高速大功率柴油机活塞销材料加工工艺优化

林 振

(广西嘉德机械股份有限公司，广西 玉林 537000)

1高速大功率活塞销材料和加工工艺分析

1.1原材料对活塞销性能的影响分析

1.1.1 材料的成分与淬透性

在相同的硬度条件下，材料的硬度深度一般可以反映材料的总硬度。例如铬、锰、镍、钼等合金元素含量的增加，会影响材料的硬度，促进其硬度提高，使材料的硬度达到规定的范围，当材料的芯部能量被去除时，马氏体组织完全硬化，马氏体组织具有威慑力，而马氏体组织均为低碳板条马氏体组织，在一定程度上可提高材料的整体强度[1]。高速、高性能柴油机活塞螺栓常用材料的化学成分见表1。

表1 高速大功率柴油机活塞销常用材料的化学成分

1.1.2 材料纯净度

我们所说的材料纯度，其实就是钢中非金属夹杂的种类和数量。金属中的非金属夹杂物主要是钢的二次氧化产物，其主要成分为脱氧物和浇注过程中产出的。主要根据其形态和分布，如高韧性硫化物、氧化物(如硅酸盐)或具有链状颗粒的氧化物(如氧化铝)等非金属夹杂物的类型相对不同进行分类。它还具有一定的变形特性。结果表明：材料的接触疲劳与高韧性硫化物关系不大，对氧化物放电的影响较小；保持活塞销的高可靠性是提高其疲劳寿命的关键。要达到这一要求，必须控制非金属夹杂，更重要的问题是氧化物的含量。

1.2渗碳淬火组织对活塞销性能的影响分析

实际上，在由碳合金钢制成的渗碳淬火工序中，在渗碳淬火作用下，会含有许多种物质元素，如细针状马氏体、粒状碳化物和少量奥氏体。一般而言，合金元素的含量与材料的硬度及活塞销的强度成比例关系，即活塞销的硬度及强度随合金元素的含量增加而增加，镍的含量增加，钼等元素的溶解量也明显增加，从而提高奥氏体的稳定性。碳势和渗碳淬火工序内气氛温度越高，奥氏体的含碳量越大，奥氏体含量也越高。相对而言，若增加活塞销表面颗粒体积，则有利于提高活塞销表面的耐磨性和接触疲劳性，但若过大，则会引起张力的集中，在一定程度上降低抗冲击能力和疲劳能力。为提高活塞销的承载力和接触强度，必须对渗层的材料成分给予足够的重视[2]。

1.3表面粗糙度和加工精度对活塞销性能的影响

连杆和活塞销的配合自由度易受活塞销圆度、圆柱惯性等因素的影响。若间隙过大，则会损坏油膜，从而引起活塞销磨损或加剧磨损。而且如果间隙较小，则会使活塞销摩擦面产生咬死现象。此外，虽然表面粗糙度不影响材料的轻度，但对活塞销疲劳轻度的影响就比较明显，尤其是材料强度提高后，粗糙度对疲劳强度的影响更大。

2原材料技术要求与加工工艺优化研究

2.1在设计阶段注重提升原材料质量

2.1.1 连续熔融电渣增纯增密技术

一般而言，低碳合金钢在电炉熔炼过程中很难脱氧，主要原因在于它的含碳量较低。对此问题，在应用电炉的基础上，采用熔融工艺达到目的，通过减少偏析优化来提高材料的纯度、密度和均匀性。电渣熔炼可显著提高非金属夹杂物的熔炼能力，渣层分布规律可使钢液洗渣，降低钢中杂质的浓度，有效地改善夹杂物的分布特性，同时还可使钢液达到脱氧化、脱硫和定点固化的目的。电渣熔化后，材料的晶粒尺寸变小，变得更加均匀，这对降低宏观和微观凝结，在一定程度上提高碳合金钢的纯度要求，具有非常重要的意义。

2.1.2 提高锻制比，减轻带状组织，细化晶粒

根据实际情况，高温高变形热轧可产生溶解元素，分离带延伸形成一条带，使聚集区与贫化区的溶质距离不断减小，有利于均匀分布奥氏体区域。尤其在此过程中，一方面降低了两者的浓度差，另一方面通过轧制工艺提高了组织密度，细化了晶粒。但是由于轧制时采用了较高的锻制比，所以一般不低于6。与此同时，轧制过程中的温度和轧后的冷却功率应根据实际情况加以调整，以使材料的力学性能得到一定的改善，并能在很大程度上消除带状组织，满足晶粒加工的要求。

2.2对渗碳淬火工艺进行优化

有3种方法来确定渗碳和脱硫工艺参数。渗碳对化油器温度和大气温度的影响主要是：阻隔后残余奥氏体会明显增加，甚至形成相应的碳化物，这与渗碳器温度过高、大气碳势有关，而我国化油器温度和大气碳势的选择和控制，必须结合实际材料的性能，在此基础上，对化油器层碳含量进行分析时，应合理控制，使活塞销碳含量在完成后，达到实际要求和标准。合理控制溶剂的冷却能力，坩埚溶液温度和残余奥氏体含量的对应比例是控制该工艺用量的主要原因。一般情况下，坩埚溶液温度较高或流动能力较差，导致奥氏体不能有效地转化为马氏体，残余含量增加。所以需要不断地提高威慑解决方案的冷却能力。熄火温度的降低使合金在奥氏体中的含量减少，化油器层中残余奥氏体含量降低，淬火温度下降低。

2.3合理提高加工精度

在活塞的加工过程中，由于加工精度将在一定程度上影响活塞的性能，所以在优化加工工艺时，需要进行相应的优化和提高。一般而言，为了保证圆度、缸性及其它几何公差也有较低的粗糙度，需要对活塞销的粗糙度进行最终处理，以确定高性能活塞销的粗糙度不能超过外表面0.000008 mm，由此确定内外圆表面无任何缺陷或其它问题等，从而提高活塞销的可靠性。

3总结

从总体上看，柴油机活塞销的性能受原材料质量、加工工艺等多种因素的影响较大，为保证柴油机活塞螺栓的性能，必须在设计阶段对原材料的质量进行改进。生产过程中，应根据不同材料的特点，选择合理的加工工艺，不断改进和优化工艺，使活塞螺栓表面具有较强的硬度，而芯部具有较好的强度，并在此基础上进一步提高其体积稳定性和降低疲劳强度。