哈工大热处理原理与工艺大作业-汽车活塞热处理

1、Page 1活塞是汽车发动机的活塞是汽车发动机的“心脏心脏”，承受交变，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一。活塞的功用件最恶劣的关键零部件之一。活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成部分。成部分。Page 2活塞工作条件：活塞在高温、高压、高速、润滑不良的活塞工作条件：活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。条件下工作。活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，因此，受热严重，而散热条件又很差

2、，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，汽油机高达35MPa，柴油机高达69MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度（812m/s）往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。Page 3失效形式有：磨损失效形式有：磨损 、偏磨、偏磨、 机械损伤和烧融机械损伤和烧融常见的失效形式有活塞顶面裂纹 活塞环槽过度磨损 活塞销座裂纹 销孔咬合 环岸和裙

3、部脆断等。在发动机工作时，活塞环槽与活塞、活塞销座孔与活塞销、活塞裙与缸壁分别都构成了摩擦副 1汽车工作的时候活塞环槽和活汽车工作的时候活塞环槽和活塞，活塞、销座孔和活塞销，活塞，活塞、销座孔和活塞销，活塞裙与缸壁都分别构成了摩擦副，塞裙与缸壁都分别构成了摩擦副，所以很容易产生磨损所以很容易产生磨损2当活塞中心线与气缸中心线不当活塞中心线与气缸中心线不重合的时候活塞会出现偏向磨损，重合的时候活塞会出现偏向磨损，简称偏磨。简称偏磨。3烧融一般发生在活塞顶部和第烧融一般发生在活塞顶部和第一第二环槽处，一般以顶面的融一第二环槽处，一般以顶面的融洞、穿孔和头部圆周槽状缺口为洞、穿孔和头部圆周槽状缺口为

4、主要形式主要形式在发动机工作时，活塞环槽与活塞、活塞销座孔与活塞销、活塞裙与缸壁分别都构成了摩擦副 Page 4 内燃机活塞在高温高压高负荷条件下工作，对活塞的要求内燃机活塞在高温高压高负荷条件下工作，对活塞的要求相对较高，因此主要谈谈内燃机活塞的分类。相对较高，因此主要谈谈内燃机活塞的分类。n1. 按使用的燃料来分，可分为汽油机活塞、柴油机活塞、天燃气活塞。按使用的燃料来分，可分为汽油机活塞、柴油机活塞、天燃气活塞。n2. 按制造活塞的材料来分，可分为铸铁活塞、钢活塞、铝合金活塞及按制造活塞的材料来分，可分为铸铁活塞、钢活塞、铝合金活塞及组合活塞。组合活塞。n3. 按制造活塞毛坯的工艺来分，

5、可分为重力铸造活塞、挤压铸造活塞、按制造活塞毛坯的工艺来分，可分为重力铸造活塞、挤压铸造活塞、锻造活塞。锻造活塞。n4. 按活塞的工作状况来分，可分为非增压活塞和增压活塞两大类。按活塞的工作状况来分，可分为非增压活塞和增压活塞两大类。n5.按活塞的用途来分，可分为轿车活塞、卡车活塞、摩托车活塞、船按活塞的用途来分，可分为轿车活塞、卡车活塞、摩托车活塞、船用活塞、坦克活塞、拖拉机活塞、剪草机活塞等。用活塞、坦克活塞、拖拉机活塞、剪草机活塞等。Page 5材料要求材料要求(1).要有足够的刚度和强度，传力可靠；(2).导热性好，耐高压、耐高温、耐磨损；(3).质量小，重量轻，尽可能减小往复惯性力(

6、4).热膨胀系数小。 Page 6n铝合金活塞铝合金活塞 n铝合金的突出优点是密度小，可大大减少活塞的质量及往复运动的惯性力，因此铝合金活塞常常应用于中、小缸径铝合金的突出优点是密度小，可大大减少活塞的质量及往复运动的惯性力，因此铝合金活塞常常应用于中、小缸径的中、高速内燃机上，尤其以汽车发动机中居多。的中、高速内燃机上，尤其以汽车发动机中居多。铸铁活塞铸铁活塞 n铸钢活塞铸钢活塞 铸钢的机械强度高，耐热性、耐蚀性以及耐磨性均优于铝合金和铸铁，具有高的弹性模量，优良而稳定的高温性能铸钢的机械强度高，耐热性、耐蚀性以及耐磨性均优于铝合金和铸铁，具有高的弹性模量，优良而稳定的高温性能和比较低的线膨

7、胀系数等优点，但缺点是密度大、加工麻烦、成本高，对缸套的磨损严重。和比较低的线膨胀系数等优点，但缺点是密度大、加工麻烦、成本高，对缸套的磨损严重。镶体活塞镶体活塞 为解决铝活塞的硬度随着温度升高而大幅度下降的问题，采取在活塞的环槽处镶一导热系数较小且热膨胀系数与活为解决铝活塞的硬度随着温度升高而大幅度下降的问题，采取在活塞的环槽处镶一导热系数较小且热膨胀系数与活塞基体合金相近的材料制成的环槽圈，这样既强化了环槽，又对活塞热量外流起了限制作用。塞基体合金相近的材料制成的环槽圈，这样既强化了环槽，又对活塞热量外流起了限制作用。 n陶瓷活塞陶瓷活塞 陶瓷是用于汽车发动机上的新材料，具有质量轻、耐磨、

8、绝热性好、高温强度大等优点。活塞陶瓷化的主要优点有：陶瓷是用于汽车发动机上的新材料，具有质量轻、耐磨、绝热性好、高温强度大等优点。活塞陶瓷化的主要优点有：n可实现部分或全绝热，从而取消冷却系统并且回收废气能量以降低油耗；可实现部分或全绝热，从而取消冷却系统并且回收废气能量以降低油耗；n降低高强化柴油机活塞的温度，特别是环槽的温度；降低高强化柴油机活塞的温度，特别是环槽的温度；n 改善排放。全陶瓷活塞目前还无成功的应用实例，但组合式陶瓷活塞已在特种发动机上得到了一定的应用。改善排放。全陶瓷活塞目前还无成功的应用实例，但组合式陶瓷活塞已在特种发动机上得到了一定的应用。 铝基复合材料活塞铝基复合材料

9、活塞 以轻金属为基体的复合材料除了具有基体金属的性能外，还具有更突出的优点，主要表现在复合材料重量轻、动载以轻金属为基体的复合材料除了具有基体金属的性能外，还具有更突出的优点，主要表现在复合材料重量轻、动载荷小、耐磨性好，与基体合金相比其高温强度和抗热疲劳性能明显提高，并具有较低的线膨胀系数。荷小、耐磨性好，与基体合金相比其高温强度和抗热疲劳性能明显提高，并具有较低的线膨胀系数。n Page 71. 以活塞销孔为中心的加工表面。以活塞销孔为中心的加工表面。加工工艺加工工艺2.以活塞中心线为中心的加工表面以活塞中心线为中心的加工表面3.工艺规程设计工艺规程设计这两组加工表面之间有一定的位置要求。

10、环岸对活塞轴心的径向跳动最大允差为0.1 ,环槽底对活塞裙部轴心的最大允差为0.15 ,环槽侧面对活塞裙部轴心线垂直度不超过25 0.07,跳动不超过0.25 。活 塞销孔圆柱度为0.00125 ,两销孔同轴度误差在最大实体状态时为零，销孔轴心线对裙部轴心线垂直度为100 0.0353.1 确定毛坯的制造形式3.2定位基准的选择3.3 制订工艺路线3.4 加工工序的最后确定 Page 8最后加工工序最后加工工序 工序工序 1.钻活塞销孔钻活塞销孔 以外圆表面和内顶及内表面为粗基准，选用Z148组合机床,刀具为高速钢麻花钻。 工序工序 2.铣两侧销座凹坑铣两侧销座凹坑 以外圆表面内表面为定位基准

11、，选用80618专用铣床，成型铣刀。 工序工序 3.车止口车止口 以外圆、顶面定位，活塞专用机床，硬质合金刀具。 工序工序 4.铣回油槽铣回油槽 止口定位，ZF014活塞专用机床，高速钢圆盘铣刀具。 工序工序 5.粗精车外圆顶面环槽环岸并倒角粗精车外圆顶面环槽环岸并倒角 止口定位，六轴自动车床，成型车刀。 工序工序 6.中间检验中间检验 工序工序 7.扩活塞销孔扩活塞销孔 26.8 自定心夹紧，销座角向定位基面,Z149组合机床，高速钢扩孔钻。 工序工序 8.钻销座油孔钻销座油孔 5 选用4023台钻，高速钢钻头。Page 9工序工序 9.粗镗、半精镗活塞销孔粗镗、半精镗活塞销孔 27.52

12、选用金刚镗床加工，硬质合金刀具。 工序工序10.精车裙部椭圆精车裙部椭圆 101.6 活塞套车机加工，高速钢车刀。 工序工序11.去毛刺去毛刺 工序工序12.精镗活塞销孔精镗活塞销孔 以销孔为角向定位， 选用金刚镗床加工,高速钢车刀。工序工序13.中间检验中间检验 工序工序14.切卡环槽切卡环槽 30.5 C2-115车床,高速钢车刀。 工序工序15.销孔座内侧倒角销孔座内侧倒角 80226专用车床，成型车刀。 工序工序16.滚挤活塞销孔滚挤活塞销孔 ZA125 立式钻床，脉冲滚压器。 工序工序17.去毛刺去毛刺 工序工序18.清洗吹净活塞清洗吹净活塞 DTX40-J-G通过式清洗机。 工序工

13、序19.终检活塞终检活塞 工序工序20.装配前裙部分组尺寸复检装配前裙部分组尺寸复检Page 10n 在汽车活塞在汽车活塞环中环中，以球铁活塞环为例，讲一下汽车活塞环的热处理工以球铁活塞环为例，讲一下汽车活塞环的热处理工艺。艺。n球墨铸铁是由球状石墨和铁的基体组成。球墨铸铁是由球状石墨和铁的基体组成。n双片球铁环毛坯的退火和正火：双片球铁环铸造毛坯的基体组织以珠光体和双片球铁环毛坯的退火和正火：双片球铁环铸造毛坯的基体组织以珠光体和铁素体为主，还有少量的渗碳体（自由渗碳体）。这样就必须通过退火和正铁素体为主，还有少量的渗碳体（自由渗碳体）。这样就必须通过退火和正火来消除多余的渗碳体，同时双片球

14、铁环毛坯铸态硬度高，在双片切片加工火来消除多余的渗碳体，同时双片球铁环毛坯铸态硬度高，在双片切片加工时刀具磨损快，也需要通过退火和正火来降低硬度，便于加工。时刀具磨损快，也需要通过退火和正火来降低硬度，便于加工。n退火和正火的具体工艺是在共析转变临界温度退火和正火的具体工艺是在共析转变临界温度AC点以上的高温石墨化处理，点以上的高温石墨化处理，一般处理的温度为一般处理的温度为930度到度到950度，铸态基体中的铁素体和珠光体都变成了奥度，铸态基体中的铁素体和珠光体都变成了奥氏体，而碳化物分解成奥氏体和石墨。氏体，而碳化物分解成奥氏体和石墨。n冷却时可以出炉空冷即为正火处理，或者随炉冷却即为退火

15、处理，经过这两冷却时可以出炉空冷即为正火处理，或者随炉冷却即为退火处理，经过这两把火处理以后毛坯基体组织分解为铁素体和少量珠光体，碳化物要求达到把火处理以后毛坯基体组织分解为铁素体和少量珠光体，碳化物要求达到3%以下，即可达到要求。以下，即可达到要求。Page 11Page 12n 2、球铁环切片后的调质处理：、球铁环切片后的调质处理：n 正常情况下，球铁环的铸态组织都不均匀，需要经过调质处理后才能使用，铸正常情况下，球铁环的铸态组织都不均匀，需要经过调质处理后才能使用，铸态和调质后的状态性能差别很大，如图：态和调质后的状态性能差别很大，如图：n 双片球铁经过切片，在粗磨双端后就可以进行调质处

16、理，即进行淬火加高温回双片球铁经过切片，在粗磨双端后就可以进行调质处理，即进行淬火加高温回火处理，是将球铁毛坯加热到火处理，是将球铁毛坯加热到AC温度以上加热，使基体内的铁素体和珠光体温度以上加热，使基体内的铁素体和珠光体完全奥氏体化，淬火时转变成马氏体，再经过高温回火转变成回火索氏体，回完全奥氏体化，淬火时转变成马氏体，再经过高温回火转变成回火索氏体，回火索氏体具有较高的韧性、强度和硬度，综合机械性能优良。火索氏体具有较高的韧性、强度和硬度，综合机械性能优良。Page 13Page 14n 双片球铁环毛坯金相组织中的碳化物控制在双片球铁环毛坯金相组织中的碳化物控制在5%以下，铁素体含量在以下

17、，铁素体含量在30%以以下，用低温软化退火来代替高温石墨化退火或者正火工艺。目的是使珠光下，用低温软化退火来代替高温石墨化退火或者正火工艺。目的是使珠光体部分分解成铁素体，降低硬度，便于切片加工，低温软化退火工艺如下体部分分解成铁素体，降低硬度，便于切片加工，低温软化退火工艺如下图：图：n 低温软化退火温度低、时间短，毛坯和工装基本无氧化脱碳，不需要防氧低温软化退火温度低、时间短，毛坯和工装基本无氧化脱碳，不需要防氧化脱碳保护，电耗和退火成本大幅度下降，生产效率也很高，是值得推广化脱碳保护，电耗和退火成本大幅度下降，生产效率也很高，是值得推广的。的。Page 15n 活塞检验主要是裙部直径、活

18、塞环槽高度和活塞销座孔尺活塞检验主要是裙部直径、活塞环槽高度和活塞销座孔尺寸的测量寸的测量n 裙部直径：一种方法是用千分尺测量活塞裙部规定的测量裙部直径：一种方法是用千分尺测量活塞裙部规定的测量位置。将在此位置测得的数据与气缸磨损最大部位的测量位置。将在此位置测得的数据与气缸磨损最大部位的测量值相减，并用所得差值与配缸间隙值相比较，即可确定该值相减，并用所得差值与配缸间隙值相比较，即可确定该活塞可否使用。活塞可否使用。 第二种采用测量配缸间隙的方法来确定第二种采用测量配缸间隙的方法来确定活塞可否使用。活塞可否使用。n 活塞环槽的测量：安装气环的环槽，用标准气环装入其内，活塞环槽的测量：安装气环的环槽，用标准气环装入其内，用塞尺测量其侧隙，即可确定其是否符合要求用塞尺测量其侧隙