马氏体不锈钢活塞环的气体氮化.docx

( 1.武汉大学 动力与机械学院,湖北 武汉 430072; 2.武汉化工学院 机械系, 湖北 武汉 430079;3.武汉泰普机械有限公司, 湖北 武汉 430022)摘 要: 对 6Cr13Mo 马氏体不锈钢活塞环进行了加入 NH4Cl 的洁净气体氮化处理试验, 对产品进行了金相与硬度检测及装车试验。结果表明, 由于 NH4Cl 的活化与催渗作用, 经 5208 h 氮化 , 氮 化 层 深 可 达 0.20 mm, 最 高 硬 度 达 到 1 200HV, 且大于 800 HV 的有效层深达 0.12 mm 以上, 完全能够满足活塞环的使用要求, 其使用寿命与镀铬环相当。该处理工艺 可以代替传统的有污染的镀铬工艺。关键词: 气体氮化; 马氏体不锈钢; 活塞环中图分类号: TG156.8+2文献标识码: A文章编号: 1001-3814(2005)08-0047-03Gas Nitr iding Tr eatment of Piston Ring Made of Mar tensitic Stainless SteelXIAO Wen-kai1, 3, TONG Feng-hua2,3, LI Chao-zhi1, LIU Shan-qing3(1.College of Power and Mechanical Engineering ,Wuhan University, Wuhan 430072, China;2.Department of Machinery, Wuhan Institute of Chemical Technology,Wuhan 430079, China;3.Wuhan Taipu Machinery Co., Ltd, Wuhan 430022, China)Abstr act: The piston ring made of 6Cr13Mo martensitic stainless steel was treated by means of clean gas nitriding with the ad- dition of NH4Cl. The speciments were analyzed and tested.The results show that the depth and hardness of the nitrided layer was ap-proximately 0.20 mm and 1 200 HV respectivily after gas nitriding at 520 for 8 h. The effective layer depth over 800 HV wasmore than 0.12 mm enough to fit for the technical order of the piston ring and its service life was of the same order as the chromized piston ring. Also, it indicats that gas nitriding process can take place of the old chromizing process of piston ring with pollutant.Key wor ds: gas nitriding; martensitic stainless steel; piston ring活塞环是汽车发动机中的关键部件, 同时又是易损件, 随着汽车产量及保有量的不断增加, 我国每年 活塞环的需求量已近上亿缸副。为提高活塞环的耐磨 性和使用奉命, 传统的制造工艺是在活塞环的工作面 上电镀硬铬, 但却带来了极大的能源消耗 与环境污 染。随着节能意识日趋增强和环保呼声的日益高涨, 寻求既保持活塞环的耐磨性又经济合理且 无毒性的 新工艺是一个急需的课题。近年来发达国家已将氮 化工艺用于 活塞环上来 代替镀铬, 取得了很好的效果。目前已有少数国内企 业开始将此工艺用于活塞环, 但却存在不少问题。因 为氮化工艺有其本身的局限性, 并不是所有活塞环材 料都能用该工艺成功地替代镀铬, 而是只有某些特殊 成分的材料才能达此目的。有关马氏体不锈钢活塞环 氮化方面的情况国内尚未见报道, 本文就此进行了试 验研究。要使氮化环的耐磨性能与镀铬环相媲美, 环的氮化层应具有怎样的性能指标呢? 从分析镀铬环使用寿 命的情况入手, 我们可以得到指导性的结论。活塞环 在自由状态时是一开口的椭圆, 在工作时的状态是一 密封的正圆, 两端口之间留有一定的工作间隙, 其目 的是防止气缸升温后环受热膨胀在周长方 向上尺寸 增加而相抵。当环的外圆面不断磨损, 则环的半径减 小, 总周长亦随之减小, 此间隙就会逐渐增大。一般说 来 , 当 环 的 单 边 磨 损 即 半 径 的 减 小 量 达 0.08 0.10 mm 时, 其工作间隙的尺寸会达到 1 mm 左右, 而此时 通过此处的漏气量已相当可观, 环就应当更换了。因 此对镀硬铬而言, 镀铬层的尺寸在 0.080.10 mm 就 已经够了, 多镀无益。材料的耐磨性与其硬度紧密相 关, 镀硬铬所能达到的硬度为 800 HV 左右; 而氮化层 本身是具有良好的抗咬合性能的, 依此我们认为, 要 使氮化环的使用寿命与镀铬环相当甚至超过镀铬环, 环氮化层的技术指标应满足如下要求, 即虽然氮化层 的硬度 由表 及 里 逐 渐 降 低 , 但 在 距 离 表 面 0.10 mm 处, 其硬度仍应维持在 800 HV 以上。同以上分析, 过 大的氮化层深亦无意义。笔者曾对合金铸铁、球墨铸 铁 、50CrVA 和 60Si2Cr 等 材 料 制 造 的 活 塞 环 进 行 氮 化处理的试验研究, 结果是尽管有些材料的表面硬度1 氮化活塞环材料的选择收稿日期: 2005-04-04作者简介: 肖文凯(1967-),男,湖北武汉人,讲师,博士,长期从事发动机活 塞环的研究与制造工作;电话 E-mail:48TECHNOLOGYHot Working Technology 2005 No. 8能达到 800 HV, 但由表及里硬度很快下降, 均未能达到上述要求的指标。随后装车实际运行的情况亦证明 这类材料环的耐磨性根本无法与镀铬环相比。活塞环在本质上属于弹簧类, 国内尚无厂家针对 氮化活塞环来设计及制造专门钢种。从氮化的角度来 考虑, 由于 Fe4N 的硬度只有 600 HV 左右, 氮化后要 获得高硬度, 需要大量的强氮化物形成元素来作贡献 才行。综合考虑活塞环的基体强度、塑性与韧性、弹性 极限、抗回火稳定性及热处理工艺的难易程度等相关 因素, 我们将 6Cr13Mo 马氏体不锈钢作为试验研究 对象。从现有参考文献来看, 马氏体不锈钢的氮化硬 度能达到较好的水平 1。国内常见 的马氏不 锈钢有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13 等, 但它们含碳量较低, 用 作活塞环往往导致其基体强度及弹性极限等指标 难 以满足使用要求。而 6Cr13Mo 马氏体不锈钢因其含 碳量较高则能较好满足上述要求。Mo 的加入可以细 化晶粒, 提高抗回火稳定性, 也能抑制第二类回火脆 性的产生。此钢的含铬量较高, 而 Cr2N 及 CrN 硬度又 均达 1 000 HV 以上, 所以能够带来较大的氮化硬化 效果。因 Ni 元素在氮化过程中阻碍氮的扩散作用明 显, 不利于氮化层深的形成, 故含 Ni 不锈钢不纳入考 虑范围。锈钢本身的导热率又较低, 故此问题将更为突出, 因此氮化方式的选择至关重要。在导热及温度均匀性方 面, 气体氮化与液体氮化要优于离子氮化, 再考虑装 炉量、能耗等经济因素, 气体氮化则更具明显优势, 所 以本文采用气体氮化工艺对 6Cr13Mo 钢活塞环进行 试验研究。不锈钢的气体氮化历来是个难点, 因为不锈钢的 表面有层致 密的 Cr2O3 钝化 膜严重阻碍 N 原 子 的 渗 入2, 为此我们采用了洁净渗氮工艺。即在炉罐内放置 NH4Cl, 在氮化过程中, NH4Cl 受热分解释放出 HCl, HCl 可以破坏致密的 Cr2O3 钝化膜而使 N 原子顺利渗 入。此方法的关 键在于 NH4Cl 的加 入量要合适 并使 其缓慢挥发, 否则大量挥发的 HCl 不但会严重腐蚀炉 罐内壁且与作为渗氮介质的 NH3 在排气口附近相遇 又形成 NH4Cl 结晶粉末而堵塞排气管道, 使氮化处理 中断。我们试验出的办法是, 在装炉量为 2 万片时,NH4Cl 的加 入量为 80 g, 并 将 NH4Cl 与 石 英 砂 按 1 200 的比例混合以托盘置于炉罐底部, 以延缓 NH4Cl的快速挥发。2.2 工艺参数的选择6Cr13Mo 钢活塞环氮 化处理前的 调质处理工 艺 为: 1 050真空油淬 +560回火。笔者经大量实验摸 索后认为, 高温回火的温度不能超过 560, 环在此回 火温度下的基体硬度为 3840 HRC, 低于此硬度, 环 的综合性能不能满足使用要求, 如安装时会因回弹性 不足而发生变形。为保证调质组织的稳定性, 氮化温 度一般应低于调质温度 3050, 即在 530以下为2氮化工艺及试验方案的确定2.1氮化方式的确定活塞环的尺寸较为精密, 氮化带来的微小变形所致的形状改变都有可能造成密封不良而漏气; 而传热与受热不均匀往往又是变形的主要原因之一, 加之不图 1 不同时间下的渗氮工艺以防!止相( Fe2N 基固溶体) 的形成, 降低渗层脆性;宜, 故我们将氮化温度设定为 520。一般说来, 较低温度下的渗氮, 耗时较长, 究竟多长时间的渗氮才能满足预定的硬度与层深的技 术指 标是一个需要摸索的参量。为求得合适的渗氮时间, 拟定了如图 1 所示的渗氮工艺进行试验。渗氮时, 采 用高氮势, 氨分解率维持在 25%左右。在渗氮结束前 将温度提高到 530, 进行一定时间的退氮处理, 以降 低表面渗层硬度, 降低脆性, 同时也增加渗层深度, 并 使硬度梯度趋于平缓。渗氮结束时, 继续供氨, 同时用 鼓风机向炉膛内通入空气, 快速冷却炉罐, 一方面可另一方面, 也可缩短渗氮周期, 提高设备的利用率。试验设备及检测方法渗氮设备为南京摄山电炉厂生产的 RN-60-K 型 微 机 可 控 式 渗 氮 炉 , 工 作 室 尺 寸 650 mm 1 200 mm, 环装炉量 2 万片 / 炉。用 Olimpus 显微镜进行组 织形貌观察。用 HS1000 数字显微硬度计测量渗层表 面硬度及硬度梯度分布并确定出渗层深度, 渗层深度 系指从表面到高于心部硬度 50 HV0.1 处 3 。3工艺技术49热加工工艺 2005 年第 8 期较小, 应能满足使用要求。在随后环的珩磨加工及使用过程中也证明, 该工艺下的活塞环渗层没有发生崩 落现象。4.2氮化层的硬度梯度分布图 4 示出了不 同氮化工艺 下的硬度梯 度分布曲4结果与讨论4.1基体及氮化层的组织形貌特征图 2 示出了用图 1(a) 工艺处理的 6Cr13Mo 活塞环的基体及氮化层的组织形貌特征。可以看出, 基体组织的晶粒细小均匀, 碳化物颗粒弥散分布在索氏体 基体上, 这表明, 氮化前所采用的调质处理工艺是合 适的; 基体与氮化层边界十分清晰, 氮化层全由扩散 层组成, 合金氮化物呈弥散细小析出, 无有害的白亮 层产生。图 3 为其渗层显微硬度压痕的分布情况, 可 以看出, 压痕棱角清晰, 形状完整, 依此, 渗层的脆性线,可以看出, 6Cr13Mo 钢活塞环氮化后的最高硬度可达 1 200 HV 以上, 这是 Cr、Mo、Fe 合金元素氮化物共同作用的结果, 但以 Cr 元素的作用为最大, 因为Fe4N 的 硬 度 只 有 600 HV 左 右 , MoN 为 1 100 HV,CrN 达 到 1 100 HV, 而 Cr2N 高 达 1 500 HV, 且 Cr的含量为 Mo 的数十倍之多。这说明含 Cr13%的马氏4图 2 渗层与基体的显微组织图 3 显微硬度压痕分布图 4 氮化层硬度值分布曲线体不锈钢有很强的硬化效果。用硬度法确定的渗层达0.20 mm, 与金相法测出的深度基本一致。渗层在离表 面 0.12 mm 处硬度仍然在 800 HV 以上, 说明该环氮 化后在硬度方面已完全能够达到替代镀铬的效果。不 同时间的氮化工艺结果表明, 经 8 h 氮化处理后, 硬度 大于 800 HV 的有效渗层已超过 0.12 mm, 足以满足使 用要求, 再延长时间也只能使氮化层深增加 0.010.03 mm, 且 0.10 mm 后的渗层增加不但没有实际意义, 反 而会使整个环的脆性增加。因此 8 h 的氮化处理是个 临界的时间, 又是一个经济的处理时间, 所以图 1(a)工 艺是一个优化的工艺。与常规的气体氮化工艺相比较, 本工艺的氮化时间已缩短了 2/3 以上, 与离子氮化的 时间相当5, 且硬度更高。对于活塞环氮化而言, 同样 功 率 的 设 备 , 离 子 氮 化 的 装 炉 量 只 及 气 体 氮 化 的1/46, 且气体氮化更节能, 操作更方便。经成本核算, 每 片环的氮化成本只需约 0.02 元。4.3变形与合格率经采用专用夹具渗氮, 环几乎无变形, 环氮化后经 漏光检查( 同比于漏气检查) , 不漏光率接近 100%, 可 见该工艺的氮化合格率非常高。4.4装车使用寿命将氮化处理的活塞环装入 10 辆神龙富康出租车 试运行, 到目