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活塞环的离子渗氮工艺取代镀铬工艺的探讨
作者：武汉市等离子体技术研究所 王可一、前言：
随着汽车、摩托车工业的发展，对车用发动机的要求也越来高，在发动机的组成部件中，活塞环是一重要的零件。活塞环在高温、高压燃气介质中往复运动，与缸套发生激烈的磨擦。随着发动机性能指标的不断提高，压缩比及转速也相应提高，环的工作条件也更为恶劣，所以，对环的要求也越来越高。活塞环的主要损坏形式是：磨损、擦伤和疲劳折断。要求有较高的耐磨性及良好的综合机械性能。所以，活塞环的表面处理在活塞环的制造中占有重要位置。传统的活塞环材料多为铸铁，七十年代末期，国外一些厂家在轻型汽车、摩托车上采用弹簧钢和不锈钢制作的组合环，即：钢质活塞环，效果很好。但表面处制性大，容易剥落，直接影响发动机的寿命。
随着辉光离子渗氮技术的发展，近几年来，一些活塞环生产厂家将这一技术应用在活塞环表面处理上，以提高活塞环的使用寿命。
八十年代中期，我所周孝重董事长带领我所部分技术人员开始对全钢质活塞环进行研制开发，经过近十年的努力，我们研制的产品：铃木462Q、本田70、125及雅马哈125等系列产品，已达到国外同类产品的技术指标，销往东南亚以及香港、台湾等地区。同时，利用我所从事等离子体技术研究的优势，同部分厂家合作对活塞环进行了辉光离子渗氮工艺研究、试验。
本文将以活塞环辉光离子渗氮工艺与镀铬工艺相比较，来探讨活塞环的离子氮化工艺部分取代镀铬工艺的可行性。
众所周知，离子氮化是在真空放电条件下，对工件表面进行低温化学热处理的一项工艺，它具有渗速快、工件变形小、渗层易控制、脆性小、生产周期短、成本低、无污染等特点。
二、钢质活塞环的离子氮化：
1、钢质活塞环简介：
钢质活塞环用弹簧钢丝或不锈钢丝（带）制成，其工艺路线为：钢丝轧扁—绕圆—淬，回火—磨外圆—开口—热定型—磨平面—磨内圆—精磨外圆—精磨内圆—修口—缺口倒角，最后经表面处理后成其为正式产品。
2、零件简介：
铃木462Q第一道压缩环，材料为50CrVA，直径62mm、径宽2.6mm，厚1.5mm的薄片开口环状零件。
氮化技术要求：
零件名称：铃木462Q.
材 料：50CrVA.
氮化层深：0.1-0.12mm.
化合物层：0.004-0.008mm.
表面硬度：≥HV200g600.
渗氮后切向弹力：9-15N.
翘曲变形：≤0.05mm.
试验设备：
本所制造的LDMC-30A型辉光离子氮化炉。
试验及方法：氮化前基体硬度：HRC42（沿环圆周检测三点）。
工艺参数：离子氮化：气 体：NH3.
保温时间：6h.
冷却方法：随炉冷却。表一 | 炉 次 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | | 温 度(℃) | 480 | 500 | 520 | 540 | 560 | | 气体流量NH3l/min | 1-1.3 | 1-1.3 | 1-1.3 | 1-1.3 | 1-1.3 | | 炉内压强(Pa) | 1900 | 2100 | 1900 | 2100 | 2100 |
表面硬度(HV200g) | 485 | 642 | 664 | 772 | 795 | | 渗层深度(mm) | 0.08 | 0.10 | 0.15 | 0.25 | 0.30 | | 化合物层(mm) | 0.004 | 0.0016 | 0.004 | 0.005 | 0.008 | | 渗氮后切向弹力(N) | 没 有 变 化 | ≤14 | ≤10 |
对钢制活塞环进行离子氮化加工，最主要的是解决变形问题，对工装夹具有特殊要求，一般的工装夹具难以保证，其变形形式主要是塌口，这是一种致命的变形，后继加工无法修复，只能报废。经过多次反复的摸索试验设计出一种理想的工装夹具(夹具资料略)，采用这种工装夹具，环经560℃（不考虑切向弹力的情况下）左右的温度下进行离子氮化处理，没有出现塌口变形，翘曲变形≤0.05，合格率在90%以上。
三、铸铁活塞环的离子氮化：
目前，铸铁活塞环在产销方面还是占主导地位，一九八九年九月，受全国最大的活塞环生产厂家—江苏仪征活塞环厂的委托，我们进行了铸铁活塞环离子氮化的工艺试验。
试验零件：东风6100活塞环，
材 料：钒钛合金铸铁，
主要参数：直径120mm，径宽4mm，厚2.5mm的薄片开口环状零件。
化学成份：| C | Si | Mn | S | V | Ti | | 0.65-3.90 | 2.20-2.90 | 0.65-1.0 | ≤0.69 | 0.18-0.25 | 0.05-0.15 |
技术要求：
氮化层深：0.08-0.12mm.
化合物层：0.004-0.008mm.
表面硬度：HV200g800.
试验设备：本所制造的LDMC-30A型辉光离子氮化炉。
试验方法：氮化前基体硬度：HV200g263（沿环圆周检测三点）。
工艺参数：
离子软氮化（C/N共渗）
气 体：NH3. CH3COCH3.
保温时间：8h.
冷却方法：随炉冷却。表二 | 炉 次 | 1 | 2 | 3 | 4 | | 温 度(℃) | 500 | 520 | 540 | 560 | | 气体流量 | NH3l/min | 1-1.3 | 1-1.3 | 1-1.3 | 1-1.3 | | CH3COCH3l/min | 0.1 | 0.15 | 0.1 | 0.15 | | 炉 内 压 强 (Pa) | 1900 | 2100 | 1900 | 2100 |
表 面 硬 度(HV200g) | 731 | 833 | 848 | 856 | | 渗 层 深 度 (mm) | 0.08 | 0.08 | 0.12 | 0.10 | | 化 合 物 层 (mm) | 0.004 | 0.008 | 0.012 | 0.010 |
铸铁环离子氮化基本上不需要什麽特殊工装夹具，采用自由堆放形式处理，变形量能够满足技术要求。
四、试验结果对比：
表一、表二是两种不同材料的活塞环经过离子渗氮加工后所得的技术参数，与镀铬活塞环的技术要求进行比较。见表三：表三 | 工 艺 | 基体硬度(HRC) | 硬化层深(mm) | 表面硬度(HV200g) | 耐热温度软化点℃ | 特 点 | | 镀 铬 | 38-44 | 0.15-0.20 | ≥750 | 300 | 耐磨 | | 离子氮化 | 38-44 | 0.15-0.25 | 664-795 | ≥800 | 耐热、耐粘着磨损、无剥落、耐腐蚀。 |
从对比的技术参数上看，经离子渗氮加工的活塞环其技术参数均达到和超过镀铬活塞环的技术要求。另外，离子渗氮的硬化层是在工件本身表面，不像镀铬，硬化层是依附在工件表面，这样，就没有硬化层剥落、失效的问题。另一优点：渗氮层硬度由表及里梯度平缓，有利于环与缸套之间的磨合，提高整个汽缸组件的使用寿命。因此，采用离子氮化的方法部分取代镀铬，从工艺到技术上都是可行的 |
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2007-12-12
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