CN103060743B - 一种芯孔球铁曲轴的离子氮化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种芯孔球铁曲轴的离子氮化工艺，所述的芯孔球铁曲轴的离子氮化工艺步骤：a.将曲轴毛坯加工至的氮化尺寸小于设计尺寸；b.将加工完成的曲轴放置在氮化炉阴极盘上，并按环形发散状布置；c.在曲轴上端安装阴极罩；e.将氮化炉的外壁炉盖盖在氮化炉上，并密封；f.将氮化炉升温，两阶段保温，催渗氮化；g.随炉冷却。本发明具有氮化效果好、氮化层质地均匀、曲轴变形程度低以及产品质量高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及机械制造领域，尤其涉及一种热处理工艺，具体是指一种芯孔球铁曲轴的离子氮化工艺。
背景技术
众所周知，脉冲离子氮化工艺，处理温度范围宽、渗速快、化合层结构可控，节省能源、非氮化部位不用屏蔽、无公害，是曲轴进行表面热处理的常用工艺，但是芯孔球铁曲轴经离子氮化后，出现上下层、里外圈氮化层不均匀，连杆颈涨，里圈、中圈严重。造成返修、报废,这是因为炉内温度不均匀造成的。
外圈靠近炉壁或附近空间较大的曲轴散热快，温度偏低，里圈曲轴散热慢，相对温度高；曲轴表面辉光集中的部位电流密度偏大，温度偏高，起辉面积大、散热损失小的曲轴，如芯孔也起辉的曲轴，温度偏高，曲轴间距小温度偏高；温度偏高的部位，氮化层深，温度偏低的部位，氮化层浅；另外，芯孔贯通连杆颈轴心，铸造成型，且曲轴在预热处理中，芯孔表面形成约1mm的脱碳层，又是非加工面，其组织为铁素体，有利于氮的渗透，所以连杆颈两表面加热氮化，相对主轴颈来说氮化后容易引起肿涨，温度越高的部位越严重。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术所存在的不足之处，提供一种氮化效果好、氮化层质地均匀、曲轴变形程度低以及产品质量高的芯孔球铁曲轴的离子氮化工艺。
本发明的技术解决方案是，提供如下一种芯孔球铁曲轴的离子氮化工艺，所述的芯孔球铁曲轴的离子氮化工艺步骤：首先将曲轴毛坯加工至氮化尺寸（根据不同型号的发动机，所使用的尺寸也不一样，具体根据设计尺寸确定，根据经验得知两者之间的尺寸差距在0.005 mm～0.05mm之间），所述的氮化尺寸小于设计尺寸；再将曲轴放置在氮化炉内，并按环形发散状布置；并在曲轴上端安装阴极罩；将氮化炉的外壁炉盖盖在氮化炉上，并密封；最后进入氮化阶段，首先将氮化炉升温；之后催渗氮化；最后氮化结束后随炉冷却。
采用以上技术方案，带芯孔结构的球铁曲轴，经过本工艺方案的热处理，不仅能得到均匀的氮化层，强化了曲轴的表面耐磨性，而且提高了生产效率。
作为优选，所述的曲轴氮化尺寸比设计尺寸小0.005 mm～0.05mm。采用本技术方案，所述曲轴连杆颈设置预留尺寸变化量，根据不同材料的经验数据，减小连杆颈尺寸在0.005 mm～0.05mm，主要用于抵消曲轴氮化后的膨胀量。
作为优选，所述的曲轴在氮化炉内上大头朝下、小头朝上，各曲轴的连杆颈互不接触，呈外紧内疏，不少于一圈的环形排列；所述的环形排列为里圈、中圈和外圈三圈排列，所述的里圈和中圈的曲轴沿着曲轴所在的圆周按顺时针或逆时针方向排列，所述的外圈曲轴按朝向里、外交替布置的方式排列，所述的各曲轴之间间隙为：外圈各曲轴间隙为a=20mm～40mm，里圈、中圈各曲轴间隙均为b=40mm～70mm。
采用以上技术方案，氮化炉内底部安装有阴极盘，曲轴摆放在阴极盘上，所述的曲轴大、小头的含义为直径较大的一端为大头，直径较小的一端为小头，才有环形布置不仅增加了单位面积内曲轴的装炉数量，同时能满足形成辉光所需的间距，也顾及到整炉温度均匀度的要求。主要避免辉光集中影响表面质量、尺寸精度以及氮化层质量等，并且保证了内外圈的曲轴热处理温度相对均衡，提高了产品的合格率。
作为优选，所述的位于氮化炉内的曲轴的小头端上设置阴极罩。采用本技术方案，所采用的阴极罩大小形状与阴极盘相对应，主要是针对罩式氮化炉而言，放置于曲轴上部，避免加热区热量散失，同时保证曲轴温度均匀性，温度的均匀性可以通过曲轴氮化层的质量体现出来。
作为优选，将所述氮化炉的外壁炉罩盖在氮化炉上密封，然后对氮化炉进行抽真空处理，使炉体内部压力在50Pa以下；然后通过辉光放电清理曲轴表面残留的污物，再进行加热保温氮化处理。采用本技术方案，真空低压情况下进行辉光处理，主要为了清除曲轴表面污物，才能升温、并得到较好的氮化层。
作为较佳，所述的加热保温氮化处理分为三个阶段：第一次升温保温稳定化阶段；第二次升温保温氮化阶段、随炉降温阶段；
①第一次升温保温稳定化阶段：加大电压电流升温，控制升温速度v≤2℃/分，当氮化炉内温度达到300℃时开始通入氨气，通入量为0.3～0.5L/分，继续升温至400℃，保温时间1小时；
②第二次升温保温氮化阶段：继续升温，逐渐加大通氨量至0.5～0.8L/分，升温速度v≤1℃/分，当炉内温度达到530℃±10℃时，往氮化炉内通入比例为10:1的氨气和二氧化碳，氨气通入量控制在0.8～1.5 L/分，二氧化碳通入量控制在0.08～0.15 L/分，使氮化炉内压力达200～600Pa，保温时间为3～6小时；
③随炉降温阶段：停机随炉冷却，待温度降至200℃时出炉。
采用以上技术方案，将第二次升温速度控制在v≤1℃/分，有效防止曲轴在400℃以上快速升温产生畸变，提高产品合格率；本发明中的渗氮工艺主要是以渗氮为主的氮碳共渗，可缩短氮化过程，获得致密的氮化层（高温下，二氧化碳与铁反应生成蜂窝状的四氧化三铁氧化层，活化表面，促进表面对氮离子的吸收），升温阶段交互调整电压气压，逐步升高电压或气压，使电流的增大不致于产生弧光放电，工件表面电流密度一般为0.5mA/cm2～5 mA/cm2；在渗氮气氛中随炉冷却，主要为了防止曲轴在空气中的氧化，影响曲轴质量。
采用上述技术方案处理的芯孔球铁曲轴，可获得均匀的氮化层，且无烧伤、跳动≤0.02mm，其氮化层≥0.10mm,化合层≥0.01mm、氮化层偏差≤0.03mm、HV0.1≥500、轴颈跳动≤0.02mm，完全符合国家机械行业标准，并能显著提高曲轴的耐磨性及疲劳强度，简化工艺操作流程、改善安全可靠的生产环节，此外，本工艺也适用于其它类型曲轴以及机械零件的离子氮化处理。
附图说明
图1为本发明曲轴在氮化炉内排列示意图。
图2为本发明的离子氮化工艺曲线。
具体实施方式
为便于说明，下面结合附图，对发明的芯孔球铁曲轴的离子氮化工艺做详细说明。
本发明要求曲轴以及芯孔表面洁净干燥，无铁屑、无油污、无锈蚀；离子炉符合国家技术要求，极限真空度≤7Pa，压升率≤0.13Pa/分；曲轴组织为珠光体基体，游离铁素体小于5%。
如图1至图2中所示，一种芯孔球铁曲轴的离子氮化工艺，所述的芯孔球铁曲轴的离子氮化工艺步骤：
将曲轴毛坯加工至氮化尺寸，所述的氮化尺寸小于设计尺寸，所述的曲轴氮化尺寸比设计尺寸下限小0.01mm；将加工完成的曲轴放置在氮化炉阴极盘上，按环形发散状布置；所述的曲轴在氮化炉内的阴极盘上大头朝下、小头朝上，各曲轴的连杆颈互不接触，呈外紧内疏；所述的环形排列为里圈、中圈和外圈三圈排列，所述的里圈和中圈的曲轴沿着曲轴所在的圆周按顺时针或逆时针方向排列；所述的外圈曲轴按朝向里、外交替布置的方式排列；所述的各曲轴之间间隙为：外圈各曲轴间隙为a=30mm，里圈、中圈各曲轴间隙均为b=55mm。在曲轴上端增加阴极罩，所述的阴极罩位于氮化炉内的曲轴的小头端。将氮化炉的外壁炉盖盖在氮化炉上，并密封，然后对氮化炉进行抽真空处理，使炉体内部压力在50Pa以下，然后通过辉光放电清理曲轴表面残留的污物，再进行加热保温氮化处理。将氮化炉升温，两阶段保温，催渗氮化，随炉冷却，所述的加热保温氮化处理分为三个阶段：第一次升温保温稳定化阶段；第二次升温保温氮化阶段、随炉降温阶段：
①第一次升温保温稳定化阶段：加大电压电流升温，控制升温速度v≤2℃/分，当氮化炉内温度达到300℃时开始通入氨气，氨气通入量为0.3L/分，继续升温至400℃时保温1小时；
②第二次升温保温氮化阶段：继续升温，逐渐加大通氨量至0.6L/分，升温速度v≤1℃/分，当炉温到530℃时，往氮化炉内通入比例为10:1的氨气和二氧化碳，氨气通入量控制在1.3 L/分，二氧化碳通入量控制在0.13 L/分，使氮化炉内压力达330Pa，并保温时间为4小时；
③随炉降温阶段：停机随炉冷却，待温度降至200℃时出炉。
实施例：4105球墨铸铁曲轴，连杆颈铸芯孔，材质为QT800-3，珠光体含量95%，连杆颈设计尺寸要求φ65(0 /-0.015)mm，根据设计要点，氮化前的精加工尺寸为φ65（-0.025）mm，采用有效尺寸为φ1550×1450mm罩式脉冲离子炉进行氮化，该设备额定电流150A。
按图1要求将待氮化的曲轴有序的排列在氮化炉中，中圈和里圈曲轴间隙为55mm；外圈相邻曲轴间隙30mm,共装80条，在曲轴上端，即小头端上层加阴极罩，最后盖好氮化炉炉罩，密封。
具体工艺操作如下：将氮化炉抽真空到50Pa，通过辉光放电清理、升温，升温速度v≤2℃/分，当氮化炉内温度达300℃时开始通入氨气，氨气通入量为0.3L/分，继续升温至400℃，保温时间1小时；保温结束后，逐渐加大通氨量至0.6L/分，继续升温，升温速度v≤1℃/分，当炉内温度达到530℃时，往氮化炉内通入比例为10:1的氨气和二氧化碳，氨气通入量控制在1.3 L/分，二氧化碳通入量控制在0.13 L/分，使氮化炉内压力达到330Pa，并保温时间为4小时；整个过程交互控制电压、气压，避免集中拉弧烧伤工件，最后停机随炉冷却，待温度降至200℃时出炉。
经对氮化完成的曲轴进行抽检求评价的的方式获得的氮化结果如下：第一连杆颈，氮化层为0.12mm、化合层为0.010mm、HV0.1=698；第五连杆颈，氮化层0.14mm、化合层0.011mm、HV0.1=688，氮化层偏差为0.02mm，轴颈跳动为0.015mm，连杆颈尺寸φ65（+0/-0.005）mm，完全能满足产品的技术要求，符合国家标准，并且性能高于普通方式处理的曲轴。
在上述实施例中，对本发明的最佳实施方式做了描述，很显然，在本发明的发明构思下，仍可做出很多变化。在此，应该说明，在本发明的发明构思下所做出的任何改变都将落入本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种芯孔球铁曲轴的离子氮化工艺，其特征是：所述的芯孔球铁曲轴的离子氮化工艺步骤：
a.将曲轴毛坯加工至的氮化尺寸小于设计尺寸；
b.将加工完成的曲轴放置在氮化炉阴极盘上，并按环形发散状布置；
c.在曲轴上端安装阴极罩；
e.将氮化炉的外壁炉盖盖在氮化炉上，并密封，然后对氮化炉进行抽真空处理，使炉体内部压力在50Pa以下，然后通过辉光放电清理曲轴表面残留的污物，再进行加热保温氮化处理；
f.将氮化炉升温，两阶段保温，催渗氮化；分为三个阶段：第一次升温保温稳定化阶段；第二次升温保温氮化阶段、随炉降温阶段；
①第一次升温保温稳定化阶段：加大电压电流升温，控制升温速度v≤2℃/分，当氮化炉内温度达到300℃时通入氨气，氨气通入量为0.3～0.5L/分，继续升温至400℃时保温时间1小时；
②第二次升温保温氮化阶段：继续升温，逐渐加大通氨量至0.5～0.8L/分，控制升温速度v≤1℃/分，当升温至530℃±10℃，往氮化炉内通入比例为10:1的氨气和二氧化碳，氨气通入量控制在0.8～1.5 L/分，二氧化碳通入量控制在0.08～0.15 L/分，使氮化炉内压力达200～600Pa，并保温时间为3～6小时；
③随炉降温阶段：停机随炉冷却，待温度降至200℃时出炉；
g.随炉冷却。
2.按照权利要求1所述的芯孔球铁曲轴的离子氮化工艺，其特征是：所述的曲轴所的氮化尺寸比设计尺寸小0.005 mm～0.05mm。
3.按照权利要求1所述的芯孔球铁曲轴的离子氮化工艺，其特征是：所述的环形排列为里圈、中圈和外圈三圈排列，所述的里圈和中圈的曲轴沿着曲轴所在的圆周按顺时针或逆时针方向排列，所述的外圈曲轴按朝向里、外交替布置的方式排列，所述的各曲轴之间间隙为：外圈各曲轴间隙为a=20mm～40mm，里圈、中圈各曲轴间隙均为b=40mm～70mm。
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