金属材料与热处理技术课程设计-活塞环的渗氮工艺.docx

1、零件图

图（1）活塞油环零件图及尺寸

2、服役条件

活塞环具有密封，控油，传热，支撑四大作用。油环具有回油孔或等效结构，能从缸壁上刮下机油的活塞环。主要用来调节（或控制）气缸壁上润滑油并带有回油通道的活塞环。在高速发动机中由于要缩短活塞长度，油环一般趋向于用一个，此时强化油环结构是有必要的。

活塞环失效分析：经过长时间工作的活塞环失效的主要原因：

1）因高压的燃气介质造成腐蚀磨损。

2）因润滑不良导致与缸套间的严重划伤。

3）因长时间往复运动造成疲劳断裂而失效。

4）因弹力保持性差而失效等。

3、所需性能及主要技术要求

活塞油环所需性能：良好的耐磨性和耐蚀性，必要的机械强度和热强性，足够的弹性和弹性保持性，良好的加工性。

主要技术要求：氮化层硬度(HV0.21000)，有效厚度（≥800HV）≥0.1mm。脆性1～2级，耐磨性，和耐腐蚀性要符合活塞环规范要求。

4、选择材料

由于发动机的高功率、高转速,活塞环趋向于薄环、轻量、高强度。钢质材料制成的活塞环具备这些优点,且能少、无切削加工,易自动化,成本低,有良好的可表面处理性,油耗低。随着活塞环用钢材质量的提高,它替代铸铁的部分在不断升高。对材料性能测定项目有硬度、抗拉强度、屈服强度、延伸率等。现在活塞环用钢材都能满足要求,其主要性能参见下表。

我们对上表四种钢质活塞环材料进行分析后选择一种来制造活塞油环。

钢质活塞环材料硬度取决于基体组织，采用四大公司(日立、特线、ASW、Haldex)的公司标准。

碳素钢最低硬度HV400,标准HV500～800；

铬硅低合金钢:HV409～580；

奥氏体不锈钢:料厚≥0.3mmHV205～255;料厚0.3mmHV250～330；

马氏体不锈钢:HV300～420或HRC38～44。

4.1比较分析

其中，碳素钢和低合金钢耐蚀性较差，不锈钢中奥氏体硬度低,马氏体硬度高。所以选择马氏体不锈钢来生产钢质活塞油环。

从现有参考文献来看,马氏体不锈钢的氮化硬度能达到较好的水平?国内常见的马氏不锈钢有1Cr13?2Cr13?3Cr13?4Cr13等,但它们含碳量较低,用作活塞环往往导致其基体强度及弹性极限等指标难以满足使用要求?因Ni元素在氮化过程中阻碍氮的扩散作用明显,不利于氮化层深的形成,故含Ni不锈钢不纳入考虑范围?

综合考虑活塞环的基体强度?塑性与韧性?弹性极限?抗回火稳定性及热处理工艺的难易程度等相关因素,我们将6Cr13Mo马氏体不锈钢作为钢质活塞油环的材料。

6Cr13Mo的化学成分

成分

C

Cr

Mo

Si

Mn

S

P

含量

0.65

13.6

0.62

0.35

0.33

0.004

0.010

4.2元素分析

Mo的加入可以细化晶粒,提高抗回火稳定性,也能抑制第二类回火脆性的产生?

Cr含量较高,而Cr2N及CrN硬度又均达l000HV以上,所以能够带来较大的氮化硬化效果

5活塞油环的加工工艺

5.1加工工艺路线单体毛坯粗磨→去油→调质处理→细磨→去油→半成品检查→切削流水工作线→表面渗氮→成品检查→配组入库。

5.2调质处理

6Cr13Mo钢活塞环氮化处理前先进行调质处理工艺为1050℃真空油淬+560℃高温回火。

5.2.1一次预热

6Cr13Mo属于高碳高铬过共析钢，提高了相变点AC3，又因为大量合金碳化物的存在，使组织中的碳和铬元素分布不均，导热性差，特别是在较低温度时，导热性更差，为防止加热过程中产生裂纹，保证零件的内外温差较小，在淬火加热前先行预热。

预热方式及温度由于活塞环尺寸小，一次预热法即可，一次预热温度范围是750～850℃，6Cr13Mo活塞油环粗加工后形状仍简单，在真空炉中预热温度范围是800～850℃，因为真空炉加热缓慢，低温导热性差不影响，为了减小晶粒长大而缩短淬火加热时间，选择较高的预热温度850℃。真空压强1～10-1Pa

预热加热时间上图为高合金钢的预热和淬火加热系数。从表中可知，盐浴炉中加热到750～850℃的加热系数为0.3～0.35。由于较低温导热性差，取较大值0.35，根据经验公式τ=αkD，有效尺寸为5mm,装炉方式如下图（即环与环端面紧排），工件装炉方式修正系数为4.0，计算得τ（盐浴炉）=7.0。通常，真空加热速度约为盐浴加热速度的1/6，所以，一次预热加热到850℃时间为42min。

预热保温时间在850℃时的透热系数可按1.5min/mm计算，得一次预热保温时间为7.5min,取整8min。

5.2.2淬火

淬火温度为使碳化物尽可能溶解，得到成分比较均匀的奥氏体及冷却之后有足够碳、铬饱和度的均匀的马氏体组织，这类钢的淬火加热温度高于碳钢和合金钢，即提高淬火加热温度并适当延长保温时间。

由上图（左）可知，