CN105603357A - 一种船用曲轴的离子氮化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属热处理工艺技术领域，尤其是一种船用曲轴的离子氮化工艺；用有机溶剂对曲轴铸件进行清洗，去除表面的油污和杂质，干燥后，对曲轴铸件表面加以磷酸锰皮膜处理；将曲轴组件放置在曲轴专用氮化炉中，在阴极底盘上沿圆周按内、中、外三层均匀摆放40根曲轴；氮化炉的阴阳极分别挂放混合稀土合金；除去炉中空气，当炉中氨气含量达到90％以上时，再加热进行保温氮化处理；将氮化炉升温，分两阶段保温氮化；本发明的船用曲轴的离子氮化工艺处理后，可获得均匀的氮化层，跳动≤0.02mm，其氮化层≥0.12mm，化合层≥0.02mm，氮化层偏差≤0.03mm，HV0.1≥500，轴颈跳动≤0.02mm；本发明的工艺流程简单，生产安全，整炉氮化效果一致，达到氮化要求，提高了产品合格率。
Description
技术领域
本发明涉及金属热处理工艺技术领域，尤其是一种船用曲轴的离子氮化工艺。
背景技术
船用方面曲轴是柴油发动机直接与螺旋桨轴联结而传递推进力的。曲轴经氮化处理后，其硬度、耐磨性、抗疲劳、抗腐蚀等性能能够大幅提升，因此是曲轴热处理的重要环节之一。离子渗氮又称辉光渗氮，是利用辉光放电原理进行的。
由于等离子促进了扩散过程，比常用的化学热处理工艺有更多的优点，因而等离子氮化近年来得到了大规模的发展，其中最主要的工艺问题之一是使工件，特别是大工件，在热处理容器内得到的温度均匀性。
现有的离子氮化炉，是将曲轴放置在炉腔内的阴极盘上，使曲轴在辉光覆盖区内进行氮化，而这种方式造成曲轴与阴极盘接触的位置成为辉光薄弱区，辉光薄弱区的温度明显低于中心温度，而温度是影响曲轴氮化效果的重要因素，因此曲轴轴颈氮化效果差，曲轴整体氮化不均匀，达不到采用离子渗氮工艺提高曲轴机械性能的效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术中的不足，提供一种氮化温度均匀、氮化工艺简单的船用曲轴的离子氮化工艺。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种船用曲轴的离子氮化工艺，包括以下步骤：
(1)用有机溶剂对曲轴铸件进行清洗，去除表面的油污和杂质，干燥后，对曲轴铸件表面加以磷酸锰皮膜处理；
(2)将步骤(1)中处理后的曲轴组件放置在曲轴专用氮化炉中，在阴极底盘上沿圆周按内、中、外三层均匀摆放40根曲轴；氮化炉的阴阳极分别挂放混合稀土合金；
(3)除去炉中空气，往氮化炉内通入无水氨气，然后通过辉光放电清理曲轴表面残留的污物，当炉中氨气含量达到90％以上时，再加热进行保温氮化处理；
(4)将氮化炉升温，分两阶段保温氮化：
a.第一次升温保温稳定化阶段：点弧升温，控制升温速度v为2.5℃/min，炉内压力为50-130MPa，当氮化炉内的温度达到300℃时控制氨气的流量为0.35l/min，继续升温至450℃并在此温度下保温1.5h；
b.第二次升温氮化阶段：继续升温，逐渐加大氨气的通气速度至0.6-0.7l/min，控制升温速度v为1.5℃/min，当温度升至400-480℃时，往氮化炉内通入氨气、二氧化碳的混合气体，氨气和二氧化碳的体积比为8:1，氨气的通气速度为0.72-0.8l/min，二氧化碳的通气速度为0.09-0.1l/min；继续升温，控制升温速度为1℃/min，当温度升至525-535℃后，调节氨气的通气速度为1.0-1.1l/min，二氧化碳的通气速度为0.1-0.11l/min，保温3h，保温气压为660-680MPa，然后停止加热，自然冷却至180-200℃，充气开炉。
进一步的，所述磷酸锰皮膜处理如下：采用浸渍法在曲轴铸件表面涂覆一层厚度为5-15μm的磷酸锰皮膜，然后涂覆一层石墨。
进一步的，所述步骤(2)中稀土合金的百分含量组成为：La42-45％，Ce50-53％，其与为Al、Cr和Mo。
进一步的，稀土合金的百分含量组成为：La43％，Ce52％，Al2.4％，Cr1.6％和Mo1％。
进一步的，所述离子氮化工艺还包括对曲轴铸件的负压清洗操作，所述负压清洗操作步骤如下：将曲轴铸件浸泡在汽油里4-6min，使曲轴铸件表面油污杂质溶于汽油中，然后依次用毛刷、干布和压缩空气对铸件表面进行清洁处理，最后将曲轴铸件置于氮化炉内，利用氮化炉内的余温加热，将氮化炉抽真空至0.15MPa，在炉中放置4-6h后通入空气，开炉取件，再次用干布揩干表面的油污即可。
采用本发明的技术方案的有益效果是：
本发明的船用曲轴的离子氮化工艺处理后，可获得均匀的氮化层，且无烧伤、跳动≤0.02mm，其氮化层≥0.12mm，化合层≥0.02mm，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，能显著提高曲轴的耐磨性及抗疲劳强度，本发明的工艺流程简单，生产安全，整炉氮化效果一致，达到氮化要求，提高了产品合格率。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种船用曲轴的离子氮化工艺，包括以下步骤：
(1)用有机溶剂对曲轴铸件进行清洗，去除表面的油污和杂质，干燥后，对曲轴铸件表面加以磷酸锰皮膜处理；所述磷酸锰皮膜处理如下：采用浸渍法在曲轴铸件表面涂覆一层厚度为5μm的磷酸锰皮膜，然后涂覆一层石墨；
(2)将步骤(1)中处理后的曲轴组件放置在曲轴专用氮化炉中，在阴极底盘上沿圆周按内、中、外三层均匀摆放40根曲轴；氮化炉的阴阳极分别挂放混合稀土合金；其中，稀土合金的百分含量组成为：La42％，Ce50％，其与为Al、Cr和Mo；
(3)除去炉中空气，往氮化炉内通入无水氨气，然后通过辉光放电清理曲轴表面残留的污物，当炉中氨气含量达到90％以上时，再加热进行保温氮化处理；
(4)将氮化炉升温，分两阶段保温氮化：
a.第一次升温保温稳定化阶段：点弧升温，控制升温速度v为2.5℃/min，炉内压力为50MPa，当氮化炉内的温度达到300℃时控制氨气的流量为0.35l/min，继续升温至450℃并在此温度下保温1.5h；
b.第二次升温氮化阶段：继续升温，逐渐加大氨气的通气速度至0.6l/min，控制升温速度v为1.5℃/min，当温度升至400℃时，往氮化炉内通入氨气、二氧化碳的混合气体，氨气和二氧化碳的体积比为8:1，氨气的通气速度为0.72l/min，二氧化碳的通气速度为0.09l/min；继续升温，控制升温速度为1℃/min，当温度升至525℃后，调节氨气的通气速度为1.0l/min，二氧化碳的通气速度为0.1l/min，保温3h，保温气压为660MPa，然后停止加热，自然冷却至180℃，充气开炉；
优选的，所述离子氮化工艺还包括对曲轴铸件的负压清洗操作，所述负压清洗操作步骤如下：将曲轴铸件浸泡在汽油里4min，使曲轴铸件表面油污杂质溶于汽油中，然后依次用毛刷、干布和压缩空气对铸件表面进行清洁处理，最后将曲轴铸件置于氮化炉内，利用氮化炉内的余温加热，将氮化炉抽真空至0.15MPa，在炉中放置4h后通入空气，开炉取件，再次用干布揩干表面的油污即可。
实施例2
一种船用曲轴的离子氮化工艺，包括以下步骤：
(1)用有机溶剂对曲轴铸件进行清洗，去除表面的油污和杂质，干燥后，对曲轴铸件表面加以磷酸锰皮膜处理；所述磷酸锰皮膜处理如下：采用浸渍法在曲轴铸件表面涂覆一层厚度为8μm的磷酸锰皮膜，然后涂覆一层石墨；
(2)将步骤(1)中处理后的曲轴组件放置在曲轴专用氮化炉中，在阴极底盘上沿圆周按内、中、外三层均匀摆放40根曲轴；氮化炉的阴阳极分别挂放混合稀土合金；稀土合金的百分含量组成为：La43.5％，Ce51.5％，其与为Al、Cr和Mo；
(3)除去炉中空气，往氮化炉内通入无水氨气，然后通过辉光放电清理曲轴表面残留的污物，当炉中氨气含量达到90％以上时，再加热进行保温氮化处理；
(4)将氮化炉升温，分两阶段保温氮化：
a.第一次升温保温稳定化阶段：点弧升温，控制升温速度v为2.5℃/min，炉内压力为70MPa，当氮化炉内的温度达到300℃时控制氨气的流量为0.35l/min，继续升温至450℃并在此温度下保温1.5h；
b.第二次升温氮化阶段：继续升温，逐渐加大氨气的通气速度至0.65l/min，控制升温速度v为1.5℃/min，当温度升至430℃时，往氮化炉内通入氨气、二氧化碳的混合气体，氨气和二氧化碳的体积比为8:1，氨气的通气速度为0.72l/min，二氧化碳的通气速度为0.09l/min；继续升温，控制升温速度为1℃/min，当温度升至530℃后，调节氨气的通气速度为1.0l/min，二氧化碳的通气速度为0.1l/min，保温3h，保温气压为670MPa，然后停止加热，自然冷却至185℃，充气开炉；
优选的，所述离子氮化工艺还包括对曲轴铸件的负压清洗操作，所述负压清洗操作步骤如下：将曲轴铸件浸泡在汽油里5min，使曲轴铸件表面油污杂质溶于汽油中，然后依次用毛刷、干布和压缩空气对铸件表面进行清洁处理，最后将曲轴铸件置于氮化炉内，利用氮化炉内的余温加热，将氮化炉抽真空至0.15MPa，在炉中放置5h后通入空气，开炉取件，再次用干布揩干表面的油污即可。
实施例3
一种船用曲轴的离子氮化工艺，包括以下步骤：
(1)用有机溶剂对曲轴铸件进行清洗，去除表面的油污和杂质，干燥后，对曲轴铸件表面加以磷酸锰皮膜处理；所述磷酸锰皮膜处理如下：采用浸渍法在曲轴铸件表面涂覆一层厚度为10μm的磷酸锰皮膜，然后涂覆一层石墨；
(2)将步骤(1)中处理后的曲轴组件放置在曲轴专用氮化炉中，在阴极底盘上沿圆周按内、中、外三层均匀摆放40根曲轴；氮化炉的阴阳极分别挂放混合稀土合金；稀土合金的百分含量组成为：La43％，Ce52％，Al2.4％，Cr1.6％和Mo1％；
(3)除去炉中空气，往氮化炉内通入无水氨气，然后通过辉光放电清理曲轴表面残留的污物，当炉中氨气含量达到90％以上时，再加热进行保温氮化处理；
(4)将氮化炉升温，分两阶段保温氮化：
a.第一次升温保温稳定化阶段：点弧升温，控制升温速度v为2.5℃/min，炉内压力为130MPa，当氮化炉内的温度达到300℃时控制氨气的流量为0.35l/min，继续升温至450℃并在此温度下保温1.5h；
b.第二次升温氮化阶段：继续升温，逐渐加大氨气的通气速度至0.65l/min，控制升温速度v为1.5℃/min，当温度升至460℃时，往氮化炉内通入氨气、二氧化碳的混合气体，氨气和二氧化碳的体积比为8:1，氨气的通气速度为0.8l/min，二氧化碳的通气速度为0.1l/min；继续升温，控制升温速度为1℃/min，当温度升至530℃后，调节氨气的通气速度为1.0l/min，二氧化碳的通气速度为0.1l/min，保温3h，保温气压为670MPa，然后停止加热，自然冷却至190℃，充气开炉。
优选的，所述离子氮化工艺还包括对曲轴铸件的负压清洗操作，所述负压清洗操作步骤如下：将曲轴铸件浸泡在汽油里5min，使曲轴铸件表面油污杂质溶于汽油中，然后依次用毛刷、干布和压缩空气对铸件表面进行清洁处理，最后将曲轴铸件置于氮化炉内，利用氮化炉内的余温加热，将氮化炉抽真空至0.15MPa，在炉中放置5h后通入空气，开炉取件，再次用干布揩干表面的油污即可。
实施例4
一种船用曲轴的离子氮化工艺，包括以下步骤：
(1)用有机溶剂对曲轴铸件进行清洗，去除表面的油污和杂质，干燥后，对曲轴铸件表面加以磷酸锰皮膜处理；所述磷酸锰皮膜处理如下：采用浸渍法在曲轴铸件表面涂覆一层厚度为12μm的磷酸锰皮膜，然后涂覆一层石墨；
(2)将步骤(1)中处理后的曲轴组件放置在曲轴专用氮化炉中，在阴极底盘上沿圆周按内、中、外三层均匀摆放40根曲轴；氮化炉的阴阳极分别挂放混合稀土合金；稀土合金的百分含量组成为：La44.8％，Ce53.4％，Al0.6％、Cr0.4％和Mo0.8％。
(3)除去炉中空气，往氮化炉内通入无水氨气，然后通过辉光放电清理曲轴表面残留的污物，当炉中氨气含量达到90％以上时，再加热进行保温氮化处理；
(4)将氮化炉升温，分两阶段保温氮化：
a.第一次升温保温稳定化阶段：点弧升温，控制升温速度v为2.5℃/min，炉内压力为120MPa，当氮化炉内的温度达到300℃时控制氨气的流量为0.35l/min，继续升温至450℃并在此温度下保温1.5h；
b.第二次升温氮化阶段：继续升温，逐渐加大氨气的通气速度至0.68l/min，控制升温速度v为1.5℃/min，当温度升至470℃时，往氮化炉内通入氨气、二氧化碳的混合气体，氨气和二氧化碳的体积比为8:1，氨气的通气速度为0.72l/min，二氧化碳的通气速度为0.09l/min；继续升温，控制升温速度为1℃/min，当温度升至530℃后，调节氨气的通气速度为1.1l/min，二氧化碳的通气速度为0.11l/min，保温3h，保温气压为670MPa，然后停止加热，自然冷却至190℃，充气开炉。
优选的，所述离子氮化工艺还包括对曲轴铸件的负压清洗操作，所述负压清洗操作步骤如下：将曲轴铸件浸泡在汽油里5min，使曲轴铸件表面油污杂质溶于汽油中，然后依次用毛刷、干布和压缩空气对铸件表面进行清洁处理，最后将曲轴铸件置于氮化炉内，利用氮化炉内的余温加热，将氮化炉抽真空至0.15MPa，在炉中放置5h后通入空气，开炉取件，再次用干布揩干表面的油污即可。
实施例5
一种船用曲轴的离子氮化工艺，包括以下步骤：
(1)用有机溶剂对曲轴铸件进行清洗，去除表面的油污和杂质，干燥后，对曲轴铸件表面加以磷酸锰皮膜处理；述磷酸锰皮膜处理如下：采用浸渍法在曲轴铸件表面涂覆一层厚度为15μm的磷酸锰皮膜，然后涂覆一层石墨；
(2)将步骤(1)中处理后的曲轴组件放置在曲轴专用氮化炉中，在阴极底盘上沿圆周按内、中、外三层均匀摆放40根曲轴；氮化炉的阴阳极分别挂放混合稀土合金；稀土合金的百分含量组成为：La45％，Ce53％，Al0.6％，Cr0.6％，和Mo0.4％；
(3)除去炉中空气，往氮化炉内通入无水氨气，然后通过辉光放电清理曲轴表面残留的污物，当炉中氨气含量达到90％以上时，再加热进行保温氮化处理；
(4)将氮化炉升温，分两阶段保温氮化：
a.第一次升温保温稳定化阶段：点弧升温，控制升温速度v为2.5℃/min，炉内压力为130MPa，当氮化炉内的温度达到300℃时控制氨气的流量为0.35l/min，继续升温至450℃并在此温度下保温1.5h；
b.第二次升温氮化阶段：继续升温，逐渐加大氨气的通气速度至0.7l/min，控制升温速度v为1.5℃/min，当温度升至480℃时，往氮化炉内通入氨气、二氧化碳的混合气体，氨气和二氧化碳的体积比为8:1，氨气的通气速度为0.8l/min，二氧化碳的通气速度为0.1l/min；继续升温，控制升温速度为1℃/min，当温度升至525-535℃后，调节氨气的通气速度为1.1l/min，二氧化碳的通气速度为0.11l/min，保温3h，保温气压为680MPa，然后停止加热，自然冷却至200℃，充气开炉。
优选的，所述离子氮化工艺还包括对曲轴铸件的负压清洗操作，所述负压清洗操作步骤如下：将曲轴铸件浸泡在汽油里6min，使曲轴铸件表面油污杂质溶于汽油中，然后依次用毛刷、干布和压缩空气对铸件表面进行清洁处理，最后将曲轴铸件置于氮化炉内，利用氮化炉内的余温加热，将氮化炉抽真空至0.15MPa，在炉中放置6h后通入空气，开炉取件，再次用干布揩干表面的油污即可。
对本实施例1-5中处理后的船用曲轴进行性能测试，检测结果见表1。
表1
实施例3为优选实施方式。
尽管上述实施例已对本发明的技术方案进行了详细地描述，但是本发明的技术方案并不限于以上实施例，在不脱离本发明的思想和宗旨的情况下，对本发明的技术方案所做的任何改动都将落入本发明的权利要求书所限定的范围。
Claims (5)
1.一种船用曲轴的离子氮化工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用有机溶剂对曲轴铸件进行清洗，去除表面的油污和杂质，干燥后，对曲轴铸件表面加以磷酸锰皮膜处理；
(2)将步骤(1)中处理后的曲轴组件放置在曲轴专用氮化炉中，在阴极底盘上沿圆周按内、中、外三层均匀摆放40根曲轴；氮化炉的阴阳极分别挂放混合稀土合金；
(3)除去炉中空气，往氮化炉内通入无水氨气，然后通过辉光放电清理曲轴表面残留的污物，当炉中氨气含量达到90％以上时，再加热进行保温氮化处理；
(4)将氮化炉升温，分两阶段保温氮化：
a.第一次升温保温稳定化阶段：点弧升温，控制升温速度v为2.5℃/min，炉内压力为50-130MPa，当氮化炉内的温度达到300℃时控制氨气的流量为0.35l/min，继续升温至450℃并在此温度下保温1.5h；
b.第二次升温氮化阶段：继续升温，逐渐加大氨气的通气速度至0.6-0.7l/min，控制升温速度v为1.5℃/min，当温度升至400-480℃时，往氮化炉内通入氨气、二氧化碳的混合气体，氨气和二氧化碳的体积比为8:1，氨气的通气速度为0.72-0.8l/min，二氧化碳的通气速度为0.09-0.1l/min；继续升温，控制升温速度为1℃/min，当温度升至525-535℃后，调节氨气的通气速度为1.0-1.1l/min，二氧化碳的通气速度为0.1-0.11l/min，保温3h，保温气压为660-680MPa，然后停止加热，自然冷却至180-200℃，充气开炉。
2.根据权利要求1所述的一种船用曲轴的离子氮化工艺，其特征在于，所述磷酸锰皮膜处理如下：采用浸渍法在曲轴铸件表面涂覆一层厚度为5-15μm的磷酸锰皮膜，然后涂覆一层石墨。
3.根据权利要求1所述的一种船用曲轴的离子氮化工艺，其特征在于所述步骤(2)中稀土合金的百分含量组成为：La42-45％，Ce50-53％，其与为Al、Cr和Mo。
4.根据权利要求3所述的一种船用曲轴的离子氮化工艺，其特征在于：稀土合金的百分含量组成为：La43％，Ce52％，Al2.4％，Cr1.6％和Mo1％。
5.根据权利要求1所述的一种船用曲轴的离子氮化工艺，其特征在于，所述离子氮化工艺还包括对曲轴铸件的负压清洗操作，所述负压清洗操作步骤如下：将曲轴铸件浸泡在汽油里4-6min，使曲轴铸件表面油污杂质溶于汽油中，然后依次用毛刷、干布和压缩空气对铸件表面进行清洁处理，最后将曲轴铸件置于氮化炉内，利用氮化炉内的余温加热，将氮化炉抽真空至0.15MPa，在炉中放置4-6h后通入空气，开炉取件，再次用干布揩干表面的油污即可。
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