度和高的弯曲疲劳强度等。

表2-12常见的活塞销热处理缺陷和预防补救措施

活塞销的热处理方法及注意事项

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