山东滨州渤海活塞股份有限公司
摘要：随着工业技术的发展，现代汽车发动机向着高速的方向发展外，也要向低摩擦、低能耗、轻量化和高适应性的方向发展。研究开发新材料活塞是优化这个问题的关键。钢质材料由于其高强度，高力学性能和成熟的热加工工艺被广泛用于各类机械零部件的生产中。但是钢铁材料由于较大的密度很少用于车用发动机中。本文分析了一种中小缸径的发动机的锻钢活塞材料成型和加工步骤，从实践之中分析了各类活塞锻造方法的优劣，和淬火过程产生缺陷的原因及避免方法。
关键词：锻钢活塞；锻造；淬火分析
1.锻钢活塞的开发意义
1.1铝合金活塞发动机的现状
2004至2008年，汽车行业突飞猛进，带动了汽车零部件的生产。发动机作为汽车的心脏部件，其基础零件也需要拥有相应的技术来支持。铝合金材料本身具有良好的高温强度，尺寸稳定，并且耐磨、耐热、耐腐蚀等特点十分适用于发动机的环境中。但由于国内活塞行业的加工技术较为落后，对高性能铝合金的加工生产成本过高，与国内的高需求的形势不符，加之普通铝合金的材料随着温度的升高，构件本身的疲劳强度降低明显，抗拉强度则比疲劳强度降低得更明显，并且构件本身的疲劳裂纹产生位置总是在活塞表面，造成了国内的铝合金活塞的损坏率大大超过其他零部件。这种现象一方面造成了汽车由于单一部件的维修需要整台保养的经济损失；另一方面活塞的价值相对于整台发动机仅占1.5%左右，而铝合金活塞的故障率却超过50%，当出现由于疲劳裂纹产生的故障时会对发动机甚至整台汽车造成直接的影响，严重时可能导致发动机报废，若是对定期保养疏忽则后果不堪设想。最后，由于我国汽车行业发展迅速，特殊车种和作业车辆的需求也逐渐加大，因此，十分有必要在铝合金活塞的基础上再进一步提高发动机活塞的强度。
1.2钢材料在制造活塞方面的优势
目前国内外柴油机活塞依旧是普遍采用整体铸铝结构，但是随着柴油机排放量日趋增高，传统的铸造铝合金和铸铁铝活塞已经无法满足柴油机可靠性的要求，甚至国内开发的有些车用柴油机其爆发压力已经超过了18Mpa。传统的铸铝活塞尽管也采用了顶部燃烧室喉口镶陶瓷、环槽镶铸铁环座和采用内冷油腔等局部强化措施，但是仍然难以满足柴油机可靠性的要求。因此一些公司为了满足重型车用大马力柴油机的工作性能要求开发锻钢活塞。相较于传统铸铝、铸铁铝活塞，锻钢活塞拥有强度高、耐高温、冷却性好、配缸间隙小等优点。使其在可靠性方面有了根本性的提高，并且对发动机其它性能也有了明显的改善。
一、根据GB 1173-1986，铸造铝合金的抗拉伸强度的屈服强度为133MPa到437MPa之间，由于发动机内高温的作用，其屈服强度沿温度轴向衰减严重；而钢质合金的抗拉屈服强度大多在780Mpa以上，最高可达2200MPa以上。以铁为主的钢材料的高温力学性能也明显由于铝合金材料。
二、钢质材料经过表面处理后的高温耐磨性比铝合金好得多，不易由疲劳产生疲劳缺陷，使用寿命更长。
三、钢材料合金种类多，添加元素种类多，性质变化明显，可选择空间也更大。
缺点：钢材料密度大，加工过程困难，可以通过调整热成型工艺和热处理方法来进行加工。
1.3活塞的工作条件和机械负荷
活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。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。活塞顶部高达600～700K，且温度分布很不均匀；顶部承受气体压力也很大，特别是做功行程压力最大，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。
2.锻钢活塞的锻造
锻钢活塞的基本制造流程：活塞头部、活塞尾部毛坯——热模压锻机锻造——粗加工——锻钢活塞头部和尾部的焊接——检测——精加工——表面处理。
2.1活塞头部、活塞尾部毛坯的锻造
活塞头部和活塞尾部连接起来的结构较为复杂，需要将其分开锻造后进行焊接。毛坯于2500T压锻机中锻造而成，具体加工操作步骤如下：
（1）准备钢料；
（2）感应炉加热至1250℃左右；
（3）锻压机墩粗钢锭；
（4）压力机进行锻模；
（5）压力切边，废料切割外运；
（6）550℃链式炉热处理；
（7）抛丸；
（8）硬度检测；
（9）磁探伤检测；
（10）表面涂层处理。
2.2活塞头部和活塞尾部的粗加工
粗加工去除材料多，切削速度小、进给量和吃刀量大，不过多考虑尺寸精度以及表面质量；粗加工是以快速切除毛坯余量为目的，在粗加工时应选用大的进给量和尽可能大的切削深度，以便在较短的时间内切除尽可能多的切屑。
在切削过程中，要考虑到足够多的加工余量，和合适的精加工定位尺寸基准（如中心轴线）和摩擦焊接给进量等问题。
以38MnVS6材料[1]（物化特性：非调质钢，碳含量0.34-0.41%，硅≤0.8%，锰1.2-1.6%）为例：摩擦焊接轴向给进余量给2毫米。绘制出活塞头部和尾部的粗加工图纸。
根据图纸的加工要求，得到加工完成的活塞头部和尾部零件。检查合格后可以进行摩擦焊接。
图4 拼合起来的锻钢活塞
2.3摩擦焊接工艺
为适应一般需求量的生产，我们使用C630型连续驱动摩擦焊机进行对毛坯的焊接加工。该种焊机采用弱规范进行焊接。最大顶锻力为630KN；主电机功率是65KW.同时配合有摩擦焊接过程的传感器与计算机连接以方便控制焊接过程，可调整轴向压力、电机功率、电机扭矩、摩擦形变量、油温等参数，在焊接过程中对压力系统蚕蛹的是闭环控制。
C630焊机使用时的基本参数调整：
操作时，先对内部的直径较小的台阶摩擦，达到一定温度后，再摩擦大直径的台阶。调整焊接的轴向压力、摩擦形变量、摩擦压力等参数，使最终结果得到的内外焊缝焊接质量接近。先后摩擦的加工方法可有减少由加热两条焊缝之间因参数不同对焊缝质量差异的影响。我们在焊接过程中，除了考虑焊缝质量外，还需要考虑截面的要求。在操作过程中，要对焊接飞边进行处理。毛坯的内圆和内外圆的两条飞边位置靠外，可用机床切去。内部油腔的两条飞边无法通过机床切削完成，则需要在焊接过程中改变接头的形状来减小。
经试验现场的检测，飞边大小约为宽4-5mm，高1.5mm，已基本满足活塞冷却的技术要求。
2.4焊缝抗拉伸性能检测
取三种焊接的活塞，每个活塞夹两个试验棒进行拉伸试验。试验按照GB228-1997金属拉伸试验进行。选用试验帮的直径为5mm。下表为拉伸结果：
经多次试验发现，本焊接的1和2结果的断裂位置为母材，符合摩擦焊接的要求，拉伸强度约为850-990MPa，也符合产品强度需求。
3.淬火结果分析
目前，锻钢活塞的主要制造材料是非调质钢38MnVS6和调质钢42CrMo。此次的活塞制造材料为调质钢38MnVS6，为了简化工艺、节约工时从而达到提高经济效益目的，将活塞经锻造后利用余热进行淬火，淬火后有约8%的活塞产生了淬火裂纹。
3.1常规加工过程、步骤和方法
活塞锻造坯料采用了38MnVS6钢钢坯，尺寸如图3.2及图3.3 ;墩粗后模锻成型，始锻温度为1160~1200℃ , 终锻温度则略大于900℃。
钢质活塞锻后冷却到900℃上下利用余热淬火，淬火的介质使用L-AN22机械油，将使用油温控制在20~60℃ , 在淬火后及时进行高温回火，回火温度为(600±20)℃。
在活塞热处理完成后，磁探伤发现裂纹均出现在了活塞底部的凹槽处，裂纹沿凹槽阶梯圆周平行分布在活塞轴向，部分的裂纹甚至可以肉眼可见，长度可达5mm左右。为了分析裂纹微观形态，我们用线切割在活塞底部凹槽裂纹产生处进行切取试样。沿活塞裂纹的扩展方向切成了20 mmx 20 mmx20 mm的小块进行金相分析。活塞回火组织是较粗大保持马氏体位相的回火索氏体。裂纹主要是沿晶界扩展，裂纹两侧亦无脱碳，属于淬火裂纹。
钢件淬火裂纹形成原因包括内部因素和外部条件两点，内部因素即是决定钢件本质脆性的组织结构;外部条件则主要是由零件外形尺寸、工艺条件引起的宏观内应力。首先研究影响活塞本质脆性的因素，其一，模锻时因金属对流或回流而造成的折叠是造成锻件热处理过程中产生裂纹的诱因之一，在锻造过程中活塞底部材料流动分两个阶段，首先是锻造过程初期，材料在凸模作用下经由坯料心部沿径向向外流动;当材料流动到了凹模内腔面时，凸模继续下行，使材料流动因为接触到凹模内腔而造成回流。与心部材料流动交汇流到活塞凹槽底部，极容易在该处形成倒人字形折叠。而在折叠处活塞轴向与径向力学性能悬殊，径向塑性、韧性降低，易引起该处脆性升高，因此在径向拉应力作用下容易诱发裂纹。其二是在活塞锻造过程中，因为温度控制在900~1220℃ , 并且由于坯料与模具接触关系，导致锻造结束后不同部位温度差异较大。尤其在凹槽与气缸结合部分的底部较厚处，温度可能超过1000 ℃，而过高的温度会致使奥氏体晶粒粗化。并且锻压过程因为变形而产生的粗大奥氏体来不及回复，在淬火时形成了粗大片状马氏体组织，进一步增加了淬火组织和内应力的不均匀性，诱发了显微淬火裂纹，进而降低了该处断裂强度。其次研究影响活塞宏观内应力的因素，其一是淬火开裂与工件的形状有着密切的关系，钢件形状影响着淬火应力的大小和分布，经检测发现裂纹也均出现在活塞底部阶梯凹槽处。
日本热处理专家大和重雄提出过“热处理就是加热和冷却的加工过程，以两者的重要性而论，加热只占二成，冷却则要占八成，这就是热处理的“二八规则”。冷却是淬火非常重要的一个环节，冷却介质是淬火过程的关键因素，活塞淬火过程中使用L-AN22机械油代替淬火油，使用温度20~60℃，相对于的普通淬火油的使用油温为20~100 ℃ ，L-AN22机械油过低的使用油温度增加了活塞的淬火组织应力。并且L-AN22机械油的冷却能力不足，再加上长期使用后的机械油老化，冷却能力又被进一步降低。在马氏体转变区后冷却速度远远高于普通的淬火油，促使马氏体转变过程组织应力偏高，增大了活塞淬火开裂的倾向。
3.2活塞环槽淬火
激光表面热处理是针对裂纹产生位置——活塞头部的阶梯型凹槽处的表面硬化处理。
其主要特点是：硬度高、效率高、质量好，可以达到常规技术无法达到的高耐磨性、高强度、高耐腐蚀性、高红硬性等性能，实现常规方法无法实现的热处理或修复手段（复杂零件选择性加工、复合处理等）。
其处理特点如下：
（1）激光相变硬化的硬度一般要比常规淬火方法得到的高15%左右。
（2）由于激光表面处理的加热和冷却速度比较快，热影响区较小，所
以激光热处理前后工件的变形几乎可以忽略，适合高精度要求的零件表面处理。
（3）激光表面处理后硬度层的深度依照零件材料成分、尺寸与形状以及激光工艺参数的不同，一般在0.3～1.5mm范围之间。激光熔凝处理时硬度层深度可达1.5-2mm。
（4）对表面粗糙度要求高的钢质活塞不需要后续机械加工就可以满足实际工况的需求。
（5）激光表面热处理通过数控精确控制激光加工轨迹，可以对任意尺寸的工件局部表面处理。
（6）由于激光处理后组织错位密度高，淬火层为细针状马氏体，激光加热区与基体的过渡层很窄，不影响处理部位以外的基体组织和性能。淬火层具有很高硬度的同时又具有一定的韧性，这是其它表面热处理方式很难实现的，得到了耐磨性与韧性的完美结合。
针对薄板的表面淬火，常规的处理方法具有极大的变形、硬度不均匀等问题。采用激光处理可以做到最小的变形或不变形，表面硬度均匀，并且灵活性好，可以根据图纸要求有针对性的对局部范围处理而不影响非处理部位，具有很精确的控制性。
（1）由于活塞锻后厚壁处冷却较慢，淬火温度过高，导致凹槽处回火后组织变粗大；并且锻造过程中活塞凹槽处易产生折叠，这些都增加了活塞凹槽处脆性。
（2）淬火过程中内应力过大跟工件形状导致淬火过程中产生应力集中，淬火介质选择不合理以及回火不及时有关。
改进措施:在位于锻后淬火衔接部位处设置红外温度检测器，将淬火温度控制在860℃左右，以避免出现淬火温度过高的现象，同时降低淬火温度，使组织更致密，以增强断裂抗力和抗拉伸性，从而降低产生裂纹的倾向。并且通过加入添加剂将机械油改造成普通的淬火油，以次来提高使用油温，并且降低零件的淬火组织应力。实际操作时也可以结合多种表面处理方式以补充特殊位置的硬度。
4.结语
锻钢活塞的开发工作是在市场需求量对大马力、大功率机械发动机的激增下实施的。本文以38MnVS6材料的锻钢活塞加工方法、特点及步骤为例，分析了生产制造过程中出现的问题及解决办法，以及表面处理特点和相关针对性。通过借鉴国内外的现场工艺试验，确定出了较为合适的摩擦焊接工艺参数；通过金相分析也确定了淬火过程的相关温度和淬火步骤。
截至2016年，重卡市场将平稳增长，实现73.3万辆的产销总量。但我们认为，包括特种车辆在内，应用锻钢活塞的车种市场的容量至少在150万辆以上。届时，我国的重卡市场将迎来新的革新热潮。随着近几年德国制造业重心的偏移和国内各大生产企业对大马力发动机前景认识的不断深化，钢质活塞在大马力、高性能发动机上的应用将因其综合性能和独特优势得到更广的普及。
参考文献
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论文作者:李红伟
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/9
标签：活塞论文; 裂纹论文; 摩擦论文; 凹槽论文; 温度论文; 加工论文; 材料论文; 《基层建设》2017年第23期论文;