CN111304527B - 钢质活塞及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种钢质活塞，其组分和重量百分比为：C：0.3～0.45wt％、Si：0.5～1.0wt％、P：0～0.025wt％、S：0.02～0.1wt％、Mn：1.2～2.0wt％、Cu：0.1～1.0wt％、N：0.01～0.05wt％、V：0.08～0.2wt％、Ti：0.01～0.03wt％、Al：0.01～0.03wt％，其他余量为Fe；硬度250～310HBW；基体组织由细片状珠光体+铁素体+不大于10％的贝氏体、马氏体和残余奥氏体组成；网状铁素体晶粒度大于4级。通过对各种成分的配比调整，提高钢质活塞的抗拉强度、屈服强度，并提高钢质活塞的塑性，通过Mn含量控制减小珠光体之间的片间距，并通过Mn和S结合改善钢质活塞的切削性能，降低加工成本。本发明还提供了一种钢质活塞的制备方法。

Description

钢质活塞及其制备方法
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，更具体地说，涉及一种钢质活塞及其制备方法。
背景技术
随着发动机升功率及爆发压力的不断提高，对发动机及其零配件提出了更高的要求。活塞作为发动机的A级关键零部件，其作用是用来承受燃气压力，并通过活塞销让连杆驱使曲轴旋转。
活塞顶部是燃烧室的组成部分，在工作时承受交变的机械负荷和热负荷，并长期处于高温、高压、高速、润滑不良的条件下，直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，受热严重，而散热条件又很差，导致活塞工作时温度很高，其顶部高达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，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。
因此，如何使活塞具有较高的力学性能、较好的韧性、良好的导热性及抗腐蚀性、及抗热疲劳性，环槽及裙部磨损面具有良好的耐磨性、减磨性能，且活塞的成分组成及生产工艺简单、成本较低，从而明显减少活塞因高温而磨损、腐蚀、热疲劳等失效更换频次，进一步提高活塞、气缸套、活塞环乃至发动机的使用寿命，是各大主机厂及其配件生产企业亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种钢质活塞，以提高钢质活塞的性能；本发明还提供了一种钢质活塞的制备方法。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种钢质活塞，其组分和重量百分比为：C：0.3～0.45wt％、Si：0.5～1.0wt％、 P：0～0.025wt％、S：0.02～0.1wt％、Mn：1.2～2.0wt％、Cu：0.1～1.0wt％、N： 0.01～0.05wt％、V：0.08～0.2wt％、Ti：0.01～0.03wt％、Al：0.01～0.03wt％，其他余量为Fe；
硬度250～310HBW；基体组织由珠光体+铁素体+不大于10％的贝氏体、马氏体和残余奥氏体组成；网状铁素体晶粒度大于4级。
优选地，在上述钢质活塞中，所述C的百分比为0.34～0.41wt％，所述Si的百分比为0.5～0.7wt％，所述S的百分比为0.02～0.5wt％，所述Mn的百分比为 1.2～1.7wt％，所述Cu的百分比为0.4～0.6wt％，所述N的百分比为0.01～0.02wt％，所述V的百分比为0.1～0.2wt％，所述Ti的百分比为0.01～0.018wt％。
一种钢质活塞的制备方法，包括步骤：
1)将碳源、硅源、磷源、硫源、锰源、铜源、氮源、钒源、钛源和铁源进行配料后，经熔炼、脱氧和热轧，得到合金棒材；
2)将所述合金棒材分割为预定规格的坯料，将所述坯料加热至第一加热温度，并保温第一保温时间，获得热处理后的坯料；
3)将热处理后的所述坯料进行锻造，并分别成型获得活塞头部和活塞裙部，获得活塞坯料；
4)将所述活塞坯料中活塞头部和活塞裙部进行粗加工，将粗加工后的活塞头部和活塞裙部焊接为一体形成半成品的活塞；
5)将半成品的所述活塞退火处理，并通过精加工获得精加工的活塞；
6)将精加工后的所述活塞进行整体磷化处理，获得磷化处理后的活塞；
7)将磷化处理后的所述活塞进行纳米涂层印刷及固化处理，获得成品活塞。
优选地，在上述钢质活塞的制备方法中，半成品的所述活塞的活塞环槽面位于所述活塞的焊接热影响区之外。
优选地，在上述钢质活塞的制备方法中，所述熔炼、脱氧和热轧的过程包括熔化、氧化、脱氧脱硫、炉外精炼、浇铸及轧制工艺。
优选地，在上述钢质活塞的制备方法中，所述第一加热温度为1200～1240℃。
优选地，在上述钢质活塞的制备方法中，所述步骤3)还包括，将锻造后的所述活塞坯料通过喷雾冷却的方式快速冷却至600～650℃，然后空冷至室温的控制冷却工艺，得到具有活塞头部、裙部的活塞坯料。
优选地，在上述钢质活塞的制备方法中，所述控制冷却的快速冷却温度为610～620℃，所述室温为10～40℃。
优选地，在上述钢质活塞的制备方法中，半成品的所述活塞的焊接方式为摩擦焊接或激光焊接。
优选地，在上述钢质活塞的制备方法中，所述退火处理的退火温度为 450～550℃，退火时间为90～120min。
优选地，在上述钢质活塞的制备方法中，所述磷化处理的磷化温度为 90～100℃，磷化处理时间为7～10min。
优选地，在上述钢质活塞的制备方法中，所述磷化处理的步骤包括：脱脂、水洗、酸洗、水洗、硅烷处理、水洗、表调、磷化、水洗、烘干；磷化结束后磷化层厚度为4～8μm，结晶结构小于20μm，粗糙度为0.3～0.8，蚀刻厚度为1～3μm。
优选地，在上述钢质活塞的制备方法中，所述纳米涂层印刷包括冷处理、涂层印刷、固化处理工艺。
优选地，在上述钢质活塞的制备方法中，所述冷处理的温度为20～30℃，处理时间为12～15min。
优选地，在上述钢质活塞的制备方法中，所述涂层印刷的厚度为9～21μ m。
优选地，在上述钢质活塞的制备方法中，所述固化处理的固化温度为 190～210℃。
优选地，在上述钢质活塞的制备方法中，所述纳米涂层印刷的涂层成分包括TiO2纳米颗粒、石墨、粘结剂、悬浮剂。
本发明提供的钢质活塞，其组分和重量百分比为：C：0.3～0.45wt％、Si： 0.5～1.0wt％、P：0～0.025wt％、S：0.02～0.1wt％、Mn：1.2～2.0wt％、Cu： 0.1～1.0wt％、N：0.01～0.05wt％、V：0.08～0.2wt％、Ti：0.01～0.03wt％、Al： 0.01～0.03wt％，其他余量为Fe；硬度250～310HBW；基体组织由珠光体+铁素体+不大于10％的贝氏体、马氏体和残余奥氏体组成；网状铁素体晶粒度大于4 级。通过对各种成分的配比调整，提高钢质活塞的抗拉强度、屈服强度，并提高钢质活塞的塑性，通过Mn含量控制减小珠光体之间的片间距，并通过Mn 和S结合改善钢质活塞的切削性能，降低加工成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的钢质活塞表面结构的第一微观结构示意图；
图2为本发明提供的钢质活塞表面结构的第二微观结构示意图；
图3为本发明提供的钢质活塞的制备方法的流程图。
具体实施方式
本发明公开了一种钢质活塞，提高了钢质活塞的性能；本发明还提供了一种钢质活塞的制备方法。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，图1为本发明提供的钢质活塞表面结构的第一微观结构示意图；图2为本发明提供的钢质活塞表面结构的第二微观结构示意图。
本发明提供了一种钢质活塞，其组分和重量百分比为：C：0.3～0.45wt％、 Si：0.5～1.0wt％、P：0～0.025wt％、S：0.02～0.1wt％、Mn：1.2～2.0wt％、Cu： 0.1～1.0wt％、N：0.01～0.05wt％、V：0.08～0.2wt％、Ti：0.01～0.03wt％、Al： 0.01～0.03wt％，其他余量为Fe；
硬度250～310HBW；基体组织由细片状珠光体+铁素体+不大于10％的贝氏体11、马氏体和残余奥氏体组成；网状铁素体晶粒度大于4级。
通过对各种成分的配比调整，通过C(碳)百分比的控制，提高制备钢质活塞的钢材，具有较高的抗拉强度、屈服强度，并具有较好的塑性、韧性。通过合金中Si(硅)百分比的控制，使得硅元素固溶于铁素体中，提高钢材的抗拉强度。通过合金中Mn(锰)百分比含量的控制，使得Mn固溶强化铁素体，并保持合金良好的塑性，并通过Mn含量控制减小珠光体之间的片间距。通过 Mn和S(硫)结合生成硫化锰微粒，改善钢质活塞的切削性能，降低加工成本。
钢质活塞的合金棒材中，P(磷)为杂质元素，将其百分比控制尽量低，避免合金的冷脆。钢质活塞中采用的S元素，S与Mn结合生成硫化锰微粒，其可改善合金棒材的切削性能，降低加工成本。
如图1和图2所示基体组织中，条状结构部分为细片状珠光体+铁素体+不大于10％的贝氏体11，通过对活塞成本的合理配置，使得细片状珠光体+铁素体+不大于10％的贝氏体11均匀分布于活塞结构中，提高了活塞的整体性能。
在本案一具体实施例中，C的百分比为0.34～0.41wt％，Si的百分比为 0.5～0.7wt％，S的百分比为0.02～0.5wt％，Mn的百分比为1.2～1.7wt％，Cu的百分比为0.4～0.6wt％，N的百分比为0.01～0.02wt％，V的百分比为0.1～0.2wt％， Ti的百分比为0.01～0.018wt％。
基于上述钢质活塞的组分和百分比，本发明还提供了一种钢质活塞的制备方法，包括步骤：
S01:制备合金棒材
将碳源、硅源、磷源、硫源、锰源、铜源、氮源、钒源、钛源和铁源进行配料后，经熔炼、脱氧和热轧，得到合金棒材。
本案对碳源、硅源、磷源、硫源、锰源、铜源和铁源的种类和来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的低合金钢熔炼的原料即可，可采用各成分的单质材料。碳源、硅源、磷源、硫源、锰源、铜源、氮源、钒源、钛源和铁源的用量配比满足上述技术方案活塞中各成分的质量含量即可。
钢质活塞的对各组分进行熔炼、脱氧和热轧，熔炼、脱氧和热轧的过程包括熔化、氧化、脱氧脱硫、炉外精炼、浇铸及轧制工艺。通过熔炼将各组分结合，熔炼设备采用电弧炉，熔炼温度为1550～1700℃，熔炼后，将得到的合金液进行吹氧造渣，使磷、硫等元素降至要求的成分范围之内，并进行扒渣处理，进行连铸连轧，轧制温度1150～1250℃，轧制后空冷至室温。
S02:分割制备坯料，并热处理
将合金棒材分割为预定规格的坯料，将坯料加热至第一加热温度，并保温第一保温时间，获得热处理后的坯料。
具体地，第一加热温度为1200～1240℃。分割后的坯料，经加热和保温后保证其内部结构的一致性。
S03:锻造活塞头部和活塞裙部
将热处理后的坯料进行锻造，并分别成型获得活塞头部和活塞裙部，获得活塞坯料。
通过锻造处理，将坯料分别加工为活塞头部和活塞裙部，锻坯加热温度为1200～1300℃，锻造过程的终锻温度为1100～1200℃，锻造过程中模具的预热温度为200～300℃。
该步骤中，还包括，将锻造后的活塞坯料通过喷雾冷却的方式快速冷却至600～650℃，然后空冷至室温的控制冷却工艺，得到具有活塞头部、裙部的活塞坯料。获得活塞坯料后，通过对具有活塞头部、裙部的活塞坯料进行粗加工，便于对后续活塞的加工处理。
优选地，控制冷却的快速冷却温度为610～620℃，室温为10～40℃。
锻造完成后通过控制冷却形成细片状珠光体+含铜的铁素体+不超过10％的贝氏体、马氏体及含铜的奥氏体组织。采用这种基体组织的气缸套在内燃机工作过程中(工作温度300℃左右)，含铜的铁素体及奥氏体中还会不断有纳米级的富铜相析出，这些富铜相具有良好的抗磨、减磨性能、抗极压性能，还可以在磨损过程中弥补微小的疲劳裂纹源，具有一定的自修复功能，同时这里形成的富铜相其晶粒尺寸可达纳米级，由于这些富铜相的固溶强化作用使活塞强度、硬度急剧升高，大幅提高其抗磨性及减磨性。同时，采用这种基体组织的活塞具有较好的韧性、良好的导热性及抗腐蚀性，裙部磨损面具有良好的耐磨性、减磨性及抗热疲劳性能。而且，活塞的成分组成及生产工艺简单、成本较低，活塞中的氮、钒、钛元素以细小分散的碳化物分布于基体上，进一步使活塞的耐磨性增强。
S04:焊接活塞头部和活塞裙部
将活塞坯料中活塞头部和活塞裙部进行粗加工，将粗加工后的活塞头部和活塞裙部焊接为一体形成半成品的活塞。
在焊接步骤中，需控制半成品的活塞的活塞环槽面位于活塞的焊接热影响区之外。活塞头部和活塞裙部采用焊接的方式结合形成活塞的主体结构，活塞的焊接位置，布置远于活塞环槽面，由于活塞的焊接热影响区位置的硬度大，加工活塞环于焊接位置虽会使得活塞环槽面的强度加大，然而会导致活塞环槽的加工难度大。
通过将活塞环槽面位置远于活塞的焊接热影响区，降低了活塞环槽的加工难度。
S05:精加工
将半成品的活塞退火处理，并通过精加工获得精加工的活塞；
具体地，退火处理的退火温度为450～550℃，退火时间为90～120min。
S06：磷化处理
将精加工后的活塞进行整体磷化处理，获得磷化处理后的活塞；
S07:纳米涂层印刷并固化处理
将磷化处理后的活塞进行纳米涂层印刷及固化处理，获得成品活塞。
在本案一具体实施例中，半成品的活塞的焊接方式为摩擦焊接或激光焊接。焊接前对活塞头部、裙部的焊接面进行清洗，以清洗活塞内冷油道中的铁屑，防止拉缸。
以摩擦焊为例，摩擦焊接设备为摩擦焊机，焊接温度优选为1000～1200℃；焊机飞轮的转速优选为900～1200 U/min；焊机顶锻压力100～200bar；焊机顶锻压力持续时间3秒；活塞焊接前后的缩短量3～4mm。
在本案一具体实施例中，磷化处理的磷化温度为90～100℃，磷化处理时间为7～10min。
磷化处理的磷化厚度为4～8μm，结晶结构小于20μm，粗糙度为0.3～0.8，蚀刻厚度为1～3μm。
在本案一具体实施例中，纳米涂层印刷包括冷处理、涂层印刷、固化处理工艺。
在本案一具体实施例中，冷处理的温度为20～30℃，处理时间为12～15min。涂层印刷的厚度为9～21μm。固化处理的固化温度为190～210℃。纳米涂层印刷的涂层成分包括TiO2纳米颗粒、石墨、粘结剂、悬浮剂。
磷化之后的活塞进行纳米涂层印刷，印刷方式采用筛网印刷，印刷环境温度25±5℃，湿度＜50RH％，过程包括预冷处理、涂层印刷、固化处理等步骤。
基于上述钢质活塞的制备方法，本发明提供以下实施例。
实施例1
将碳、硅、磷、硫、锰、铜、钒、钛、氮和铁进行配料，准确称取各原料进行熔炼，熔炼温度为1600～1620℃，熔炼后，将得到的合金液进行吹氧造渣，使磷、硫等元素降至要求的成分范围之内，并进行扒渣处理，进行连铸连轧，轧制温度1150～1250℃，轧制后空冷至室温。
将合金棒材分割为预定规格的坯料，并经锻造成型为活塞头部、活塞裙部。该过程中，锻坯加热温度为1200～1300℃。锻造过程中的终锻温度 1100～1200℃，锻造过程中模具的预热温度200～300℃。
在本发明锻造之后的冷却过程中，控制冷却的方法为：
将锻坯进行喷雾冷却的方式快速冷却至600～650℃，然后空冷至室温，得到钢质活塞头部、裙部毛坯。
具体地，喷雾冷却至610～620℃，室温的温度为10～40℃。
得到钢质活塞毛坯后对钢质活塞坯料中活塞头部、活塞裙部毛坯进行粗加工。将活塞头部、裙部半成品进行摩擦焊接，得到钢质活塞半成品。
在本实施例中，焊接前对活塞头部、活塞裙部的焊接面进行清洗；摩擦焊接设备为摩擦焊机，焊接温度优选为1000～1200℃；焊机飞轮的转速为 900～1200 U/min；焊机顶锻压力100～200bar；焊机顶锻压力持续时间3秒；活塞焊接前后的缩短量3～4mm。
焊接后，对活塞半成品进行退火处理，退火温度450～550℃；退火时间 60～120分钟。将焊接后的活塞半成品进行精加，使活塞环槽面位于焊接热影响区之外，改善环槽区域的加工性能。
对清洗后的活塞进行整体磷化处理，磷化处理的过程包括超声波脱脂、水洗、酸洗除锈、水洗、硅烷处理、水洗、活化(表调)、磷化、水洗、烘干等步骤。磷化处理过程的超声波脱脂溶剂为脱脂剂，温度为60～70℃，时间为3～5分钟；硅烷处理温度30～70℃，时间为20～30分钟；磷化处理过程的水洗温度为室温，时间为3～5分钟；磷化处理过程的酸洗溶液为酸洗剂，温度为室温，时间为1～3分钟；磷化处理过程的表调溶液为表调剂，主要成分为磷酸钛，温度为室温，时间为1～3分钟；磷化处理过程的磷化溶液为磷化液，温度为 90～100℃，时间为5～10分钟；磷化处理过程的烘干温度为70～80℃，时间为3～5 分钟。经过磷化处理的活塞磷化层厚度为6±2微米，结晶结构小于20微米，表面粗糙度为3～5，蚀刻厚度1～3微米。
磷化之后的活塞进行纳米涂层印刷，印刷方式采用筛网印刷，印刷环境温度25±5℃，湿度＜50RH％，过程包括预冷处理、涂层印刷、固化处理等步骤；预冷处理温度20±5℃；涂层印刷厚度15±6微米；固化温度190～210℃、固化时间为10～30分钟。
采用HWF-900B红外碳硫分析仪、紫外分光光度计、ICP光谱分析，按照 GB/T14203-1993《钢铁及合金光电发射光谱分析法通则》、GB/T20123-2006 《钢铁总碳硫含量的测定高频感应炉燃烧后红外吸收法(常规方法)》、GB/T 223.5-2008《钢铁及合金化学分析方法还原型硅钼酸盐光度法测定酸溶硅含量》、GB/T233.59-2008《钢铁及合金磷含量的测定铋磷钼蓝分光光度法和锑磷钼蓝分光光度法》、GB/T223.63-1988《钢铁及合金化学分析方法高碘酸钠(钾)光度法测定锰量》、GB/T223.19-1989《钢铁及合金化学分析方法新亚铜灵—三氯甲烷萃取光度法测定铜量》和GB/T20125-2006《低合金钢中多元素的测定电感耦合等离子发射光谱法》标准，检测本发明实施例1制备得到的钢质活塞的成分。
检测结果为，实施例1制备得到的钢质活塞的成分为：C：0.39wt％，Si： 0.55wt％，P：0.016wt％，S：0.03wt％，Cu：0.38wt％，Mn：1.58wt％，氮： 0.026wt％，钒：0.21，钛：0.06余量为铁。
对实施例1制备得到钢质活塞进行布什硬度检测为288HBW。
对实施例1制备得到钢质活塞进行金相组织检测，检测结果如图1和图2所示，通过对金相组织分析可知，本发明实施例1制备得到的活塞的基体组织为细片状珠光体+富铜铁素体+不大于10％的贝氏体、马氏体和富铜残余奥氏体组成。
采用万能材料试验机WDW-300，按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》的标准，测试本发明实施例1制备得到的钢质活塞的抗拉强度，检测结果为910MPa，屈服强度为689MPa，截面收缩率41％，延伸率大于13％。
采用DLF-1300型号的导热率测试仪，按照ASTME228-2006《用推杆膨胀计测定固体材料线性热膨胀系数的标准试验方法》标准，检测本发明实施例1 制备得到的活塞的导热性能，检测结果如表1所示。
表1本发明实施例1制备得到的活塞的导热性能
Figure RE-GDA0002008683900000111
按照GB6458-86《盐雾试验国家标准》，测试本发明实施例1制备得到的钢质活塞的耐蚀性，检测结果为，本发明实施例1制备得到的活塞在12小时中性盐雾中不生锈。
实施例2
将碳、硅、磷、硫、锰、铜、铅和铁进行配料，准确称取各原料进行熔炼，熔炼温度为1580～1600℃，熔炼后，将得到的合金液进行吹氧造渣，使磷、硫等元素降至要求的成分范围之内，并进行扒渣处理，进行连铸连轧，轧制温度1150～1250℃，轧制后空冷至室温。
在本实施例中，活塞头部、活塞裙部的坯料进行锻造成型。锻坯加热温度为1200～1300℃。锻造过程中的终锻温度1100～1200℃。锻造过程中模具的预热温度200～300℃。
在实施例锻造之后的冷却过程中，控制冷却的方法为：
将锻坯进行喷雾冷却的方式快速冷却至600～650℃，然后空冷至室温，得到钢质活塞头部、裙部毛坯。喷雾冷却至610～620℃；室温的温度为10～40℃。
得到钢质活塞毛坯后，对钢质活塞头部、裙部毛坯进行粗加工。后将活塞头部、活塞裙部半成品进行摩擦焊接，得到钢质活塞半成品。
在本实施例中，焊接前对活塞头部、活塞裙部的焊接面进行清洗；摩擦焊接设备为摩擦焊机，焊接温度为1000～1200℃；焊机飞轮的转速为900～1200 U/min；焊机顶锻压力100～200bar；焊机顶锻压力持续时间3秒；活塞焊接前后的缩短量3～4mm。
在本实施例中，摩擦焊接完成后，对活塞半成品进行退火处理，退火温度450～550℃；退火时间60～120分钟；且本实施例将焊接后的活塞半成品进行精加，使活塞环槽面位于焊接热影响区之外，改善环槽区域的加工性能。
在本实施例中，对清洗后的活塞进行整体磷化处理，磷化处理的过程包括超声波脱脂、水洗、酸洗除锈、硅烷处理、水洗、活化(表调)、磷化、水洗、烘干等步骤。磷化处理过程的超声波脱脂溶剂为脱脂剂，温度为 60～70℃，时间为3～5分钟；磷化处理过程的水洗温度为室温，时间为3～5分钟；磷化处理过程的酸洗溶液为酸洗剂，温度为室温，时间为1～3分钟；磷化处理过程的表调溶液为表调剂，温度为室温，时间为1～3分钟；磷化处理过程的磷化溶液为磷化液，温度为90～100℃，时间为5～10分钟；磷化处理过程的烘干温度为70～80℃，时间为3～5分钟。经过磷化处理的活塞磷化层厚度为6±2微米，结晶结构小于20微米，表面粗糙度为3～5，蚀刻厚度1～3微米。
在本发明中，磷化之后的活塞进行纳米涂层印刷，印刷方式采用筛网印刷，印刷环境温度25±5℃，湿度＜50RH％，过程包括预冷处理、涂层印刷、固化处理等步骤；预冷处理温度20±5℃；涂层印刷厚度15±6微米；固化温度190～210℃、固化时间为10～30分钟。
按照实施例1的方法测试实施例2制备得到活塞的成分，检测结果为，本发明实施例2制备得到的活塞的成分为：C：0.38wt％，Si：0.59wt％，P：0.013wt％， S：0.028wt％，Cu：0.41wt％，Mn：1.69wt％，氮：0.022wt％，钒：0.20，钛： 0.05,余量为铁。
对实施例2制备得到钢质活塞进行硬度检测为298HBW。
对实施例2制备得到钢质活塞进行金相组织检测，通过对金相组织分析可知，本实施例2制备得到的钢质活塞的基体组织为珠光体+富铜铁素体+不大于 10％的贝氏体、马氏体和富铜残余奥氏体组成。
采用万能材料试验机WDW-300，按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》的标准，测试本实施例2制备得到的钢质活塞的抗拉强度，检测结果为，本实施例2制备得到的钢质活塞的抗拉强度为920MPa，屈服强度为780 MPa，截面收缩率46％，延伸率14％。
按照实施例1的方法对本实施例2制备得到的钢质活塞的导热性能和耐蚀性进行检测，检测结果为，耐蚀性能为12.5小时中性盐雾中不生锈。
采用DLF-1300型号的导热率测试仪，按照ASTME228-2006《用推杆膨胀计测定固体材料线性热膨胀系数的标准试验方法》标准，检测本发明实施例1 制备得到的活塞的导热性能，检测结果如表2所示。
表2本发明实施例2制备得到的活塞的导热性能
Figure RE-GDA0002008683900000131
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (17)

1.一种钢质活塞，其特征在于，其组分和重量百分比为：C：0.3～0.45wt％、Si：0.5～1.0wt％、P：0～0.025wt％、S：0.02～0.1wt％、Mn：1.2～2.0wt％、Cu：0.1～1.0wt％、N：0.01～0.05wt％、V：0.08～0.2wt％、Ti：0.01～0.03wt％、Al：0.01～0.03wt％，其他余量为Fe；
硬度250～310HBW；基体组织由细片状珠光体+铁素体+不大于10％的贝氏体、马氏体和残余奥氏体组成；网状铁素体晶粒度大于4级。
2.根据权利要求1所述的钢质活塞，其特征在于，所述C的百分比为0.34～0.41wt％，所述Si的百分比为0.5～0.7wt％，所述S的百分比为0.02～0.5wt％，所述Mn的百分比为1.2～1.7wt％，所述Cu的百分比为0.4～0.6wt％，所述N的百分比为0.01～0.02wt％，所述V的百分比为0.1～0.2wt％，所述Ti的百分比为0.01～0.018wt％。
3.一种钢质活塞的制备方法，其特征在于，包括步骤：
1)将碳源、硅源、磷源、硫源、锰源、铜源、氮源、钒源、钛源和铁源，按照C：0.3～0.45wt％、Si：0.5～1.0wt％、P：0～0.025wt％、S：0.02～0.1wt％、Mn：1.2～2.0wt％、Cu：0.1～1.0wt％、N：0.01～0.05wt％、V：0.08～0.2wt％、Ti：0.01～0.03wt％、Al：0.01～0.03wt％，其他余量为Fe的组分和重量百分比进行配料后，经熔炼、脱氧和热轧，得到合金棒材；
2)将所述合金棒材分割为预定规格的坯料，将所述坯料加热至第一加热温度，并保温第一保温时间，获得热处理后的坯料；
3)将热处理后的所述坯料进行锻造，并分别成型获得活塞头部和活塞裙部，获得活塞坯料；
4)将所述活塞坯料中活塞头部和活塞裙部进行粗加工，将粗加工后的活塞头部和活塞裙部焊接为一体形成半成品的活塞；
5)将半成品的所述活塞退火处理，并通过精加工获得精加工的活塞；
6)将精加工后的所述活塞进行整体磷化处理，获得磷化处理后的活塞；
7)将磷化处理后的所述活塞进行纳米涂层印刷及固化处理，获得成品活塞。
4.根据权利要求3所述的钢质活塞的制备方法，其特征在于，半成品的所述活塞的活塞环槽面位于所述活塞的焊接热影响区之外。
5.根据权利要求3所述的钢质活塞的制备方法，其特征在于，所述熔炼、脱氧和热轧的过程包括熔化、氧化、脱氧脱硫、炉外精炼、浇铸及轧制工艺。
6.根据权利要求3所述的钢质活塞的制备方法，其特征在于，所述第一加热温度为1200～1240℃。
7.根据权利要求3所述的钢质活塞的制备方法，其特征在于，所述步骤3)还包括，将锻造后的所述活塞坯料通过喷雾冷却的方式快速冷却至600～650℃，然后空冷至室温的控制冷却工艺，得到具有活塞头部、裙部的活塞坯料。
8.根据权利要求7所述的钢质活塞的制备方法，其特征在于，所述控制冷却的快速冷却温度为610～620℃，所述室温为10～40℃。
9.根据权利要求3所述的钢质活塞的制备方法，其特征在于，半成品的所述活塞的焊接方式为摩擦焊接或激光焊接。
10.根据权利要求3所述的钢质活塞的制备方法，其特征在于，所述退火处理的退火温度为450～550℃，退火时间为90～120min。
11.根据权利要求3所述的钢质活塞的制备方法，其特征在于，所述磷化处理的磷化温度为90～100℃，磷化处理时间为7～10min。
12.根据权利要求11所述的钢质活塞的制备方法，其特征在于，所述磷化处理的磷化厚度为4～8μm，结晶结构小于20μm，粗糙度为0.3～0.8，蚀刻厚度为1～3μm。
13.根据权利要求3所述的钢质活塞的制备方法，其特征在于，所述纳米涂层印刷包括冷处理、涂层印刷、固化处理工艺。
14.根据权利要求13所述的钢质活塞的制备方法，其特征在于，所述冷处理的温度为20～30℃，处理时间为12～15min。
15.根据权利要求13所述的钢质活塞的制备方法，其特征在于，所述涂层印刷的厚度为9～21μm。
16.根据权利要求13所述的钢质活塞的制备方法，其特征在于，所述固化处理的固化温度为190～210℃。
17.根据权利要求13所述的钢质活塞的制备方法，其特征在于，所述纳米涂层印刷的涂层成分包括TiO2纳米颗粒、石墨、粘结剂、悬浮剂。
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