活塞的材料分析及热处理工艺分析
摘要：活塞是一种做往复式活塞运动的零件。目前活塞多采用低碳渗碳钢、中碳渗碳钢或高碳钢制造，本文首先阐述了活塞的工作条件和主要损坏形式，然后再根据服役条件，失效分析和性能要求研究，同时考虑经济性的前提下，选择几种材料进行对比分析，认为在满足技术条件的情况下，选择最有效的材料。最后再进行需要材料所达到要求的热处理工艺。
关键词：活塞；工作条件；失效分析；力学性能；热处理
The Analysis Of Piston Material and Heat Treatment Process
Abstract：Piston is a kind of parts do reciprocating piston movement. At present, a lot of piston carburizing steel which low-carbon carburizing steel, medium carbon or high carbon steel manufacturing, this paper expounds the working conditions of the piston and the main form of damage, and then according to the service condition, failure analysis and performance requirements, under the premise of considering economy, choose several kinds of materials, this paper compares and analyzes think in the case of technical conditions, choose the most effective materials. Finally, meet the requirements of heat treatment process to need the material.
Keywords：piston；failure analysis；The working conditions；Mechanical properties；Heat treatment
目录
一、活塞的工作环境及失效分析
1.1活塞的工作环境…………………………………………………………1
1.2活塞的常见损坏和失效形式…………………………………………...2
1.3活塞的性能要求…………………………………………………………2
二、活塞的材料分析
2.1力学性能…………………………………………………………………4
2.2化学成分…………………………………………………………………4
2.3经济性……………………………………………………………………6
2.4比较分析…………………………………………………………………6
三、活塞的热处理工艺分析
3.1热处理工艺方法分析……………………………………………………7
3.2活塞材料的加工工艺路线………………………………………………8
3.3热处理工艺制度分析……………………………………………………9
3.4 热处理设备……………………………………………………………...16
四、结论………………………………………………………………………20
参考文献……………………………………………………............................21
引言
活塞是发动机的“心脏”，承受交变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成部分。
活塞的适用范围很广，典型的如汽车内燃机和液压凿岩机冲击活塞。国内外已广泛使用的液压凿岩机，以其输出功率大、凿岩速度高、能量利用率大以及噪音较低、易于自动控制等许多优点，在岩石工程中发挥着十分重要的作用。
液压凿岩机可分为冲击式钻机、回转式钻机和复合式钻机：
（1）冲击式钻机：是一种靠钻具的垂直往复运动，是钻头冲击井底以破碎岩层。其结构简单，没有循环洗井系统，岩屑的清除与钻机不能同时进行，因而功效较低。钻进深度一般在250米以内，有时可达500~600米；
（2）回转式钻机：依靠钻具的回转运动破碎岩层而成孔；
（3）复合式钻机：将冲击与回转作用结合在一起钻进的水井钻机。
我国在金属矿山、煤矿岩巷、化工采矿、水电涵洞、铁路和公路隧道等岩石掘进工程中使用的进口液压凿岩机有4000台以上。所以，液压凿岩机的维修与易损件的供应就成为保证设备良好运行的重要基础条件。
为了解决进口液压凿岩机易损件更换困难并降低更换与维修费用，中南大学继研制成功液压凿岩机之后，还研制开发了10多个品种的液压凿岩机配件，以替代进口配件，既满足了施工工程的需要，又节省了大量外汇，大幅度地降低了维修成本。其中国产合金钢经合适的加工工艺而制作的液压凿岩机冲击活塞替代进口产品，其性能达到或超过了国内外同类产品的使用寿命，而价格只相当于进口活塞价格的8%-10%。
一、活塞的工作环境及失效分析
1.1活塞的工作环境
活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。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，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600～700K，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3～5MPa，柴油机高达6～9MPa，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（8～12m/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。
1.2活塞的常见损坏和失效分析
1.2.1活塞头部损伤
（1）顶面烧蚀：表面均呈梨皮或形成空穴开裂。膨胀严重时，可捣坏活塞、缸套、缸体等机件；
（2）顶面开裂：顶面出现裂纹，燃烧室底部发生穿孔；
（3）顶部碰撞：活塞顶面、气门或缸盖有撞击痕迹。
1.2.2环岸和环槽的损伤
（1）环粘着：活塞环嵌在活塞环槽内与活塞粘在一起；
（2）环岸断裂：活塞第一或第二环岸局部断裂；
（3）环槽早期磨损：环槽变宽，环磨损严重或环槽平面出现台阶造成功率低、耗机油、窜油、窜气。
1.2.3销孔的的损伤
（1）销孔开裂：销孔纵向或横向出现裂纹或开裂；
（2）挡圈槽磨损、外侧开裂：卡簧槽变宽，外侧出现裂纹或脱落。
1.2.4裙部损伤
（1）裙部拉缸:裙部有明显的拉缸，严重的部位损伤扩展到头部；
（2）裙部裂纹：裙部推力面开裂或破损。
1.2.5活塞的失效形式
（1）疲劳失效：这是活塞最常见的失效形式，往复运动的交变应力会造成活塞的应力疲劳，这种失效形式也只有做探伤才能看出来，若不及时处理可引起断裂。
（2）磨损：柱塞运动使活塞和填料之间频繁摩擦，长时间的摩擦会导致磨损。
（3）断裂：这是活塞较为常见也是最危险的失效形式。断裂的原因较多，但主要引起原因是柱塞跳动过大，也可由疲劳失效等原因引起。
1.3活塞的性能要求
（1）要有足够的强度、刚度、质量小、重量轻，以保证最小惯性力。
（2）导热性好、耐高温、高压、腐蚀，有充分 的散热能力,受热面积小。
（3）活塞与活塞壁间应有较小的摩擦系数。
（4）温度变化时，尺寸、形状变化要小，和汽缸壁间要保持最小的间隙。
（5）热膨胀系数小，比重小，具有较好的减磨性和热强度。
参考文献
【1】刘舜尧.液压冲击钻机冲击活塞的选材与热处理工艺研究【D】，中南大学.
【2】王忠，郑明新.机械工程材料【M】.北京：清华大学出版社，2006-01-09.
【3】吴承建，强文江.陈国良等编著.金属材料学【M】.北京：冶金工业出版社.2009.
【4】胡光立，谢希文.钢的热处理【M】.西安,西北工业大学出版社，2010-02
【5】中国机械工程学会热处理学会热处理手册编委会.热处理手册第一册热处理设备和工辅材料【J】.北京：机械工业出版社，2008，187.
【6】中国机械工程学会热处理专业分会《热处理手册》编委会.热处理手册第三卷热处理设备和工辅材料（第三版）【J】.北京,机械工业出版社，2001-01.
【7】吉泽升.热处理炉【M】.哈尔滨工业大学出版社.2008.
