CN113122771B - 一种高性能摩擦焊接钢质活塞及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高性能摩擦焊接钢质活塞及其制备方法，活塞以重量百分比计：C0.3～0.45％、Si0.5～1.0％、P0～0.025％、S0.02～0.1％、Mn1.2～2.0％、Cu0.1～1.0％、N0.03～0.05％、V0.08～0.2％、Ti0.01～0.05％，Al0.01～0.03％，Nb0.08～0.1％，余量Fe。钢质活塞通过加入氮、钒、钛、铌元素，在锻造过程中形成含碳化物氮化物等质点固溶强化，并细化晶粒，从而显著提升材料的强度、硬度。加入硫、锰形成硫化锰质点改善切削性能，无需进行额外的热处理即可达到高性能活塞要求的强度、硬度。活塞的工作面具有良好耐磨性、减磨性及抗热疲劳性能。

Description

一种高性能摩擦焊接钢质活塞及其制备方法
技术领域
本发明属于发动机配件技术领域，尤其涉及一种高性能摩擦焊接钢质活塞及其制备方法。
背景技术
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提供动力，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，直接与高温燃气接触，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，同时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，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。
然而现有技术中钢质活塞的摩擦性不能满足使用环境，急需开发一种具有良好耐磨性的活塞。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高性能摩擦焊接钢质活塞及其制备方法，该钢质活塞具有良好的可靠性、减磨性、耐磨性。
本发明提供了一种高性能摩擦焊接钢质活塞，以重量百分比计：C：0.3～0.45％、Si：0.5～1.0％、P：0～0.025％、S：0.02～0.1％、Mn：1.2～2.0％、Cu：0.1～1.0％、N：0.03～0.05％、V：0.08～0.2％、Ti：0.01～0.05％，Al：0.01～0.03％，Nb：0.08～0.1％，余量为Fe。
优选地，所述钢质活塞中V：0.08～0.12％和Ti：0.011～0.03％。
本发明提供了一种上述技术方案所述钢质活塞的制备方法，包括以下步骤：
1)配备原料，所述原料在1650～1800℃下熔炼得到钢水；所述钢水包括C：0.3～0.45％、Si：0.5～1.0％、P：0～0.025％、S：0.02～0.1％、Mn：1.2～2.0％、Cu：0.1～1.0％、N：0.03～0.05％、V：0.08～0.2％、Ti：0.01～0.05％，Al：0.01～0.03％，Nb：0.08～0.1％，余量为Fe；将所述钢水脱氧后采用铜模水冷形成钢坯，再热轧空冷，得到棒料；
2)将所述棒料加热锻造后阶梯式保温，空冷，分别得到活塞头部锻件和裙部锻件；
3)将所述活塞头部锻件和裙部锻件粗加工后，在氮气保护下二阶摩擦焊接和去应力退火，得到活塞毛坯；
4)将所述活塞毛坯精加工，锰磷共渗和印刷纳米涂层，得到钢质活塞。
优选地，所述步骤1)中铜模水冷的来水时间为1～3s，激水时间为80～100s，还原时间为100～120s；控制钢坯的温度为1200～1300℃；
所述热轧的温度为1100～1250℃。
优选地，所述步骤2)锻造中棒料的表面温度为1200～1250℃，棒料芯部的温度为1000℃以上；锻造的比为3～5；
所述阶梯式保温的第一段温度为640～660℃、第二段为590～610℃、第三段为540～560℃，保温的时间为2～5小时。
优选地，所述步骤3)中粗加工前，活塞头部锻件和裙部锻件分别加工出一半冷却油道；
所述活塞头部锻件和裙部锻件粗加工后的焊接表面粗糙度Rz小于7，焊接面边缘增加R0.5～1.0mm的圆弧倒角，焊接面的尺寸公差达到±0.05mm。
优选地，所述氮气保护下二阶摩擦焊接的氮气流量为8～10L/m3，压力为0.8～1MPa；第一阶的压力为260±10Bar，第二阶的压力为90±5Bar，保压时间为2～8s；
去应力退火时氮气的流量为8～12L/m3，压力为0.25～0.5MPa；；采用步进轨道式退火炉，1区设定温度650±15℃，2区设定温度620±10℃，3区设定温度600±10℃，4区设定温度600±10℃，5区设定温度600±10℃；氮气吹扫时间3600秒，循环时间200～225秒。
优选地，所述锰磷共渗后形成粗糙度Rz为2.5～4.5的活塞裙部表面，锰磷共渗层的厚度为6±4μm；纳米涂层的厚度为16±5μm。
优选地，所述二阶摩擦焊接时，预顶锻支承肩的宽度为3～6mm，支承肩的厚度为2～3mm，焊接面的宽度为6～12mm，焊接面距离端面高度控制在25～35mm；头部、裙部的内焊接面为R18±5mm的圆弧。
优选地，所述钢质活塞包括活塞头部和活塞裙部；
所述活塞头部和活塞裙部采用氮气保护二阶摩擦焊接技术连接；
内焊接面的焊接量为2.0±0.4mm；外焊接面的焊接量为3.0±0.4mm。
本发明提供了一种高性能摩擦焊接钢质活塞，以重量百分比计：C：0.3～0.45％、Si：0.5～1.0％、P：0～0.025％、S：0.02～0.1％、Mn：1.2～2.0％、Cu：0.1～1.0％、N：0.03～0.05％、V：0.08～0.2％、Ti：0.01～0.05％，Al：0.01～0.03％，Nb：0.08～0.1％，余量为Fe。本发明提供的钢质活塞通过在钢材中加入氮、钒、钛、铌元素，在锻造过程中形成含碳化物氮化物质点，如碳化物、氮化物、铜等质点，固溶强化，并细化晶粒，从而显著提升材料的强度、硬度。另外，加入硫、锰元素形成硫化锰质点改善切削性能，该材料无需进行额外的热处理即可达到高性能活塞要求的强度、硬度，满足当前发动机大爆发压力、缸内直喷等严苛的技术要求。该钢质活塞还具有高的焊接强度、低的热影响区宽度、超低的焊接量，低氧化、低应力，良好的切削加工性能，且该活塞的工作面具有良好的耐磨性、减磨性及抗热疲劳性能，可以有效地提高活塞的使用寿命、明显地减少活塞因磨损、腐蚀、热疲劳等失效而更换的频次，从而进一步提高柴油发动机的爆发压力及降低发动机高度、重量，提高发动机的使用寿命，起到节能减排的良好效果。实验结果表明：钢质活塞的硬度为256～280HB，弹性模量为200～220GPa，抗拉强度大于950MPa，屈服强度大于750MPa，延伸率为14～16％，截面收缩率为40～49％，采用UMT-3摩擦磨损试验机模拟发动机真实工况进行缸-环配副性试验，检测本发明提供的钢质活塞的富油状态摩擦系数约为0.13，而普通钢质活塞约为0.14；磨损量为0.018～0.025g。
附图说明
图1为本发明制备钢质活塞的工艺流程图；
图2为本发明提供的活塞放大100倍的金相图；
图3为本发明提供的活塞放大500倍的金相图；
图4为带氮气通道的工装及设备；
图5为本发明实施例1制得的钢质活塞的照片图；
图6为钢质活塞热影响区的检测结果；
图7为钢质活塞的折弯试验检测结果；
图8为焊接区域硬度检测位置说明；
图9为活塞油道位置的取样检测结果；
图10为本发明实施例3的特殊二阶摩擦焊接的工艺曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种高性能摩擦焊接钢质活塞，以重量百分比计：C：0.3～0.45％、Si：0.5～1.0％、P：0～0.025％、S：0.02～0.1％、Mn：1.2～2.0％、Cu：0.1～1.0％、N：0.03～0.05％、V：0.08～0.2％、Ti：0.01～0.05％、Al：0.01～0.03％、Nb：0.08～0.1％，余量为Fe。
本发明提供的钢质活塞通过在钢材中加入氮、钒、钛、铌元素，在锻造过程中形成含氮碳化物质点，固溶强化，并细化晶粒，从而显著提升材料的强度、硬度。另外，加入硫、锰元素形成硫化锰质点改善切削性能，该材料无需进行额外的热处理即可达到高性能活塞要求的强度、硬度，满足当前发动机大爆发压力、缸内直喷等严苛的技术要求。
在本发明中，所述V优选为0.08～0.12％和Ti优选为0.011～0.03％。
在本发明中，所述钢质活塞中优选包括N：0.05wt％、V：0.12wt％、Ti：0.016wt％、Nb：0.08wt％；
或所述钢质活塞中优选包括N：0.012wt％、V：0.085wt％、Ti：0.011wt％和Nb：0.1wt％；
或所述钢质活塞中优选包括N：0.05wt％、V：0.08wt％、Ti：0.03wt％、Nb：0.08wt％；
或所述钢质活塞中优选包括N：0.03wt％、V：0.11wt％、Ti：0.03wt％、Nb：0.1wt％。
在具体实施例中，钢质活塞的组成为：C：0.41wt％、Si：0.72wt％、P：0.02wt％、S：0.04wt％、Mn：2.0wt％、Cu：0.60wt％、N：0.05wt％、V：0.12wt％、Ti：0.016wt％、Al：0.01wt％，Nb：0.08wt％，余量为Fe；
或钢质活塞的组成为：C：0.35wt％、Si：0.51wt％、P：0.01wt％、S：0.021wt％、Mn：1.22wt％、Cu：1.0wt％、N：0.012wt％、V：0.085wt％、Ti：0.011wt％、Al：0.021wt％，Nb：0.1wt％其他余量为Fe；
或钢质活塞的组成为：C：0.31wt％、Si：0.88wt％、P：0.021wt％、S：0.04wt％、Mn：1.22wt％、Cu：0.78wt％、N：0.05wt％、V：0.08wt％、Ti：0.03wt％、Al：0.01wt％，Nb：0.08wt％，余量为Fe；
或钢质活塞的组成为：C：0.45wt％、Si：0.52wt％、P：0.025wt％、S：0.02wt％、Mn：1.99wt％、Cu：0.89wt％、N：0.03wt％、V：0.11wt％、Ti：0.03wt％、Al：0.03wt％，Nb：0.1wt％，余量为Fe。
本发明提供了一种上述技术方案所述钢质活塞的制备方法，包括以下步骤：
1)配备原料，所述原料在1650～1800℃下熔炼得到钢水；所述钢水包括C：0.3～0.45％、Si：0.5～1.0％、P：0～0.025％、S：0.02～0.1％、Mn：1.2～2.0％、Cu：0.1～1.0％、N：0.03～0.05％、V：0.08～0.2％、Ti：0.01～0.05％，Al：0.01～0.03％，Nb：0.08～0.1％，余量为Fe；将所述钢水脱氧后采用铜模水冷形成钢坯，再热轧空冷，得到棒料；
2)将所述棒料加热锻造后阶梯式保温，空冷，分别得到活塞头部锻件和裙部锻件；
3)将所述活塞头部锻件和裙部锻件粗加工后，在氮气保护下二阶摩擦焊接和去应力退火，得到活塞毛坯；
4)将所述活塞毛坯精加工，锰磷共渗和印刷纳米涂层，得到钢质活塞。
本发明配备原料，所述原料在1650～1800℃下熔炼得到钢水；将所述钢水脱氧后采用铜模水冷形成钢坯，再热轧空冷，得到棒料。本发明优选采用电弧炉熔炼，熔炼好的钢水优选静置10～20min。本发明采用铜模水冷将钢水形成钢坯，将所述钢坯输送到轧制机进行热轧空冷。所述热轧的温度为1100～1250℃。所述铜模优选先预热，所述预热的温度为300～500℃，来水时间为1～3s，激水时间为80～100s，还原时间为100～120s；控制钢坯的温度为1200～1300℃。轧制后空冷并进行精整，得到直径为60±2mm的棒料。
具体实施例中，制备棒料的过程包括：
矿石烧结(氧化还原反应)→高炉铁水(放射性物质检测)→铁水(50％)+废钢(50％)→100TEAF直流电弧炉(氧化脱碳)→100TLF(精炼加入合金元素、去除杂质、同时氩气搅拌、用氧化铝沉淀脱氧，温度在1550摄氏度)→100TVD(真空脱氢，用定氢仪检测氢含量)→R12mCCM(光谱仪和碳硫仪控制化学成份，该工序用铜模水冷钢坯，大约50分钟左右钢坯冷却到室温)→步进式加热炉(加热到1200℃左右)→连轧机(自然风冷，非金属夹渣在这个工序检测)→精整(控制尺寸和外观)→棒料。
得到棒料后，本发明将所述棒料加热锻造后阶梯式保温，冷却，分别得到活塞头部锻件和裙部锻件。本发明在60吨的锻压机上完成锻造。锻造中棒料的表面温度为1200～1250℃，棒料芯部的温度为1000℃以上；通过辊道输送至锻造机，先进行预锻，再进行终锻，锻造比为3～5。锻造后冲孔，转移至步进式(每100-225秒时间炉传送带向前走一个工位)恒温炉中阶梯式保温处理；所述阶梯式保温的第一段温度优选为640～660℃，第二段为590～610℃、第三段为540～560℃，总的保温时间为2～5小时。具体实施例中，所述阶梯式保温的第一段温度为650℃，第二段为600℃，第三段为550℃，第一段的保温时间为0.7h、1h、1.2h或1.5h，第二段的保温时间为0.7h、1h、1.2h或1.5h，第三段的保温时间为0.7h、1h、1.2h或1.5h，保温后空冷至室温。在本发明中，阶梯式保温后空冷形成头部锻件和裙部锻件。
本发明将所述活塞头部锻件和裙部锻件粗加工后，在氮气保护下二阶摩擦焊接和去应力退火，得到活塞毛坯。本发明预先在活塞头部和活塞裙部加工出一半冷却油道再粗加工。所述活塞头部锻件和裙部锻件粗加工后的焊接表面粗糙度Rz小于7，焊接面边缘增加R0.5～1.0mm的圆弧倒角，焊接面的尺寸公差达到±0.05mm，内焊接面为R18±5的圆弧(改善摩擦焊接时焊接面金属紊流状态，从而改善焊接飞边质量消除飞边焊渣)。
在本发明中，所述氮气保护下二阶摩擦焊接的氮气流量为8～10L/m3，压力为0.8～1MPa；转速1205±25rpm，第一阶的压力为260±10Bar，第二阶的压力为90±5Bar，保压时间为2～8s。二阶摩擦焊接前优选将活塞头部和活塞裙部清洗，保证清洁度，其中杂质最大颗粒小于850微米，杂质的重量小于15毫克。所述二阶摩擦焊接时，预顶锻支承肩的宽度为3～6mm，支承肩的厚度为2～3mm，焊接面的宽度为6～12mm，焊接面距离端面高度控制在25～35mm；头部、裙部的内焊接面为R18±5mm的圆弧。
在本发明中，氮气气氛下去应力退火，氮气的流量为8～12L/m3，压力为0.25～0.5MPa；采用步进轨道式退火炉，1区设定温度650±15℃，2区设定温度620±10℃，3区设定温度600±10℃，4区设定温度600±10℃，5区设定温度600±10℃；氮气吹扫时间3600秒，循环时间220～225秒；所述去应力退火包括加热区域、保温区域和冷却区域，其中1区和2区为加热区域，3区、4区和5区为保温区域，加热区域和保温区域的氮气流量10～12m3/h，冷却区域的氮气流量8～10m3/h。氮气的纯度在99.999％以上。
得到活塞毛坯后，本发明优选将所述活塞毛坯精加工，加工后活塞裙部表面、一环岸的表面粗糙度Rz为2-4，锰磷共渗和印刷纳米涂层，得到钢质活塞。本发明通过将所述活塞毛坯精加工形成裙部外圆具有特殊型线的销孔和外圆的半成品；再将所述半成品锰磷共渗和涂布纳米涂层，得到钢质活塞。在本发明中，所述锰磷共渗后形成粗糙度Rz为2.5～4.5的活塞裙部表面，锰磷共渗层的厚度为6±4μm；纳米涂层的厚度为16±5μm。所述纳米涂层的组分包括：2-5％TiO2纳米颗粒、30-40％石墨、20-30％粘结剂和余量悬浮剂；所述悬浮剂选自醇基悬浮剂，所述悬浮剂优选选自聚乙稀醇缩丁醛(PVB)。
在本发明中，所述钢质活塞包括活塞头部和活塞裙部；
所述活塞头部和活塞裙部采用氮气保护二阶摩擦焊接技术连接；
内焊接面的焊接量为2.0±0.4mm；外焊接面的焊接量为3.0±0.4mm。
本发明提供的制备钢质活塞的工艺无需热处理，通过控制终锻温度及锻后冷却速度达到要求的力学性能。本发明制备的钢质活塞的组织高温稳定性好、耐磨性好，成本低。
本发明采用ASTM E10-01《金属材料布氏硬度标准检验方法》测试钢质活塞的硬度；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，测试本发明制备得到的钢质活塞的力学性能。采用UMT-3摩擦磨损试验机模拟发动机真实工况进行缸-环配副性试验，检测钢质活塞的富油状态摩擦系数；
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种高性能摩擦焊接钢质活塞及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
图1为本发明制备钢质活塞的工艺流程图:原材料熔炼→热轧空冷-棒料检验→棒料感应加热→棒料的锻造→锻件控制冷却→头裙毛坯检验→头裙的粗加工→新型摩擦焊接→焊后退火→焊接质量检验→活塞的精加工→表面处理→检验包装。
一种新型高性能摩擦焊接钢质活塞及其生产工艺；所述新型高性能摩擦焊接钢质活塞的化学组成按如下重量百分比计(％)：C：0.41wt％、Si：0.72wt％、P：0.02wt％、S：0.04wt％、Mn：2.0wt％、Cu：0.60wt％、N：0.05wt％、V：0.12wt％、Ti：0.016wt％、Al：0.01wt％，Nb：0.08wt％，余量为Fe；
上述新型高性能摩擦焊接钢质活塞的制备工艺，包括以下步骤：
步骤1、具体的熔炼过程：矿石烧结(氧化还原反应)→高炉铁水(放射性物质检测)→铁水(50％)+废钢(50％)→100TEAF直流电弧率炉(氧化脱碳)→100TLF(精炼加入合金元素、去除杂质、同时氩气搅拌、用氧化铝沉淀脱氧，温度在1550℃)→100TVD(真空脱氢，用定氢仪检测氢含量)→R12mCCM(光谱仪和碳硫仪控制化学成份，该工序用铜模水冷钢坯，模具预热温度300～500℃，来水时间1～3秒，激水时间80～100秒，还原时间100-120秒，控制钢坯温度1200～1300℃，大约50分钟左右钢坯冷却到室温)→步进式加热炉(加热到1200℃左右)→连轧机(自然风冷，非金属夹渣在这个工序检测)→精整(控制尺寸和外观)→直径为60±2mm的棒料。
步骤2、经过熔炼及热轧空冷形成的棒料经过中频感应加热，加热温度1200℃，保证棒料芯部温度在1000℃以上，通过辊道输送至锻压机，先进行预锻、再终锻，锻造比3，锻造后冲孔，然后转移至恒温炉中进行保温处理，保温温度为阶梯式，第一段650℃、第二段600℃、第三段550℃，第一段保温时间为1.5小时，第二段保温时间为1.5小时，第三段保温时间为1.5小时，保温后空冷至室温，得到头部毛坯及裙部毛坯；
头部毛坯硬度为256HBW，及裙部毛坯的硬度261HBW；参见图2和图3，图2为本发明提供的活塞头部毛坯放大100倍的金相图，图3为本发明提供的活塞头部毛坯放大500倍的金相图，由图2和图3可以看出：基体组织由细片状珠光体+铁素体+不大于10％的贝氏体、马氏体和富铌和铜的残余奥氏体组成；网状铁素体晶粒度大于4级，钢质活塞头裙的抗拉强度大于900MPa、屈服强度大于650MPa，延伸率大于12％，截面收缩率大于40％；通过Mn含量控制减小珠光体之间的片间距，并通过Mn和S结合形成弥散分布的MnS改善钢质活塞的切削性能，降低加工成本。
步骤3、活塞头部、裙部锻件预先加工出一半冷却油道，经过粗加工后：焊接表面粗糙度Rz小于7，焊接面边缘增加R0.8mm的圆弧倒角，焊接面的尺寸公差可以达到0.05mm以内，焊接面为R22的圆弧。
步骤4、活塞头部、裙部加工好之后，采用氮气保护特殊二阶摩擦焊接技术，图4为带氮气通道的工装及设备，在工装及设备上开氮气通道，在焊接的整个过程中，通过活塞油孔向内冷油道内不断通入氮气，氮气流量10m3/h，压力0.85MPa，纯度99.999％以上，其中，二阶摩擦焊接工艺参数：转速1205rpm，一阶压力为270Bar，二阶压力为85Bar，保压时间为6秒，内焊接量缩短量为2.0mm，外焊接面缩短量为3.1mm，采用此特殊二阶摩擦焊的目的为减小摩擦焊第二阶顶锻压力，改善飞边质量；具体焊接过程第一步，将活塞头部、裙部装进图4所示的工装并夹紧，头部不动，裙部及滑台以一定速度靠近头部碰撞后离开约3mm；第二步，头部及飞轮加速至设定转速，然后断开驱动源；第三步，裙部在预定的第一阶压力下与头部接触并摩擦产生热量，使活塞头部及裙部焊接面部位温度达到1200℃左右；在高温及挤压力的作用下，活塞的总高度不断减小；第四步，飞轮的转速降低至0，活塞高度约减小至3.5±0.4mm，此时，再施加第二阶段预定压力进行顶锻，并保持此压力6秒，随后压力减小至0，夹具松开、取下活塞焊接完成。
步骤5、焊接后的活塞热应力及组织应力较大，必须经过去应力退火使其应力减小或消除，具体的氮气保护处理过程为：第一步，打开氮气阀门及设备，按照表1设定参数，升温；第二步，温度至工艺要求之后，炉膛充满氮气需要6小时；第三步，随后开机进行氮气保护摩擦焊接，焊接完成后放入退火炉口，每隔225秒传送带向前走一排活塞的距离；第四步，焊接后活塞依次经过1区至5区加热及保温区，随后进入氮气冷却区，整个流程需要5小时。
表1氮气保护去应力退火工艺参数设定
氮气吹扫时间 6小时
循环时间 225seconds
加热时氮气流量 12m<sup>3</sup>/h
冷却时氮气流量 10m<sup>3</sup>/h
冷却风机转速 2000±5转/M
活塞出料温度 ≤200℃
1区设定温度、实际温度、曲线记录仪温度 650±15℃
2区设定温度、实际温度、曲线记录仪温度 620±10℃
3区设定温度、实际温度、曲线记录仪温度 600±10℃
4区设定温度、实际温度、曲线记录仪温度 600±10℃
5区设定温度、实际温度、曲线记录仪温度 600±10℃
步骤6、退火后的活塞经过精加工及表面锰磷共渗后，再进行丝网印刷纳米涂层后，得到新型超低压缩高摩擦焊钢质活塞。
图5为本发明实施例1制得的钢质活塞的照片图。
本发明对钢质活塞进行热影响区宽度检测，结果见图6，图6为热钢质活塞热影响区的检测结果，经检验其最大热影响区宽度为4.7mm左右，比国内及国际最好水平6mm降低10％以上；焊接缩短量3mm，可明显增加切削刀具的使用寿命，提高材料利用率，降低生产及原材料成本。
本发明对钢质活塞进行折弯试验，图7为钢质活塞的折弯试验检测结果，经检验焊缝区的焊接强度明显高于非焊接区域，即经过切割取样进行折弯试验，折弯至90度不断裂或从非焊接区域断裂。
本发明经过对焊接区域显微硬度进行检测分析，焊缝区域硬度小于450HV，经过感应热处理后，表层焊接飞边硬度区域硬度降至300HV；该项技术的应用去飞边刀具寿命提高50％以上，大幅度地降低了生产加工成本。图8为焊接区域硬度检测位置说明。
本发明对焊接退火后的活塞沿油道位置切割两半进行检测，表面无脱碳层，无明显的氧化皮，基本为金属本色，如图9所示，图9为活塞油道位置的取样检测结果；由图9可以看出：左边图无氮气保护的活塞油道表面氧化严重；右边增加氮气保护的活塞油道表面无氧化。
实施例2
一种新型高性能摩擦焊接钢质活塞及其生产工艺；所述新型高性能摩擦焊接钢质活塞的化学组成按如下重量百分比计(％)：C：0.35wt％、Si：0.51wt％、P：0.01wt％、S：0.021wt％、Mn：1.22wt％、Cu：1.0wt％、N：0.012wt％、V：0.085wt％、Ti：0.011wt％、Al：0.021wt％，Nb：0.1wt％，余量为Fe；
上述新型高性能摩擦焊接钢质活塞的制备工艺，包括以下步骤：
步骤1、具体的熔炼过程：矿石烧结(氧化还原反应)→高炉铁水(放射性物质检测)→铁水(50％)+废钢(50％)→100TEAF直流电弧率炉(氧化脱碳)→100TLF(精炼加入合金元素、去除杂质、同时氩气搅拌、用氧化铝沉淀脱氧，温度在1550℃)→100TVD(真空脱氢，用定氢仪检测氢含量)→R12mCCM(光谱仪和碳硫仪控制化学成份，该工序用铜模水冷钢坯，模具预热温度300～500℃，来水时间1～3秒，激水时间80-100秒，还原时间100-120秒，控制钢坯温度1200～1300℃，大约50分钟左右钢坯冷却到室温)→步进式加热炉(加热到1200℃左右)→连轧机(自然风冷，非金属夹渣在这个工序检测)→精整(控制尺寸和外观)→棒料成品。
步骤2、经过熔炼及热轧空冷形成的棒料经过中频感应加热，加热温度1200℃，保证棒料芯部温度在1000℃以上，通过辊道输送至锻压机，先进行预锻、再终锻，锻造比3.5，锻造后冲孔，然后转移至恒温炉中进行保温处理，保温温度为阶梯式，第一段650℃、第二段600℃、第三段550℃，第一段保温时间为0.7小时，第二段保温时间为0.7小时，第三段保温时间为0.7小时，保温后空冷至室温，得到头部毛坯及裙部毛坯；
头部毛坯硬度为266HBW，及裙部毛坯的硬度270HBW；基体组织由细片状珠光体+铁素体+不大于10％的贝氏体、马氏体和富铌和铜残余奥氏体组成；网状铁素体晶粒度大于4级，钢质活塞头裙的抗拉强度大于900MPa、屈服强度大于650MPa，延伸率大于12％，截面收缩率大于40％；通过Mn含量控制减小珠光体之间的片间距，并通过Mn和S结合形成弥散分布的MnS，改善钢质活塞的切削性能，降低加工成本。
步骤3、活塞头部、裙部锻件预先加工出一半冷却油道经过粗加工后：焊接表面粗糙度Rz小于7，焊接面边缘增加R0.6mm的圆弧倒角，焊接面的尺寸公差可以达到0.05mm以内，焊接面为R20的圆弧。
步骤4、活塞头部、裙部加工好之后，采用氮气保护特殊二阶摩擦焊接技术，其中，二阶摩擦焊接工艺参数：转速1200rpm，一阶压力为250Bar，二阶压力为95Bar，保压时间为3秒，内焊接量缩短量为2.4mm，外焊接面缩短量为3.4mm，焊接过程第一步，将活塞头部、裙部装进工装并夹紧，头部不动，裙部及滑台以一定速度靠近头部碰撞后离开约3mm；第二步，头部及飞轮加速至设定转速，然后断开驱动源；第三步，裙部在预定的第一阶压力下与头部接触并摩擦产生热量，使活塞头部及裙部焊接面部位温度达到1200℃左右；在高温及挤压力的作用下，活塞的总高度不断减小；第四步，飞轮的转速降低至0，活塞高度约减小至3.5±0.4mm，此时，再施加第二阶段预定压力进行顶锻，并保持此压力3秒，随后压力减小至0，夹具松开、取下活塞焊接完成。
步骤5、焊接后的活塞热应力及组织应力较大，必须经过去应力退火使其应力减小或消除，具体的氮气保护处理过程为：第一步，打开氮气阀门及设备，按照表1设定参数，升温；第二步，温度至工艺要求之后，炉膛充满氮气需要6小时；第三步，随后开机进行氮气保护摩擦焊接，焊接完成后放入退火炉口，每隔200秒传送带向前走一排活塞的距离；第四步，焊接后活塞依次经过1区至5区加热及保温区，随后进入氮气冷却区，整个流程需要5小时。
步骤6、退火后的活塞经过精加工及表面锰磷共渗后，再进行丝网印刷纳米涂层后，得到新型超低压缩高摩擦焊钢质活塞成品。
实施例3
一种新型高性能摩擦焊接钢质活塞及其生产工艺；所述新型高性能摩擦焊接钢质活塞的化学组成按如下重量百分比计(％)：C：0.31wt％、Si：0.88wt％、P：0.021wt％、S：0.04wt％、Mn：1.22wt％、Cu：0.78wt％、N：0.05wt％、V：0.08wt％、Ti：0.03wt％、Al：0.01wt％，Nb：0.08wt％，余量为Fe；
上述新型高性能摩擦焊接钢质活塞的制备工艺，包括以下步骤：
步骤1、具体的熔炼过程：矿石烧结(氧化还原反应)→高炉铁水(放射性物质检测)→铁水(50％)+废钢(50％)→100TEAF直流电弧率炉(氧化脱碳)→100TLF(精炼加入合金元素、去除杂质、同时氩气搅拌、用氧化铝沉淀脱氧，温度在1550℃)→100TVD(真空脱氢，用定氢仪检测氢含量)→R12mCCM(光谱仪和碳硫仪控制化学成份，该工序用铜模水冷钢坯，模具预热温度300～500℃，来水时间1～3秒，激水时间80-100秒，还原时间100-120秒，控制钢坯温度1200～1300℃，大约50分钟左右钢坯冷却到室温)→步进式加热炉(加热到1200℃左右)→连轧机(自然风冷，非金属夹渣在这个工序检测)→精整(控制尺寸和外观)→棒料成品。
步骤2、经过熔炼及热轧空冷形成的棒料经过中频感应加热，加热温度1200度，保证棒料芯部温度在1000℃以上，通过辊道输送至锻压机，先进行预锻、再终锻，锻造比3.5，锻造后冲孔，然后转移至恒温炉中进行保温处理，保温温度为阶梯式，第一段650℃、第二段600℃、第三段550℃，第一段保温时间为1小时，第二段保温时间为1小时，第三段保温时间为1小时，保温后空冷至室温，得到头部毛坯及裙部毛坯；
头部毛坯硬度为271HBW，及裙部毛坯的硬度275HBW；基体组织由细片状珠光体+铁素体+不大于10％的贝氏体、马氏体和富铌和铜的残余奥氏体组成；网状铁素体晶粒度大于4级，钢质活塞头裙的抗拉强度大于900MPa、屈服强度大于650MPa，延伸率大于12％，截面收缩率大于40％；通过Mn含量控制减小珠光体之间的片间距，并通过Mn和S结合形成弥散分布的MnS，改善钢质活塞的切削性能，降低加工成本。
步骤3、活塞头部、裙部锻件预先加工出一半冷却油道经过粗加工后：焊接表面粗糙度Rz小于7，焊接面边缘增加R0.5mm的圆弧倒角，焊接面的尺寸公差可以达到0.05mm以内，焊接面R16的圆弧。
步骤4、活塞头部、裙部加工好之后，采用氮气保护特殊二阶摩擦焊接技术，其中，二阶摩擦焊接工艺参数见图10，图10为本发明实施例3的特殊二阶摩擦焊接的工艺曲线图：转速1210rpm，一阶压力为260Bar，二阶压力为90Bar，保压时间为4秒，内焊接量缩短量为1.9mm，外焊接面缩短量为2.9mm，焊接过程第一步，将活塞头部、裙部装进工装并夹紧，头部不动，裙部及滑台以一定速度靠近头部碰撞后离开约3mm；第二步，头部及飞轮加速至设定转速，然后断开驱动源；第三步，裙部在预定的第一阶压力下与头部接触并摩擦产生热量，使活塞头部及裙部焊接面部位温度达到1200℃左右；在高温及挤压力的作用下，活塞的总高度不断减小；第四步，飞轮的转速降低至0，活塞高度约减小至3.5±0.4mm，此时，再施加第二阶段预定压力进行顶锻，并保持此压力4秒，随后压力减小至0，夹具松开、取下活塞焊接完成。
步骤5、焊接后的活塞热应力及组织应力较大，必须经过去应力退火使其应力减小或消除，具体的氮气保护处理过程为：第一步，打开氮气阀门及设备，按照表1设定参数，升温；第二步，温度至工艺要求之后，炉膛充满氮气需要6小时；第三步，随后开机进行氮气保护摩擦焊接，焊接完成后放入退火炉口，每隔210秒传送带向前走一排活塞的距离；第四步，焊接后活塞依次经过1区至5区加热及保温区，随后进入氮气冷却区，整个流程需要5小时。
步骤6、退火后的活塞经过精加工及表面锰磷共渗后，再进行丝网印刷纳米涂层后，得到新型超低压缩高摩擦焊钢质活塞成品。
实施例4
一种新型高性能摩擦焊接钢质活塞及其生产工艺；所述新型高性能摩擦焊接钢质活塞的化学组成按如下重量百分比计(％)：C：0.45wt％、Si：0.52wt％、P：0.025wt％、S：0.02wt％、Mn：1.99wt％、Cu：0.89wt％、N：0.03wt％、V：0.11wt％、Ti：0.03wt％、Al：0.03wt％，Nb：0.1wt％，余量为Fe；
上述新型高性能摩擦焊接钢质活塞的制备工艺，包括以下步骤：
步骤1、具体的熔炼过程：矿石烧结(氧化还原反应)→高炉铁水(放射性物质检测)→铁水(50％)+废钢(50％)→100TEAF直流电弧率炉(氧化脱碳)→100TLF(精炼加入合金元素、去除杂质、同时氩气搅拌、用氧化铝沉淀脱氧，温度在1550℃)→100TVD(真空脱氢，用定氢仪检测氢含量)→R12mCCM(光谱仪和碳硫仪控制化学成份，该工序用铜模水冷钢坯，模具预热温度300～500℃，来水时间1～3秒，激水时间80-100秒，还原时间100-120秒，控制钢坯温度1200～1300℃，大约50分钟左右钢坯冷却到室温)→步进式加热炉(加热到1200℃左右)→连轧机(自然风冷，非金属夹渣在这个工序检测)→精整(控制尺寸和外观)→棒料成品。
步骤2、经过熔炼及热轧空冷形成的棒料经过中频感应加热，加热温度1200℃，保证棒料芯部温度在1000℃以上，通过辊道输送至锻压机，先进行预锻、再终锻，锻造比4.5，锻造后冲孔，然后转移至恒温炉中进行保温处理，保温温度为阶梯式，第一段650℃、第二段600℃、第三段550℃，第一段的保温时间为1.2h，第二段的保温时间为1.2h，第三段的保温时间为1.2h，保温后空冷至室温，得到头部毛坯及裙部毛坯；
头部毛坯的硬度为280HBW，及裙部毛坯的硬度285HBW；基体组织由细片状珠光体+铁素体+不大于10％的贝氏体、马氏体和富铌和铜的残余奥氏体组成；网状铁素体晶粒度大于4级，钢质活塞头裙的抗拉强度大于900MPa、屈服强度大于650MPa，延伸率大于12％，截面收缩率大于40％；通过Mn含量控制减小珠光体之间的片间距，并通过Mn和S结合形成弥散分布的MnS，改善钢质活塞的切削性能，降低加工成本。
步骤3、活塞头部、裙部锻件预先加工出一半冷却油道经过粗加工后：焊接表面粗糙度Rz小于7，焊接面边缘增加R1.0mm的圆弧倒角，焊接面的尺寸公差可以达到0.05mm以内，焊接面为R23的圆弧。
步骤4、活塞头部、裙部加工好之后，采用氮气保护特殊二阶摩擦焊接技术，其中，二阶摩擦焊接工艺参数：转速1185rpm，一阶压力为265Bar，二阶压力为92Bar，保压时间为3秒，内焊接量缩短量为2.2mm，外焊接面缩短量为3.3mm，焊接过程第一步，将活塞头部、裙部装进工装并夹紧，头部不动，裙部及滑台以一定速度靠近头部碰撞后离开约3mm；第二步，头部及飞轮加速至设定转速，然后断开驱动源；第三步，裙部在预定的第一阶压力下与头部接触并摩擦产生热量，使活塞头部及裙部焊接面部位温度达到1200℃左右；在高温及挤压力的作用下，活塞的总高度不断减小；第四步，飞轮的转速降低至0，活塞高度约减小至3.5±0.4mm，此时，再施加第二阶段预定压力进行顶锻，并保持此压力3秒，随后压力减小至0，夹具松开、取下活塞焊接完成。
步骤5、焊接后的活塞热应力及组织应力较大，必须经过去应力退火使其应力减小或消除，具体的氮气保护处理过程为：第一步，打开氮气阀门及设备，按照表1设定参数，升温；第二步，温度至工艺要求之后，炉膛充满氮气需要6小时；第三步，随后开机进行氮气保护摩擦焊接，焊接完成后放入退火炉口，每隔215秒传送带向前走一排活塞的距离；第四步，焊接后活塞依次经过1区至5区加热及保温区，随后进入氮气冷却区，整个流程需要5小时。
步骤6、退火后的活塞经过精加工及表面锰磷共渗后，再进行丝网印刷纳米涂层后，得到新型超低压缩高摩擦焊钢质活塞。
本发明对实施例1～4制备的钢质活塞进行力学性能及摩擦磨损性能测试，结果见表2，表2为本发明实施例1～4制备的钢质活塞的力学性能及摩擦磨损测试结果：
表2本发明实施例1～4和对比例制备的钢质活塞的力学性能及摩擦磨损测试结果
材料类型 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 对比例
硬度HB 256 266 271 280 310
抗拉强度MPa 960 975 990 1005 960
弹性模量GPa 215 216 219 219 201
屈服强度MPa 751 751 766 820 740
延伸率％ 16 16 15 14 13
截面收缩率％ 49 47 45 43 35
平均摩擦系数 0.1386 0.1367 0.1330 0.1284 0.1416
磨损量g 0.025 0.021 0.020 0.018 0.097
对比例
所述对比例钢质活塞的化学组成按如下重量百分比计(％)：C：0.41wt％、Si：0.51wt％、P：0.021wt％、S：0.02wt％、Mn：1.22wt％、Cu：0.08wt％、N：0.005wt％、V：0.02wt％、Ti：0.01wt％、Al：0.01wt％，不含Nb，余量为Fe；
上述新型高性能摩擦焊接钢质活塞的制备工艺，包括以下步骤：
步骤1、具体的熔炼过程：矿石烧结(氧化还原反应)→高炉铁水(放射性物质检测)→铁水(50％)+废钢(50％)→100TEAF直流电弧率炉(氧化脱碳)→100TLF(精炼加入合金元素、去除杂质、同时氩气搅拌、用氧化铝沉淀脱氧，温度在1550℃)→100TVD(真空脱氢，用定氢仪检测氢含量)→R12mCCM(光谱仪和碳硫仪控制化学成份，该工序用铜模水冷钢坯，模具预热温度300～500℃，来水时间1～3秒，激水时间80-100秒，还原时间100-120秒，控制钢坯温度1200～1300℃，大约50分钟左右钢坯冷却到室温)→步进式加热炉(加热到1200℃左右)→连轧机(自然风冷，非金属夹渣在这个工序检测)→精整(控制尺寸和外观)→棒料成品。
步骤2、经过熔炼及热轧空冷形成的棒料经过中频感应加热，加热温度1200℃，保证棒料芯部温度在1000℃以上，通过辊道输送至锻压机，先进行预锻、再终锻，锻造比2.5，锻造后冲孔，然后空冷至室温，得到头部毛坯及裙部毛坯；头裙毛坯重新加热至920℃保温60分钟然后淬入70-80℃的热水中60秒后出水，出水温度350℃-400℃，出水后转入厢式炉中650℃回火3.5小时，然后出炉空冷。
头部毛坯硬度为310HBW，及裙部毛坯的硬度309HBW；基体组织为回火索氏体；该钢质活塞头裙的抗拉强度960MPa、屈服强度740MPa，弹性模量201GPa，延伸率13％，截面收缩率35％；。
步骤3、活塞头部、裙部锻件预先加工出一半冷却油道经过粗加工后：焊接表面粗糙度Rz小于25，焊接面边缘无倒角，焊接面的尺寸公差可以达到0.1mm以内，焊接面为平面。
步骤4、活塞头部、裙部加工好之后，采用普通无氮气保护的一阶阶摩擦焊接技术，其中，摩擦焊接工艺参数：转速1150rpm，压力为260Bar，保压时间为4秒，内外焊接面缩短量均为4.5mm，焊接过程第一步，将活塞头部、裙部装进工装并夹紧，头部不动，裙部及滑台以一定速度靠近头部碰撞后离开约3mm；第二步，头部及飞轮加速至设定转速，然后断开驱动源；第三步，裙部在预定的压力下与头部接触并摩擦产生热量，使活塞头部及裙部焊接面部位温度达到1200℃左右；在高温及挤压力的作用下，活塞的总高度不断减小；第四步，飞轮的转速降低至0，活塞高度约减小至3.5±0.4mm，此时，再施加同样压力进行顶锻，并保持此压力4秒，随后压力减小至0，夹具松开、取下活塞焊接完成。
步骤5、焊接后的活塞热应力及组织应力较大，必须经过去应力退火使其应力减小或消除，采用普通的无气体保护的厢式炉进行550℃4小时的退火处理。
步骤6、退火后的活塞经过精加工及表面锰磷共渗后，再进行丝网印刷石墨涂层后，得到摩擦焊钢质活塞成品；其中石墨涂层成分，50-60％石墨、20-30％粘结剂和余量悬浮剂；所述悬浮剂选自醇基悬浮剂，所述悬浮剂选自聚乙稀醇缩丁醛(PVB)。
由以上实施例可知，本发明提供了一种高性能摩擦焊接钢质活塞，以重量百分比计：C：0.3～0.45％、Si：0.5～1.0％、P：0～0.025％、S：0.02～0.1％、Mn：1.2～2.0％、Cu：0.1～1.0％、N：0.03～0.05％、V：0.08～0.2％、Ti：0.01～0.05％，Al：0.01～0.03％，Nb：0.08～0.1％，余量为Fe。本发明提供的钢质活塞通过在钢材中加入氮、钒、钛、铌元素，在锻造过程中形成含碳化物氮化物质点，固溶强化，并细化晶粒，从而显著提升材料的强度、硬度。另外，加入硫、锰元素形成硫化锰质点改善切削性能，该材料无需进行额外的热处理即可达到高性能活塞要求的强度、硬度，满足当前发动机大爆发压力、缸内直喷等严苛的技术要求。该钢质活塞还具有高的焊接强度、低的热影响区宽度、超低的焊接量，低氧化、低应力，良好的切削加工性能，且该活塞的工作面具有良好的耐磨性、减磨性及抗热疲劳性能，可以有效地提高活塞的使用寿命、明显地减少活塞因磨损、腐蚀、热疲劳等失效而更换的频次，从而进一步提高柴油发动机的爆发压力及降低发动机高度、重量，提高发动机的使用寿命，起到节能减排的良好效果。实验结果表明：该钢质活塞的硬度为256～280HB，弹性模量为215～220GPa，抗拉强度为960～1005MPa，屈服强度为750～820MPa，延伸率为14～16％，截面收缩率为43～49％，平均摩擦系数为0.1284～0.1386；磨损量为0.018～0.025g。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种钢质活塞的制备方法，包括以下步骤：
1)配备原料，所述原料在1650～1800℃下熔炼得到钢水；所述钢水包括C：0.3～0.45％、Si：0.5～1.0％、P：0～0.025％、S：0.02～0.1％、Mn：1.2～2.0％、Cu：0.1～1.0％、N：0.03～0.05％、V：0.08～0.2％、Ti：0.01～0.05％，Al：0.01～0.03％，Nb：0.08～0.1％，余量为Fe；将所述钢水脱氧后采用铜模水冷形成钢坯，再热轧空冷，得到棒料；
2)将所述棒料加热锻造后阶梯式保温，空冷，分别得到活塞头部锻件和裙部锻件；
3)将所述活塞头部锻件和裙部锻件粗加工后，在氮气保护下二阶摩擦焊接和去应力退火，得到活塞毛坯；
4)将所述活塞毛坯精加工，锰磷共渗和印刷纳米涂层，得到钢质活塞；
所述步骤2)锻造中棒料的表面温度为1200～1250℃，棒料芯部的温度为1000℃以上；锻造的比为3～5；
所述阶梯式保温的第一段温度为640～660℃、第二段为590～610℃、第三段为540～560℃，保温的时间为2～5小时。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钢质活塞中V：0.08～0.12％和Ti：0.011～0.03％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中铜模水冷的来水时间为1～3s，激水时间为80～100s，还原时间为100～120s；控制钢坯的温度为1200～1300℃；
所述热轧的温度为1100～1250℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中粗加工前，活塞头部锻件和裙部锻件分别加工出一半冷却油道；
所述活塞头部锻件和裙部锻件粗加工后的焊接表面粗糙度Rz小于7，焊接面边缘增加R0.5～1.0mm的圆弧倒角，焊接面的尺寸公差达到±0.05mm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氮气保护下二阶摩擦焊接的氮气流量为8～10L/m3，压力为0.8～1MPa；转速1205±25rpm，第一阶的压力为260±10Bar，第二阶的压力为90±5Bar，保压时间为2～8s；
去应力退火时氮气的流量为8～12L/m3，压力为0.25～0.5MPa；采用步进轨道式退火炉，1区设定温度650±15℃，2区设定温度620±10℃，3区设定温度600±10℃，4区设定温度600±10℃，5区设定温度600±10℃；氮气吹扫时间3600秒，循环时间220～225秒。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述锰磷共渗后形成粗糙度Rz为2.5～4.5的活塞裙部表面，锰磷共渗层的厚度为6±4μm；纳米涂层的厚度为16±5μm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述二阶摩擦焊接时，预顶锻支承肩的宽度为3～6mm，支承肩的厚度为2～3mm，焊接面的宽度为6～12mm，焊接面距离端面高度控制在25～35mm；头部、裙部的内焊接面为R18±5mm的圆弧。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钢质活塞包括活塞头部和活塞裙部；
所述活塞头部和活塞裙部采用氮气保护二阶摩擦焊接技术连接；
内焊接面的焊接量为2.0±0.4mm；外焊接面的焊接量为3.0±0.4mm。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113898492B (zh) * 2021-10-09 2024-03-29 常州中车柴油机零部件有限公司 一种大缸径锻钢活塞及其制造方法
CN114799481B (zh) * 2022-04-27 2023-09-26 河南中原特钢装备制造有限公司 中碳合金结构钢大直径管件摩擦焊接方法

Citations (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0813090A (ja) * 1994-06-29 1996-01-16 Kanai Hiroaki ピストンリング材
CN1174896A (zh) * 1996-04-29 1998-03-04 克罗索·洛利工业责任有限公司 用于制造塑料模具的低合金钢
CN1295624A (zh) * 1998-03-27 2001-05-16 尤迪霍尔姆工具公司 用于热加工工具的钢质材料
DE10049786A1 (de) * 1999-10-07 2001-05-17 Cummins Engine Co Inc Hochtemperaturbeständiges Material für geteilte Kolben
CN1504637A (zh) * 2002-12-05 2004-06-16 阿斯克迈塔尔公司 一种内燃机活塞的制造方法和由此得到的活塞
CN1550562A (zh) * 2003-05-09 2004-12-01 ɽ�������Ƹ���ʽ���� 具有改善的切屑可处理性的机器结构用易切削钢
CN1714159A (zh) * 2002-11-19 2005-12-28 工业钢克鲁梭公司 制备耐磨钢板的方法以及由此制得的钢板
CN1764775A (zh) * 2003-03-31 2006-04-26 日立金属株式会社 内燃机用活塞
CN101265854A (zh) * 2007-07-20 2008-09-17 山东滨州渤海活塞股份有限公司 带封闭内冷油腔的激光焊接制锻钢整体活塞及其制造工艺
DE102007021101A1 (de) * 2007-05-03 2008-11-06 Mahle International Gmbh Legierter Stahl und dessen Verwendung
CN102265069A (zh) * 2009-02-26 2011-11-30 联邦摩高布尔沙伊德公司 用于制造活塞环和汽缸套的钢材合成物
JP2012057213A (ja) * 2010-09-09 2012-03-22 Kobe Steel Ltd 摩擦圧接用機械構造用鋼および摩擦圧接部品
JP2012219296A (ja) * 2011-04-06 2012-11-12 Kobe Steel Ltd 摩擦圧接用機械構造用鋼および摩擦圧接部品
CN104152798A (zh) * 2014-08-26 2014-11-19 武汉钢铁(集团)公司 抗拉强度≥1200MPa的汽车连杆用易切削钢及生产方法
CN104379301A (zh) * 2012-05-05 2015-02-25 马勒国际公司 制造内燃机用活塞的方法
CN104451397A (zh) * 2015-01-06 2015-03-25 江苏羽立新材料科技有限公司 一种活塞式内燃机中活塞环用精密合金及其制备方法
CN105543717A (zh) * 2016-01-12 2016-05-04 杭州科技职业技术学院 一种用于汽车制动泵活塞的合金材料及制备方法
CN105838965A (zh) * 2016-05-18 2016-08-10 安徽合矿机械股份有限公司 一种发动机活塞用合金钢材料
CN107619995A (zh) * 2017-08-11 2018-01-23 江阴兴澄特种钢铁有限公司 一种大直径工程机械液压油缸活塞杆用圆钢及其制造方法
CN108331677A (zh) * 2018-04-03 2018-07-27 滨州东海龙活塞有限公司 一种焊接式整体锻钢活塞及其制造工艺
CN110184527A (zh) * 2018-05-31 2019-08-30 江阴兴澄特种钢铁有限公司 一种用于制作发动机摇臂的高强度级别非调质钢棒材及其制造方法
CN110205547A (zh) * 2019-06-13 2019-09-06 山东钢铁股份有限公司 一种凸轮轴用非调质钢及其制备方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009015008B3 (de) * 2009-03-26 2010-12-02 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Kolbenringe und Zylinderlaufbuchsen

Patent Citations (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0813090A (ja) * 1994-06-29 1996-01-16 Kanai Hiroaki ピストンリング材
CN1174896A (zh) * 1996-04-29 1998-03-04 克罗索·洛利工业责任有限公司 用于制造塑料模具的低合金钢
CN1295624A (zh) * 1998-03-27 2001-05-16 尤迪霍尔姆工具公司 用于热加工工具的钢质材料
DE10049786A1 (de) * 1999-10-07 2001-05-17 Cummins Engine Co Inc Hochtemperaturbeständiges Material für geteilte Kolben
CN1714159A (zh) * 2002-11-19 2005-12-28 工业钢克鲁梭公司 制备耐磨钢板的方法以及由此制得的钢板
CN1504637A (zh) * 2002-12-05 2004-06-16 阿斯克迈塔尔公司 一种内燃机活塞的制造方法和由此得到的活塞
CN1764775A (zh) * 2003-03-31 2006-04-26 日立金属株式会社 内燃机用活塞
CN1550562A (zh) * 2003-05-09 2004-12-01 ɽ�������Ƹ���ʽ���� 具有改善的切屑可处理性的机器结构用易切削钢
DE102007021101A1 (de) * 2007-05-03 2008-11-06 Mahle International Gmbh Legierter Stahl und dessen Verwendung
CN101265854A (zh) * 2007-07-20 2008-09-17 山东滨州渤海活塞股份有限公司 带封闭内冷油腔的激光焊接制锻钢整体活塞及其制造工艺
CN102265069A (zh) * 2009-02-26 2011-11-30 联邦摩高布尔沙伊德公司 用于制造活塞环和汽缸套的钢材合成物
JP2012057213A (ja) * 2010-09-09 2012-03-22 Kobe Steel Ltd 摩擦圧接用機械構造用鋼および摩擦圧接部品
JP2012219296A (ja) * 2011-04-06 2012-11-12 Kobe Steel Ltd 摩擦圧接用機械構造用鋼および摩擦圧接部品
CN104379301A (zh) * 2012-05-05 2015-02-25 马勒国际公司 制造内燃机用活塞的方法
CN104152798A (zh) * 2014-08-26 2014-11-19 武汉钢铁(集团)公司 抗拉强度≥1200MPa的汽车连杆用易切削钢及生产方法
CN104451397A (zh) * 2015-01-06 2015-03-25 江苏羽立新材料科技有限公司 一种活塞式内燃机中活塞环用精密合金及其制备方法
CN105543717A (zh) * 2016-01-12 2016-05-04 杭州科技职业技术学院 一种用于汽车制动泵活塞的合金材料及制备方法
CN105838965A (zh) * 2016-05-18 2016-08-10 安徽合矿机械股份有限公司 一种发动机活塞用合金钢材料
CN107619995A (zh) * 2017-08-11 2018-01-23 江阴兴澄特种钢铁有限公司 一种大直径工程机械液压油缸活塞杆用圆钢及其制造方法
CN108331677A (zh) * 2018-04-03 2018-07-27 滨州东海龙活塞有限公司 一种焊接式整体锻钢活塞及其制造工艺
CN110184527A (zh) * 2018-05-31 2019-08-30 江阴兴澄特种钢铁有限公司 一种用于制作发动机摇臂的高强度级别非调质钢棒材及其制造方法
CN110205547A (zh) * 2019-06-13 2019-09-06 山东钢铁股份有限公司 一种凸轮轴用非调质钢及其制备方法

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