发动机用缸套离子渗氮工艺及非渗氮部位屏蔽专用工装的制作方法

本发明涉及一种钢铁零件表面热处理的方法，具体是涉及一种发动机用缸套离子渗氮工艺及非渗氮部位屏蔽专用工装。

背景技术：

缸套是发动机的重要零件之一，它的性能质量直接影响着发动机的使用寿命。而发动机用缸套的工作环境较为恶劣，它是在无油干摩擦环境下与活塞环的往复运动，由于活塞环密封压力和活塞侧推力直接作用在气缸套内壁上，使缸套和活塞环受到强烈的摩擦，因此一般会选用双相不锈钢作为缸套材料，能够提高缸套运动副表面必须具有超强的耐磨性和耐腐蚀性，但是这种摩擦处于半干摩擦状态，尤其在润滑不良、进气污浊、冷却不当和燃烧不正常等情况下，容易造成缸套和活塞环的强烈磨损，所以对缸套内表面要求具有高的硬度、耐磨性、抗蚀性和高的抗热疲劳强度等。

目前为达到前述要求，长期以来都是通过渗氮工艺对气缸套内壁进行渗氮处理，有效地增强表面硬度，提高耐磨性。而离子渗氮工艺虽然提高了气缸表面硬度，具有超强的耐磨性，但是氮化层中具有较多的crn析出，导致渗氮层基体的贫铬现象，破坏了双相不锈钢的耐蚀性能，且缸套渗氮层表面容易产生锈蚀现象，使得缸套运动副摩擦性能变差，导致发动机机功率下降，甚至缸套零件失效。

因此，如何能够提高渗氮层表面硬度、耐磨性等基层上，又能控制渗氮层中crn的析出，保证良好的耐腐蚀性，满足发动机用缸套的使用要求是本领域技术人员急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种发动机用缸套离子渗氮工艺，控制渗氮层中crn的析出，提高缸套运动副表面耐磨性和耐腐蚀性，且离子渗氮后无需再对渗氮层进行磨削加工，只需对渗氮层进行抛光处理即可，简化了缸套生产工艺程序，缩短了渗氮保温时间，大幅度提高缸套的生产效率，提高产品质量，缩短生产周期。

本发明的另一个目的提供了一种离子渗氮工艺中对缸套进行非渗氮部位屏蔽的专用工装，不仅结构简单，还能有效地避免非渗氮区域或小孔结构发生变形，更优的是避免渗氮过程中产生尖角效应。

本发明提供的技术方案如下：

一种发动机用缸套离子渗氮工艺，包括：

s01、工件在离子渗氮前进行固溶和时效处理；

s02、对所述工件进行清洗处理；

s03、离子渗氮时对所述工件非渗氮部位采用专用工装进行屏蔽；

s04、将所述工件和所述专用工装装配好，放置入所述离子氮化炉真空容器内，所述真空容器内为阴极，所述真空容器的容器壁为阳极，关闭离子氮化炉的炉膛并启动真空泵进行真空；

s05、当真空抽至预先设定的数值时充入所需压力的氮氢混合气体；

s06、在所述真空容器的阴、阳极之间加入高电压脉冲直流电源，两极间稀薄气体被电离并产生辉光放电，氢和氮的正离子朝所述真空容器的阳极表面加速，轰击所述工件表面，氮离子从所述真空容器的阴极夺取电子还原为氮原子，所述氮原子与所述工件表面被轰击出的铁原子结合，形成fen并沉积在工件表面上形成渗氮层。

优选地，在步骤s01中所述固溶的温度为1030℃～1050℃，保温时间1h～2h，且通过油冷或水冷进行冷却；

和/或；

在步骤s01中所述时效的温度为560℃～520℃，保温时间4h～8h。

本技术方案中通过固溶处理后能均匀材料组织，有利于后续离子渗氮处理。同时通过时效反应的目的是消除工件内部残余应力，有利于工件离子渗氮前后的尺寸变形控制。

优选地，在步骤s02中清洗方式采用超声波，所述超声波的频率为28khz～40khz，清洗溶液为水剂除油溶液。

本技术方案中，采用超声波进行清洗的目的是为了去除工件表面油渍和杂质，避免渗氮过程中由于油污而打弧，从而对工件表面造成凹坑缺陷。

优选地，在步骤s04中所述工件与所述专用工装装配后，关闭炉膛并启动真空泵进行真空，具体的所述炉膛内的温度控制在420℃～490℃，渗氮时间4h～8h，渗氮气压240pa～280pa。

本技术方案中能够有效地缩短渗氮保温时间，大幅度提高缸套的生产效率，提高产品质量，缩短生产周期。

优选地，在步骤s05中真空抽至预先设定的数值为小于10pa，可以保证在绝对真空的环境下进行渗氮处理，有效地提高处理效果。

优选地，所述渗氮层表面硬度为hv1000～hv1200，渗层深度为0.02mm～0.10mm。

本技术方案通过上述的渗氮工艺能够有效地提高缸套硬度、耐磨性、抗蚀性和高的抗热疲劳强度等特点。

优选地，在离子渗氮工艺过程中采用热电偶测温系统控制渗氮温度，采用红外测温系统监测所述工件表面温度。

本技术方案中通过热电偶测温系统控制渗氮温度，同时通过红外测温系统监测工件表面温度，有效地控制整个渗氮工艺中的温度，提高缸套生产效率，提高产品质量，缩短生产周期。

本发明还提供了一种非渗氮部位屏蔽专用工装，包括：

套筒，所述套筒包括套设在工件外侧的外套筒和设置在工件内侧的内套筒；

所述外套筒包括上套筒和下套筒，所述上套筒和所述下套筒的内壁与所述工件外壁接触；

所述工件的非渗氮部位被所述外套筒和所述内套筒屏蔽。

本技术方案中，通过设置的套筒实现对缸套的非渗氮部进行屏蔽，避免渗氮处理时对无需进行渗氮处理的部分进行保护。

优选地，所述内套筒的外壁与所述工件内壁之间具有间隙，所述间隙大小为0.4mm～0.6mm。

本技术方案中，将内套筒的外壁与缸套内壁之间的间隙设置在0.4mm～0.6mm之间，可以有效地避免渗氮处理时发生打弧现象。

优选地，还包括一用于支撑所述工件和所述专用工装的底座，所述底座的一端嵌入在所述工件内，另一端外壁与所述外套筒的外壁齐平。

本技术方案中通过设置的底座实现对整个缸套和专用工装的支撑，还能通过与套筒的流线型设计，使渗氮过程中渗氮气源(即氮、氢气)通过缸套工件内部更顺畅，同时避免渗氮过程中产生尖角效应。

本发明提供的一种发动机用缸套离子渗氮工艺及非渗氮部位屏蔽专用工装，能够带来以下一种有益效果：

1、在本发明的离子渗氮工艺中，在离子渗氮前经过固溶和时效处理，能够后能均匀材料组织，有利于后续离子渗氮处理，还能够消除工件内部残余应力，有利于工件离子渗氮前后的尺寸变形控制。经过例子渗氮后离子渗氮后无需再对渗氮层进行磨削加工，只需对渗氮层进行抛光处理即可，与常规离子渗氮工艺相比，简化了缸套生产工艺路线，缩短了渗氮保温时间，可大幅度提高发动机缸套的生产效率，提高产品质量，缩短生产周期。

2、在本发明的离子渗氮工艺中，将工件即缸套与与之相互配合的专用工装进行装配，装配后放置在真空的容器中，最后放置在加热炉内进行加温，这样使其在加温时通过专用工装对工件非渗氮部分进行保护，不免无需进行渗氮处理的部分被渗氮处理，提高处理的精准性。

3、本发明中将工件和专用工装放置在真空容器阴极中，而真空容器的容器壁为阳极，这样在两极通电的情况下，两极间稀薄气体(即氮、氢气)被电离并产生辉光放电，，在电场的作用下，氢和氮的正离子朝真空容器的阳极表面强烈加速，轰击工件表面，产生溅射、加热和吸附作用，氮离子从真空容器的阴极夺取电子还原为氮原子，氮原子与工件表面被轰击出的铁原子结合，形成fen并沉积在工件表面上形成渗氮层，随着时间的延长，氮原子自工件表面向内扩散，完成离子渗氮过程。能够在提高渗氮层表面硬度、耐磨性等基层上，又能控制渗氮层中crn的析出，保证良好的耐腐蚀性，满足发动机用缸套的使用要求。

4、本发明中设置的专用工装结构简单、安装方便，满足对非渗氮部位进行屏蔽的基础上，有效地避免工件内孔发生较大的变形，影响后期的使用效果，更优的是避免渗氮过程中发生打弧现象。

5、本发明中进一步的通过设置的底座满足对整个缸套和专用工装的支撑，还能通过与套筒的流线型设计，使渗氮过程中渗氮气源(即氮、氢气)通过缸套工件内部更顺畅，同时避免渗氮过程中产生尖角效应。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种非渗氮部位屏蔽专用工装的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明非渗氮部位屏蔽专用工装与工件装配后的结构示意图；

图2是图1中a-a方向上的剖面视图；

图3是本发明非渗氮部位屏蔽专用工装与热电偶连接的结构示意图。

附图标号说明：

间隙d；

专用工装100；外套筒101；上套筒1011；下套筒1012；内套筒102；底座103；

工件200；

热电偶300；瓷套管400。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

本发明的实施例一中，发动机用缸套离子渗氮工艺：

s01、选用需处理的工件即缸套，在离子渗氮前先进行固溶和时效处理；

s02、对待离子渗氮工件进行清洗处理；

s03、离子渗氮时对工件非渗氮部位采用专用工装100进行屏蔽；

s04、将工件和专用工装100装配好，放置入离子氮化炉真空容器内，真空容器内为阴极，真空容器的容器壁为阳极，关闭离子氮化炉的炉膛并启动真空泵进行真空；

s05、当真空抽至预先设定的数值时充入所需压力的氮氢混合气体；

s06、在真空容器的阴、阳极之间加入高电压脉冲直流电源在500v～900v，两极间稀薄气体被电离并产生辉光放电，氢和氮的正离子朝真空容器的阳极表面加速，轰击工件表面，氮离子从真空容器的阴极夺取电子还原为氮原子，氮原子与工件表面被轰击出的铁原子结合，形成fen并沉积在工件表面上形成渗氮层。

在本实施例二中，优选地，步骤s01在固溶时通过加热器将温度加热至1030℃～1050℃，保温时间在1h～2h之间，同时通过油冷或水冷进行冷却进行固溶，可以有效的均匀材料组织，有利于后续离子渗氮处理。而在进行时效处理，通过加热器将温度加热至560℃～520℃，而保温时间在4h～8h之间，这样可以有效地消除工件内部残余应力，有利于工件离子渗氮前后的尺寸变形控制。

在本实施例三中，优选地，步骤s02对待离子渗氮工件进行清洗处理时，主要是采用超声波进行清洗，且将超声波的频率控制在28khz～40khz，同时使其在水剂除油溶液中进行清洗，能够提高清除效率，有效地去除工件表面油渍和杂质，避免渗氮过程中由于油污而打弧从而对工件表面造成凹坑缺陷。

在本实施例四中，优选地，步骤s04中将工件与专用工装100装配后，将其放置在燃烧炉内，将炉膛关闭并启动真空泵进行真空即对燃烧炉内进行真空处理，具体将炉膛内的温度控制在420℃～490℃，渗氮时间在4h～8h，渗氮气压240pa～280pa。

应说明的是，真空度需预先设置一个数值，这样当真空泵进行抽空时，达到该设定数值时，停止继续工作，提高工作效率。而本申请中优选地将步骤s05中真空抽至预先设定的数值设置在小于10pa内，实现内部接近完全真空的状态，能够保证渗氮处理效果。

在上述四个实施例中，参看图3所示，具体的温度是通过与专用工装100连接的热电偶300测温系统对渗氮温度进行控制，同时在热电偶300与专用工装100连接处通过瓷套管400进行保护。其中，具体的测量方式分为接触式，见图3，或非接触式的。同时采用非接触的红外测温系统监测工件表面温度。当然在具体的实施例中，可以根据实际情况选择具体的测量工具进行测量。

利用上述四个实施例进行处理时，氢和氮的正离子朝阳极表面强烈加速，轰击工件表面，产生溅射、加热和吸附作用，同时氮离子从阴极夺取电子还原为氮原子，氮原子与工件表面被轰击出的铁原子结合，形成fen沉积在工件表面上，随着时间的延长，氮原子自工件表面向内扩散，形成一层渗氮层从而完成离子渗氮过程。通过上述离子渗氮工艺可以使得渗氮层表面硬度在hv1000～hv1200，渗层深度0.02mm～0.10mm。有效地提高了工件的硬度、耐磨性、抗蚀性和高的抗热疲劳强度等优点。

本发明还提供了一种非渗氮部位屏蔽专用工装，参看图1-3所示，该专用工装主要是用于在对发动机用缸套离子渗氮工艺，进行离子渗氮时对工件的非渗氮部位进行屏蔽，使得渗氮区域与渗氮气源接触，进行渗氮处理。这样可以对非渗氮部位和小孔结构进行保护，还可以避免工件在离子渗氮前后内孔发生严重的变化。

本发明非渗氮部位屏蔽专用工装的实施例一中，再次参看图1-3所示，一种非渗氮部位屏蔽专用工装100，包括套筒，而套筒又包括套设在工件外侧的外套筒101和设置在工件内侧的内套筒102。其中，外套筒101包括了上套筒1011和下套筒1012，具体装配时将上套筒1011和下套筒1012的内壁与工件外壁接触；而内套筒102的外壁与工件内壁之间具有间隙d，装配完成后使得工件的非渗氮部位被外套筒101和内套筒102屏蔽。

具体的应说明，将内套筒102的外壁与工件内壁之间留有间隙d，可以有效地提高渗氮处理时发生打弧现象。且本申请中，优选地将间隙d的距离控制在0.4mm～0.6mm之间，当然在其他实施例中可以根据实际需要对间隙d的大小做合理调整。

在本发明非渗氮部位屏蔽专用工装100的实施例二中，进一步的还设置了一个用于支撑工件和专用工装100的底座103，通过设置的底座103不仅能够保证工件和专用工装100装配后整个结构的稳定性，还能使渗氮过程中渗氮气源(即氮、氢气)通过缸套工件内部更顺畅，同时避免渗氮过程中产生尖角效应。

其中，应说明的是，为满足渗氮过程中渗氮气源通过缸套工件内部更顺畅，主要是将底座103与工件和专用工装100成流线型设置。具体的将底座103的一端嵌入在工件内，即底座103的外壁与工件的内壁配合，底座103的另一端外壁与外套筒101的外壁齐平，从而实现对工件和专用工装100的支撑。当然在其他实施例中底座103的另一端外壁可以超出外套筒101的外壁，具体的根据实际需要做合理的设置，本申请中不作限定。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。