CN101363109A - 灰铁活塞环多元气氛离子氮化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种灰铁活塞环多元气氛离子氮化方法，该方法包括如下步骤：将活塞环用汽油进行清洗，待汽油挥发干净后离子氮化炉内；抽真空后通电，进行离子轰击；清洁干净后，提高电流让活塞环升温；当炉内温度升至520±5℃后进行保温，并通入不同氮化气氛进行氮化：先通入氮化气氛N₂:H₂，保温5±0.5小时后，再停辉抽真空，接着通入氮化气氛N₂:H₂:CH₄；保温时间：7±0.5小时。本发明通过在不同的渗氮阶段采用不同的氮化气氛对灰铁活塞环表面进行氮化处理，使灰铁活寒环氮化层的表面既有一定深度的扩散层，又有表面耐磨的ε相，这种组织结构使活塞环的各种表面性能都得到提高。

Description

灰铁活塞环多元气氛离子氮化方法

技术领域

本发明涉及一种灰铁活塞环多元气氛离子氮化方法。

背景技术

现有的灰铁活塞环表面氮化方法，基本上是采用NH₃或N₂、H₂气氛，这种氮化方法在采用低氮势时，灰铁活塞环表面只能形成较低硬度的扩散层，而无白亮的化合物层；也有采用NH3+CH4气氛的，这种氮化方法由于含有C气氛，促进了灰铁活塞环表面的ε相生成，但扩散层深度不够，化合物层的脆性较大。上述两种现有工艺虽然操作比较简单，始终在同一气氛中进行氮化处理，但又有上述各自的缺点。因此灰铁活塞环在进行普通离子氮化后，活塞环表层扩散层的硬度较低，不能满足当前发动机活塞环的使用要求。

为提高活塞环的表面硬度和抗磨损性能，需要在活塞环的外圆表面形成一层高硬度的ε相化合物层及一定深度的扩散层，但现有的工艺方法不能实现上述目的。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种灰铁活塞环多元气氛离子氮化方法，使活塞环在经过多元气氛氮化处理后的表面抗磨损性能、抗咬合和粘结性能都得到了明显的提高。

技术方案：本发明所述灰铁活塞环多元气氛离子氮化方法，包括如下步骤：

1、将需氮化的活塞环，用汽油进行一、二级清洗，待汽油挥发干净后放置在离子氮化炉内；需要说明的是活塞环的外圆表面粗糙度Ra最好小于1.6，清洗所用的汽油最好用120#汽油或挥发性好的汽油。

2、抽真空，待氮化炉内真空度为90Mpa～100Mpa时通电(通电条件：电压：500V～600V，电流：10～15A)，进行离子轰击，清洁活塞环表面。待活塞环表面清洁干净(即弧闪结束)，提高电流让活塞环升温(升温速度：150～200℃/h)。

3、当炉内温度升至520±5℃后进行保温，并通入不同氮化气氛进行氮化：

先通入氮化气氛N₂：H₂＝(1±0.1)：(3±0.1)，保温5±0.5小时后，再停辉抽真空到50±Pa，接着通入氮化气氛N₂：H₂：CH₄＝(2±0.1)：(5±0.1)：(0.4±0.05)；保温时间：7±0.5小时。

有益效果：本发明通过在不同的渗氮阶段采用不同的氮化气氛对灰铁活塞环表面进行氮化处理，使灰铁活塞环氮化层的表面既有一定深度的扩散层，又有表面耐磨的ε相，这种组织结构使活塞环的各种表面性能都得到提高。

附图说明

图1是不同氮化气氛显微硬度梯度曲线。

图2是第一炉、第三炉样品磨损重量损失曲线。

图3是第二炉、第三炉样品磨损重量损失曲线。

具体实施方式

实施例1：

1、将需氮化的活塞环(外圆表面粗糙度为Ra1.4)用120#汽油进行一、二级清洗干净，待汽油挥发干净后按要求装进LDMC-75离子氮化炉内。

2、抽真空，待氮化炉内真空度为90Mpa时通电(电压：500V，电流：10A)，进行离子轰击，清洁活塞环表面。待活塞环表面清洁干净(弧闪结束))后，提高电流让活塞环升温(升温速度：100℃/h)。

3、在炉内温度升至515℃后进行保温，这时通入不同氮化气氛进行氮化。

第一炉次通入氮化气氛：N₂：H₂＝0.9：2.9；保温时间：8.5小时；

第二炉次通入氮化气氛：N₂：H₂：CH₄＝1.9：4.9：0.35；保温时间：8.5小时；

第三炉次通入氮化气氛：先通入氮化气氛N₂：H₂＝0.9：2.9，保温4.5小时后，再停辉抽真空到40Pa，接着通入氮化气氛N₂：H₂：CH₄＝1.9：4.9：0.35；保温时间：6.5小时。

对三个炉次氮化后的活塞环进行检测和分析：

1、氮化层显微硬度：

检测氮化层显微硬度载荷为100g，检测硬度梯度图1。从图1可知：第一炉次活塞环表面硬度最高只有650HV0.1，不符合设计要求。第二炉次活塞环表面硬度虽然最高有900HV0.1，但是硬度梯度陡，渗层深度不足0.20mm，第三炉次活塞环表面硬度最高有930HV0.1，硬度梯度平稳，渗层深度有0.40mm，满足了工艺设计要求。这是由于第三炉次基本上综合了第一和第二炉次的优点。

2、氮化层磨损试验：

将三炉次中样品在磨损试验机上进行不加润滑剂的干磨损试验。从图2、3磨损失重线可以看出，第三炉次活塞环耐磨性能好于第二炉次，第一炉次由于缺少化合物层ε相，耐磨性能最差。

3、氮化层显微组织：

对第一、第二、第三炉次的样品进行金相显微组织分析以及X射线衍射分析。结果显示：

第一炉次活塞环的外表面氮化层无白亮层组织，均为较软的γ相及少量的α相。

第二炉次活塞环的外表面氮化层有约80％化合物ε相，含有少量的γ相，由于ε相为脆性相，且硬度梯度大，因此不宜直接用于活塞环的氮化生产。

第三炉次活塞环的外表面氮化层有约70％化合物ε相，含有少量的γ相，但由于次表层有较高硬度，ε相与次表层结合牢固，不易脱落、磨损。

4、氮化层的脆性：

根据GB/T1354-1989对氮化层脆性有关检测规定，对三炉次的活塞环的氮化层的脆性进行检测，并根据相关图谱检验可知。第一、三炉次活塞环氮化层的脆性较好，第二炉次最差。

实施例2：

1、将需氮化的活塞环(外圆表面粗糙度Ra1.2)用120#汽油进行一、二级清洗干净，待汽油挥发干净后按要求装进LDMC-75离子氮化炉内。

2、抽真空，待氮化炉内真空度为100Mpa时通电(电压：600V，电流：15A)，进行离子轰击，清洁活塞环表面。待活塞环表面清洁干净(弧闪结束)后，提高电流让活塞环升温(升温速度：150℃/h)。

3、在炉内温度升至525℃后进行保温，这时通入不同氮化气氛进行氮化。

第一炉次通入氮化气氛：N₂：H₂＝1.1：3.1；保温时间：9.5小时；

第二炉次通入氮化气氛：N₂：H₂：CH₄＝2.1：5.1：0.45；保温时间：9.5小时；

第三炉次通入氮化气氛：先通入氮化气氛N₂：H₂＝1.1：3.1，保温5.5小时后，再停辉抽真空到60Pa，接着通入氮化气氛N₂：H₂：CH₄＝2.1：5.1：0.45；保温时间：7.5小时。

对三个炉次氮化后的活塞环进行检测和分析：

1、氮化层显微硬度：

检测氮化层显微硬度载荷为100g，第一炉次活塞环表面硬度最高只有680HV0.1，不符合设计要求。第二炉次活塞环表面硬度虽然最高有890HV0.1，但是硬度梯度陡，渗层深度不足0.20mm，这是第三炉次活塞环表面硬度最高有910HV0.1，硬度梯度平稳，渗层深度有0.38mm，满足了工艺设计要求。

2、氮化层磨损试验与实施例1基本相同。

3、氮化层显微组织与实施例1基本相同。

4、氮化层的脆性与实施例1相同。

Claims (4)

1.一种灰铁活塞环多元气氛离子氮化方法，其特征是该方法包括如下步骤：

(1)将需氮化的活塞环用汽油进行一、二级清洗，待汽油挥发干净后放置离子氮化炉内；

(2)抽真空，待氮化炉内真空度为90Mpa～100Mpa时通电进行离子轰击，清洁活塞环表面，电压：500V～600V，电流：10～15A，待活塞环表面清洁干净即弧闪结束，提高电流使活塞环升温；

(3)当炉内温度升至520±5℃后进行保温，并先通入氮化气氛N₂：H₂＝1±0.1：3±0.1，保温5±0.5小时后，再停辉抽真空到50±10Pa，接着通入氮化气氛N₂：H₂：CH₄＝2±0.1：5±0.1：0.4±0.05；保温时间：7±0.5小时。

2.根据权利要求1所述的灰铁活塞环多元气氛离子氮化方法，其特征是步骤(1)中所述的活塞环外圆表面粗糙度Ra≤1.6。

3.根据权利要求1所述的灰铁活塞环多元气氛离子氮化方法，其特征是步骤(1)中所述汽油为120#汽油。

4.根据权利要求1所述的灰铁活塞环多元气氛离子氮化方法，其特征是步骤(2)中活塞环升温速度为100～150℃/h。

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