作者：王忠诚,王东
出版社：机械工业出版社
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汽车零件热处理实用技术试读：
前言
在众多的交通运输工具中，汽车是主要的交通运输工具，无论客运还是货运都具有便捷、迅速、经济和舒适等特点，在人们的日常生活中占有十分重要的地位。近十几年来，我国汽车制造的整体水平与世界发达国家的汽车制造企业的差距逐渐缩小，在先进制造技术引进和汽车零部件的消化吸收方面，已经迈出了可喜的一步，关键汽车零部件的国产化率达到了50％以上，我国汽车制造技术取得了质的飞跃，这主要体现在设计与制造水平、热处理技术与质量保证能力等方面得到了提升，部分汽车出口到发展中国家，这表明我国的汽车制造能力有了长足的进步。
汽车上有成千上万个零件，其中钢铁零件占到67％以上，这些零件大部分需要热处理，因此认识汽车用钢铁材料的特性和主要零件的加工方法，选择正确与先进的热处理工艺方法，合理选择热处理设备，分析常见零件的失效方式从而提出预防性措施等，对于生产出热处理质量合格的产品是至关重要的，也是提高汽车整体性能的基础。
本书立足于我国汽车制造行业零件热处理的现状，以关键汽车零件的热处理实用技术为全书的主线，从工作条件、材料选用、热处理的具体要求、设备选择等方面分类进行了详细的介绍。全书共10章，主要包括汽车零件的材料与热处理特点，汽车曲柄连杆系统、配气机构系统、传动系统、行驶系统、转向系统与制动系统等关键零件的热处理，汽车用轴承和标准件的热处理，汽车零件常用模具的热处理，主要热处理技术与热处理设备的特点，同时指出零件热处理的发展方向是清洁、高效、节能、安静、环保和无氧化脱碳。
本书围绕汽车关键零件的热处理实用技术编写而成，注重与实践相结合，是一本实用性很强的热处理技术书籍，可供汽车零件制造行业的热处理工程技术人员、工人阅读使用，也可供相关专业在校师生与科研人员参考。
本书由王忠诚、王东编著。在编写过程中承蒙山东大学齐宝森教授的指导与帮助，山东安丘亚星热处理材料有限公司刘建华总经理、中国重汽集团公司张福增高级工程师、济南昌达热工有限公司张学礼总经理等提供了部分资料，另外，参考引用了众多专家与学者的文献资料、图表等，在此一并致以衷心的感谢。
由于作者水平有限，书中不足之处在所难免，敬请广大读者和专家批评指正。作者
第1章 汽车零件的材料与热处理特点
1.1汽车用钢的要求与选材
通常汽车约由三万多个零件组成，材质以金属材料为主。其中，钢铁材料约占汽车总质量的80％左右，非铁金属材料占3％～4.7％。汽车中的钢铁材料主要包括钢板（约占50％)、新型弹簧钢（悬架系统用硅钢板)、低合金微调质钢（含有V、Ti、Nb)、高性能钢板、镀覆钢板、齿轮用钢等。非铁金属材料主要有铝合金、铝基复合材料、镁合金材料和钛合金材料等，可用于制造车轮、气门座圈、排气系统部件等。另外，还有铁基粉末冶金材料，可用于制造轴承、进排气门、凸轮、齿轮和支架等。
由于钢铁材料具有强度高、成本低、加工难度小、生产工艺成熟（易铸造、易成形、易切削加工和易焊接)、容易回收和再利用等优点，故成为汽车制造中最重要的材料。
非铁金属材料中的轻金属具有材质轻、导电性好等特性，在汽车制造中应用量呈上升趋势，如铝、镁、钛等材料可减轻汽车质量，是提高节能性和环保型的首选材料，另外，具有比强度和比刚度均高、易加工成形、阻尼减振性和电磁屏蔽性强、废料易回收等特点。因此，非铁金属材料是汽车制造业必不可少的材料。
汽车材料的选用应符合以下要求:承受正常工作所产生的应力与应变，具有低的材料成本和加工成本，不破坏环境并可回收。1.1.1汽车用钢的种类
用于制造汽车的钢材品种主要包括型钢、热轧中板、热轧薄板、钢带、优质钢材和钢管等，其中以薄板与优质钢材为主。
热轧钢板主要用于载货汽车车架纵梁、横梁、车厢横梁、车轮轮辐，轿车车轮轮辋与轮辐等。热轧薄板用于制造车身，其要求钢板成形性能良好、表面质量好。轿车车身采用电镀锌板、热镀锌板等。优质钢材包括碳素结构钢、合金结构钢、弹簧钢、易切削钢、冷镦钢、耐热钢等，其中以齿轮钢用量较大。表1-1为我国汽车用钢铁材料种类及其比例。表1-1我国汽车用钢铁材料种类及其比例 （％)
1.冷轧板、带
冷轧钢带是制造汽车覆盖件与车体内部加强板、防护板、连接板以及梁等最主要的材料，其他应用板材多为冷轧板及镀锌板，轿车的冷轧板用量为450～550kg。
冷轧板在客车上用作蒙皮，在小型和微型客车上主要用于外覆盖件与加强板和梁等。
冷轧板在载货汽车上用作外盖板、顶盖板、翼子板、保险杠以及内板等。
2.热轧板
轿车采用热轧薄板制造垫板、支架、冲击桥壳以及轮辋和轮辐等；客车用热轧薄板制造各种支架和底座等；载货汽车用热轧薄板制造车架和车厢横、纵梁等。1.1.2高强度钢板及应用
该类钢板是指经过固溶强化、析出强化、晶粒细化强化和应变组织强化的组合设计，并能满足强度和加工性能要求的材料，其强度与相对密度的比值高于相应的传统材料，通常将抗拉强度在370MPa以上的热轧钢板和340MPa级以上的冷轧钢板称为高强度钢板。
1.分类
高强度钢板可按冲压级别、生产工艺、强化机理和屈服强度进行分类，通常按生产工艺分为冷轧高强度钢板和热轧高强度钢板。冷轧高强度钢板用于汽车车身零件，如车门、发动机外罩板和内罩板以及车身结构件等；热轧高强度钢板则用于制造载货车横纵梁、车轮、制动盘等。
2.高强度钢板的应用
汽车外板，如发动机机罩、车门、行李架、侧围外板等，应用了340MPa级烘烤硬化型钢板（BH钢板)和440MPa级高强度材料，车身骨架部件采用440MPa和590MPa级别的高强度材料，结构支撑件材料的级别已达800～1000MPa，制造前后保险杠、横纵梁和柱等。车身主要部位采用热成形钢板可大大提高车身强度。有资料指出，高强度钢板在汽车上的使用率将超过70％。1.1.3汽车零件结构及加工工艺特点对材料的技术要求
表1-2为汽车部件分类及对钢材的技术要求。表1-2汽车部件分类及对钢材的技术要求
1.车身对钢材的要求
汽车用钢材（包括热轧钢板、冷轧钢板和镀层板等)是汽车上的主要原材料，减轻汽车自重的高强度钢板主要用于汽车外壳和结构件，主要有汽车表面用钢板和汽车车体用钢板。汽车车身使用的材料主要有薄钢板、镀锌薄钢板、薄铝板、合金板等。
2.车轮对钢材的要求
汽车车轮轮辋经下料卷圈、闪光对焊、水冷、去飞边、扩口、滚形扩展、打充气孔等工序完成；轮辐则经过正拉深、反拉深、镦形整形、冲孔、修边、冲螺栓孔、挤球形翻边等工序完成，最后采用CO2保护焊将轮辋和轮辐组装成车轮。
3.齿轮对钢材的要求
为解决齿轮损伤问题，对齿轮用钢进行二硫化钼的涂覆等润滑处理，同时应采用高强度和无需润滑处理的材料等。
4.连杆对钢材的要求
要求连杆具有良好的综合力学性能，其应采用调质钢制造，也可采用非调质钢等代替碳素结构钢来制造汽车发动机连杆。
5.弹簧对钢材的要求
从传统材料的1000MPa级向1200～1300MPa级的高强度化方向发展，在实现弹簧高强度化的过程中，同时要考虑到永久变形性、疲劳强度、腐蚀环境下的疲劳寿命等，即高弹性与高的疲劳极限的有机结合，通常选用的材料有65Mn、60Si2MnA、50CrVA等。气门弹簧的钢丝疲劳寿命要求达到2300万次，因此对弹簧钢丝的生产稳定性要求十分苛刻。
6.气门对钢材的要求
要求气门材料在工作条件下，耐热、耐腐蚀、抗氧化及耐磨，且具有良好的导热性，即具有良好的综合力学性能。
7.冷镦件对钢材的要求
汽车用紧固件（如螺栓、螺钉和螺母等)的工作条件较差，工作应力明显提高，要求紧固件用钢具有更高的强度。常用冷镦钢的强度级别为700～1000MPa，目前其要求提高到了1100MPa以上，同时也提出了抗延伸破坏性能、耐蚀性和加工性能等方面的要求。
对于抗拉强度超过1200MPa的螺栓，在静态应力作用下，经过一定时间会出现延迟断裂，为此需要采取减少晶界偏析、细化晶粒和提高回火温度等措施。1.1.4汽车主要零件的选材
1.发动机缸体、缸盖和缸套
考虑到发动机的缸体、缸盖要承受燃烧过程中高温、高压和高速运动件的振荡力和摩擦磨损，同时要承受重力以及螺栓拧紧时局部巨大的压应力等作用，其应具有较高的强度、良好的铸造性能和机械加工性能，缸体材料多采用灰铸铁（HT200或HT250)和铝合金等。轻型化和小型车的缸体、缸盖多采用铝合金，用铸铝件代替铸铁件。
缸套采用耐磨材料，一般采用高磷铸铁、硼铸铁、合金铸铁等耐磨铸铁等制造，采用镀铬、表面淬火、喷镀金属或其他耐磨合金的方法对缸套进行表面处理，目的是提高其耐磨性。
2.发动机曲轴
发动机曲轴在工作中承受弯曲、扭曲、剪切、拉压、冲击等交变应力的作用，其主要失效形式为疲劳断裂和轴颈磨损等，锻造曲轴和铸造曲轴采用的材料是不同的，锻造曲轴一般采用中碳钢和中碳合金钢制造，如30、45、35Mn2、35CrMo、40Cr等。铸造曲轴多采用铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铁等，如ZG230-450、QT600-3、QT700-2、KTZ450-06、KTZ550-04等。
3.活塞组件
在发动机运转过程中，活塞组件受到周期性变化的高温高压燃气的作用，其工作温度高达2000℃，同时在气缸内高速往复运动时产生很大的惯性力，并承受交变侧向力，工作条件十分苛刻。（1)活塞材料 要求活塞材料具有耐热性和导热性好，吸热少，膨胀系数小，减摩性、耐磨性、耐蚀性和工艺性好的特点。由于铝合金导热性好、密度小，而硅能使膨胀系数减小，提高耐磨性和耐蚀性，并能提高强度、硬度和刚度等，故活塞材料常选用硅铝合金，并进行固溶处理和时效处理。（2)活塞环材料 要求耐磨性与耐热性好、韧性佳、易磨合，并具有良好的加工性能。目前活塞环多采用以珠光体为基体的灰铸铁，或采用在灰铸铁中加入一定数量的铜、铬、钼、钨等元素的合金铸铁，也可采用球墨铸铁或可锻铸铁。为了提高活塞环的使用寿命，还要进行镀铬、喷钼、磷化、氧化等表面处理，目前应用十分广泛的为表面镀铬，可提高寿命2～3倍。（3)活塞销材料 要求具有足够的刚度、强度和耐磨性，并具有较高的疲劳强度和韧性，一般选用20、20Cr、18CrMnTi等低碳合金钢（渗碳钢)，并进行渗碳或液体碳氮共渗的表面处理，以满足其工作需要。
4.气门
气门在发动机内工作时，承受较大的机械载荷、热负荷和相当大的冲击，要求具有良好的密封性，因此要求材料具有耐热性、耐磨性、耐蚀性等特点。因进、排气门的工作条件不同（进气门工作温度为300～400℃，排气门则达到650～850℃)，故选用的材料不同。按QC/T 469—2002《汽车发动机气门技术条件》可知，进气门采用合金结构钢和部分马氏体耐热钢，而排气门则选用马氏体耐热钢、奥氏体耐热钢以及高温合金等。
5.齿轮
汽车用齿轮数量较多，其受力较大、冲击频繁，主要失效形式为齿面磨损、疲劳断裂、齿面接触疲劳破损等，故要求材料具有很高的强度和疲劳强度，并具有良好的冲击韧度和耐磨性。目前国内汽车齿轮用材多选用20Cr、20CrMnTi等合金渗碳钢，并进行渗碳、淬火以及低温回火处理等，个别采用等温淬火球墨铸铁材料制造。
6.螺栓、铆钉等连接零件
螺栓、铆钉等连接零件主要起连接、紧固、定位等作用，连接零件不同，工作条件和受力也不同，故材料的选用是不同的。通常螺栓、铆钉等连接零件采用一般冷镦钢材，而高强度螺栓采用回火马氏体钢和贝氏体钢。
7.半轴
半轴主要承受扭转力矩和一定的冲击载荷，要求其材料具有较高的综合力学性能，即具有很高的抗弯强度、疲劳强度和良好的韧性。通常半轴采用调质钢，并进行喷丸处理及滚压凸缘根部圆角强化处理。一般中小型汽车半轴采用45和40Cr钢，重型汽车则采用40MnB、40CrNi、40CrMnMo等淬透性较高的合金钢。
汽车主要零件（发动机与底盘)的材料选用情况见表1-3。表1-3汽车主要零件（发动机与底盘)的材料选用情况（续)
1.2汽车零件热处理特点
汽车零件用材料包括钢铁材料、非铁金属及其他高温合金材料等，其中大部分材料只有通过热处理，才能达到改变材料性能，即改善其硬度、强度和可加工性的目的。材料的性能取决于组织结构、碳含量和合金元素的成分等，因此根据汽车零件的服役条件与技术要求，选择合理的热处理设备与工艺，达到延长汽车零件使用寿命、提高力学性能的目的。
汽车零件的热处理技术要求决定了其采用的热处理工艺与特点。目前汽车制造对零件的热处理提出了具体的要求，除材料本身外，还提出了具体的热处理工艺手段，故汽车制造一直是热处理技术的主要应用领域，各种热处理技术得到了广泛应用。1.2.1汽车零件的整体热处理特点
汽车零件材料要达到使用技术要求，则必须进行合理选材与必要的热处理，一般零件的热处理包括退火、正火、淬火与回火、固溶与时效等，其是依据零件的服役条件来选择的。
1)退火工序多用于铸铁（合金铸铁)件的热处理，如去应力退火、低温退火等，以消除铸造后的内应力与加工应力等，确保零件尺寸的稳定与后续加工。通常包括灰铸铁缸体、缸盖、飞轮、变速器壳、离合器壳、后桥壳等，它们的退火温度均低于650℃，无组织的转变，通常采用箱式炉、推杆炉、振底炉、台车炉等作为加热设备，生产率不高。
2)正火工序则用于钢制曲轴、前轴、转向节、半轴、二轴、变速器齿轮、后桥齿轮等零件的锻造后处理，目的是提高基体的表面硬度与心部强度，便于进行机械加工，获得要求的力学性能，满足使用要求。正火多采用大型箱式炉、台车炉、推杆炉等，少数采用盐浴炉、井式炉等，冷却方式多为空冷、喷雾冷却等，获得的组织通常为F＋P。
3)淬火与回火用于渗碳齿轮与活塞销、钢制钢板弹簧与气门弹簧、马氏体钢制气门、前轴、转向节、半轴等零件的热处理，包括低温回火、中温回火与高温回火等，获得要求的力学性能与表面硬度等，是最为常见的热处理工艺方法。通常采用可控气氛加热设备，防止零件表面的氧化脱碳，如保护气氛网带炉、振底炉、多用炉（箱式炉)，具有生产率高、质量稳定性好、机械化与自动化程度高、工作环境清洁等特点，因此应用十分广泛。
调质处理是比较常见的热处理工艺，由于汽车零件是大批量生产的，故多选用网带炉、铸链炉进行热处理，调质处理既可作为预备热处理，也可作为最终热处理，处理后的零件具有良好的综合力学性能。
4)固溶与时效用于非铁金属与合金、奥氏体耐热钢等零件的热处理，以获得要求的力学性能或满足特殊的服役要求，如用于铸造铝合金制缸体与缸盖、活塞、奥氏体钢制气门等，是一类比较特殊的热处理工艺。采用的加热设备通常为盐浴炉、高温燃气炉、高温保护气氛炉、井式炉、多用炉等，均为周期性作业炉，具有劳动强度大、效率低等特点，用于特殊零件的热处理。1.2.2汽车零件的常见基本热处理特点
1.调质处理
汽车零件的调质热处理可分为保护气氛调质热处理和一般调质热处理。保护气氛热处理能够保证零件在热处理过程中不会产生表面氧化、脱碳等缺陷，确保零件的表面质量。当调质处理后零件工作面需要后续加工时，采用一般热处理。根据零件的质量、大小，调质热处理设备有网带炉、铸链炉、料盘（料筐)推杆式炉、托架炉、悬挂式连续炉等。调质处理后的组织为回火索氏体，不允许有块状的铁素体，否则会降低零件的强度和韧性等，通常零件调质处理的硬度为30～38HRC（283～350HBW)，以汽车紧固件热处理为例，调质热处理技术的发展主要有以下几方面:（1)炉型 由于辐射管和网带寿命的大幅度提高，在国内标准件行业网带炉得到普遍应用。网带炉具有炉内布料、加热均匀，零件质量稳定，工作环境好等优点。特别是对于高强度螺栓的热处理，采用网带炉使质量有了可靠保证。（2)碳势控制技术的应用 碳势控制技术在保护气氛调质生产线上得到普遍应用。采用碳势控制技术炉内碳势的控制精度可达到±0.03％，保证了零件热处理的表面质量。（3)计算机技术的应用 通过计算机能够按照工艺设定自动完成工件生产的全过程，记录、保存工件生产中的各种工艺参数，具有完善的故障诊断、显示，安全警示及联锁功能。（4)快速淬火油和水基淬火冷却介质的应用 快速淬火油的应用保证了高强度螺栓件的热处理内在质量。水基淬火冷却介质的应用解决了零件淬油不硬、淬水开裂以及零件淬火变形的质量问题。
2.锻造余热热处理
大部分汽车结构零件采用热锻成形工艺。利用锻造余热实施毛坯的热处理是节能的重要措施。如采用锻造余热等温退火、锻造余热淬火，可以获得利于后续加工的组织和硬度，省去了再次加热能耗，节能效果显著。利用锻造余热热处理的零件有各类齿轮毛坯、前轴、转向节、摇臂、花键轴、曲轴、连杆等。对于齿坯的余热等温退火，为了保证锻造余热热处理的组织、硬度均匀性，需要严格控制终锻温度、中冷过程、等温温度等。对于余热淬火的零件，为保证零件的强韧化性能，除了直接淬火工艺外，也可以采用预冷至550～650℃，完成珠光体转变后，再次加热至奥氏体化温度的方法。主要目的是细化组织，获得良好的强韧化性能。1.2.3汽车零件的表面热处理特点
1.感应热处理
在20世纪30年代，出现了感应热处理技术，感应热处理技术是一项高效、节能、环保的热处理技术，符合现代工业生产的3S和3C标准（Sure可靠、Safe安全、Saving节约及Cool低温、Clean清洁、Clam安静)，几十年来有了迅速的发展，特别是在汽车生产方面得到了广泛应用。
从最初的曲轴轴颈感应淬火，逐渐扩展到汽车发动机、汽车底盘等汽车零件上。我国的感应热处理起步于20世纪50年代，首先应用于机床制造工业与纺织机机械制造工业，其后在汽车制造工业、拖拉机及工程机械、轴承工业、石油钻机与化工机械、铁路、重型机械、冶金机械、航空航天、农业机械制造、建筑材料等各个行业大量采用感应热处理技术。
感应热处理具有节能、高效、环保、劳动强度低、在线作业、自动化程度高等特点，故发展迅速，在国内外得到普遍的应用与推广。
目前典型的零件表面淬火，多应用于传递动力转矩的轴类零件:内燃机气门的杆端与盘锥面、曲轴轴颈、凸轮轴、花键轴、齿轮齿圈、半轴、等速万向节、变速叉、传动器轴、十字轴、齿轮轴、减振器、销轴、轴承座、制动凸轮、转向节等。感应热处理零件占汽车热处理零件的70％以上，是比较有前途的热处理工艺。（1)感应热处理工艺与应用 感应热处理工艺中应用最多的为淬火，其次为回火与退火或正火。感应热处理工艺的调整是在电源设备（频率及功率已经确定)、淬火机床、感应器（工艺装备件已经具备)、辅助装置（淬火冷却介质浓度、温度等)以及需要淬火调整的零件达到该工序的要求后进行的。感应淬火的工艺方式与适用范围见表1-4。表1-4感应淬火的工艺方式与适用范围
感应淬火件回火的目的是降低淬火应力，避免产生淬火裂纹或降低硬度，达到零件的热处理技术要求。感应淬火后的回火有三种方式:自回火、感应回火、炉中回火。（2)感应淬火件的质量检验 感应淬火件的质量检验项目与要求见表1-5。表1-5感应淬火件的质量检验项目与要求
2.火焰淬火
火焰淬火的淬火温度比普通的淬火温度要高50～70℃，加热速度快，因此工件经火焰淬火后硬化层不厚，不适合处理十分重要的零件。硬化层的深度主要取决于零件的淬透性、尺寸、加热层深度、冷却条件等因素。一般推荐水压为0.1～0.2MPa。整体浸入冷却油中，另外根据零件的硬度也可采用压缩空气、乳化油等淬火冷却介质。
根据加热方式和工件的形状、大小及淬火后要求不同等，火焰淬火有以下四种:静止火焰淬火法、旋转火焰淬火法、推进火焰淬火法与联合火焰淬火法。
火焰淬火工艺参数见表1-6。表1-6火焰淬火工艺参数
3.电解液淬火
零件作为阴极浸入电解液中，当电路通以直流电时，电解液发生电解，此时氢离子趋向零件（阴极)，在周围形成了氢气膜。由于氢气膜的电阻大，故电流通过时将产生很大的热量将零件加热（称为阴极效应)。被加热到淬火温度的零件，一旦切断电源立即由电解液迅速冷却而完成淬火，可采用端部自由加热、端面绝缘加热、回转加热和连续加热等方式。
1)电解液淬火所用的电解液为质量分数为5％～10％的碳酸钠水溶液，也可采用5％～10％的碳酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸钠、氯化钙、氯化钡以及硝酸钙等水溶液。
2)电解液加热所用电压与电流应控制在要求的范围内，电流可通过对总电流及浸入电解液中工件面积的调节来实现。
3)整个过程中，电解液的温度应控制在20～40℃，最高不超过60℃。
资料介绍，除高频感应淬火可用作内燃机进、排气门杆端的表面淬火外，接触电阻加热淬火也用于该类产品的顶端面淬火。气门的杆部材料为40Cr，技术要求为杆端淬硬层深度为2～4mm，硬度为45～62HRC，则具体的工艺参数为:电解液为质量分数为12％～15％的碳酸钠水溶液，温度为30～60℃，直流电压为180V，电流为10～15A，通电时间为4.5s。
需要注意的是，在生产过程中，零件表面不得有过热、烧熔、腐蚀以及任何形式的裂纹等缺陷产生；硬化层组织为细小马氏体，晶粒度应不大于5级，过渡层为托氏体和索氏体，心部为原始组织。
4.激光热处理
激光热处理（即激光表面淬火)又称为激光相变硬化，因其具有快速的加热速度与冷却速度，故可获得极细的马氏体组织，此方法适用于碳素钢、中碳低合金钢、铸铁等材料的表面淬火。因此大量用于汽车、拖拉机等的发动机缸体和缸套内壁的处理，以提高其耐磨性和使用寿命，此外，还可用于曲轴、齿轮、模具、刀具、活塞环等的表面硬化处理。1.2.4汽车零件的化学热处理特点
钢铁件化学热处理的目的是改变表层化学成分与组织结构，以提高表面的力学性能、物理与化学性能。
采用化学热处理可有效提高模具表面的耐磨性、抗咬合性、抗氧化性、抗粘着性、抗冷热疲劳性等性能，同时可使零件内部保持原有的强韧性，化学热处理均是以提高零件的耐磨性与使用寿命为目的的。
汽车零件的化学热处理包括渗碳、碳氮共渗、渗氮、氮碳共渗、硫氮碳共渗等，应用比较广泛的为渗碳、碳氮共渗、渗氮与氮碳共渗，其中渗碳与氮碳共渗零件所占比例较大。
1.渗碳
渗碳热处理的主要目的是使零件获得良好的抗疲劳性能和耐磨性，保证零件的使用性能与可靠性。同时由于心部与表层的碳含量不同，硬化后的表面获得了有利的残留应力分布，从而提高了渗碳工件的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。采用渗碳淬火强化热处理的零件有:汽车驱动桥的差速器齿轮、变速器轴齿类零件、转向器轴齿件、发动机活塞销、柴油机针阀体和齿轮零件、部分模具等。十几年来，渗碳热处理技术发展的重要标志是传感技术和计算机技术在生产中的应用。可实现对渗碳热处理工艺参数如温度、时间、碳势，淬火过程以及动作程序的完全自动控制，甚至根据零件的技术要求、材料牌号及特性等，系统可以自动生成工艺，实现智能控制。
汽车零件的渗碳热处理装备有箱式炉，单排、双排、多排连续炉以及真空炉等多种热处理设备。
汽车零件渗碳热处理技术有如下特点:①工业计算机对炉温、碳势、自动线动作程序进行监控与数据自动采集；②对自动线渗碳热处理工艺过程进行自动跟踪与监控，实现渗碳工艺仿真与优化和零件渗碳质量的预测；③对炉内温度、碳势和动作进行实时显示及控制，系统故障自动诊断、显示及报警；④热处理生产工艺的全过程在线自动显示、记录以及保存和建档，可以建立可追踪的热处理质量管理系统。
气体渗碳多用于承受大冲击、高强度和使用硬度在58～62HRC范围内的小型模具、齿轮等。井式炉气体渗碳典型工艺曲线如图1-1所示。部分齿轮在井式炉中的典型气体渗碳工艺如图1-2和图1-3所示。图1-1 井式炉气体渗碳典型工艺曲线
2.碳氮共渗
汽车零件碳氮共渗的目的是提高工件的表面硬度、耐磨性和耐疲劳性等，其中应用最广的为中温气体碳氮共渗，其共渗介质为渗碳和渗氮用混合气体，即在井式渗碳炉内滴入煤油（或甲苯、丙酮等)，同时通入渗氮用氨气。共渗温度为820～860℃，气体碳氮共渗中的碳、氮含量主要取决于共渗温度，即共渗温度越高，共渗层中碳含量越高，氮含量越低；反之共渗温度越低，共渗层中的碳含量越低，氮含量越高。零件完成渗碳、碳氮共渗（排气、强烈渗碳或碳氮、扩散后)，对于可直接淬火的零件，可随炉冷却到适宜的淬火温度，并保温一定时间，待零件的内外温度均匀后出炉，而对于需要重新加热的零件，可在出炉后在空气中冷却或放入缓冷罐，为了减少零件的表面氧化、脱碳和变形，也可保持扩散阶段的渗剂流量，并随炉降温至500～550℃再出炉。
进行碳氮共渗的汽车零件有汽车变速器齿轮、差速器齿轮、部分曲轴、活塞销等。图1-2 变速器齿轮的气体渗碳工艺规范注:材料20CrMnTi，渗层深度为0.8～1.2mm，RQ3-75-9T。图1-3 转向器齿轮的气体渗碳工艺规范注:材料20CrMnTi，渗层深度为0.4mm，可控气氛多用炉。
3.渗氮
渗氮是将钢件置于含有活性氮原子的气氛中，加热到一定温度保温一定时间，使氮原子渗入工件表面形成渗氮层的热处理工艺。渗氮的目的是提高工件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度及耐蚀性。常用的渗氮用钢为38CrMoAlA、Cr12、Cr12MoV、3Cr2W8V、5CrNiMo、4Cr5MoSiV等。模具渗氮前应进行调质处理，为了保持模具的整体性能，渗氮温度一般不超过调质处理的温度，一般渗氮温度为480～550℃。汽车零件进行渗氮的有活塞环、活塞杆、螺杆、部分齿轮等。
4.氮碳共渗
氮碳共渗后的工件表面形成了化学特性较稳定的渗氮物，可显著提高工件的耐磨性，具有良好的抗咬合、抗擦伤能力，可减轻粘模现象，另外可明显提高工件的抗疲劳性能，使工件具有良好的耐蚀性，一般认为经过氮碳共渗后的工件，其抗大气腐蚀的能力与发蓝、镀锌件相当，内燃机气门、曲轴等进行氮碳共渗后，表面的耐磨性成倍提高，耐蚀性明显提高，是一种十分有效的表面强化工艺手段。广泛用于模具（压铸模具、热挤压模、锤锻模、冲模、塑料模)、曲轴、凸轮轴、气门、挺杆、燃气管等领域，并取得了令人满意的效果。
图1-4所示为选用TJ-2氮碳共渗基盐对3Cr2W8V钢制气门用热挤压模进行氮碳共渗的工艺曲线，渗层深度为0.10～0.25mm，表面硬度在850HV以上，使用寿命比气体氮碳共渗提高80％。图1-4 3Cr2W8V钢制气门用热挤压模氮碳共渗工艺曲线
汽车零件进行氮碳共渗的目的是提高耐磨性、抗擦伤性、耐蚀性和疲劳强度等，也是一种成本较低且变形小的热处理工艺，适用于大批量零件的生产，汽车内燃机气门、气门挺杆、曲轴等均采用了氮碳共渗工艺，表1-7为几种主要氮碳共渗工艺方法的比较，可以看出液体氮碳共渗具有明显的优势。表1-7几种主要氮碳共渗工艺方法的比较（续)
参考文献
[1] 张雷.汽车材料[M].北京:科学出版社，2009.
[2] 王大鹏，王秀贞.汽车工程材料[M].北京:机械工业出版社，2011.
[3] 杨满.实用热处理技术手册[M].北京:机械工业出版社，2010.
[4] 张玉庭.实用热处理操作技术问答[M].北京:机械工业出版社，2010.
[5] 林信智，杨连第.汽车零部件感应热处理工艺与设备[M].北京:北京理工大学出版社，1998.
[6] 潘邻.表面改性热处理技术与应用[M].北京:机械工业出版社，2006.
[7] 李慕勤，李俊刚，吕迎，等.材料表面工程技术[M].北京:化学工业出版社，2010.
[8] 王忠诚，孙向东.汽车零件热处理技术[M].北京:化学工业出版社，2007.
[9] 袁晓月.丰田公司汽车零件热处理现状及发展趋势[J].国外热处理，1997，18（4):8-13.
第2章 曲柄连杆系统零部件的热处理
2.1概述
2.1.1工作条件与作用曲柄连杆机构是往复式内燃机中的动力传递系统，是发动机实现工作循环、完成能量转换的主要运动部分。曲柄连杆机构的作用是提供燃烧场所，把燃料燃烧后气体作用在活塞顶上的膨胀压力转变为曲轴旋转的转矩，不断输出动力；将气体的压力变为曲轴的转矩；将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动。
在汽车发动机中，曲轴和连杆是重要的关键部件，该机构由三部分组成:机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组。机体组包括气缸体、气缸盖衬垫、气缸盖、曲轴箱及油底壳、曲轴箱、气缸套等；活塞连杆组包括活塞、活塞环、活塞销、连杆等；曲轴飞轮组包括曲轴、飞轮、曲轴扭转减振器、平衡轴等。
曲轴连杆机构的工作条件比较恶劣，即处于高温、高压和高速以及化学腐蚀状态，在发动机工作时，温度高（2000℃)，压力大（5～9MPa)，气门开启频率为3000～6000r/min，活塞运动速度为100～200m/s，可燃混合气和燃烧废气接触机件（如气缸、气缸盖、活塞等)造成化学腐蚀。该机构在高压下作变速运动，受力十分复杂，其中有气体的作用力、质量的惯性力、摩擦力以及外界的阻力等。
1.机体组 机体组主要由气缸体、气缸盖衬垫、气缸盖、曲轴箱及油底壳、曲轴箱、气缸套等部件组成。它构成汽车发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷，因此，机体必须要有足够的强度和刚度。（1)气缸盖 气缸盖用来封闭气缸，并与活塞顶面构成燃烧室。（2)气缸盖衬垫 气缸盖衬垫安装在气缸盖和气缸体之间，用来密封气缸，防止漏气、漏水。（3)气缸体 气缸体的作用是支撑发动机所有的运动件和各种附件。气缸体内设置有冷却水道和润滑油道，保证对高温状态下工作和高速运动的零件进行可靠的冷却和润滑。气缸体上部的圆柱形空腔称为气缸，它引导活塞作往复运动，气缸体下部的空间为上曲轴箱，用来安装曲轴。（4)气缸套 气缸的耐磨性要求很高，为了提高气缸内圆表面的耐磨性，常在气缸体内镶入气缸套，便于磨损后更换。（5)油底壳 油底壳是曲轴箱的下半部分，用以储存发动机润滑油。油底壳中、后部较深，当发动机纵向倾斜时，机油泵能不间断地吸到润滑油。油底壳内部焊有挡板，可以减少汽车行驶时润滑油的激烈振荡。油底壳底部有带磁性的放油螺塞，可以吸附润滑油中的铁屑，减少发动机磨损。
2.活塞连杆组
它将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，同时将作用于活塞上的力转变为曲轴对外输出的转矩，以此来驱动汽车运动。该类机构由活塞、活塞环、活塞销和连杆等组成。（1)活塞 构成燃烧室的一个部分，塞壁有圆孔，可穿入活塞销，连杆通过活塞销和活塞相连。其作用是将混合气燃烧所产生的爆炸力通过活塞销传给连杆，来推动曲轴的曲柄，使曲轴旋转。活塞的工作条件很苛刻，顶部和高温燃气接触，承受带冲击性的高压和因高速往复运动带来的惯性力，整个活塞各部分受到拉、压、弯的综合力和力矩作用，且受热也不均匀。因此要求活塞的质量小，热膨胀量小，传热性好，耐磨。用铝合金制的活塞兼备以上性能，因此铝合金是当前汽车活塞选用的材料。（2)活塞环 活塞环分气环和油环两种，前者防止燃烧混合气窜入曲轴箱；后者开有斜口，富有弹性，套在活塞上时，有向外张紧贴在气缸筒壁的特性。如果密封状态被破坏，出现漏气现象，发动机就会丧失部分动力，燃料和机油损耗增加，活塞和燃烧室的表面出现严重积炭，并造成环境污染。（3)活塞销 它是活塞与连杆小头的连接件，其作用是将活塞受力传给连杆。由于在高温条件下要承受周期性的冲击力，而且润滑条件又差，所以要求它有足够的刚度、强度和耐磨性。活塞销一般用低碳钢制成，表面渗碳，再加以珩磨与抛光。活塞销装入活塞销孔和连杆小头孔内时是浮动的，为了防止活塞销沿主轴方向窜动，在活塞销孔内将卡环嵌在销座凹槽内予以限位。（4)连杆 它以上端的小头连接活塞销，以下端的大头连接曲轴，可将活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动。连杆一般采用中碳钢或合金钢材料经锻造、机械加工和热处理而制成。因为连杆工作时受到压缩、拉伸和弯曲周期性变化的力，所以要求它质量尽可能小，有足够的刚度和强度，如果刚度不够会造成大头孔失圆，轴瓦润滑不良而烧毁；杆身弯曲会造成气缸漏气、窜油等现象。
3.曲轴飞轮组
它由曲轴和飞轮以及其他具有不同作用的零件和附件等组成。其中飞轮为一个转动惯量很大的圆盘，其作用是将在做功过程中传给曲轴的一部分功储存起来，用以在其他行驶中克服阻力，带动曲轴连杆机构越过上、下止点，保证曲轴旋转角速度和输出转矩尽可能均匀，并使发动机有可能克服短时间的超载。通常应减小飞轮的质量，其大部分质量集中在轮缘，用灰铸铁制造。当轮缘的线速度超过50m/s时，应采用球墨铸铁或铸钢制造。
曲轴飞轮组主要由曲轴、飞轮、正时齿轮、带轮及曲轴扭转减振器等组成。（1)曲轴 要求曲轴耐冲击、耐磨，一般都用中碳钢或中碳合金钢锻造而成，也有采用球墨铸铁铸造的曲轴。
由于曲轴要在高速下旋转，所以它需要不间断地用机油对摩擦表面加以润滑，因此在曲轴的主轴颈、连杆轴颈的曲轴本体内都钻有油道，以便机油能通过这些油道，润滑这些部位。
曲轴的作用是:在做功行程中，把活塞连杆组传来的气体压力（推力)转变为旋转的扭矩对外输出，经汽车传动系统驱动车辆行驶；利用曲轴和飞轮的旋转惯性，经连杆带动活塞上下运动，完成排气、进气、压缩等辅助行程，为下一次做功行程做准备。（2)飞轮 它主要有储存发动机动能的作用，在做功行程中储存能量，用以完成另外三个行程；将动力传给离合器，使发动机运转平稳；克服曲轴连杆组运动的阻力；克服短时间的过载，保证发动机输出的转矩和转速均匀。此外它还是摩擦式离合器的驱动件，因此它也需要和曲轴一起进行平衡。
飞轮安装在曲轴的后端，其材质为灰铸铁或球墨铸铁、铸钢，这是一个转起来惯性很大的圆盘，其边缘宽而厚。2.1.2零件的主要热处理方法与特点
曲柄连杆机构包括的零件较多，为确保其满足正常的服役需要，并具有较长的使用寿命，需要进行合理的选材与热处理，以满足其工作需要。从材料的选用到热处理方式，除了考虑材料化学成分外，还要考虑组织状态、冶金质量、加工工艺等，选择材料应遵循三条基本原则:满足零件的使用性能要求，具有较好的工艺性能，具有较好的经济性。
根据零件的服役条件与失效方式，结合选择的材料，应提出合理的热处理要求，即选用经济的热处理方法，获得要求的使用性能。根据零件的服役条件，零件热处理的主要工艺如下:
1)退火处理包括完全退火、不完全退火、去应力退火、再结晶退火等，以满足不同零件的加工或工作需要。
2)正火处理包括高温正火、中温正火，其作用与目的是有差异的，要进行具体分析与判断，合理选择。
3)淬火＋回火处理中的回火包括低温回火、中温回火与高温回火（调质处理)等，钢铁材料分别获得了回火马氏体＋碳化物、回火托氏体＋碳化物、回火索氏体＋碳化物，具有不同的组织与性能。
4)化学热处理包括渗碳、碳氮共渗、渗氮、氮碳共渗等，是用于改变零件表面性能的重要方法，零件可获得高的硬度、良好的耐磨性、耐蚀性等，可用来代替价格较高的高合金材料。
5)表面淬火包括感应淬火、火焰淬火、电解液淬火、激光淬火等，达到零件表面硬化的目的，环境洁净、节能效果显著，是汽车零件热处理的发展方向。
6)表面处理包括表面镀铬、镀锌、喷钼、磷化、发蓝处理等，可提高零件的耐磨性、耐蚀性等，延长零件的使用寿命。
2.2活塞连杆机构的热处理
2.2.1活塞1.工作条件和性能要求
活塞为曲柄连杆机构的主要部件，活塞的功能是与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室，承受气缸中气体的压力并通过活塞销和连杆传给曲轴。
活塞在工作过程中受力比较复杂:活塞交替地压向气缸壁，侧向压力作用于活塞裙部；活塞裙、活塞环槽和活塞销孔凸部都受到摩擦力的作用；混合气的燃烧使气缸内产生2500K以上的高温，通过活塞顶、活塞环带和活塞环将大量的热传给气缸壁。可见，活塞承受不同类型的应力与应变，故应具有低的密度、足够的强度与刚度、良好的耐热性、优异的传热性、摩擦力小以及良好的耐磨性、温度变化时尺寸及形状变化小等特性，满足其服役需要。引起活塞损坏的原因包括发动机装配和安装操作不当（如气缸盖螺栓拧紧不均匀引起的气缸变形、活塞销在连杆孔中装配过紧、气缸套不规则等)。常见的失效方式为活塞拉伤（无油运行拉伤)、活塞顶穿孔、烧蚀、变形与断裂等。
2.活塞材料的选用
为满足活塞的以上技术要求，发动机广泛采用的活塞材料是铸造铝合金，常采用ZL108、ZL109、ZL110、ZL201等，它们具有较高的高温强度和低膨胀系数，适于制作发动机活塞、气缸头以及高温零件。有的柴油机也采用高级铸铁或耐热钢制造活塞。另外可采用铝硅合金（AlSi12CuNi)制造活塞，更高负荷则采用AlSi18CuNi、AlSi25CuNi制造活塞。铝合金活塞具有导热性好、质量轻、易于加工等特点，均是铸造加工的，应用比较广泛。
3.活塞的热处理（1)活塞的技术要求 铸造铝合金经过热处理后，同一活塞中的硬度差应不大于10HBW，其力学性能与体积稳定性见表2-1。金相组织应符合JB/T 6289—2005《内燃机 铸造铝活塞 金相检验》的规定。表2-1活塞的力学性能与体积稳定性注:其中D为活塞的直径。（2)活塞的热处理工艺 活塞常用铸造铝合金的热处理工艺规范见表2-2。表2-2活塞常用铸造铝合金的热处理工艺规范（3)表面处理 表面处理包括镀铬、喷钼、镀锡以及渗氮等。
4.活塞的热处理操作与质量检验
1)活塞采用吊装或装夹具加热，铸件要均匀分层摆放，避免叠压，在加热温度下装炉，不要接触炉壁。
2)固溶加热设备的控温精度不大于±5℃，时效处理控温精度应不大于±10℃，否则会造成活塞硬度与体积稳定性不符合要求。
3)固溶处理的转移时间应不超过15～20s，活塞淬入水中要不停运动，在水中的冷却时间不少于5min，并立即在油中或硝盐中进行时效处理。
4)活塞的热处理质量检验包括硬度、抗拉强度等，在本体上取样进行性能检测。
5.铝合金活塞的热处理缺陷分析与对策（表2-3)表2-3铝合金活塞的热处理缺陷分析与对策2.2.2活塞环
1.工作条件和性能要求
活塞环是汽车发动机中的重要零件，它对发动机的功率、油耗以及缸体寿命有较大的影响。活塞环包括气环和油环，气环用来密封气体，即用来封闭活塞与气缸之间的间隙，防止气缸漏气和高温下燃气滴入曲轴箱内，同时将活塞上的热量传给冷却的气缸，帮助活塞散热。油环安装在活塞的油环槽内，油环的作用是把缸壁上的机油刮布均匀和将多余的机油收集在槽内，并经槽底通孔流回油底壳，减少缸壁上的机油刮入燃烧室内造成燃烧室积炭，避免机油的消耗量增大。
要求活塞环具有足够高的弹性极限，良好的耐磨性及一定的抗擦伤性，一定的强度、韧性、抗疲劳性，良好的导热性和良好的抗燃气腐蚀性。其主要的失效形式为擦伤、磨损和疲劳折断。
2.材料的选用
根据活塞环的功能与工作条件，制造活塞环的材料应具有良好的耐磨性、储油性、导热性、耐热性和高的冲击韧度，弹性与弹性模量大，具有足够的强度（包括抗折强度与疲劳强度)等。活塞环通常采用高强度优质灰铸铁、合金铸铁、可锻铸铁等制造，上压缩环用合金铸铁，其余高应力活塞环是由球墨铸铁或高合金钢制造的。
球墨铸铁作为活塞环的材料，应用最为广泛。对于强力发动机，为保持其动能而采用高合金铸铁，如Cu-V-Ti合金铸铁、Cr-Mo合金铸铁、高P铸铁、W-V-Ti铸铁及球墨铸铁等。这些材料普遍具有高的耐磨性和耐蚀性，在活塞的反复运动过程中，始终能确保不漏油和气，同时也易于制作，具有小的摩擦因数。活塞环的形式如图2-1所示，第一道气环和第二道气环是防止燃烧气体泄漏的密封环，而油环的主要作用是控制润滑气缸内壁和活塞的润滑油的油量。
通常钢制活塞环选用的材料为65Mn、50CrVA、T8A、20Cr13、95Cr18等。钢制作的活塞环具有强度高、抗折断、成本低等优点，钢带组合油环的控油效果好。图2-1 活塞环
目前国外已经开始采用铁基粉末冶金材料制造活塞环，它具有金属利用率高、材料性能好、内部空隙储油功能，具有良好的发展前景。
3.活塞环的热处理
考虑到活塞环粗加工后加工应力较大，要进行去应力退火处理。铸铁的石墨形状为片状，具有良好的导热性、耐磨性和抗擦伤能力，加入合金元素后提高了热稳定性，细化了晶粒和提高了耐磨性，因此合金铸铁广泛应用于制作活塞环。
活塞环的热处理技术要求为硬度98～108HRB，同一活塞环上硬度差不大于3HRB；其组织为细片珠光体（或索氏体)＋体积分数少于20％的石墨（长度为0.12～0.18mm)＋体积分数少于5％的铁素体（应分散分布)＋磷共晶碳化物（应呈细小均匀分布)。（1)去应力退火 温度在550～570℃范围内，保温120min结束后出炉空冷或炉冷至480℃出炉空冷，可将加工应力消除90％以上。后一种处理的活塞环的硬度均匀性好。通常铸铁环在粗磨两端面后退火，目的是消除铸造和机械加工应力、稳定尺寸和精度等。（2)活塞环的热定型（固定) 将缝隙大小固定，以使其压紧于气缸壁内，在工作过程中有适当的弹性。热定型是去应力退火的一种形式，活塞环的热定型采用专用夹具，上下为两个压盘，中间穿螺栓压紧，其中一个底盘固定。定型杆的宽度等于活塞环（胀圈)定型后的开口尺寸。压紧的程度以装好后用力抖动活塞环的位置不变为宜。装夹后的活塞环可在可控气氛炉中加热，温度的选择以不破坏铸铁的组织为原则。定型处理后的硬度为220～270HBW（98～105HRB)。具体铸铁活塞环热定型工艺规范如图2-2所示。
定型后的活塞环改善了组织，降低了基体的硬度，消除了应力，获得了一定的残留变形。为了保持弹性的稳定，活塞环还要在气缸中进行400℃、保温2～4h的稳定化处理。
铸铁活塞环调质处理的目的是提高弹性模量与热稳定性，球墨铸铁活塞环调质处理的工艺规范如图2-3所示。图2-2 铸铁活塞环热定型工艺规范图2-3 球墨铸铁活塞环调质处理的工艺规范（3)钢带活塞环的热处理 钢带活塞环的热处理工艺规范如图2-4所示。（4)活塞环的表面处理 其目的是为了提高活塞环的表面硬度与耐磨性，改善表面的储油能力，以防粘着磨损，改善与气缸壁的磨合性能，提高其耐热性；加快活塞环的初期磨合，以改善活塞环与气缸的运动条件。图2-4 钢带活塞环的热处理工艺规范
1)一般气环的工作条件差，外圆面上要进行多孔性镀铬，具有硬度高、可储存少量的润滑油、使用寿命提高2～3倍等特点。另外，也可喷涂钼或进行渗氮、激光热处理，端面进行磷化处理同样可起到良好的作用。
2)油环镀锡或磷化处理，也可镀铬或喷涂钼，改善磨合性能和提高活塞环的耐磨性。压缩环镀铬层深度≥0.10mm，油环镀铬层深度≥0.08mm。镀铬后的活塞环要进行去氢处理，镀铬层硬度不低于750HV（200HRB)。应对活塞环的未磨损部位进行防蚀处理，常见的方法为镀锡、渗氮等，渗层深度为0.001～0.003mm。
表2-4列出了常见铸铁活塞环的性能对比。表2-4常见铸铁活塞环的性能对比
活塞环的表面处理在其制造过程中占有十分重要的地位，在生产中大量采用了上述处理工艺方法，提高了活塞环的耐磨性。对要求更高的耐热性和抗粘着活塞环，可进行喷涂钼处理，为便于比较几种表面处理工艺及性能，将其列于表2-5中供参考。表2-5活塞环表面处理工艺及其性能特点
活塞环镀铬后的硬度比热处理后的硬度约高2.5倍，其耐磨性提高，电解析出的铬层与基体金属具有较高的结合强度，同时镀铬温度在70℃以下，故不会破坏活塞环原来的金相组织，也不会使活塞环产生热应力变形，故其应用十分广泛。
活塞环除了采用镀铬与喷涂钼处理外，其他的表面处理还包括磷化处理与发蓝处理，少数采用渗硫或渗氮处理。磷化处理是以加快活塞环初期磨损、防止擦伤气缸为主要目的表面处理方法，在90～98℃的温度下进行，蒸汽磷化法的磷化时间可缩短到普通的1/10。（5)钢带活塞环的热处理与表面处理 常用的钢带活塞环材料为50CrVA、65Mn、T8A等，刮环用钢带的热处理是在管式可控气氛炉中进行的，淬火冷却介质为机械油。热处理后的钢带在绕圈机上缠绕后，与定型胎套一起放进热定型筒中密封，在电阻炉中进行定型处理。具体热处理工艺规范见表2-6。表2-6常用钢带活塞环材料的淬火和回火、定型热处理工艺规范
国外钢制活塞环通常选用Cr13、Cr18等高碳高铬马氏体不锈钢制作，在调质处理后进行氮碳共渗处理（560～580℃×2～3h)，渗氮层深度在0.05mm以上，目的是提高活塞环的耐磨性与抗咬合性，进行表面强化处理，但需要采用活塞环专用渗氮工艺装备，防止缩口，以确保自由开口与尺寸稳定。
4.活塞环的热处理工艺分析与操作要点
1)活塞环的热定型包括铸铁热定型与钢带热定型两种，前者采用盐浴炉或电炉进行处理，后者则在电炉中完成。活塞环在心轴上的装配应压紧，垫片与插入的开口定型金属镶块应垂直无变形。加热完毕后空冷即可。
2)应根据活塞环的磨损与润滑条件采用不同的表面处理方法。为提高活塞环的耐磨性，同时降低气缸的磨损，可选用镀铬工艺。为防止干摩擦，提高缸的抗拉能力，则选择喷钼和镶嵌金属氧化物填料的方法。为使环与气缸突出部位相接触而加剧磨损，缩短磨合期，使活塞环进入稳定的工作状态，应选择镀锡、发蓝和磷化处理等。
3)活塞环作为有特殊要求的零件，在镀铬后应进行除氢热处理，目的是使大部分残留氢气排出，减小零件的脆性，提高其疲劳强度。采用的方法有水煮法（煮沸6h)、油煮法（250℃×2h)和空气加热法（180～200℃×2～3h)，其中油煮法效果最好，采用空气加热工艺较为普遍。
4)钢带活塞环的热处理回火温度与定型温度是一致的，硬度不会降低，其回火托氏体组织又具有良好的弹性，起到稳定化的作用。质量检验包括以下内容。
①硬度为98～108HRB，同一活塞环上的硬度差不大于3HRB。
②金相组织为细片珠光体（或索氏体)＋体积分数为20％的石墨＋体积分数为5％的铁素体（应均匀分布)＋磷共晶碳化物（细小均布)。
③外观检查包括:不允许有裂纹、毛刺、锈迹和崩缺等，镀铬后的活塞环表面无铬瘤、铬层裂纹、尖锐铬边和崩块等，铬层与活塞环应牢牢结合，无脱落现象；活塞环外圆表面及上下端面无粗加工后的刀痕、振纹以及氧化皮等，退磁彻底，否则将造成活塞环的异常磨损。2.2.3活塞销
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
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