專利名稱：適用于發(fā)動機氣缸套的深層離子滲氮工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鋼鐵零件表面熱處理的方法，具體是涉及一種離子滲氮工藝。
背景技術：
氣缸套是發(fā)動機的重要零件之一。發(fā)動機的氣缸套是活塞組往復運動的導向面，活塞環(huán)密封壓力和活塞側推力直接作用在氣缸套內(nèi)壁上，使缸套和活塞環(huán)受到強烈的摩擦，這種摩擦往往處于半干摩擦狀態(tài)。尤其在潤滑不良、進氣污濁、冷卻不當和燃燒不正常等情況下，會造成缸套和活塞環(huán)的強烈磨損。所以缸套內(nèi)表面要求具有高的硬度、耐磨性 、抗蝕性和高的抗熱疲勞強度等。要達到使用要求，長期以來都是對氣缸套內(nèi)壁進行滲氮處理。通過滲氮處理，可以增強表面硬度，提高耐磨性。成品氣缸套內(nèi)表面硬度要求S76HRA，氮化層深度要求O. 3 O. 6mm，氮化層脆性為I級，成品氣缸套內(nèi)徑公差要求為O. 02mm。滲氮工藝主要有氣體滲氮工藝和離子滲氮工藝，由于滲氮熱處理后，氣缸套必然存在變形，要想達到氣缸套內(nèi)徑公差要求必須經(jīng)過磨削加工。氣體滲氮是將零件放入到通有氨氣的滲氮爐內(nèi)，在540°C左右使氮原子滲入到金屬基體內(nèi)。這種工藝技術存在著生產(chǎn)周期長、污染嚴重、產(chǎn)品變形大和產(chǎn)品合格率低等問題。長期以來，柴油機氣缸套采用氣體滲氮處理，這種方法不但存在著生產(chǎn)周期長、變形大、污染大和產(chǎn)品合格率低等問題，而且由于需要加大滲氮后內(nèi)孔的磨削量，因此將滲氮層最最硬、耐磨、最具有防腐能力的表層已經(jīng)磨掉。離子滲氮是一種在低于IO5Pa的滲氮氣氛中，通入直流高壓電，利用工件作為陰極，與陽極間稀薄含氮氣體產(chǎn)生輝光放電進行滲氮的工藝。這種反應連續(xù)不斷的進行，就在工件表面形成具有高硬度、高耐磨性的氮化物層。離子氮化設備由真空爐體工作室、真空維持及測量系統(tǒng)、滲氮介質(zhì)供給系統(tǒng)、溫度測量及控制系統(tǒng)和供電及控制系統(tǒng)等部分組成。離子氮化與氣體氮化相比具有氮化速度快、能控制滲層組織、零件變形小、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點，但是離子滲氮的滲氮層深度一般較淺，對于氣缸套這種工作環(huán)境惡劣零件來說，太淺的滲層往往不能承受巨大的壓力和摩擦力的考驗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術問題是提供一種滲氮速度快、滲層深、能夠滿足發(fā)動機氣缸套技術要求的離子滲氮工藝。為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案是一種適用于發(fā)動機氣缸套的深層離子滲氮工藝，包括以38CrMoAlA為氣缸套材質(zhì)、脈沖電源輝光離子氮化爐為離子滲氮設備、以液氨為氮離子氣源的離子滲氮工藝，氣缸套在氮化處理前調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)處理的回火溫度為560-580°C，氣缸套在氮化處理前的機械性能為σ b彡883 N/mm2、σ s ^ 736 N/mm2、δ 5 彡 10%、Ψ 彡 45%、A K ^ 78 J、HB =262 302、dB=3. 5 3· 75，其特征在于所述離子滲氮工藝包括清洗工序、裝爐工序、離子滲氮工序、出爐工序，
所述清洗工序是首先將氣缸套上的毛刺、銹跡用機械方法清理干凈，然后將氣缸套在第一道清洗劑(JA0206溶劑型清洗劑)槽內(nèi)浸泡2min 4min，晾干，再進入第二道清洗劑(JA0206溶劑型清洗劑)槽內(nèi)進行第二次清洗，再用清水漂洗干凈并立即風干或烘干；
所述裝爐工序是將清洗好的氣缸套放置在脈沖電源輝光離子氮化爐的陰極盤上，放置過程中首先在陰極盤上用導體柱均衡支起一底支撐盤，氣缸套均勻放置在底支撐盤上，在氣缸套上部蓋有頂板，頂板上和底支撐盤上對應氣缸套的位置均開有通孔；
所述離子滲氮工序包括抽真空、打弧、升溫、保溫階段，當脈沖電源輝光離子氮化爐內(nèi)真空度達到50Pa以下時，將設備電壓設定在650V，調(diào)節(jié)占空比、點燃輝光開始打弧，打弧初期電流表指示值應接近零位，當打弧頻率減弱時，繼續(xù)調(diào)大占空比，如此反復，直到占空比為70%、打弧頻度再變?nèi)鹾?，將占空比調(diào)節(jié)為零并將電壓調(diào)到700V，然后再逐漸調(diào)大占空比繼續(xù)打?。划斦伎毡仍俚?0%并且打弧頻度變?nèi)鹾?，向脈沖電源輝光離子氮化爐內(nèi)通入氨氣,繼續(xù)打弧,此時爐內(nèi)溫度開始升高；
所述升溫，是在上述打弧過程中，弧光基本消失、輝光穩(wěn)定、電流不再增加時，加大爐內(nèi)氨氣的通入量，通過調(diào)整占空比、電阻檔位，使氮化爐繼續(xù)升溫，并將爐內(nèi)電壓調(diào)到750V，直·到爐內(nèi)溫度達到520°C，開始進入保溫階段；
保溫階段是在520°C保溫15h，然后升溫到540°C保溫25h，保溫過程中氨氣流量控制在O. 5-0. 8L/min，真空度控制在500_800Pa，達到保溫時間時，減小氨氣流量，調(diào)低電壓、調(diào)小占空比繼續(xù)維持輝光，使氣缸套在輝光狀態(tài)下緩慢降溫，當溫度降至300°C以下后，停爐停氣冷卻，當氣缸套實際溫度降至150°C以下出爐。本發(fā)明的底支撐盤上均布有凹槽，凹槽內(nèi)放置有底支撐座，氣缸套配合放置在底支撐座上，氣缸套外面套裝有屏蔽套；所述頂板與底支撐盤設置有支撐桿。所述脈沖電源輝光離子氮化爐內(nèi)測溫熱電偶的測溫頭的周圍設置3個Φ50Χ120的圓鋼柱。由于采用了上述技術方案，本發(fā)明取得的技術進步是本發(fā)明的方法滲氮速度快、滲層深、能夠滿足發(fā)動機氣缸套技術要求。與氣體氮化相比本發(fā)明的離子氮化工藝，滲氮時間可以縮短20h左右，生產(chǎn)周期比氣體氮化要縮短三分之一左右。經(jīng)多次重復實驗證明，利用本發(fā)明的方法生產(chǎn)的發(fā)動機氣缸套的變形均在允許范圍之內(nèi)，與氣體氮化相比變形小的多。從金相組織來看，本發(fā)明的方法所得的滲氮層的擴散層中呈脈狀分布的氮化物量少，且細小、不連續(xù)，組織均勻致密，脆性小。將氣缸套進行臺架對比考核試驗發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的方法生產(chǎn)的氣缸套符合發(fā)動機氣缸套成品技術要求。本發(fā)明方法的離子氮化成品表面硬度高于氣體氮化，使用性能略優(yōu)于氣體氮化，進而提高了缸套的使用壽命。本發(fā)明的裝爐方式使爐內(nèi)氣缸套分布均勻，蓋在氣缸套上面的頂板可以減少氣缸套的散熱速度，支撐桿的設置可以對頂板有一定的支撐作用，防止頂板對氣缸套施加過大的壓力，減小氣缸套的變形。同時頂板和底支撐盤上對應通孔，有利于滲氮氣氛流動。氣缸套外面套裝的屏蔽套，可以防止氣缸套外表面發(fā)生滲氮，使氣缸套的后續(xù)機械加工工藝簡化。測溫熱電偶的測溫頭的周圍設置圓鋼柱的目的是使測溫熱電偶附近溫度盡可能地接近爐內(nèi)缸套實際溫度。


圖I是本發(fā)明的裝爐方式示意圖；其中，I、底支撐盤，2、頂板，3、底支撐座，4、屏蔽套，5、氣缸套，6、中間支撐座，7、支撐桿，8、導體柱，9、陰極盤。
圖2是氣體滲氮(510°C 12h+570°C 48h)的滲氮層500倍金相組織照片。圖3是本發(fā)明方法所得的滲氮層500倍金相組織照片，按國家標準GB/T11354-1989《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相檢驗》檢測擴散層中氮化物級別為I 2級。
具體實施例方式適用于發(fā)動機氣缸套的深層離子滲氮工藝，氣缸套材質(zhì)為38CrMoAlA，氣缸套氮化后表面硬度> 80HRA，成品氣缸套表面硬度> 76HRA ;氮化層脆性為I級；氣缸套氮化后氮化層深度O. 52-0. 80mm,成品氣缸套氮化層深度O. 3-0. 6mm ;氮化后內(nèi)孔尺寸偏差要求在O. 09 mm以內(nèi)，本實施例中氮化后氣缸套的內(nèi)孔尺寸要求Φ 149. 68-Φ 149. 77 mm。滲氮設備為LDMC-150型脈沖電源輝光離子氮化爐，該設備可輸出O 1000V連續(xù)可調(diào)電壓，爐體有效工作尺寸為Φ 1200Χ 1300mm，鐘罩內(nèi)壁配置雙層隔熱屏，內(nèi)隔熱屏材質(zhì)為不銹鋼，外隔熱屏材質(zhì)為鋁合金。爐內(nèi)真空度用ZDZ-2K型電阻式真空計測量。離子氮化 所用氣源為液氨。氨氣的流量用701HB型全不銹鋼玻璃轉子流量計測量。氨氣經(jīng)進氣管送入爐內(nèi)兩層隔熱屏之間，由爐底盤中心抽氣孔排出。氣缸套在氮化處理前調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)處理的回火溫度為560 580°C，氣缸套在氮化處理前的機械性能為σ b彡883 N/mm2、σ s彡736 N/mm2、δ 5彡10%、Ψ彡45%、A κ ^ 78J、HB =262 302、dB=3. 5 3. 75。調(diào)質(zhì)處理的回火溫度高于氮化溫度20 40°C，在滲氮過程中不會使氣缸套的心部硬度發(fā)生變化，在保證機械性能的同時，也可以減少滲氮時氣缸套的變形。離子滲氮工藝包括清洗工序、裝爐工序、離子滲氮工序、出爐工序。所述清洗工序是采用JA0206溶劑型清洗劑，分兩次清洗，以節(jié)約清洗劑使用量，降低使用成本，并保證缸套的清洗質(zhì)量。清洗時，首先將氣缸套上的毛刺、銹跡用機械方法清理干凈，清理毛刺、銹跡的工作要逐個進行，然后將氣缸套在第一道清洗劑槽內(nèi)浸泡2min 4min，并用毛刷逐件清洗，將工件上小孔和窄縫中的油污、鐵屑清洗干凈，然后把工件取出晾干。然后再進入第二道清洗劑槽內(nèi)進行第二次清洗。本道工序質(zhì)量的好壞不僅直接決定著打弧時間的長短(從而決定工藝周期)，而且可能因缸套清理的不干凈，直接造成工件表面燒熔、局部軟點等缺陷，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量。兩道清洗劑要定期更換。所述裝爐工序是將清洗好的氣缸套放置在脈沖電源輝光離子氮化爐的陰極盤上，裝爐方式見圖I。放置過程中首先在陰極盤上用三個導體柱8均衡支起一底支撐盤1，底支撐盤(I)上均布有18個直徑為Φ 207mm深為3mm的凹槽，凹槽的中心有Φ 150的通孔。每個凹槽內(nèi)放置一個底支撐座(3)，每個底支撐座(3)上配合放置一個氣缸套，氣缸套外面套裝有屏蔽套(4)，這樣有利于滲氮后進行切削加工；在此屏蔽套配合放置一中間支撐座6，中間支撐座6上在放置一外面套有屏蔽罩的氣缸套。在上一層氣缸套的上面蓋有一整張的頂板(2)，頂板(2)和底支撐盤(I)對應，頂板(2)上對應氣缸套的位置也開有通孔。這樣氨氣流能夠通暢的在氣缸套內(nèi)孔中流動。在頂板(2)與底支撐盤(I)還設置有三根支撐桿
(7)，以減少頂板對氣缸套的壓力。這樣一爐共36個氣缸套。本發(fā)明采用熱電偶測溫，為了儀表溫度更接近爐內(nèi)實際溫度，在脈沖電源輝光離子氮化爐內(nèi)測溫熱電偶的測溫頭周圍擺上3個Φ50Χ120的圓鋼柱，經(jīng)過驗證這樣測得的溫度與爐內(nèi)實際溫度非常接近。所述離子滲氮工序包括抽真空、打弧、升溫、保溫階段。當脈沖電源輝光離子氮化爐內(nèi)真空度達到50Pa以下時，即可開始打弧。首先，順時針方向緩慢旋轉“電壓給定”旋鈕，將設備電壓調(diào)整到650V，然后調(diào)節(jié)占空比，當占空比增加至某一數(shù)值時，輝光被點燃，氣缸套上同時出現(xiàn)閃爍的弧光。打弧初期電流表指示值應接近零位，弧光應時滅時起。如工件上的弧光不能在短時間內(nèi)熄滅，則應及時判斷并進行處理，排除故障后，方可重新開始工作。當打弧頻率減弱時，繼續(xù)調(diào)大占空比，如此反復，直到占空比為70%、打弧頻度再變?nèi)鹾?，將占空比調(diào)節(jié)為零并將電壓調(diào)到700V，然后再逐漸調(diào)大占空比繼續(xù)打弧。在700V給定電壓下，再次緩慢將占空比調(diào)高到70%，當打弧頻度再變?nèi)鹾螅蛎}沖電源輝光離子氮化爐內(nèi)通入氨氣，繼續(xù)打弧，此時爐內(nèi)溫度開始升高。當上述打弧的弧光基本消失、輝光穩(wěn)定后即進入升溫階段。當調(diào)大占空比，電流不再增加時，逐漸加大爐內(nèi)氨氣的通入量，使氨氣通入量從開始時的O. 2 O. 3L/min，逐漸提高到此時的O. 4 O. 5L/min，通過調(diào)整占空比、電阻檔位，使氮化爐繼續(xù)升溫，此時先調(diào)小占空比至20%，再調(diào)大氨氣流量，然后再調(diào)大占空比繼續(xù)升溫；當升溫電流增加到電阻I擋額定最大工作電流值的50%左右時，應及時切換到電阻2擋繼續(xù)升溫和保溫。換擋后，將爐內(nèi)電壓調(diào)到750V，并再次逐漸調(diào)大占空比，直到爐內(nèi)溫度達到520°C，開始進入保溫階段。 當溫度升至接近520°C時，觀察爐內(nèi)工件的實際溫度，再調(diào)整控制設定溫度，使工件實際溫度穩(wěn)定在工藝要求的范圍內(nèi)。升溫過程中，當爐體外壁手感微熱時，應及時通入冷卻水，根據(jù)爐體各部位的溫度，隨時調(diào)節(jié)上、中、下部位進水量，以保證爐壁上、中、下各部位溫度基本一致，并使出水溫度保持在50°C 60°C。工作過程中切勿停水。當工件實際溫度調(diào)整到工藝溫度后，即進入保溫階段，并開始計算保溫時間。保溫階段是在520°C保溫15h，然后升溫到540°C保溫25h，保溫過程中氨氣流量控制在O. 65L/min,最低不小于0.5 L/min,最高不大于O. 8L/min,真空度控制在650 Pa,最低不小于500 Pa，最高不大于800Pa，保溫過程中缸套上下端溫差不應超過10 20°C，達到保溫時間時，減小氨氣流量到O. 15-0. 2L/min左右，調(diào)低電壓、調(diào)小占空比繼續(xù)維持輝光，使氣缸套在輝光狀態(tài)下緩慢降溫，當溫度降至300°C以下后，停爐停氣冷卻，當氣缸套實際溫度降至150°C以下即可出爐。采用上述方法滲氮后，氮化層的硬度為80. 9-83 HRA，滲層深度為O. 53_0. 63，滲層磨去O. 15mm處的表面硬度為76. 8-78 HRA，脆性為I級。氣缸套的內(nèi)徑變形量較小，缸套小端的最大內(nèi)徑變形量僅為O. 06 mm。采用本發(fā)明的方法經(jīng)六爐216件缸套的驗證，內(nèi)徑變形量穩(wěn)定在O. 02-0. 06 mm之間。而缸套經(jīng)氣體氮化的內(nèi)徑變形量在兩端為O. 18-0. 26 mm，其余在 O. 06-0. 15 mm η采用本發(fā)明的方法處理的氣缸套，磨去加工余量O. 15mm后，成品缸套滲氮層表面硬度值為76. 8-78HRA。而氣體氮化后的氣缸套需磨去加工余量O. 20-0. 25mm，成品缸套滲氮層表面硬度值為75-76. 4HRA。氣體氮化的化合物層中主要以ε相為主，而本發(fā)明的離子氮化的化合物層以
Y'相為主。因此與氣體滲氮相比，本發(fā)明的方法所獲得的滲氮層具有更好的韌性，更高的抗疲勞強度、更好的耐磨性。將本發(fā)明的方法所得氣缸套與用氣體滲氮方法獲得的氣缸套，經(jīng)過588h的臺架耐久性考核試驗證明采用本發(fā)明方法的氣缸套內(nèi)孔表面狀況良好，無劃傷與異常磨損痕跡，無穴蝕情況，磨損量非常小，水壓試驗后無滲漏現(xiàn)象。
由于變形小，所以采用本發(fā)明的方法生產(chǎn)的氣缸套內(nèi)徑的精磨量可以比氣體氮化的少O. 07 O. 11mm，有 利于提高磨削生產(chǎn)率。滲氮過程中氨氣耗量僅為氣體氮化的十分之
O
權利要求
1.一種適用于發(fā)動機氣缸套的深層離子滲氮工藝，包括以38CrMoAlA為氣缸套材質(zhì)、脈沖電源輝光離子氮化爐為離子滲氮設備、以液氨為氮離子氣源的離子滲氮工藝，氣缸套在氮化處理前調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)處理的回火溫度為560-580°C，氣缸套在氮化處理前的機械性能為 σ b 彡 883 N/mm2、σ s 彡 736 N/mm2、δ 5 彡 10%、Ψ 彡 45%、A κ ^ 78 J、HB =262 302、dB=3. 5 3. 75，其特征在于所述離子滲氮工藝包括清洗工序、裝爐工序、離子滲氮工序、出爐工序， 所述清洗工序是首先將氣缸套上的毛刺、銹跡用機械方法清理干凈，然后將氣缸套在第一道清洗劑槽內(nèi)浸泡2min 4min，晾干，再進入第二道清洗劑槽內(nèi)進行第二次清洗，再用清水漂洗干凈并立即風干或烘干； 所述裝爐工序是將清洗好的氣缸套放置在脈沖電源輝光離子氮化爐的陰極盤上，放置過程中首先在陰極盤上用導體柱(8)均衡支起一底支撐盤(1)，氣缸套均勻放置在底支撐盤(I)上，在氣缸套上部蓋有頂板(2 )，頂板(2 )上和底支撐盤(I)上對應氣缸套的位置均開有通孔； 所述離子滲氮工序包括抽真空、打弧、升溫、保溫階段，當脈沖電源輝光離子氮化爐內(nèi)真空度達到50Pa以下時，將設備電壓設定在650V，調(diào)節(jié)占空比、點燃輝光開始打弧，打弧初期電流表指示值應接近零位，當打弧頻率減弱時，繼續(xù)調(diào)大占空比，如此反復，直到占空比為70%、打弧頻度再變?nèi)鹾?，將占空比調(diào)節(jié)為零并將電壓調(diào)到700V，然后再逐漸調(diào)大占空比繼續(xù)打??；當占空比再到70%并且打弧頻度變?nèi)鹾?，向脈沖電源輝光離子氮化爐內(nèi)通入氨氣,繼續(xù)打弧,此時爐內(nèi)溫度開始升高； 所述升溫，是在上述打弧過程中，弧光基本消失、輝光穩(wěn)定、電流不再增加時，加大爐內(nèi)氨氣的通入量，通過調(diào)整占空比、電阻檔位，使氮化爐繼續(xù)升溫，并將爐內(nèi)電壓調(diào)到750V，直到爐內(nèi)溫度達到520°C，開始進入保溫階段； 保溫階段是在520°C保溫15h，然后升溫到540°C保溫25h，保溫過程中氨氣流量控制在O.5-0. 8L/min，真空度控制在500_800Pa，達到保溫時間后，減小氨氣流量，調(diào)低電壓、調(diào)小占空比繼續(xù)維持輝光，使氣缸套在輝光狀態(tài)下緩慢降溫，當溫度降至300°C以下后，停爐停氣冷卻，當氣缸套實際溫度降至150°C以下即可出爐。
2.根據(jù)權利要求I所述的適用于發(fā)動機氣缸套的深層離子滲氮工藝，其特征在于所述底支撐盤(I)上均布有凹槽，凹槽內(nèi)放置有底支撐座(3)，氣缸套配合放置在底支撐座(3)上，氣缸套外面套裝有屏蔽套(4);所述頂板(2)與底支撐盤(I)設置有支撐桿(7)。
3.根據(jù)權利要求2所述的適用于發(fā)動機氣缸套的深層離子滲氮工藝，其特征在于所述脈沖電源輝光離子氮化爐內(nèi)測溫熱電偶的測溫頭的周圍設置3個Φ50Χ120的圓鋼柱。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于發(fā)動機氣缸套的深層離子滲氮工藝，包括清洗工序、裝爐工序、離子滲氮工序、出爐工序，裝爐工序是在陰極盤上用導體柱支起一底支撐盤，氣缸套均勻放置在底支撐盤上，在氣缸套上部蓋有頂板，頂板上和底支撐盤上對應氣缸套的位置均開有通孔；離子滲氮工序是當爐內(nèi)真空度達到50Pa以下時，電壓設定在650V開始打弧，然后依次調(diào)大電壓和占空比，在電壓調(diào)到700V、打弧頻度變?nèi)鹾?，向爐內(nèi)通入氨氣，當弧光基本消失、輝光穩(wěn)定、電流不再增加時，將爐內(nèi)電壓調(diào)到750V，并在520℃保溫15h，540℃保溫25h，氨氣流量為0.5-0.8L/min，真空度為500-800Pa，降溫時使氣缸套在輝光狀態(tài)下緩慢降溫，當溫度降至300℃以下后，停爐停氣冷卻。本發(fā)明的離子滲氮工藝滲氮速度快、滲層深、能夠滿足發(fā)動機氣缸套技術要求。
文檔編號C23C8/02GK102888582SQ20121043387
公開日2013年1月23日 申請日期2012年11月5日 優(yōu)先權日2012年11月5日
發(fā)明者馮濤, 王冬雁, 王華庭, 李勝利, 李世宇, 胡衛(wèi)中 申請人:河北華北柴油機有限責任公司