金属材料与热处理技术课程设计活塞环的渗氮工艺

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1、1、零件图图1活塞油环零件图及尺寸2、服役条件活塞环具有密封，控油，传热，支撑四大作用。油环具有回油孔或等效构造， 能从缸壁上刮下机油的活塞环。主要用来调整或把握气缸壁上润滑油并带有回油通道的活塞环。在高速发动机中由于要缩短活塞长度，油环一般趋向于用一个，此时强化油环构造是有必要的。活塞环失效分析：经过长时间工作的活塞环失效的主要缘由：1） 因高压的燃气介质造成腐蚀磨损。2） 因润滑不良导致与缸套间的严峻划伤。3） 因长时间往复运动造成疲乏断裂而失效。4） 因弹力保持性差而失效等。3、所需性能及主要技术要求活塞油环所需性能：良好的耐磨性和耐蚀性，必要的机械强度和热强性，足够的弹性和弹性保持性，

2、良好的加工性。主要技术要求：氮化层硬度(HV1000)，有效厚度800HV0.1mm。脆0.2性 12 级，耐磨性，和耐腐蚀性要符合活塞环标准要求。4、选择材料由于发动机的高功率、高转速,活塞环趋向于薄环、轻量、高强度。钢质材料制成的活塞环具备这些优点,且能少、无切削加工,易自动化,本钱低,有良好的可外表处理性,油耗低。随着活塞环用钢材质量的提高,它替代铸铁的局部在不断上升。对材料性能测定工程有硬度、抗拉强度、屈服强度、延长率等。现在活塞环用钢材都能满足要求,其主要性能参见下表。我们对上表四种钢质活塞环材料进展分析后选择一种来制造活塞油环。钢质活塞环材料硬度取决于基体组织，承受四大公司(日立、

3、特线、ASW、Haldex)的公司标准。碳素钢最低硬度 HV400,标准 HV500800； 铬硅低合金钢:HV409580；奥氏体不锈钢:料厚0.3mm HV205255;料厚0.3mm HV250330； 马氏体不锈钢:HV300420 或 HRC3844。4.1比较分析其中，碳素钢和低合金钢耐蚀性较差，不锈钢中奥氏体硬度低,马氏体硬度高。所以选择马氏体不锈钢来生产钢质活塞油环。从现有参考文献来看,马氏体不锈钢的氮化硬度能到达较好的水平国内常见的马氏不锈钢有1Cr132Cr133Cr134Cr13 等,但它们含碳量较低,用作活塞环往往导致其基体强度及弹性极限等指标难以满足使用要求因 Ni

4、元素在氮化过程中阻碍氮的集中作用明显,不利于氮化层深的形成,故含 Ni 不锈钢不纳入考虑范围综合考虑活塞环的基体强度塑性与韧性弹性极限抗回火稳定性及热处理工艺的难易程度等相关因素,我们将 6C r13Mo 马氏体不锈钢作为钢质活塞油环的材料。6Cr13Mo 的化学成分成分CCrMoSiMnSP含量4.20.65元素分析13.60.620.350.330.0040.010Mo 的参加可以细化晶粒,提高抗回火稳定性,也能抑制其次类回火脆性的产生Cr 含量较高,而 Cr N 及 CrN 硬度又均达 l 000 HV 以上,所以能够带来较大的2氮化硬化效果5 活塞油环的加工工艺5.1 加工工艺路线 单

5、体毛坯粗磨去油调质处理细磨去油半成品检查切削流水工作线外表渗氮成品检查配组入库。5.2 调质处理6Cr13Mo 钢活塞环氮化处理前先进展调质处理工艺为 1050真空油淬+560 高温回火。5.2.1 一次预热6Cr13Mo 属于高碳高铬过共析钢，提高了相变点 AC3，又由于大量合金碳化物的存在，使组织中的碳和铬元素分布不均，导热性差，特别是在较低温度时，导热性更差，为防止加热过程中产生裂纹，保证零件的内外温差较小，在淬火加热前先行预热。预热方式及温度 由于活塞环尺寸小，一次预热法即可，一次预热温度范围是 750850，6Cr13Mo 活塞油环粗加工后外形仍简洁，在真空炉中预热温度范围是 800

6、850，由于真空炉加热缓慢，低温导热性差不影响，为了减小晶粒长大而缩短淬火加热时间，选择较高的预热温度 850。真空压强 110-1Pa预热加热时间 上图为高合金钢的预热和淬火加热系数。从表中可知， 盐浴炉中加热到 750850的加热系数为 0.30.35。由于较低温导热性差，取较大值 0.35，依据阅历公式 = kD，有效尺寸为 5mm,装炉方式如以下图即环与环端面紧排，工件装炉方式修正系数为 4.0，计算得 盐浴炉=7.0。通常，真空加热速度约为盐浴加热速度的 1/6，所以，一次预热加热到 850时间为42min。预热保温时间 在 850时的透热系数可按 1.5min/mm 计算，得一次预

7、热保温时间为 7.5min,取整 8min。5.2.2 淬火淬火温度 为使碳化物尽可能溶解，得到成分比较均匀的奥氏体及冷却之后有足够碳、铬饱和度的均匀的马氏体组织，这类钢的淬火加热温度高于碳钢和合金钢，即提高淬火加热温度并适当延长保温时间。由上图左可知，当温度在10201050之间，组织仍有碳化物CrFe C ，7 3但不宜承受更高的淬火加热温度，由于更高的温度会引起奥氏体晶粒的粗大，带来不良影响。见上图右。因此，淬火温度确定在 1050。加热时间 与一次预热加热时间计算方法一样，由于加热到10501100，加热系数取较小值 0.17，计算得真空炉加热到 1050时间为 20.4， 取整为 2

8、0min。保温时间 在 8501280的透热时间则可按 0.450.52min/mm 计算。1050介于之间，故按 0.482min/mm 计算，有效厚度为 5mm,计算得 2.4min，取整 2min。工模具钢在此根底上可适当延长 1015min。由于环与环之间侧面并不是完全严密接触，即装炉系数偏小，所以延长时间取较小值。求和得保温时间为12min。淬火介质 1 号真空淬火油。在真空炉的淬火冷却油槽中冷却。真空压强110-1Pa5.3.3 高温回火预热+淬火工艺曲线回火温度 前人大量试验阅历可知，6Cr13Mo 马氏体不锈钢活塞油环高温回火的温度不能超过 560，环在此回火温度下的基体硬度为

9、 3840HRC,低于此硬度，环的综合性能不能满足使用要求，如安装时会因回弹性缺乏而发生变形。回火加热时间 在气体介质炉中加热系数为 0.350.4 min/mm ，取0.4min/mm，有效厚度为 5mm,装炉系数为 4装炉方式同淬火。真空加热速度比空气炉慢 1.5 倍，计算得真空回火加热时间为 20min。回火保温时间在真空炉中回火时，保温时间比空气炉保温时间长。对高合金钢可按工件截面厚度计算回火时间，一般每 25mm 有效厚度加热 60min， 最少不少于 120min,由于活塞油环有效厚度为 5mm，故回火保温时间取 150min， 以保证应力的充分释放和尺寸的稳定性。回火冷却方式N2

10、强制快冷。为了降低其次类回火脆性，又在真空炉中回火，且畸变和开裂倾向也小，应选择此种回火冷却方式。回火工艺曲线图回火后检测硬度： 3844 HRC5.3 渗氮处理活塞环的尺寸较为周密，氮化带来的小变形所致的外形转变都有可能造成密封不良而漏气；而传热与受热不均匀往往又是主要缘由之一，加之不锈钢本身的导热率又较低，故此问题将更为突出，因此氮化方式的选择至关重要。氮化方法目前工业生产中常使用的氮化方法有三种，即液体氮化、气体氮化和离子氮化。在导热及温度的均匀性方面，气体氮化与液体氮化要优于离子氮化。再考虑装炉量、设备的简单性等因素，气体氮化则更具明显优势。其他氮化方法，比方真空脉冲渗氮，尚未广泛应用

11、；固体渗氮，产生剧毒的氰化物，故都不承受。所以承受气体氮化工艺进展渗氮。活化不锈钢的气体氮化历来是个难点,由于不锈钢的外表有层致密的 Cr O 钝化2 3膜，严峻阻碍 N 原子的渗入通常消退钝化膜有以下几种方法 :磷化处理 :外表磷化处理可有效破坏钝化膜并形成疏松多孔的磷化层 ,磷化层可以杜绝钝化膜的形成 ,而且有利于氮原子的渗入但是磷化处理的活化的时间也难以把握，磷化层孔隙会影响工件外表质量。喷砂处理 :喷砂是一种去除钝化膜的机械方法 ,喷砂后零件应马上入炉渗氮 ,削减在空气中放置的时间 ,防止的钝化膜生成但零件经喷砂处理后 ,轴肩处被吹秃 ,而该工件要求轴肩必需保持锐边 ,不允许消灭圆角

12、氯化铵法 :国内称之为干净渗氮法 ,即在渗氮过程中参加氯化铵 ,分解出氯化氢或氯气 ,化学性很强 ,在微量水蒸气存在的条件下 ,它就能与几乎全部的金属 和金属氧化物起化合作用 ,形成金属氯化物 ,而金属氯化物中的氯又易被氨气分解时产生的活性氮原子所置换而形成氮化物 因此，承受干净渗氮工艺。即在炉罐放置NH Cl 受热分解放出 HCl,HCl 可以4破坏致密的 Cr O2 3钝化膜而使 N 原子顺当渗入。此方法的关键在于 NH Cl 的参加量要适宜并使其缓慢挥发，否则大量挥发的4HCl 不但会严峻腐蚀炉罐内壁且与作为渗氮介质的 NH3在排气口四周相遇又形成NH Cl 结晶粉末而堵塞排气管道，使氮

13、化处理中断。从前人的试验中可知，在装4炉量为 2 万片时，NH Cl 的参加量为 80g，并将 NH Cl 与石英砂按 1:200 的比例混44合以托盘置于炉罐底部，以延缓 NH Cl 的快速挥发。4渗氮设备为 RN-60-K 型微机可控井式渗氮炉，工作室尺寸 650mm1200mm， 环装炉量 2 万片/炉。用 Olimpus 显微镜进展组织形貌观看。用 HS1000 数字显微 硬度计测量渗层外表硬度及硬度梯度分布并确定出渗层深度。氮化温度 为保证调质组织的稳定性，渗氮温度一般应低于调质温度 3050， 即在 530以下为宜，故我们将氮化温度设定在 520。渗氮时承受高氮势，氨分解率维持在

14、25%左右，渗氮完毕前将温度提高到530，进展肯定时间的退氮处理。以降低外表渗层硬度。降低脆性同时也增加渗层深度，并使硬度梯度趋于平缓。氮化时间经前人摸索，氮化耗时 8h 和退氮耗时 2h 足以满足预定的硬度和层深的技术指标。再延长时间以增加渗层深度没有实际意义。冷却方式渗氮完毕时，连续供氨，同时用鼓风机向炉膛内通入空气，快速冷却炉罐，一方面可以防止 相Fe2N 基固溶体的形成，降低渗层脆性；另一方面，也可缩短渗氮周期，提高设备的利用率。氮化工艺曲线产品名称钢质活塞油环回火硬度： 3844HRC江苏大学热处理工艺卡技术要求硬化层硬度 (HV 1000)0.2材料6Cr13Mo渗层深度0.1mm一次预热淬火高温回火渗氮工艺路线热处理卡片序号工艺温度时间设备备注零件图1预热5608min真空炉压强2淬火105020min真空炉压强3回火560150min真空炉N 快冷24渗氮52010h渗氮炉退氮