CN1074516A - 曲轴及其制造方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的曲轴只在轴颈表面层制有一硬质 氮化层，由此使得该曲轴与使用硬质金属制造整个曲 轴相比较可获得低成本，不很重和优良的使用寿命， 以及根据本发明的曲轴制造方法。在氮化过程前使 用氟化过程，将轴颈表面的惰性层如氧化层转变为氟 化层，氟化层保护该表面。这样，在轴颈表面形成氟 化层和氮化过程之间的任何时候，氟化层保护并保持 轴颈表面处于良好条件下，从而避免在表面重新形成 氧化层。

Description

本发明涉及一种曲轴，以及这种曲轴的制造方法。该曲轴具有硬质氮化层的轴颈有效地改善了诸如寿命的性能。

通常，发动机的曲轴，如图4所示，其轴颈22a可旋转地支撑在发动机20的曲轴箱21内的轴承23上，并且短轴22b与曲柄连杆24以可相对自由转动的方式连接，使得当燃烧室25内爆炸导致活塞26向下运动时，施加给曲轴22的力趋向于使曲轴22绕轴承23弯曲，由此与轴承23的轴承材料27相结合的轴颈22a需要有高的使用寿命。

所以，具有高使用寿命的特种钢被选来制造曲轴以改善轴颈22a处的使用寿命，然而这样导致了如增加材料成本和重量这样的问题。

为克服上述问题，本发明的一个目的是改善发动机旋转轴轴颈的使用寿命，而不增加材料成本和重量。

为了实现上述目的，一个第一发明是针对具有轴颈的曲轴，该曲轴的表面具有一硬质氮化层。而一个第二发明是该曲轴的制造方法，其中曲轴的轴颈在加热条件下被置于含氟或氟化物的气体环境中，在轴颈表面形成氟化物层，然后进一步在加热条件下置于氮化气体环境，在轴颈表面就形成一硬质氮化层。

详细地说明，本发明的曲轴在轴颈处的表面形成一硬质氮化层，但不是整个曲轴都使用硬质材料，这样能够提供一种曲轴，它可以获得低成本，不很重以及良好的使用寿命。进一步，在根据本发明的曲轴制造方法中，为了在轴颈表面形成氮化层，首先在加热条件下将轴颈放置在含氟或氟化物的气体环境，然后，置于在加热条件下氮化气体环境中，去除轴颈上形成的氟化层，同时在去除的位置（位于轴颈的表面）形成一硬质氮化层。在该过程中，在氮化清除并同时活化轴颈表面以前，轴颈表面完成氟化物的形成，它可以使得轴颈表面形成的氮化层均匀且更深，由此硬且厚的氮化层在厚度上可以是均匀而且厚。

下面详细地描述本发明。

用于本发明氟化过程的含氟或氟化物的气体是一种惰性气体，如氮气中至少加有一种氟源组分，如NF₃、BF₃、CF₄、HF、SF₆、F₂。对实际应用而言，相对于反应和制造性能NF₃是最优越和适用的。

在根据本发明的制造方法中的氮化过程中，曲轴的轴颈（钢制的、如不锈钢、并且除了轴颈以外的其余部分被不硬化的介质包层包复）被置于如下述的在加热条件下的含氟或氟化物的气体环境，以在轴颈表面形成氮化层，例如当使用NF₃加热到250至400℃。接着使用已知的氮化气体，如氨进行氮化（或碳氮化）。氟来源组分，例如NF₃，在氟化气中的浓度例如是1000至100000ppm，20000至70000ppm更好，而最好是30000至50000ppm，曲轴置于含氟或氟化物气体中的时间根据曲轴的钢材种类，形状和尺寸，加热温度等可选择地设定，通常是几分钟或几十分钟。

本发明的制造方法将被进一步说明。如图4所示的钢制的并且除轴颈外其余部分被涂覆的曲轴22的轴颈22a被清洗，以脱去油脂，并如图1所示被放置在热处理炉1中。热处理炉1是一个坑炉，它具有一个外壳2，一个加热器3和一个安置在加热器3内的内桶4。该坑炉上插入一个气体导管5和一个排气管6。由钢瓶15，16来的气体经过一个流量计17和一个阀18及类似物送入气体导管5。坑炉中的气体被由电机7驱动的风扇8搅动。曲轴22被放在安装在坑炉内的金属容器11中，在图中，标示数13指示一个真空泵，14指示一个有毒物质分离器。含氟或氟化物的气体，如NF₃和N₂的混合气体被注入该炉并加热到预定的反应温度。NF₃在250℃至400℃时产生活化氟，使得轴颈22a表面的有机和无机杂物被去除，同时，产生的氟与轴颈22a表面的铁，铬的基质或氧化物，例如FeO、Fe₂O₃、Cr₂O₃以下述所示的反应式反应，这样，在轴颈22a表面上形成含有如FeF₂、FeF₃、CrF₂、CrF₄的成份的很薄的氟化层。

该反应将轴颈22a表面的氧化层转化为氟化层，并去除该表面吸附的O₂。当没有O₂、H₂、H₂O存在，氟化层在低于600℃时是稳定的，由此防止在金属基质上形成氧化和附着氧气。同样根据所述的氟化过程在初始阶段炉体材料表面形成氟化层，由此氟化层避免了以后由于使用含氟或氟化物的气体，对炉体材料表面的可能的损坏。由含氟或氟化物的气体充分处理的轴颈22a被进一步加热到480℃至700℃的氮化温度上，并在这种状态下加入氨气或氨气与含有碳源气体的混合体（如R×气体），从而，前述的氟化层被H₂或微量水以如下述反应式还原或破坏，由此导致了活性金属基质的形成并暴露出来。

在形成活化的金属基质同时，活化氮原子进入并扩散到金属中。结果是在金属基质表面形成了含有如CrN、Fe₂N、Fe₃N、Fe₄N的氮化物的固态化合物（氮化物层）层，然后充分清除前述的旋转曲轴22上的包复物。

常规的氮化过程形成了前述类似的氮化层，但由于随温度从室温上升到氮化温度即在这时O₂被吸附而形成氧化层，使表面基质的活性降低，从而使基质表面吸收氮原子的程度降低并且不均匀。这种不均匀实际上由于在炉中难以均匀地保持NH₃的分解程度也被增大了。根据本发明的制造过程，在轴颈22a表面的氮原子吸附进行得均匀且快，从而解决了上述问题，同时提供了固态氮化层。

获得的曲轴22上的轴颈22a表面包括如图2所示的硬质氮化层，该曲轴具有优良的使用寿命。

图3所示的发动机除了曲轴22的轴承23是使用球轴承31外基本上与图4中的相同，在这种情况下，球轴承31（实际上的滚动件，如滚珠和滚珠座圈）在本发明的氮化过程中与曲轴22的轴颈22a一起氮化，这样，球轴承31可以单独减少摩擦阻力并与轴颈22a钢性地固定在一起。

根据本发明氮化过程的制造方法可以不仅仅如上述的应用在轴颈上，而且可以应用在整个曲轴上22。

除了铜以外，金属材料，如铝，钛也可以用于曲轴，并可获得与上述相同的结果。

由前述可以看到，本发明的曲轴在轴颈表面产生一硬质氮化层，而不是使用硬质金属制造整个曲轴，所以它可以提供一种可获得低成本、不很重和良好的使用寿命的曲轴。而且，本发明的具有固态氮化层的曲轴可以减少三分之一的滑动阻力，由此可以导致节省冷却剂或类似物。

更进一步，如上所述，在本发明的制造方法中，在氮化过程前的氟化作用将轴颈表面的惰性复盖层如氧化层转变为保护该表面的氟化层，由此，在轴颈形成氟化层和氮化过程之间的任何时候，氟化层保护并保持轴颈表面处在良好条件下，其结果是阻止了表面重新形成氧化层。氟化层在随后的氮化过程中被分解并被去除，使得轴颈表面暴露出来，由于暴露出来的金属表面是活性的，在氮化过程中氮原子很容易地，深入地和均匀地渗入到轴颈表面，这样轴颈表面层形成一较厚的、均匀的硬质氮化层。

图1是用于本发明实施例的热处理炉的简要剖面视图。

图2是表示在曲轴的轴颈上形成氮化层状态的剖面视图。

图3和4分别表示使用曲轴的发动机的剖面视图。

下面，本发明将通过一个实施例来说明：

由SUS316不锈钢制造的曲轴（300×Φ25毫米）的轴颈和短轴用三氯乙烷冲洗，其上除轴颈和短轴外其余部分被包复，然后被放置在图1所示的热处理炉1中，保持在含有5000ppm的NF₃的氮气中，在300℃下待15分钟，然后加热到530℃，并向热处理炉1内送入50%氨气和50%氮气的混合气体进行3小时的曲轴氮化。然后曲轴由空气冷却并由炉中取出。曲轴的轴颈和短轴上的氮化层厚度为10到70μm，氮化层表面硬度是1000到1350HV，其硬度显著高于常规氮化方法获得的氮化层的硬度。

Claims (2)

1、一种曲轴，具有轴颈，该轴颈的表面层形成硬质氮化层。

2、一种曲轴制造方法，包括将曲轴的轴颈放置在加热条件下的含有氟或氟化物的气体中，在轴颈表面形成氟化层，然后进一步放置在加热条件下的氮化气体中，在轴颈表面形成一硬质氮化层。

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