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    活塞環的離子滲氮工藝取代鍍鉻工藝的探討

    放大字體??縮小字體 發布日期:2012-02-21??瀏覽次數:2649 ??關注:加關注
    核心提示:活塞環的離子滲氮工藝取代鍍鉻工藝的探討

    一、前言:

    隨著汽車、摩托車工業的發展,對車用發動機的要求也越來高,在發動機的組成部件中,活塞環是一重要的零件?;钊h在高溫、高壓燃氣介質中往復運動,與缸套發生激烈的磨擦。隨著發動機性能指標的不斷提高,壓縮比及轉速也相應提高,環的工作條件也更為惡劣,所以,對環的要求也越來越高?;钊h的主要損壞形式是:磨損、擦傷和疲勞折斷。要求有較高的耐磨性及良好的綜合機械性能。所以,活塞環的表面處理在活塞環的制造中占有重要位置。傳統的活塞環材料多為鑄鐵,七十年代末期,國外一些廠家在輕型汽車、摩托車上采用彈簧鋼和不銹鋼制作的組合環,即:鋼質活塞環,效果很好。但表面處制性大,容易剝落,直接影響發動機的壽命。

    隨著輝光離子滲氮技術的發展,近幾年來,一些活塞環生產廠家將這一技術應用在活塞環表面處理上,以提高活塞環的使用壽命。

    八十年代中期,我所周孝重董事長帶領我所部分技術人員開始對全鋼質活塞環進行研制開發,經過近十年的努力,我們研制的產品:鈴木462Q、本田70、125及雅馬哈125等系列產品,已達到國外同類產品的技術指標,銷往東南亞以及香港、臺灣等地區。同時,利用我所從事等離子體技術研究的優勢,同部分廠家合作對活塞環進行了輝光離子滲氮工藝研究、試驗。

    本文將以活塞環輝光離子滲氮工藝與鍍鉻工藝相比較,來探討活塞環的離子氮化工藝部分取代鍍鉻工藝的可行性。

    眾所周知,離子氮化是在真空放電條件下,對工件表面進行低溫化學熱處理的一項工藝,它具有滲速快、工件變形小、滲層易控制、脆性小、生產周期短、成本低、無污染等特點。

    二、鋼質活塞環的離子氮化:

    1、鋼質活塞環簡介:

    鋼質活塞環用彈簧鋼絲或不銹鋼絲(帶)制成,其工藝路線為:鋼絲軋扁—繞圓—淬,回火—磨外圓—開口—熱定型—磨平面—磨內圓—精磨外圓—精磨內圓—修口—缺口倒角,最后經表面處理后成其為正式產品。

    2、零件簡介:

    鈴木462Q第一道壓縮環,材料為50CrVA,直徑62mm、徑寬2.6mm,厚1.5mm的薄片開口環狀零件。

    氮化技術要求:

    零件名稱:鈴木462Q.

    料:50CrVA.

    氮化層深:0.1-0.12mm.

    化合物層:0.004-0.008mm.

    表面硬度:≥HV200g600.

    滲氮后切向彈力:9-15N.

    翹曲變形:≤0.05mm.

    試驗設備:

    本所制造的LDMC-30A型輝光離子氮化爐。

    試驗及方法:氮化前基體硬度:HRC42(沿環圓周檢測三點)。

    工藝參數:離子氮化:氣 體:NH3.

    保溫時間:6h.

    冷卻方法:隨爐冷卻。

    表一

    1 2 3 4 5

    () 480 500 520 540 560

    氣體流量NH3l/min  1-1.3 1-1.3  1-1.3  1-1.3 1-1.3

    爐內壓強(Pa)  1900 2100 1900 2100  2100

    表面硬度(HV200g)  485  642 664 772 795

    滲層深度(mm)  0.08 0.10  0.15 0.25 0.30

    化合物層(mm) 0.004 0.0016 0.004 0.005  0.008

    滲氮后切向彈力(N)    14 10

    6:變形

    對鋼制活塞環進行離子氮化加工,最主要的是解決變形問題,對工裝夾具有特殊要求,一般的工裝夾具難以保證,其變形形式主要是塌口,這是一種致命的變形,后繼加工無法修復,只能報廢。經過多次反復的摸索試驗設計出一種理想的工裝夾具(夾具資料略),采用這種工裝夾具,環經560℃(不考慮切向彈力的情況下)左右的溫度下進行離子氮化處理,沒有出現塌口變形,翹曲變形≤0.05,合格率在90%以上。

    三、鑄鐵活塞環的離子氮化:

    目前,鑄鐵活塞環在產銷方面還是占主導地位,一九八九年九月,受全國最大的活塞環生產廠家—江蘇儀征活塞環廠的委托,我們進行了鑄鐵活塞環離子氮化的工藝試驗。

    試驗零件:東風6100活塞環,

    料:釩鈦合金鑄鐵,

    主要參數:直徑120mm,徑寬4mm,厚2.5mm的薄片開口環狀零件。

    化學成份:

    C  Si Mn S V  Ti

    0.65-3.90  2.20-2.90 0.65-1.0 0.69  0.18-0.25  0.05-0.15

    技術要求:

    氮化層深:0.08-0.12mm.

    化合物層:0.004-0.008mm.

    表面硬度:HV200g800.

    試驗設備:本所制造的LDMC-30A型輝光離子氮化爐。

    試驗方法:氮化前基體硬度:HV200g263(沿環圓周檢測三點)。

    工藝參數:

    離子軟氮化(C/N共滲)

    體:NH3. CH3COCH3.

    保溫時間:8h.

    冷卻方法:隨爐冷卻。

    表二

    1 2 3 4

    ()  500  520  540  560

    氣體流量 NH3l/min  1-1.3 1-1.3 1-1.3  1-1.3

    CH3COCH3l/min  0.1 0.15 0.1 0.15

    (Pa) 1900  2100  1900 2100

    (HV200g)  731 833 848 856

    (mm)  0.08 0.08 0.12 0.10

    (mm)  0.004 0.008 0.012 0.010

    變形:

    鑄鐵環離子氮化基本上不需要什麼特殊工裝夾具,采用自由堆放形式處理,變形量能夠滿足技術要求。

    四、試驗結果對比:

    表一、表二是兩種不同材料的活塞環經過離子滲氮加工后所得的技術參數,與鍍鉻活塞環的技術要求進行比較。見表三:

    表三

      基體硬度(HRC) 硬化層深(mm) 表面硬度(HV200g) 耐熱溫度軟化點℃ 

      38-44  0.15-0.20  750 300 耐磨

    離子氮化  38-44 0.15-0.25 664-795 800 耐熱、耐粘著磨損、無剝落、耐腐蝕。

    五、結論:

    從對比的技術參數上看,經離子滲氮加工的活塞環其技術參數均達到和超過鍍鉻活塞環的技術要求。另外,離子滲氮的硬化層是在工件本身表面,不像鍍鉻,硬化層是依附在工件表面,這樣,就沒有硬化層剝落、失效的問題。另一優點:滲氮層硬度由表及里梯度平緩,有利于環與缸套之間的磨合,提高整個汽缸組件的使用壽命。因此,采用離子氮化的方法部分取代鍍鉻,從工藝到技術上都是可行的。

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