高速大功率柴油機活塞銷材料及加工工藝優(yōu)化

蓋希峰

摘要：高速大功率柴油機的活塞銷主要是對活塞和連桿進(jìn)行連接，對動力進(jìn)行傳遞。其活塞銷大多數(shù)的結(jié)構(gòu)是以空心圓柱體全浮式結(jié)構(gòu)為主，本文在活塞銷材料對其疲勞性能等產(chǎn)生的影響，在此基礎(chǔ)上研究提高活塞銷質(zhì)量的方法。

關(guān)鍵詞：高速大功率;柴油機;活塞銷;加工工藝

中圖分類號：TK423? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0077-02

0? 引言

在柴油機工作狀態(tài)下，活塞銷需要承受較高的溫度，同時還需要承受較大的交變載荷和相應(yīng)地沖擊載荷，除此之外，活塞銷還需要承受不同力，如彎曲、剪切力等。尤其是針對高速大功率的柴油機，其面臨上述問題則更為嚴(yán)重。若是活塞銷長期處于高溫環(huán)境和應(yīng)力作用下，會改變其體積狀態(tài)，并在一定程度上促使其與連桿襯套相互配合的間隙發(fā)生一定改變，而導(dǎo)致活塞銷的摩擦面出現(xiàn)嚴(yán)重磨損甚至要死的情況則是潤滑條件變差引起的，這也是活塞銷在使用過程中出現(xiàn)的主要形式之一。另外活塞銷的主要失效形式則是疲勞斷裂，發(fā)生這一情況則是由于較大的沖擊震動以及活塞銷在交變載荷下的材料和組織等出現(xiàn)問題等引發(fā)的。因此要想提升活塞銷的使用效果，保證其質(zhì)量需要在設(shè)計階段對其原材料的質(zhì)量嚴(yán)格進(jìn)行控制，在不斷優(yōu)化加工容易的基礎(chǔ)上提升活塞銷的硬度和強度。

1? 高速大功率活塞銷材料和加工工藝分析

1.1 原材料對活塞銷性能的影響分析

1.1.1 材料的成分與淬透性

一般情況下，具有相同的淬火條件，材料表現(xiàn)的淬硬深度能夠?qū)Σ牧险w的淬透性進(jìn)行反映。以低碳合金鋼為例，若是合金元素如鉻、錳、鎳和鉬等的含量在提高之后，則會對材料的淬透性產(chǎn)生影響，并促使其淬透性提高，因此浪著之間成正比關(guān)系[1]。而若是材料的淬透性能夠達(dá)到規(guī)定范圍且材料的心部能夠被完全淬硬時，通過淬火能夠得到馬氏體組織，并且是全部的低碳板條馬氏體組織，在一定程度上能夠提升材料整體的強度。表1主要表示的是高速大功率柴油機活塞銷常用材料的化學(xué)成分。

對合理的淬透性低碳合金鋼進(jìn)行選擇時，需要一活塞銷的設(shè)計強度和規(guī)格為基礎(chǔ)。就柴油機為單缸功率較高，通常需要選擇具有較好淬透性的合金鋼，并且其中應(yīng)含有鎳，如18CrNiMo7-6，若是大功率的高速柴油機相對較為輕型，不僅要求其活塞銷具有更小的質(zhì)量，相較于其他類型的大功率高速柴油機的活塞銷的心部強度更高，達(dá)到減少往復(fù)慣性力的作用。因此為了滿足這一情況則需要重視選擇淬透性更好的材料，如半馬式體鋼[2]。除此之外，對活塞銷材料中的合金元素以及淬透性進(jìn)行分析，兩者處于不斷提高的同時，經(jīng)過淬火后，會影響滲碳滲層組織中殘留的奧氏體含量，并且使之得到提升，而在這一情況會降低活塞銷體積在運行過程中的穩(wěn)定性。因此為了提升深層組織的穩(wěn)定性還要對不同材料進(jìn)行分析，并結(jié)合不同材料的特點選擇合理的工藝方法，以此減少在工作中活塞銷體積發(fā)生增大的情況。

1.1.2 材料純凈度

所謂材料純凈度實際上是指鋼中非金屬夾雜的類型以及數(shù)量等。其中非金屬夾雜主要是指鋼中產(chǎn)生的二次氧化產(chǎn)物，并且這一產(chǎn)物多是從脫氧產(chǎn)物和澆注過程中產(chǎn)出的。非金屬夾雜的類型較為多樣，主要是按照形態(tài)和分布對其進(jìn)行分類的，如具有高延展性特點的硫化物、氧化物（如硅酸鹽）或者是以鏈狀顆粒進(jìn)行分布的氧化物（如氧化鋁），同時具有無變形的特點，另外還包括球狀氧化物，這一氧化物需要是不變形且分布沒有規(guī)則性。一般來說，具有較小變形性的塑性以及不變形的氧化物和球狀夾雜物與金屬基體之間的間隔更容易產(chǎn)生，加上交變應(yīng)力的影響以及發(fā)揮的作用，相對來說，在間隔位置產(chǎn)生的應(yīng)力更為集中，甚至在一定程度上會導(dǎo)致夾雜物處發(fā)生微裂紋，若是沒有及時處理，同時繼續(xù)受到交變應(yīng)力的作用，微裂紋仍會發(fā)生擴展，導(dǎo)致零件發(fā)生斷裂，出現(xiàn)失效等不良情況。因此可以看出，材料的接觸疲勞的強度與高延展性的硫化物之間的關(guān)系和影響并不強烈，但氧化物夾雜則會產(chǎn)生較大的影響。而提升活塞銷的疲勞壽命其關(guān)鍵一點則是保證其具有較高的可靠性。實現(xiàn)這一要求則需要對非金屬夾雜物進(jìn)行控制，更為重要的問題則是氧化物的含量。

1.1.3 原材料帶狀組織

帶狀組織的顯微組織不同主要表現(xiàn)在相鄰帶這一方面，并且其性能存在不同差別。通過外力作用的影響，會促使較低性能的帶暴露，在產(chǎn)生應(yīng)力集中的同時會使得材料的力學(xué)性能進(jìn)行降低。根據(jù)相關(guān)研究表明，若是帶狀組織存在材料中，并且產(chǎn)生成分微區(qū)偏聚情況，而奧氏體中合金元素的含量會受到滲碳加熱工序的影響的導(dǎo)致不均勻的情況，從而引發(fā)其晶粒長大，且出現(xiàn)不統(tǒng)一的傾向，尤其是貧化區(qū)的晶粒更容易長大，而富化區(qū)相對來說晶粒會受到未溶碳化物等的影響促使其長大被抑制，但在這一情況下容易導(dǎo)致晶粒發(fā)生較大的大小差距并形成混晶組織[3]。相對來說，材料在帶狀組織的影響下進(jìn)行滲碳淬火之后的強度和韌性會發(fā)生明顯的降低情況，因此對提升原材料的質(zhì)量重要一點則是對帶狀組織嚴(yán)格控制。

1.2 滲碳淬火組織對活塞銷性能的影響分析

就實際情況而言，低碳合金鋼在進(jìn)行滲碳淬火工序后，其滲層組織存在較多類型的物質(zhì)元素，如細(xì)針狀的馬氏體以及顆粒狀的碳化物和少量的奧氏體殘留。通常材料中的合金元素含量與材料的淬透性和活塞銷強度之間存在正比關(guān)系，即淬透性和活塞銷的強度會根據(jù)合金元素含量的增加而提高，并且溶入與奧氏體中的鎳、鉬等元素含量隨之也會明顯增加，進(jìn)而會提升奧氏體的穩(wěn)定性，但實際上滲層組織在經(jīng)過加熱淬火后的奧氏體殘留會增加。由于氣氛碳勢以及滲碳溫度較高時會增加奧氏體的炭量，同樣會引奧氏體量的增加。相對來說，若是表面粒狀碳化物增多時有利于提升活塞銷的表面耐磨效果以及提升其接觸疲勞的強度，但若是過多時則可能導(dǎo)致應(yīng)力較為集中，并在一定程度上會降低沖擊韌性和疲勞強度。因此要想提升活塞銷的承載能力以及接觸疲勞的強度等，需要充分注重滲層組織的物質(zhì)元素。

1.3 加工精度以及表面的粗糙程度對活塞銷性能的影響分析

活塞銷與連桿襯套之間的配合間隙容易受到活塞銷的圓度、圓柱度等多方面因素的影響，若是間隙過大，會導(dǎo)致油膜發(fā)生破壞，引發(fā)活塞銷出現(xiàn)較大的磨損或者是使磨損加劇等。而若是間隙較小，則會使得活塞銷的摩擦面發(fā)生咬死的情況。另外表面粗糙度雖然不會影響材料的輕度，但對活塞銷的疲勞輕度會產(chǎn)生較為明顯的影響，尤其是材料的強度在提升后，粗糙度對疲勞強度的影響則更大。

2? 原材料技術(shù)要求與加工工藝優(yōu)化研究

2.1 在設(shè)計階段注重提升原材料質(zhì)量

2.1.1 以電渣重融冶煉不斷提升材料純凈度和緊密性

通常低碳合金鋼在電爐熔煉過程中具有較大的脫氧難度，主要是因為其含碳量相對較低，針對這一問題有必要在應(yīng)用電爐的基礎(chǔ)上加用電渣重融的冶煉方法達(dá)到提升材料純凈度的目標(biāo)，同時以減輕偏析對材料的緊密度和均勻性進(jìn)行合理優(yōu)化。在進(jìn)行電渣重融這一工序，非金屬夾雜的能力會得到明顯的提高，而渣層則是能夠?qū)Υ嬖谟阡撝械碾s質(zhì)以分配定律重新分配，產(chǎn)生渣洗作用，并促使鋼中的雜質(zhì)濃度降低。為了有效改善非金屬夾雜的分布特性，還需要積極做好脫氧脫硫工作，與此同時進(jìn)行定向凝固[4]。另外在結(jié)晶器和水冷板發(fā)揮強冷的作用下，能夠促使材料晶粒在電渣重融之后更加細(xì)小均勻，對減輕宏觀和微觀偏析等極為有利，并在一定程度上能夠提升低碳合金鋼的純凈度要求。

2.1.2 使鍛造比提高，對帶狀組織進(jìn)行減輕并細(xì)化晶粒

結(jié)合實際情況來看，溶質(zhì)元素在經(jīng)過高溫大變形量的熱軋時會發(fā)展偏聚帶被拉長，并形成帶狀，從而使得聚集區(qū)以及貧化區(qū)的溶質(zhì)間距不斷減小，進(jìn)而有利于實現(xiàn)奧氏體區(qū)域成分更加均勻化，尤其是在這一作用下能夠減小兩者之間的濃度差，從而降低帶狀組織出現(xiàn)的頻率。另一方面通過軋制工序能夠?qū)M織的致密度不斷提升，并對晶粒進(jìn)行細(xì)化。但若是在軋制過程中應(yīng)用較高的鍛造比，一般以不小于6為準(zhǔn)，同時對軋制過程中的溫度以及完成后的冷卻速度結(jié)合實際情況進(jìn)行控制。在一定程度上能夠提升材料的力學(xué)性能，對帶狀組織不僅能夠最大程度進(jìn)行消除，同時能夠滿足對晶粒的細(xì)化要求。

2.2 對滲碳淬火工藝進(jìn)行優(yōu)化

2.2.1 對滲碳后的工序重新展開和增加

對滲碳后的工序重新和增加展開主要集中在兩方面，分別為加熱淬火和高溫回火。對加熱淬火工序重新展開能夠?qū)B碳后的晶粒進(jìn)行細(xì)化。若是材料中的高合金元素含量較高，在滲碳后可對高溫回火工序進(jìn)行增加，但需要注意的是，高溫回火工序的溫度應(yīng)處于650℃左右。另外針對材料中含有較多高合金元素還需要結(jié)合實際情況多次高溫回火工序，保證滲層中殘留的奧氏體有效分解并發(fā)生相應(yīng)地轉(zhuǎn)變。

2.2.2 確定合理的滲碳淬火工藝參數(shù)

確定合理的滲碳淬火工藝參數(shù)一般可從三方面著手。首先對滲碳的溫度和氣氛碳勢進(jìn)行確定。主要是因為該奧氏體量在淬火后的殘留會明顯增加，甚至形成相應(yīng)地碳化物等多與過高的滲碳溫度和氣氛碳勢有關(guān)。但對滲碳溫度和氣氛碳勢進(jìn)行選擇和控制時需要結(jié)合實際的材料以及材料的特點等展開，并在此基礎(chǔ)上將滲層含碳量合理控制，使活塞銷在完工后的含碳量能夠滿足實際要求和標(biāo)準(zhǔn)。其次則是對淬火液的冷卻能力合理控制。對這一工序內(nèi)容展開控制的主要原因是淬火液溫度與殘留奧氏體的含量存在對應(yīng)關(guān)系，一般溫度越高或者是淬火液存在較差的循環(huán)流動能力時會導(dǎo)致奧氏體不能有效轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而增加了殘留含量，因此這就要求不斷提升淬火液的冷卻能力。最后對淬火溫度進(jìn)行降低。降低淬火溫度的作用是將奧氏體中含有的合金元素的融入量有效減少，同時使得滲層中的殘留奧氏體含量能夠在較低的淬火溫度下降低。

2.3 合理提高加工精度

由于加工精度在一定程度上會影響活塞性的性能，因此在對加工工藝進(jìn)行優(yōu)化時還需要注重能夠?qū)庸ぞ鹊膬?yōu)化并合理提升。一般情況下對活塞銷的精加工在保證圓度、圓柱度等形位公差的基礎(chǔ)上還需要保證粗糙度值較低。而對于高度大功率活塞銷粗糙值的確定時其外面表面應(yīng)以不超過0.08μm，在此基礎(chǔ)上確定內(nèi)外圓的表面不存在缺陷或是其他問題等，從而提升活塞銷的可靠性。

3? 總結(jié)

總而言之，大功率高速柴油機的活塞銷工作過程中發(fā)揮的性能容易受到多種因素的影響，如原材料質(zhì)量、加工工藝等。因此要想保證柴油機活塞銷性能的充分發(fā)揮，需要在設(shè)計階段注重提升活塞銷原材料的質(zhì)量，在加工過程中結(jié)合不同材料的特點選擇合理的加工工藝，并對工藝不斷完善和優(yōu)化，促使活塞銷實現(xiàn)表面具有較強的硬度，而心部具有較好的強度，在提升其疲勞強度的基礎(chǔ)上保證體積的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯林沖，彭銀江，周靈展，張廣明，徐英，高明燈.高功率密度柴油機鋁活塞材料與鑄造技術(shù)[J].車用發(fā)動機，2013：95-98.

[2]楊恒遠(yuǎn)，李永剛，劉繼波，于建忠，耿建華.大功率柴油機球鐵機體工藝優(yōu)化[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2016：42-44.

[3]張松.一種新型節(jié)能減排柴油機活塞的設(shè)計[D].湖南科技大學(xué)，2017.

[4]蓋少磊.大功率柴油機活塞設(shè)計與評價[D].山東大學(xué)，2018.