(1) 发动机活塞的外形尺寸
发动机活塞的外形尺寸如图1 所示。
(2) 材料及技术要求
活塞是发动机实现工作循环、完成能量转换的重要零件。活塞在气缸内承受高温高压的作用。由于高速往复运动, 还要承受很大的惯性力, 因此活塞要有高的高温强度、硬度、耐磨性及耐蚀性, 还要求材料比重小、导热性好和热膨胀系数小, 该活塞选用ZAlSi11Mg 铸铝合金, 优点是导热性好, 并可通过热处理来提高强度、硬度和耐磨性。热处理工艺为淬火+ 时效处理。
(3) 热处理工艺( 淬火+ 时效)
活塞在525℃ ± 5℃ , 保温6 h , 淬入40 ～ 90℃ 水中, 然后在205℃ 时效8 h ,硬度HBS100～140。
(4) 操作说明
1) 操作前的准备工作
①对设备进行使用前检查, 当设备的各部位和电器系统均完好时方可开炉。
②校正炉温。
③对活塞进行清洗, 除掉油垢和金属屑。
2) 淬火操作
①装炉活塞用料筐装整齐, 将料筐装到炉膛的有效加热区内。
②加热装炉完毕, 送电并开动循环风扇的电动机。炉子升温到525℃开始保温。
③保温保温时要控制好温度, 避免晶粒粗化。
④冷却保温结束后, 活塞从出炉到进入淬火槽要尽可能快( 不能超过15 s) 地淬入
40～90℃水中, 免温度下降导致固溶体发生部分分解, 降低时效强化效果。
3) 时效操作选 用RJJ 井式回火炉, 温度205℃ , 时效时间8 h , 出炉空冷。硬度
HBS100～140。
(1 ) QAl9 - 4 铝青铜轴套的性能要求
用QAl9 - 4 铝青铜制作的轴套应具有良好的力学性能, 即高强度、高耐磨性、耐蚀性。经淬火+ 时效处理后的硬度为HBS110～178。
(2 ) 淬火+ 时效处理工艺
淬火加热温度850℃±10℃ , 保温2～3 h , 水冷; 回火温度500～550℃ , 保温2 . 5 h ,空冷。
(3 ) 操作说明
1) 选择加热设备, 箱式电阻炉或盐浴炉均可。开炉前对设备进行全面的检查, 确认炉子及电控部分正常之后开炉。由仪表工校正炉温。
2) 对轴套进行清洗或清理, 去除油垢和金属屑。将轴套装筐进炉, 放置整齐, 轴套之间要留有间隙。轴套在炉内有效加热区内, 距发热体不小于100 mm,距炉门不小于200 mm。可用氨分解气氛进行保护。
相关知识
(1 ) 铝合金的分类和强化原理
1) 铝合金的分类
工业用铝合金分为形变铝合金和铸造铝合金两类。当铝合金中合金元素含量较低时, 在高温下形成单相固溶体而有较高的塑性, 适合用轧制、挤压或锻造等压力加工使之成型, 叫做形变铝合金。当合金元素含量较高时, 由于存在共晶组织而使塑性急剧降低, 只适合铸造成型, 叫做铸造铝合金。
①形变铝合金按热处理性质形变铝合金又分为不可热处理强化铝合金和可热处理强化铝合金。
a. 不能热处理强化的形变铝合金其 特点是强度低, 塑性及耐蚀性较高, 常称为防锈铝合金。如3A21、5A02、5A03、5A05、5B05 等。这类铝合金可以在冷态下进行压力加工,但不能热处理强化。
b . 可热处理强化的形变铝合金这类铝合金又分为硬铝合金和锻铝合金两类。
硬铝合金按其强度分为普通硬铝, 如2A01、2A02、2A10、2A12 等; 超硬铝, 如7A03、7A09、7A10 等; 耐热硬铝, 如LY16、LY17 等。硬铝合金的强度高, 焊接性较好,在冷状态下可以进行压力加工, 可以热处理强化。
锻铝合金按其性质不同可分为普通锻铝( 如6A02、2A50、2B50 等) 和耐热锻铝( 如2A70、2A80 等)。锻铝合金强度高, 可在热状态下进行压力加工, 也可热处理强化。
②铸造铝合金按其性能分为以下几类:
a. 低强度铸铝合金, 如ZAlSi12、ZAlMg5Si1 等。
b . 中强度铸铝合金, 如ZAlSi7Mg、ZAlCu4 等。
c. 中强度耐热铸铝合金, 如ZAlZn11Si7 等。
d . 高强度铸铝合金, 如ZAlSi9Mg、ZAlSi5Cu1Mg。
e. 高强度耐热铸铝合金, 如ZAlCu5Mn、ZAlCu10。
f . 高强度耐蚀铸铝合金, 如ZAlMg10。
这类铝合金铸造性能良好, 但塑性较低。
2) 铝合金的强化原理钢的热处理强化是以固溶体基体的相变为基础, 铝合金的强化是以化合物在铝的固溶体中的溶解度变化为基础, 两者的强化原理完全不同。现以铝—铜合金系为例, 来说明其强化原理。
铝—铜合金系的平衡相图如图2 所示。
由图可知, 室温下铜在α固溶体中的溶解量质量分数为0 . 2% , 在共晶温度548℃时其最大溶解量为质量分数5 . 7%。含铜量大于质量分数0 . 2%的合金, 在548℃ 以下具有α+ CuAl2 组织。因此,含铜质量分数在0 . 2%～5 . 7% 的铝合金当加热到相应温度时, 由于化合物CuAl2 溶入固溶体基体中而转变成单相状态。高温单相状态可通过淬火快冷而固定下来。当经过淬火后得到含铜质量分数高于0 . 2%的不稳定的过饱和固溶体时, 这种过饱和固溶体会自发地发生分解, 最终导致化合物CuAl2 析出,并伴有强度和硬度的升高, 这一现象叫做时效。在室温下所进行的时效称为自然时效, 在低温加热条件下所进行的时效称为人工时效。
含铜质量分数小于0 . 2% 的铝合金, 在熔点以下的整个温度范围内都是单相状态, 故这类铝合金是不能用热处理强化的形变铝合金; 含铜质量分数在0 . 2%～5 . 7%之间的铝合金, 淬火后具有良好的塑性, 可进行各种形式的形变操作, 并具有时效硬化现象, 故属于可热处理强化的形变铝合金; 当铜含量大于5 . 7% (质量分数) 时, 组织中出现共晶组织, 适于铸造成型, 这类就是铸造铝合金。
(2 ) 形变铝合金的热处理
1) 去应力退火形变铝合金在冷形变加工时会产生加工应力和出现加工硬化现象, 为消除加工应力并保持加工硬化效果, 可采用低温去应力退火。低温退火温度应根据合金种类、加工形变程度和所要保留的硬化程度来确定, 一般为200～300℃ , 保温时间2～4 h ,退火后空冷。
2) 软化退火(完全退火) 软化退火的目的是消除加工硬化, 使合金重新获得高塑性。对于不能热处理强化的形变铝合金, 通常用冷加工硬化的方法进行强化; 当需要恢复其塑性时, 可用完全退火使之软化。对于可热处理强化的形变铝合金, 其软化效果随退火温度、保温时间和冷却方式的不同而不相同。软化退火的工艺规范: 将零件加热到350～450℃ ( 高于再结晶温度100 ～200℃) , 保持一定时间( 使再结晶完成) , 然后在水中或空气中冷却。这一工艺适用于所有热处理不能强化的形变铝合金及部分热处理可以强化的形变铝合金。对于热处理可强化的形变铝合金, 当要求具有低强度、高塑性时应采用400～450℃ , 保持一定时间后缓冷( 即随炉冷却) 到某一温度( 300℃以下) 后再空气冷却或水冷却, 也可继续随炉冷却。
3) 淬火和时效淬火的目的是获得过饱和固溶体, 为时效硬化做好准备。形变铝合金的淬火温度范围很窄, 一般为465～535℃ , 温度过低得不到均匀的过饱和固溶体, 温度过高则容易造成过烧。时效可使淬火后的合金强化。时效强化效果与时效温度有关。时效温度高, 时效过程快, 但强化效果差; 时效温度低、强化效果好, 但所需时间长。一般人工时效温度在150～195℃范围内选择, 时间10～15 h。自然时效则需96 h。
(3 ) 铸造铝合金的热处理
1) 退火退火的目的是消除内应力, 稳定铸件尺寸。退火工艺: 在空气循环电炉中进行, 温度290℃±10℃ , 保温2～4 h , 然后空冷。
2) 淬火和时效铸造铝合金铝的淬火加热温度一般采用500～535℃ , 加热保温数小时至数十小时, 加热保温后热水冷却。加热通常在空气循环电炉内进行, 可采用350℃以下的低温入炉, 然后随炉缓慢加热至淬火温度。若采用硝盐浴加热, 应先在350℃左右的电炉中预热2 h。含镁很高的铸铝合金(如ZAlMg10 ) 不允许在硝盐浴内加热, 避免镁燃烧发生爆炸事故。
铸铝合金的时效方法有两种, 即完全人工时效和不完全人工时效, 应根据零件的性能要求来选用。
①完全人工时效是将零件加热至170～190℃保温数小时至数十小时后空冷, 时效后可达到最大强化效果。
②不完全人工时效是将零件加热至170～190℃ , 保温数小时, 使合金具有一定的强化效果。
3) 稳定化回火目的是为了稳定组织而不考虑强化效果。因此, 回火温度和时间应从能否达到良好的稳定组织与性能效果来考虑。回火温度应比完全人工时效高, 接近或高于零件的工作温度。
(1 ) 铜合金的分类及性能
1) 黄铜铜和锌组成的合金通常称为黄铜, 以字母“H” 表示, 后面数字表示铜的平均含量。在普通黄铜中加入铝、铅等合金元素所制得的黄铜叫特殊黄铜, 如HPb63 - 3 , 表示含铜63% (质量分数, 下同) , 含铅3% , 其余34%为锌。黄铜具有良好的塑性, 常用于制造冲压件。
2) 青铜铜 锡合金和含铝、硅、铅、铍、锰的铜合金称为青铜, 以字母“ Q” 表示,如QSn10 指含锡10% (质量分数, 下同) 、含铜90%的锡青铜。
铜合金具有较高强度以及其他特殊性能, 如耐磨性、抗蚀性、耐热性、导电性、导热性等, 故常用于制作耐磨、抗蚀、导电、导热的零件。
(2 ) 黄铜的热处理
1) 低温退火目的是消除冷变形加工应力, 防止开裂。退火温度为260～300℃ , 保温1～3 h , 空冷。
2) 再结晶退火目 的是消除加工硬化, 恢复塑性。退火温度为500～ 700℃ , 保温1～2 h , 空冷或水冷。为防止黄铜零件表面氧化, 应在真空炉或控制气氛中进行退火加热。
(3 ) 青铜的热处理
1) 退火目的是消除青铜冷、热加工应力, 恢复塑性。压力加工件退火工艺: 600～650℃保温1～2 h , 空冷。对于铸造青铜零件, 为了消除铸造应力, 改善组织, 需进行扩散退火, 工艺为600～700℃加热, 保温4～5 h , 然后随炉冷却。铸造锡青铜扩散退火后, 应在水中冷却, 以防止合金中出现脆性的共析体组织, 保证合金具有良好韧性和塑性。
2) 淬火时效铍青铜、硅青铜、镉青铜是属于淬火时效强化类的铜合金, 能通过淬火时效提高其强度和硬度。以铍青铜为例, 室温时铍在合金中的溶解量为0 . 2% ( 质量分数,下同) , 870℃时溶解量达到最大值2 . 75%。淬火时使铍充分溶入固溶体基体中, 迅速冷却后获得过饱和固溶体。淬火态铍青铜塑性高, 可进行变形加工。铍青铜的共晶温度为870℃ , 淬火温度为780～820℃ , 保温时间按零件厚度确定, 一般为1～2 h , 保温后在水中冷却。铍青铜采用300～350℃人工时效强化处理, 保温时间3～5 h , 空冷。
3) 淬火回火能进行淬火回火强化的铜合金有含铝量大于9% ( 质量分数) 的铝青铜、铬青铜。铝青铜的淬火温度为850～950℃ , 保温1～2 h , 水冷。回火温度根据性能要求确定, 要求强度、硬度高时, 采用250～350℃ 低温回火; 要求有良好的综合力学性能时, 采用500～650℃回火。回火时间为2 h 左右。
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