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活塞环的热处理
作者: 发布日期:2018/09/29 关注次数:536

 


随着现代发动机向方向发展,在对活塞环的材料提出越来越高要求的同时,对表面处理也提出了更高的要求,活塞环材料的时效、调质、气体氮化、离子氮化及渗陶处理工艺应用越来越广。

活塞环是发动机的核心零部件之一,其在发动机中的主要作用在于和支承,因此,活塞环材料应具有适合的强度、硬度、弹性和抗疲惫性能,优良的耐磨性、耐热和耐蚀性能。随着现代发动机向高转速、高负荷、低排放方向发展,在对活塞环的材料提出越来越高要求的同时,对表面处理也提出了更高的要求,越来越多的热处理新技术已经或者正在被应用于活塞环的热处理,如离子氮化,表面渗陶、纳米技术等。

 

我公司活塞环的热处理从对普通合金铸铁活塞环的时效往应力、球墨铸铁活塞环的调质,多元合金铸铁活塞环的调质发展到钢环的气体氮化、铸铁环的离子氮化及活塞环表面浸渗陶瓷复合处理。本文主要就这些活塞环的热处理工艺作扼要介绍。

时效往处理

活塞环属于薄壁件,除铸造内应力外,在金加工过程中还存在加工应力。而活塞环产品一般对挠曲度要求不大于0.06mm,如不经过期效处理,这一指标靠加工控制是很难达到的,有时即使大大降低加工切屑速度也无法满足要求。而假如使用时效处理,在不降低生产效率的基础上还能消除加工过程中产生的环体挠曲变形,确保环体挠曲度符合技术要求。

固然如此,因环体较薄,在时效过程中,活塞环开口部位会由于整个环体应力开释而出现收缩现象,如收缩过大,则会造成成品环漏光等缺陷。在生产过程中,我们通过大量的对比试验,针对不同材料的环体采用不同的时效工艺,既消除了活塞环的挠曲题目,又避免了活塞环的漏光缺陷,确保了产品的质量。本公司采用的时效工艺为:500℃ 580℃×1.5 2.5h。

退火、调质处理

1、退火处理

为确保活塞环铸造毛坯的内在质量,球铁环和多元合金铸铁环多采用单体双片铸造工艺进行生产。毛坯铸态组织硬度较高,割片加工难度较大,需对铸态毛坯进行退火处理。

对于球墨铸铁活塞环,因其铸态基体中碳化物量可以通过采用公道的熔炼工艺来得到控制,故降低基体硬度只需对基体中的针状组织和珠光体组织进行低温退火即可。本公司球墨铸铁环退火工艺为:600℃ 760℃×1.5 2.5h。

对于多元合金铸铁活塞环,因其铸态组织中含有10%左右的合金碳化物,需使其进行一定程度的分解,为避免毛坯在退火过程中形成较厚的脱碳层,本公司采用真空光亮退火炉对多元合金铸铁活塞环毛坯进行高温退火处理,处理工艺为:920℃ 1000℃×2 4h,随炉冷却。

2、调质处理

本公司采用三条调质炉生产线对割片后球墨铸铁活塞环和多元合金铸铁活环进行调质处理,球墨铸铁活塞环调质工艺为:淬火900℃ 980℃×1 3h,油淬;回火:450℃ 600℃×1 2h。多元合金铸铁活塞环调质工艺为:淬火910℃ 990℃×1 3h,油淬;回火:500℃ 650℃×1 2h。

3、调质后的力学性能

球墨铸铁活塞环调质后的基体组织为:回火索氏体或回火屈氏体,游离碳化物≤3%,铁素体≤5%,硬度:100(112 hrb,抗弯强度:≥1300 mpa,弹性模数:≥150 gpa,热稳定性(弹力消失率):300℃×3h,切向弹力最大消失率8%。多元合金铸铁活塞环调质的基体组织为:回火索氏体,细小弥散分布硬质相及条块状的游离碳化物≤5%,硬度:109 116 hrb,抗弯强度:≥650 mpa,弹性模数:120 160 gpa,热稳定性(弹力消失率):300℃×3h,切向弹力最大消失率为8%。

多元合金铸铁活塞环调质的基体组织为:回火索氏体,细小弥散分布硬质相及条块状的游离碳化物≤5%,硬度:109?116 hrb,抗弯强度:≥650 mpa,弹性模数:120 160 gpa,热稳定性(弹力消失率):300℃×3h,切向弹力最大消失率为8%。

 

 

钢环气体氮化

氮化处理的钢质活塞环多采用不锈钢材料,其铬含量达13% 18%。钢质活塞环高度为1.0 1.5mm,径向厚度为2 3.5mm,采用离子氮化处理时因环体易变形,工艺控制难度较大,而采用气体氮化时,可以通过公道的装夹方式、合适的氮化工艺使钢环的氮化层达到工艺要求的厚度,而环体不出现挠曲、低头漏光等质量题目。本公司采用的氮化工艺为:480℃ 540℃×4 20h,通氨气、氮气、氨气分解率为15% 40%(具体工艺根据品种和氮化层要求确定)。

离子氮化处理

离子氮化的优点有:

1、渗氮速度快;

2、渗氮层组织轻易控制,脆性小;

3、变形小,渗氮前不需要任何往钝化处理,特别适用于不锈钢;

4、轻易实现局部渗氮;

5、节约能源、本钱低;

6、污染极小。本公司拥有4套(共8台)离子氮化炉,全部采用计算机控制,主要对普通合金铸铁材料和多元合金材料进行氮化处理。

铸铁材料采用气体氮化时,氮原子主要靠沿晶界扩散的方式氮化,氮化层厚度难以达到。而采用离子氮化时,因其采用离子轰击材料表面扩渗的,渗氮速度快,故氮化工艺相对易于控制。但是,由于活塞环属于薄壁件,过程加工应力大,即使采用离子氮化炉进行氮化处理,对常规工件是属于较小变形的,对活塞环环体来说,其变形量仍不可接受,如何将氮化变形控制在更小的范围内,是活塞环离子氮化处理的主要难点。

本公司经过多年的生产与,使普通合金铸铁材料和多元合金材料活塞环的离子氮化处理工艺已臻成熟。目前,本公司使用的离子氮化工艺为:装炉高度350 450mm;每垛环间距≥20mm,打弧电压500 650v;真空度20 80pa;打弧到达温度60℃ 100℃,占空比15% 25%;辉光厚度2 5mm;一段温度280℃ 320℃×20 40min,升温速率3℃ 4℃/min;二段温度320℃ 380℃×20 40min,升温速率2℃ 3℃/min;三段温度380℃ 480℃×20 40min,升温速率2℃ 3℃/min;四段氮化温度480℃ 550℃×240 720min,升温速率1℃ 2℃/min 。一段加压开始温度150℃ 300℃,100 200pa,升压速率为4 6 pa/min;二段加压开始温度250℃ 400℃气压200 300pa,升压速率为2 4 pa/min。

通过上述工艺氮化处理的普通合金铸铁材料和多元合金材料活塞环氮化层能够很好地满足客户要求,目前,本公司生产的氮化活塞环已与多家主机厂的配套。

渗浸陶瓷处理

活塞环渗浸陶瓷处理就是利低温等离子化学气相沉积技术(简称pcvd),在金属基体表面生长一层厚度为几微米陶瓷薄膜,在陶瓷渗透到金属表面几十微米的同时,金属离子也向陶瓷薄膜内部渗透,形成双向扩散,成为“金属陶瓷复合薄膜”。特别是该工艺可以在铬等半导体材料难以扩散进进的金属基体上生长该金属复合陶瓷材料。

这种“金属陶瓷复合薄膜”具有以下一些特点:

1、在300℃以下低温生长,对活塞环无任何不良影响;

2、活塞环表面金属在真空等离子状态下与氮化硼、立方氮化硅发生双向扩散,形成倾斜梯度功能材料,故而结合牢固;

3、由于陶瓷薄膜与金属双向扩散形成倾斜梯度功能材料,不仅起到了过渡层结合牢固的作用,而且改变了陶瓷键边强度,进步了抗弯曲能力,使环体表面硬度及韧性均得到明显进步;

4、高温耐磨性能更好;

5、抗氧化能力增强。

由于陶瓷薄膜具有自润滑功能,使用活塞环渗浸陶瓷处理的活塞环可使发动机的磨擦系数下降17% 30%,其和磨擦副的磨损量减少了2/5 1/2,且可明显降低发动机的振动和噪音。同时,由于陶瓷薄膜与发动机缸套间密封性能好,使活塞均匀漏气量也下降了9.4%,发动机功率可进步4.8% 13.3%。且节约燃油2.2% 22.7%,机油30% 50%。

本公司的渗陶工艺为:真空度≤8pa,渗陶温度150℃ 250℃,保温时间6 10h,氮气、硅烷、硼烷按一定比例通进。浸渗陶瓷活塞环(铬基)复合层的主要技术指标为:表面硬度950 1300hv0.1;扩散层深度xjcr30 70μm;活塞环表面增厚3 8μm;热导率18.00 24.55w/mk。

结束语

通过采用热处理工艺来增加活塞环基体强韧性,进步环体表面硬度,可以在投资较少的情况下,大幅度进步活塞环的耐磨、耐蚀和耐热性能,从而满足高转速、高负荷、低排放发动机的要求。

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