金属材料与热处理技术课程设计-活塞环的渗氮工艺

1、零件图图（1）活塞油环零件图及尺寸2、服役条件活塞环具有密封，控油，传热，支撑四大作用。油环具有回油孔或等效结构，能从缸壁上刮下机油的活塞环。主要用来调节（或控制）气缸壁上润滑油并带有回油通道的活塞环。在高速发动机中由于要缩短活塞长度，油环一般趋向于用一个，此时强化油环结构是有必要的。活塞环失效分析：经过长时间工作的活塞环失效的主要原因：1）因高压的燃气介质造成腐蚀磨损。2）因润滑不良导致与缸套间的严重划伤。3）因长时间往复运动造成疲劳断裂而失效。4）因弹力保持性差而失效等。3、所需性能及主要技术要求活塞油环所需性能：良好的耐磨性和耐蚀性，必要的机械强度和热强性，足够的弹性和弹性保持性，良好的加工性。主要技术要求：氮化层硬度(HV0.21000)，有效厚度（≥800HV）≥0.1mm。脆性1～2级，耐磨性，和耐腐蚀性要符合活塞环规范要求。4、选择材料由于发动机的高功率、高转速,活塞环趋向于薄环、轻量、高强度。钢质材料制成的活塞环具备这些优点,且能少、无切削加工,易自动化,成本低,有良好的可表面处理性,油耗低。随着活塞环用钢材质量的提高,它替代铸铁的部分在不断升高。对材料性能测定项目有硬度、抗拉强度、屈服强度、延伸率等。现在活塞环用钢材都能满足要求,其主要性能参见下表。我们对上表四种钢质活塞环材料进行分析后选择一种来制造活塞油环。钢质活塞环材料硬度取决于基体组织，采用四大公司(日立、特线、ASW、Haldex)的公司标准。碳素钢最低硬度HV400,标准HV500～800；铬硅低合金钢:HV409～580；奥氏体不锈钢:料厚≥0.3mmHV205～255;料厚<0.3mmHV250～330；马氏体不锈钢:HV300～420或HRC38～44。4.1比较分析其中，碳素钢和低合金钢耐蚀性较差，不锈钢中奥氏体硬度低,马氏体硬度高。所以选择马氏体不锈钢来生产钢质活塞油环。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｡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｡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｡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马氏体不锈钢作为钢质活塞油环的材料。6Cr13Mo的化学成分成分CCrMoSiMnSP含量0.6513.60.620.350.330.0040.0104.2元素分析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｡Cr含量较高,而Cr2N及CrN硬度又均达l000HV以上,所以能够带来较大的氮化硬化效果5活塞油环的加工工艺5.1加工工艺路线单体毛坯粗磨→去油→调质处理→细磨→去油→半成品检查→切削流水工作线→表面渗氮→成品检查→配组入库。5.2调质处理6Cr13Mo钢活塞环氮化处理前先进行调质处理工艺为1050℃真空油淬+560℃高温回火。5.2.1一次预热6Cr13Mo属于高碳高铬过共析钢，提高了相变点AC3，又因为大量合金碳化物的存在，使组织中的碳和铬元素分布不均，导热性差，特别是在较低温度时，导热性更差，为防止加热过程中产生裂纹，保证零件的内外温差较小，在淬火加热前先行预热。预热方式及温度由于活塞环尺寸小，一次预热法即可，一次预热温度范围是750～850℃，6Cr13Mo活塞油环粗加工后形状仍简单，在真空炉中预热温度范围是800～850℃，因为真空炉加热缓慢，低温导热性差不影响，为了减小晶粒长大而缩短淬火加热时间，选择较高的预热温度850℃。真空压强1～10-1Pa预热加热时间上图为高合金钢的预热和淬火加热系数。从表中可知，盐浴炉中加热到750～850℃的加热系数为0.3～0.35。由于较低温导热性差，取较大值0.35，根据经验公式τ=αkD，有效尺寸为5mm,装炉方式如下图（即环与环端面紧排），工件装炉方式修正系数为4.0，计算得τ（盐浴炉）=7.0。通常，真空加热速度约为盐浴加热速度的1/6，所以，一次预热加热到850℃时间为42min。预热保温时间在850℃时的透热系数可按1.5min/mm计算，得一次预热保温时间为7.5min,取整8min。5.2.2淬火淬火温度为使碳化物尽可能溶解，得到成分比较均匀的奥氏体及冷却之后有足够碳、铬饱和度的均匀的马氏体组织，这类钢的淬火加热温度高于碳钢和合金钢，即提高淬火加热温度并适当延长保温时间。由上图（左）可知，当温度在1020～1050℃之间，组织仍有碳化物（CrFe）7C3，但不宜采用更高的淬火加热温度，因为更高的温度会引起奥氏体晶粒的粗大，带来不良影响。见上图（右）。因此，淬火温度确定在1050℃。加热时间与一次预热加热时间计算方法相同，因为加热到1050℃<1100℃，加热系数取较小值0.17，计算得真空炉加热到1050℃时间为20.4，取整为20min。保温时间在850℃～1280℃的透热时间则可按0.45～0.52min/mm计算。1050℃介于之间，故按0.482min/mm计算，有效厚度为5mm,计算得2.4min，取整2min。工模具钢在此基础上可适当延长10～15min。因为环与环之间侧面并不是完全紧密接触，即装炉系数偏小，所以延长时间取较小值。求和得保温时间为12min。淬火介质1号真空淬火油。在真空炉的淬火冷却油槽中冷却。真空压强1～10-1Pa预热+淬火工艺曲线5.3.3高温回火回火温度前人大量实验经验可知，6Cr13Mo马氏体不锈钢活塞油环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38～40HRC,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。回火加热时间在气体介质炉中加热系数为0.35～0.4min/mm，取0.4min/mm，有效厚度为5mm,装炉系数为4（装炉方式同淬火）。真空加热速度比空气炉慢1.5倍，计算得真空回火加热时间为20min。回火保温时间在真空炉中回火时，保温时间比空气炉保温时间长。对高合金钢可按工件截面厚度计算回火时间，一般每25mm有效厚度加热60min，最少不少于120min,由于活塞油环有效厚度为5mm，故回火保温时间取150min，以保证应力的充分释放和尺寸的稳定性。回火冷却方式N2强制快冷。为了降低第二类回火脆性，又在真空炉中回火，且畸变和开裂倾向也小，故选择此种回火冷却方式。回火工艺曲线图回火后检测硬度：38～44HRC5.3渗氮处理活塞环的尺寸较为精密，氮化带来的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主要原因之一，加之不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。氮化方法目前工业生产中常使用的氮化方法有三种，即液体氮化、气体氮化和离子氮化。在导热及温度的均匀性方面，气体氮化与液体氮化要优于离子氮化。再考虑装炉量、设备的复杂性等因素，气体氮化则更具明显优势。其他氮化方法，比如真空脉冲渗氮，尚未广泛应用；固体渗氮，产生剧毒的氰化物，故都不采用。所以采用气体氮化工艺进行渗氮。活化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｡通常消除钝化膜有下列几种方法:磷化处理:表面磷化处理可有效破坏钝化膜并形成疏松多孔的磷化层,磷化层可以杜绝新钝化膜的形成,而且有利于氮原子的渗入｡但是磷化处理的活化的时间也难以控制，磷化层孔隙会影响工件表面质量。喷砂处理:喷砂是一种去除钝化膜的机械方法,喷砂后零件应立即入炉渗氮,减少在空气中放置的时间,防止新的钝化膜生成｡但零件经喷砂处理后,轴肩处被吹秃,而该工件要求轴肩必须保持锐边,不允许出现圆角｡氯化铵法:国内称之为洁净渗氮法,即在渗氮过程中加入氯化铵,分解出氯化氢或氯气,化学性很强,在微量水蒸气存在的条件下,它就能与几乎所有的金属和金属氧化物起化合作用,形成金属氯化物,而金属氯化物中的氯又易被氨气分解时产生的活性氮原子所置换而形成氮化物｡因此，采用洁净渗氮工艺。即在炉罐放置NH4Cl受热分解放出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。从前人的试验中可知，在装炉量为2万片时，NH4Cl的加入量为80g，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。渗氮设备为RN-60-K型微机可控井式渗氮炉，工作室尺寸φ650mm×1200mm，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。氮化温度为保证调质组织的稳定性，渗氮温度一般应低于调质温度30～50℃，即在530℃以下为宜，故我们将氮化温度设定在520℃。渗氮时采用高氮势，氨分解率维持在25%左右，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。氮化时间经前人摸索，氮化耗时8h和退氮耗时2h足以满足预定的硬度和层深的技术指标。再延长时间以增加渗层深度没有实际意义。冷却方式渗氮结束时，继续供氨，同时用鼓风机向炉膛内通入空气，快速冷却炉罐，一方面可以防止ξ相（Fe2N基固溶体）的形成，降低渗层脆性；