发动机活塞连杆组的装配

活动情景

活塞连杆组是发动机曲柄连杆机构的重要组成部分。如果活塞连杆组工作不正常或出现故障，就会对发动机造成不利影响。通过对发动机活塞连杆组的拆装，了解活塞连杆组的组成和工作过程，正确识别不同的金属材料。

任务要求

（1）观察活塞连杆组的组成。

（2）观察各零件之间的连接关系。

（3）观察活塞销与活塞、连杆小头的连接。

（4）通过拆装，了解活塞连杆组零件的材料、成分，学会正确选用零件的材料。

技能训练

进行活塞连杆组的装配。

1．所需器材

装配活塞连杆组所需器材有：卡簧钳、活塞环拆装钳、套筒组合扳手、扭力扳手、活塞销冲、手锤、活塞加热设备、活塞连杆组零件等。

小贴士

在项目三中，我们曾进行过活塞连杆组的拆卸，在本项目中，我们要进行活塞连杆组的拆卸与装配。

2．操作步骤

（1）用扭力扳手松开连杆螺栓或螺母，取下连杆盖和连杆轴承。

（2）用活塞环拆装钳依次将气环、油环拆下，如图5－1所示。

（3）用卡簧钳将活塞销卡簧取出。

（4）用温差拆装法将活塞销冲出，如图5－2所示。

（5）在压力机上用专用工具将连杆衬套压出，如图5－3所示，活塞连杆组分解结束。

（6）按与拆卸相反的顺序装配活塞连杆组。

图5－1 用活塞环拆装钳拆卸活塞环

图5－2 加热活塞连杆组件

注意

（1）装配活塞和连杆时，应使活塞的装配标记（顶部的箭头或缺口）与连杆的装配标记（圆形凸点）位于同侧，如图5－4所示。（2）安装活塞环时，各道环的顺序和朝向不要装错，并保持正确的开口位置。

图5－3 压出连杆衬套

图5－4 装配标记

基本活动

1．活塞连杆组的组成

活塞连杆组一般由活塞、活塞环、活塞销、卡簧、连杆、连杆衬套、连杆轴承、连杆螺栓等组成，如图5－5所示。

2．零件识别

观察活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆衬套、连杆轴承，对各种零件进行表面颜色的观察和质量的比较，可以对零件所用的材料有一定的了解。

图5－5 活塞连杆组成

高级技术

通过对活塞连杆组零件的观察，我们不难发现，它的每一个零件的材料都是不同的。下面介绍汽车常用金属材料的性能、分类、特点和用途等。

1．钢铁材料

以铁为基础的铁碳合金统称为钢铁材料，它是由多种元素组成的复杂合金，但最基本的元素是铁和碳两种元素，因此通常称为铁碳合金。含碳量低于2．11%的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢；含碳量大于2．11%的铁碳合金称为铸造生铁。

1）碳素钢

（1）碳素钢的性能与特点。碳素钢除含有铁和碳两种元素外，还含有少量锰、硅、硫、磷、氧、氮等特意加入的杂质元素。锰、硅是有益元素，具有固溶强化作用，可提高钢的强度和硬度，锰能减轻硫的有害作用，硅有一定的脱氧能力，能降低钢的脆性；硫、磷是有害杂质元素，硫使钢材在热加工时产生热脆现象，磷使室温下铁素体的塑性、韧性急剧下降，并使脆化温度有所升高，产生冷脆现象。

（2）碳素钢的分类。碳素钢的分类方法很多，下面介绍几种常用的分类方法，见表5－1。

表5－1 碳素钢常用分类表

小贴士

钢厂在命名钢产品时，往往将成分、质量、用途等分类方法结合起来，如优质碳素结构钢、高级优质碳素工具钢等。

（3）碳素结构钢。

碳素结构钢根据质量可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。

①碳素结构钢的牌号。普通碳素结构钢的牌号由代表钢材屈服点的字母、屈服强度值、质量等级符号、脱氧方法等四个部分按顺序组成；优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示钢中平均含碳量的万分数。

注意

脱氧方法分为F（沸腾钢）、B（半镇静钢）、Z（镇静钢）和TZ（特殊镇静钢）四种

。

标记示例

（1）Q235－A·F表示的含义：Q代表屈服点，235表示钢材的屈服强度σs≤235MPa，A表示质量等级为A级，F表示脱氧方法为沸腾钢。（2）08钢表示的含义：钢中平均含碳量为0．08%的结构钢。

练一练

注意

解释“Q215－A·F”和“45钢”所表示的含义。

（1）牌号中表示脱氧方法的“Z”与“TZ”可以省略不写。

（2）牌号中08钢的“0”不能省略。

②碳素结构钢的用途。碳素结构钢是应用非常广泛的一类钢，不同牌号的碳素钢其用途也不同，见表5－2。

（4）碳素工具钢。

①碳素工具钢的分类与牌号。碳素工具钢的含碳量在0．65%～1．35%范围内。根据硫、磷含量的不同，碳素工具钢可分为优质碳素工具钢和高级优质碳素工具钢。其牌号是拼音字母“T”加数字表示，其中T表示碳素工具钢，数字表示含硫量的千分数，若为高级优质碳钢则在牌号后加“A”。

表5－2 碳素结构钢的牌号与应用

续表

T8表示的含义：

T代表优质碳素工具钢和高级优质碳素工具钢；8表示平均含碳量为0．8%。

小贴士

练一练

解释T10A所表示的含义。

②碳素工具钢的性能。碳素工具钢一般都经热处理，有较高的硬度和高耐磨性，广泛应用于制造各种刃具、模具和量具。

2）合金钢

合金钢就是在碳钢的基础上加入其他元素的钢，加入的其他元素称为合金元素。常用的合金元素有硅（Si）、锰（Mn）、铬（Cr）、镍（Ni）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、钛（Ti）、铝（Al）、硼（B）及稀土元素（Re）等。合金元素在钢中的作用，是通过与钢中的铁和碳发生作用、合金元素之间的相互作用以及影响钢的组织和组织转变过程，从而提高钢的力学性能，改善钢的热处理工艺性能和使其获得某些特殊性能。

（1）合金钢的分类。合金钢一般根据加入的合金元素命名，如锰钢、镍钢、镍铬钢等。其分类方法很多，按主要用途它可以分为以下三种。

合金结构钢：主要用于制造重要的机械零件和工程构件。

合金工具钢：主要用于制造重要的刃具、量具和模具。

特殊性能钢：具有特殊的物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。

（2）合金钢的牌号。合金钢的牌号是采用“两位数字＋元素符号＋数字”表示，前面的两位数字表示钢的平均含碳量的万分之几，元素符号表示钢中所含的合金元素，而后面数量表示该元素平均含量的质量分数。

注意

当合金钢中的合金元素含量小于1．5%时，牌号中只标明元素符号，而不标明含量；如果含量大于1．5%、2．5%、3．5%等；则相应地在元素符号后面标上2、3、4等；高级优质钢，则在钢号的最后加符号“A”表示。

标记示例

60Si2Mn表示的含义：

60表示平均含碳量为0．6%；Si2表示平均含硅量为2%；Mn表示平均含锰量小于1．5%的合金钢。

练一练

12CrNi3A表示的含义。

合金工具钢的牌号。合金工具钢的牌号表示方法与合金结构钢相似，其区别在于含碳量的表示方法：当含碳量小于1．0%时，首部只用一位数字表示平均含碳量的千分之几；当含碳量大于或等于1．0%时，首部数字则不予标出。

9SiCr表示的含义：

9表示平均含碳量为0．9%；SiCr表示平均含硅量和平均含铬量均小于1．5%的合金钢。

标记示例

练一练

解释Cr12MoV所表示的含义。

铬的平均含量为12%，钼和钒的平均含量小于1．5%。

注意

高速钢和其他一些高合金钢，即使含碳量小于1%，也不标注含碳量，如W18Cr4V表示含碳量小于1．0%，钨、铬、钒的平均含量分别为18%、4%、小于1．5%。

特殊性能钢的牌号。特殊性能钢的牌号表示方法与合金工具钢基本相同，首部的数字表示平均含碳量的千分之几，当平均含碳量小于千分之一时，用“0”表示。

标记示例

练一练

3Gr13表示的含义：

3表示平均含碳量为0．3%；Gr13表示铬的平均含量为13%。

解释0Cr18Ni9所表示的含义。

（1）一些特殊专用钢，为表示钢的用途在钢号前面冠以汉语拼音，而不标出含碳量，如GGr15为滚珠轴承钢，“G”为“滚”的汉语拼音的第一个字母。

（2）滚珠轴承钢中，铬元素符号后面的数字表示铬含量的千分数，其他元素仍用百分数表示，如GGr15SiMn表示铬含量为1．5%，硅、锰含量均小于1．5%的滚珠轴承钢。

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（3）合金结构钢。

合金结构钢用于制造重要工程构件和机器零件，是合金钢中用途最广、用量最大的一种钢。按用途的不同，合金结构钢可分为以下四种。

①合金渗碳钢。合金渗碳钢主要用于制造既要有优良的耐磨性、耐疲劳性，又要承受冲击载荷的作用而有足够高的韧性和强度的零件，如汽车、拖拉机中的零件。20CrMnTi是应用最广泛的合金渗碳钢，常用于制造半轴齿轮、万向节十字轴，如图5－6所示。

②合金调质钢。合金调质钢主要用于制造承受较大循环载荷与冲击载荷或在各种复合应力下工作，具有高强度、高韧性和高塑性的零件，如汽车上的半轴、连杆（见图5－7所示）、万向节叉、发动机螺栓等。40Cr钢是合金调质钢中最常用的一种。

图5－6 万向节十字轴

图5－7 连杆

图5－8 气门弹簧

③合金弹簧钢。合金弹簧钢主要用于制造各种弹簧和弹性元件，如气门弹簧、离合器压紧弹簧等，如图5－8所示。它利用在工作时产生的弹性变形，在各种机械中起缓和冲击、吸收振动的作用，并可利用其弹性储存能量、高疲劳强度、足够的塑性和韧性、良好的表面质量。因此，合金弹簧钢具有合理的化学成分，并进行了适当的热处理。代表性钢种有60Mn和60Si2Mn。

常用合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢的性能见表5－3。

表5－3 常用合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢的性能简表

④滚动轴承钢。滚动轴承钢用于制造各种滚动轴承的滚动体和内、外套圈，由于滚动轴承钢的化学成分和主要性能特点与低合金工具钢相近，因此也用来制造各种工具（如丝锥、板牙、铰刀等）和耐磨零件（如一些量具、柴油机上喷油泵柱塞、喷油嘴的针阀等），如图5－9所示。目前，应用最广泛的是高碳铬钢，其中GCr15和GCr15SiMn应用最多。

（4）合金工具钢。

合金工具钢按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。

①合金刃具钢。合金刃具钢可分为低合金刃具钢和高速钢。低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素而形成的一类钢，应具有高硬度、高耐磨性、高淬透性、变形小等性能。常用的低合金刃具钢是9SiCr和CrWMn，主要用于制造低速或手动工具或刃具等，如丝锥、板牙、钻头、铰刀、刮刀等，也常用作冷冲模，如图5－10所示。

图5－9 喷油泵柱塞

图5－10 刃具钢

高速钢俗称白钢或锋钢，属于高碳合金钢，具有高热硬性、高耐磨性、高硬度，足够的强度和韧性。常用的高速钢主要有：钨系高速钢，如W18Cr4V（含碳量为0．7%～0．8%）；钼系高速钢，如W6Mo5Gr4V2。

高速钢主要用于制造切削速度较高的刃具（如车刀、钻头等），以及形状复杂、负荷较重的成形刀具（如铣刀、拉刀等）。此外，高速钢还可用于制造冷冲模、冷挤压模以及某些耐磨零件。

②合金模具钢。合金模具钢主要用于制造各种金属成型用的工、模具，一般分为冷变形模具钢和热变形模具钢。

冷变形模具钢应具有高硬度、高耐磨性、足够的韧性和抗疲劳能力及较小的热处理变形倾向，主要用于使金属在冷态下变形的模具，如冷冲模、冷挤压模等。常用的冷变形模具钢有Cr12、9Mn2V、CrWMn等。

热变形模具钢应具有在高温下能保持足够的强度、韧性和耐磨性，以及较高的抗热疲劳性和导热性，主要用于使金属在高温下成型的模具，如热锻模、压铸模等。常采用5CrMnMo和5CrNiMo制作热锻模，采用3Cr2W8制作热挤压模和热铸模。

③合金量具钢。合金量具钢应具有高硬度、高耐磨性和高的尺寸稳定性及足够的韧性，还要求具有良好的磨削加工性，主要用于制造各种量具，如游标卡尺、千分尺、塞规、样板等，如图5－11所示。量具钢没有专用钢，常用的合金量具钢有CrMn和CrWMn等。

（5）特殊性能钢。

特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢，一般包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。

①不锈钢。不锈钢是指在腐蚀介质中具有高的抗腐蚀能力的钢，常用的有铬不锈钢和铬镍不锈钢两类。

铬不锈钢：1Cr13、2Cr13用于制造汽轮机叶片、水压机阀等；3Cr13、4Cr13用于制造弹簧、轴承、医疗器械等。

铬镍不锈钢：0Cr18Ni9、1Cr18Ni9用于制造在强腐蚀介质（硝酸、磷酸、有机酸及碱水溶液等）中工作的设备，如吸收塔、贮槽、管道、容器等。

②耐热钢。耐热钢是指在高温下不发生氧化并有较高强度的钢，通常分为抗氧化钢和热强钢。

抗氧化钢：3Cr18Mn12Si2N和2Cr20Mn9Ni2Si2N有较好的铸造性，用来制造铸件。另外，4Cr9Si2和1Cr13SiAl也是常用的抗氧化钢。

热强钢：常用热强钢有4Cr10Si2Mo和5Cr21Mn9Ni4N等，主要用于制造发动机排气门，并能在600℃以下长期工作。4Cr14Ni14W2Mo可制造工作温度大于650℃的航空、船舶、载重汽车的内燃机排气阀等。

③耐磨钢。耐磨钢是指具有较高耐磨性能的钢，目前多采用高锰钢来制造高耐磨钢。常用高锰钢的牌号是ZGMn13（铸造高锰钢），主要用于制造拖拉机履带、挖掘机的铲齿等。

图5－11 合金量具钢

3）钢的热处理

钢的热处理是指采用适当的方式对钢或钢制工件进行加热、保温和冷却，以获得预期的组织结构与性能的工艺。通过适当的热处理，不仅能充分发挥钢材的潜力，提高工件的使用性能和使用寿命，而且还可以改善工件的加工工艺性能，提高加工质量和劳动生产率，因此热处理工艺在机械制造业中占有十分重要的地位。汽车、拖拉机工业中70%～80%的零件都需经过热处理这道工序。

热处理工艺的种类很多，按照应用特点，常用热处理工艺可大致分为以下几种。

普通热处理：包括退火、正火、淬火和回火等。

表面热处理：包括表面淬火（感应加热淬火、火焰加热淬火等）和化学热处理（渗碳、氮化、碳氮共渗等）。

其他热处理：包括可控气氛热处理、真空热处理和形变热处理等。

（1）钢的退火。将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却）以获得偏离平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。

退火的目的是：降低硬度，以利于切削加工；提高塑性和韧性，以利于冷变形加工；消除组织缺陷（粗大晶粒，铸造偏析），改善钢的性能或为以后热处理作好组织准备；消除钢中的残余内应力，防止变形和开裂。

根据处理的目的和要求不同，钢的退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等。

（2）钢的正火。将钢加热到适当温度，保持一定的时间后出炉空冷的热处理工艺，称为正火。正火与完全退火的主要差别在于冷却速度快些，目的是使钢的组织正常化，所以正火又称为常化。正火适用于碳素钢及低、中合金钢。

正火的目的是细化组织，用于低碳钢，可提高硬度，改善切削加工性；用于中碳钢和性能要求不高的零件，可代替调质处理；用于高碳钢，可消除网状碳化物，为球化退火做组织准备。

因正火得到的组织比退火细，一些性能也比退火有所提高，所以，在汽车工业上，凡能用上正火代替退火的零件，就采用正火处理，含碳量在0．25%～0．5%范围内的中碳钢常用正火处理。

（3）钢的淬火。将钢加热到适当温度，保持一定的时间，然后快速冷却的热处理工艺，称为淬火。

淬火的目的是提高钢的硬度、强度和耐磨性。钢在淬火后，必须配以适当的回火，才能获得理想的力学性能。钢的强度、硬度、耐磨性、弹性、韧性等，都可以利用淬火与回火使之大大提高，所以淬火是强化钢材的重要热处理工艺。

常用的淬火冷却介质为：水（适用于低合金钢及碳素钢工具的淬火）；油（用作各种合金钢和碳素钢小型零件的淬火）；盐溶液、碱溶液（用于截面不大、形状复杂、变形要求严格的碳素工具钢、合金工具钢的淬火）。

淬火工艺有两个概念应加以重视和区别，一是淬硬性，一是淬透性。淬硬性是指钢经淬火后能达到的最高硬度，主要取决于钢中的碳含量，碳含量愈高，获得的硬度愈高；淬透性是指钢经淬火获得淬硬层深度的能力，淬透性愈好，淬硬层愈厚。淬透性主要取决于钢的化学成分和淬火冷却方式。一般来说，含碳量相同的碳素钢与合金钢的淬硬性没有差别，而合金钢的淬透性高于碳素钢。因此，有些合金钢例如高速钢，可以采用空气冷却淬火。

（4）钢的回火。将淬火后的钢件重新加热到临界温度以下某一温度，保温一定时间，然后取出工件，以一定的方式冷却下来的一种热处理方法称为回火。淬火钢一般不直接使用，必须进行回火。

回火的目的是减少或消除工件淬火时产生的内应力，降低脆性，稳定工件尺寸，稳定组织，调整钢的性能，以满足工件使用时所要求的力学性能。按照回火温度和钢件的性能，回火一般可分为：低温回火、中温回火、高温回火。

①低温回火（150～250℃）。低温回火的目的是降低淬火内应力，提高工作韧性，保证淬火后的高硬度和高耐磨性。低温回火主要用于高碳工具钢和合金钢刃具、量具、滚动轴承、冷作模具和要求硬而耐磨的零件，以及渗碳和表面淬火的零件。

②中温回火（350～500℃）。中温回火的目的是使淬火钢件具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性。中温回火主要用于弹性零件（如弹簧、发条）和热锻模具等。

③高温回火（500～650℃）。高温回火的目的是获得硬度、强度、韧性、塑性，有较好的配合即较好的综合力学性能。通常把淬火和高温回火相结合的热处理称为调质处理，调质处理广泛用于各种重要零件和一些受力较复杂的重要零件，特别是在交变载荷作用下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。

（5）钢的表面热处理。常用的表面热处理方法有表面淬火和化学热处理两种。

汽车上许多零件都是在扭转和弯曲等交变载荷、冲击作用下工作的，有些还在摩擦状态下工作，因而要求这类零件表面具有高硬度和耐磨性，而心部具有足够的塑性和韧性。若选用高碳钢，硬度虽能达到，但心部韧性不足；若选用低碳钢，心部虽有足够的塑性和韧性，但表面硬度很低。因此，对于这类零件，一般选用中碳钢，如中碳合金钢、碳素工具钢、低合金工具和球墨铸铁，经表面淬火即可达到要求，也可选用低碳钢，采用表面化学热处理。

①表面淬火。表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，而不等热量传至中心就迅速冷却，以达到表硬内韧的热处理工艺。常用的有火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火。

火焰加热表面淬火是用乙炔－氧或煤气－氧的混合气体燃烧的火焰，喷射在零件表面，快速加热，使工件表面层迅速达到淬火温度，而后立即喷水或用乳化液进行冷却的一种方法。如图5－12所示，火焰加热表面淬火适用于碳钢和合金结构钢。火焰淬火的设备简单、速度快、变形小，适用于局部磨损的工件，如轴、齿轮、轨道、行车走轮等。用处特大，更为经济适用。但火焰加热表面淬火存在不同程度的过热，淬火效果不稳定，因而在使用上有一定的局限性。

感应加热表面淬火是把工件放在感应器（变磁场）中，依靠工件表面产生感应电流，使工件表面瞬间升到淬火温度，并立即喷水冷却，使之获得淬硬的表层热处理工艺。如图5－13所示，这种处理异常迅速（几秒或几十秒），而且表面硬度高，氧化变形小，加热温度和淬硬层厚度容易控制，便于实现机械化、自动化，适用于大批量生产。

图5－12 火焰加热表面淬火

图5－13 感应加热表面淬火

②钢的化学热处理。化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、保温、冷却，使一种或几种元素渗入钢件表层，以改变钢件表面层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。在汽车、拖拉机的制造中，最常用的有渗碳、碳氮共渗等多种处理方法。但无论哪一种均通过以下三个过程来实现。

介质分解：介质在一定温度下发生化学分解，产生渗入钢中的活性原子。

表面吸收：活性原子被工件表面吸收。

原子扩散：渗入表面的活性原子，从表面向中心扩散，形成一定厚度的扩散层（渗层）。

渗碳是把低碳钢工件放在渗碳性介质中，加热到一定温度（一般为930℃左右），然后保温足够长的时间，使表面层的碳浓度升高的一种热处理工艺。根据渗碳介质的状态不同，渗碳可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳，而以气体渗碳应用最为广泛。渗碳通常采用碳量比在0．15%～0．20%的低碳钢或合金渗碳钢，主要用于表面要求高硬度、高耐磨性，心部具有足够强度和韧性，具有高的疲劳强度的工件，如齿轮、活塞销（见图5－14）、轴类零件等。

渗碳层的表面碳浓度在0．8%～1．05%之间。渗碳层深度可以根据不同工作需要进行调整。渗碳后再进行淬火加低温回火，即可获得所需要的性能。

氮化是钢后表面渗氮以提高表面层氮浓度的热处理过程。常用的氮化方法是把氮气通入一定温度（一般为500～560℃）的密封炉中，氮气分解产生活性氮原子渗入工件的表面。渗氮后不需再淬火便有很高的表层硬度。渗氮是在低温下进行的，工件变形很小，且疲劳强度可提高15%～35%。另外，氮化后零件在水中、热蒸汽中及碱性介质中都有较高的抗蚀性。但渗氮生产周期长、氮化层薄而脆，不宜承受集中的重载荷，并需要专用的氮化钢等。

碳氮共渗就是同时向零件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺，也称氰化。常用的是气体碳氮共渗，即在气体渗碳的同时，向炉内送入一定量的氮气。气体碳氮共渗分为中温气体氰化（常用于处理低碳钢及低合金钢）和低温气体氰化（也称软氮化，适用于中碳合金钢、高速钢、铸钢等）。

图5－14 活塞销

2．铸铁

铸铁是含碳量大于2．11%的铁碳合金，并且含有比普通碳素钢较多的硅、锰、硫、磷等元素。

铸铁具有良好的铸造性、耐磨性、减振性和切削加工性，生产简单，价格便宜，经合金化后具有良好的耐热性或耐蚀性。因此，铸铁在工业生产中得到了广泛的应用。由于铸铁的塑性、韧性较差，因此只能用铸造加工方法成形零件，而不能用压力加工方法成形零件。

在铸铁中，碳以两种形式存在：一种是石墨，另一种是渗碳体。根据碳在铸铁中的存在形式不同，铸铁可分为白口铸铁、灰口铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。另外还有一种合金铸铁，它是在灰口铸铁或球墨铸铁中有目的地加入一些合金元素的铸铁。白口铸铁中的碳几乎全部以渗碳体的形式存在，断口呈白亮色，性能硬而脆，不易切削加工，很少用来制造零件。下面分别介绍其他几种铸铁。

1）灰口铸铁

灰口铸铁断口呈暗灰色，故称灰铸铁，灰铸铁实质上是在碳钢的基体上分布着一些片状石墨。由于石墨的强度、硬度较低，塑性、韧性极差，所以石墨的存在相当于钢中分布着许多裂纹和“空洞”，起到割裂基体的作用，严重降低了铸铁的抗拉强度。铸铁中的石墨数量越多，尺寸越大，分布越不均匀，铸件的抗拉强度、塑性和韧性就越差。石墨虽然降低了铸铁的机械性能，但也给铸铁带来了一系列其他的优越性能，如优良的铸造性能、良好的切削加工性、良好的耐磨性和减振性能。因此，灰口铸铁是应用最广泛的一种铸铁，其产量约占各类铸铁的80%以上，对于形状复杂的零件，如机床床身，汽车上的气缸盖（见图5－15）、气缸体（见图5－16）、变速器箱体等均可采用灰铸铁制造。

图5－15 发动机气缸盖

图5－16 柴油发动机气缸体

灰铸铁的牌号以“HT加数字”表示，其中“HT”是“灰”与“铁”的汉语拼音，字母后的数字表示最低抗拉强度（MPa）。HT200和HT250是在汽车中应用最广泛的灰铸铁材料，见表5－4

。

标记示例HT250表示的含义：

“HT”表示灰口铸铁，“250”表示抗拉强度不小于250MPa。

表5－4 灰铸铁在汽车中的应用

用热处理的方法来提高灰铸铁的强度、塑性等力学性能效果不大。通常对灰铸铁进行热处理的目的是减少铸件中的应力，消除铸件薄壁部分的白口组织，提高铸件工作表面的硬度和耐磨性等。常用的热处理方法是去应力退火（又称人工时效）和表面淬火。

2）可锻铸铁

可锻铸铁是将一定成分的白口铸铁经过退火处理，使渗碳体分解，形成团絮状石墨的铸铁。由于石墨呈团絮状，大大减轻了对基体的割裂作用。与灰铸铁相比，可锻铸铁不仅有较高的强度，而且有较好的塑性和韧性，并由此得名“可锻”，但实际上并不煅。在退火过程中随着组织转变时的冷却速度不同，可形成黑心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁。

可锻铸铁的牌号由三个字母和两组数字表示：前两个字母为“KT”，即“可铁”的汉语拼音的第一个字母；第三个字母是类别的代号，“H”和“Z”分别表示“黑”心和“珠”光体的可锻铸铁；其后的数字分别表示抗拉强度和延伸率。例如KTH350－10，其中“KTH”表示黑心可锻铸铁；“350”表示抗拉强度不低于350MPa，“10”表示延伸率不小于10%。

可锻铸铁适用于制造一些形状复杂、强度和韧性要求较高的薄截面零件，如汽车上的后桥壳、轮毂、制动踏板、钢板弹簧支架等。常用可煅铸铁牌号和用途，见表5－5。

3）球墨铸铁

铁水经过球化处理而使石墨大部或全部呈球状（有时为团絮状）的铸铁，称为球墨铸铁。由于石墨呈球状分布在基体上，对基体的割裂作用降到最小，可以充分发挥基体的性能，所以球墨铸铁的力学性能比灰铸铁和可锻铸铁都高，其抗拉强度、塑性、韧性与相应基体组织的铸钢相近。球墨铸铁兼有铸铁和钢的优点，因而得到广泛应用。它可以用来代替碳钢、合金钢、可锻铸铁等材料，制成受力复杂，强度、硬度、韧性和耐磨性要求较高的零件，如柴油机曲轴（见图5－17）、减速箱齿轮以及轧钢机轧辊等。

表5－5 可锻铸铁的牌号和用途

续表

图5－17 柴油机曲轴

球墨铸铁的牌号由“球铁”两字的汉语拼音字母的字头“QT”及两组数字组成，两组数字分别代表其最低抗拉度（单位为MPa）和延伸率。例如QT400－18，“QT”表示球墨铸铁，“400”表示最小抗拉强度值为400MPa，“18”表示伸延率最小值为18%。常用球墨铸铁的牌号和用途见表5－6。

表5－6 球墨铸铁的牌号和用途

4）合金铸铁

在合金铸铁或球墨铸铁中加入一定量的合金元素的铸铁称为合金铸铁。与特殊性能钢相比，合金铸铁熔炼简便，成本较低，脆性大，综合性能不如钢。常用合金铸铁的分类和用途见表5－7。

表5－7 合金铸铁的分类及用途表

3．有色金属及合金

通常把铁和铁碳合金称为黑色金属，把黑色金属以外的金属及其他合金，统称为有色金属。汽车上一些零件必须用有色金属材料制造，以满足特殊要求。

1）铝及铝合金

纯铝因其强度低、切削加工性差、可焊性差等特点，在汽车工业中使用较少，在铝中加入适量的硅、铜、镁、锰等合金元素可以得到较高强度的铝合金。铝具有密度小、耐蚀性好、导热性好的特点。铝合金按其成分和工艺特点可分为变形铝合金和铸造铝合金，见表5－8。

表5－8 铝合金分类及性能表

图5－18 汽车用活塞

图5－19 发动机气缸盖

标记示例ZL105表示的含义：

“ZL”表示铸造铝合金，“105”中的“1”表示铝－硅系、“05”表示铝合金的顺序号，ZL105的全称为5号铝－硅系铸造铝合金。

2）铜及铜合金

纯铜外观呈紫红色，具有良好的导电性、导热性、良好的化学稳定性，但纯铜的强度不高，硬度较低，且价格昂贵，为贵金属。一般不直接用纯铜制作各种构件，常用铜合金。汽车上各类热交换器、散热器（见图5－20）、耐磨减摩零件、电器元件、油箱和变速器同步器锥环等，均选用了铜合金材料。常用的铜合金为黄铜、青铜和白铜。铜及铜合金的分类和性能见表5－9。

3）轴承合金

轴承合金是用来制造滑动轴承的材料，根据滑动轴承的工作条件，轴承合金必须具有高的抗压强度和疲劳强度，足够的塑性和韧性，良好的磨合能力、减摩性和耐磨性；除此，还应符合便于加工制造、价格低廉等要求。常用的轴承合金有锡基、铅基、铝基、铜基等轴承合金，其性能见表5－10。

图5－20 散热器

表5－9 铜及铜合金的分类及性能表

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图5－21 连杆衬套

表5－10 常用的轴承合金性能表

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图5－22 连杆轴承

任务归纳

（1）通过拆装活塞连杆组零件，了解应用材料、成分，学会正确选用零件的材料。

（2）了解金属材料的分类与牌号。

（3）碳钢的热处理和表面热处理对工件使用性能和使用寿命的影响。

（4）合金材料的组成与使用性能，以及合金材料在汽车上的应用。

思考练习

（1）活塞连杆组由哪些零件组成，主要零件选用的是什么材料？

（2）金属材料可以分为哪几类，什么是黑色金属和有色金属，不同的金属材料各应用在什么场合？

（3）金属材料中哪些金属元素是有害元素，对金属材料的性能有什么影响？

（4）什么是金属材料的热处理？常用的热处理方法有哪些？

表5－11 任务测评表