专利名称：灰铁活塞环多元气氛离子氮化方法
技术领域：
本发明涉及一种灰铁活塞环多元气氛离子氮化方法。
背景技术：
现有的灰铁活塞环表面氮化方法，基本上是采用NH3或N2、 H2气氛，这种氮化方 法在采用低氮势时，灰铁活塞环表面只能形成较低硬度的扩散层，而无白亮的化合 物层；也有采用NH3+CH4气氛的，这种氮化方法由于含有C气氛，促进了灰铁活塞 环表面的e相生成，但扩散层深度不够，化合物层的脆性较大。上述两种现有工艺 虽然操作比较简单，始终在同一气氛中进行氮化处理，但又有上述各自的缺点。因 此灰铁活塞环在进行普通离子氮化后，活塞环表层扩散层的硬度较低，不能满足当 前发动机活塞环的使用要求。
为提高活塞环的表面硬度和抗磨损性能，需要在活塞环的外圆表面形成一层高 硬度的e相化合物层及一定深度的扩散层，但现有的工艺方法不能实现上述目的。
发明内容
发明目的本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种灰铁活塞环多元气 氛离子氮化方法，使活塞环在经过多元气氛氮化处理后的表面抗磨损性能、抗咬合 和粘结性能都得到了明显的提高。
技术方案本发明所述灰铁活塞环多元气氛离子氮化方法，包括如下步骤
1、 将需氮化的活塞环，用汽油进行一、二级清洗，待汽油挥发干净后放置在离 子氮化炉内；需要说明的是活塞环的外圆表面粗糙度Ra最好小于1.6，清洗所用的 汽油最好用120#汽油或挥发性好的汽油。
2、 抽真空，待氮化炉内真空度为90 Mpa 100Mpa时通电(通电条件电压 500V 600V，电流10 15A)，进行离子轰击，清洁活塞环表面。待活塞环表面清 洁干净(即弧闪结束)，提高电流让活塞环升温(升温速度150~200°C/h)。
3、 当炉内温度升至520土5'C后进行保温，并通入不同氮化气氛进行氮化 先通入氮化气氛N2: H2=(1±0.1): (3±0. 1)，保温5士0.5小时后，再停辉抽
真空到50土Pa,接着通入氮化气氛N2: H2: CH4=(2±0. 1): (5±0. 1): (0.4土0.05); 保温时间7±0. 5小时。
有益效果本发明通过在不同的渗氮阶段采用不同的氮化气氛对灰铁活塞环表
面进行氮化处理，使灰铁活塞环氮化层的表面既有一定深度的扩散层，又有表面耐
磨的e相，这种组织结构使活塞环的各种表面性能都得到提高。
图1是不同氮化气氛显微硬度梯度曲线。
图2是第一炉、第三炉样品磨损重量损失曲线。
图3是第二炉、第三炉样品磨损重量损失曲线。
具体实施方式
实施例h
1、 将需氮化的活塞环(外圆表面粗糙度为Ral.4)用120#汽油进行一、二级清 洗干净，待汽油挥发干净后按要求装进LDMC-75离子氮化炉内。
2、 抽真空，待氮化炉内真空度为90 Mpa时通电(电压500V,电流10A), 进行离子轰击，清洁活塞环表面。待活塞环表面清洁干净(弧闪结束))后，提高电 流让活塞环升'温(升温速度100'C/h)。
3、 在炉内温度升至515'C后进行保温，这时通入不同氮化气氛进行氮化。
第一炉次通入氮化气氛N2: H2=0.9: 2.9;保温时间8. 5小时； 第二炉次通入氮化气氛N2: H2: CH4=1.9: 4.9: 0.35;保温时间8.5小时； 第三炉次通入氮化气氛先通入氮化气氛N2: H2=0.9: 2.9，保温4.5小时后，
再停辉抽真空到40Pa，接着通入氮化气氛N2: H2: CH4=1.9: 4.9: 0.35;保温时间
6. 5小时。
对三个炉次氮化后的活塞环进行检测和分析 1、氮化层显微硬度
检测氮化层显微硬度载荷为100g，检测硬度梯度图1。从图1可知第一炉次
活塞环表面硬度最高只有650HV0. 1，不符合设计要求。第二炉次活塞环表面硬度虽 然最高有900HV0. 1，但是硬度梯度陡，渗层深度不足0.20mm，第三炉次活塞环表面
硬度最高有930HV0. 1，硬度梯度平稳，渗层深度有0. 40min，满足了工艺设计要求。 这是由于第三炉次基本上综合了第一和第二炉次的优点。
2、 氮化层磨损试验
将三炉次中样品在磨损试验机上进行不加润滑剂的干磨损试验。从图2、 3磨损 失重线可以看出，第三炉次活塞环耐磨性能好于第二炉次，第一炉次由于缺少化合 物层e相，耐磨性能最差。
3、 氮化层显微组织
对第一、第二、第三炉次的样品进行金相显微组织分析以及X射线衍射分析。 结果显示
第一炉次活塞环的外表面氮化层无白亮层组织，均为较软的Y相及少量的a相。
第二炉次活塞环的外表面氮化层有约80X化合物e相，含有少量的Y相，由于 e相为脆性相，且硬度梯度大，因此不宜直接用于活塞环的氮化生产。
第三炉次活塞环的外表面氮化层有约70%化合物￡相，含有少量的Y相，但由 于次表层有较高硬度，e相与次表层结合牢固，不易脱落、磨损。 4、氮化层的脆性
根据GB/T 1354-1989对氮化层脆性有关检测规定，对三炉次的活塞环的氮化层 的脆性进行检测，并根据相关图谱检验可知。第一、三炉次活塞环氮化层的脆性较 好，第二炉次最差。 实施例2:
1、 将需氮化的活塞环(外圆表面粗糙度Ra1.2)用120fr汽油进行一、二级清洗 干净，待汽油挥发干净后按要求装进LDMC-75离子氮化炉内。
2、 抽真空，待氮化炉内真空度为100 Mpa时通电(电压600V，电流15A)， 进行离子轰击，清洁活塞环表面。待活塞环表面清洁干净(弧闪结束)后,提高电流 让活塞环升温(升温速度150'C/h)。
3、 在炉内温度升至525'C后进行保温，这时通入不同氮化气氛进行氮化。
第一炉次通入氮化气氛N2: H2=l. 1: 3.1;保温时间9. 5小时；
第二炉次通入氮化气氛N2: H2: CH4=2. 1: 5.1: 0.45;保温时间9. 5小时； 第三炉次通入氮化气氛先通入氮化气氛N2: H2=l. 1: 3.1,保温5. 5小时后，
再停辉抽真空到60Pa，接着通入氮化气氛N2: H2: CH4=2. 1: 5.1: 0.45;保温时间 7. 5小时。
对三个炉次氮化后的活塞环进行检测和分析-
1、 氮化层显微硬度
检测氮化层显微硬度载荷为100g，第一炉次活塞环表面硬度最高只有 680HV0. 1，不符合设计要求。第二炉次活塞环表面硬度虽然最高有890HV0. 1，但是 硬度梯度陡，渗层深度不足0. 20mm,这是第三炉次活塞环表面硬度最高有910HV0. 1, 硬度梯度平稳，渗层深度有0. 38min，满足了工艺设计要求。
2、 氮化层磨损试验与实施例1基本相同。
3、 氮化层显微组织与实施例1基本相同。
4、 氮化层的脆性与实施例1相同。
权利要求
1、一种灰铁活塞环多元气氛离子氮化方法，其特征是该方法包括如下步骤(1)将需氮化的活塞环用汽油进行一、二级清洗，待汽油挥发干净后放置离子氮化炉内；(2)抽真空，待氮化炉内真空度为90Mpa～100Mpa时通电进行离子轰击，清洁活塞环表面，电压500V～600V，电流10～15A，待活塞环表面清洁干净即弧闪结束，提高电流使活塞环升温；(3)当炉内温度升至520±5℃后进行保温，并先通入氮化气氛N2H2＝1±0.13±0.1，保温5±0.5小时后，再停辉抽真空到50±10Pa，接着通入氮化气氛N2H2CH4＝2±0.15±0.10.4±0.05；保温时间7±0.5小时。
2、 根据权利要求1所述的灰铁活塞环多元气氛离子氮化方法，其特征是步骤(l) 中所述的活塞环外圆表面粗糙度Ra《1. 6。
3、 根据权利要求1所述的灰铁活塞环多元气氛离子氮化方法，其特征是步骤(l) 中所述汽油为120#汽油。
4、 根据权利要求1所述的灰铁活塞环多元气氛离子氮化方法,其特征是步骤(2) 中活塞环升温速度为100 150'C/h。
全文摘要
本发明提供了一种灰铁活塞环多元气氛离子氮化方法，该方法包括如下步骤将活塞环用汽油进行清洗，待汽油挥发干净后离子氮化炉内；抽真空后通电，进行离子轰击；清洁干净后，提高电流让活塞环升温；当炉内温度升至520±5℃后进行保温，并通入不同氮化气氛进行氮化先通入氮化气氛N<sub>2</sub>:H<sub>2</sub>，保温5±0.5小时后，再停辉抽真空，接着通入氮化气氛N<sub>2</sub>:H<sub>2</sub>:CH<sub>4</sub>；保温时间7±0.5小时。本发明通过在不同的渗氮阶段采用不同的氮化气氛对灰铁活塞环表面进行氮化处理，使灰铁活寒环氮化层的表面既有一定深度的扩散层，又有表面耐磨的ε相，这种组织结构使活塞环的各种表面性能都得到提高。
文档编号C23C8/26GK101363109SQ20081002257
公开日2009年2月11日 申请日期2008年8月18日 优先权日2008年8月18日
发明者曹新云, 石建明, 黄代风 申请人:南京飞燕活塞环股份有限公司