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一、前言：
隨著汽車、摩托車工業(yè)的發(fā)展，對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)的要求也越來(lái)高，在發(fā)動(dòng)機(jī)的組成部件中，活塞環(huán)是一重要的零件。活塞環(huán)在高溫、高壓燃?xì)饨橘|(zhì)中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與缸套發(fā)生激烈的磨擦。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的不斷提高，壓縮比及轉(zhuǎn)速也相應(yīng)提高，環(huán)的工作條件也更為惡劣，所以，對(duì)環(huán)的要求也越來(lái)越高。活塞環(huán)的主要損壞形式是：磨損、擦傷和疲勞折斷。要求有較高的耐磨性及良好的綜合機(jī)械性能。所以，活塞環(huán)的表面處理在活塞環(huán)的制造中占有重要位置。傳統(tǒng)的活塞環(huán)材料多為鑄鐵，七十年代末期，國(guó)外一些廠家在輕型汽車、摩托車上采用彈簧鋼和不銹鋼制作的組合環(huán)，即：鋼質(zhì)活塞環(huán)，效果很好。但表面處制性大，容易剝落，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。
隨著輝光離子滲氮技術(shù)的發(fā)展，近幾年來(lái)，一些活塞環(huán)生產(chǎn)廠家將這一技術(shù)應(yīng)用在活塞環(huán)表面處理上，以提高活塞環(huán)的使用壽命。
八十年代中期，我所周孝重董事長(zhǎng)帶領(lǐng)我所部分技術(shù)人員開(kāi)始對(duì)全鋼質(zhì)活塞環(huán)進(jìn)行研制開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)近十年的努力，我們研制的產(chǎn)品：鈴木462Q、本田70、125及雅馬哈125等系列產(chǎn)品，已達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)，銷往東南亞以及香港、臺(tái)灣等地區(qū)。同時(shí)，利用我所從事等離子體技術(shù)研究的優(yōu)勢(shì)，同部分廠家合作對(duì)活塞環(huán)進(jìn)行了輝光離子滲氮工藝研究、試驗(yàn)。
本文將以活塞環(huán)輝光離子滲氮工藝與鍍鉻工藝相比較，來(lái)探討活塞環(huán)的離子氮化工藝部分取代鍍鉻工藝的可行性。
眾所周知，離子氮化是在真空放電條件下，對(duì)工件表面進(jìn)行低溫化學(xué)熱處理的一項(xiàng)工藝，它具有滲速快、工件變形小、滲層易控制、脆性小、生產(chǎn)周期短、成本低、無(wú)污染等特點(diǎn)。
二、鋼質(zhì)活塞環(huán)的離子氮化：
1、鋼質(zhì)活塞環(huán)簡(jiǎn)介：
鋼質(zhì)活塞環(huán)用彈簧鋼絲或不銹鋼絲（帶）制成，其工藝路線為：鋼絲軋扁—繞圓—淬，回火—磨外圓—開(kāi)口—熱定型—磨平面—磨內(nèi)圓—精磨外圓—精磨內(nèi)圓—修口—缺口倒角，最后經(jīng)表面處理后成其為正式產(chǎn)品。
2、零件簡(jiǎn)介：
鈴木462Q第一道壓縮環(huán)，材料為50CrVA，直徑62mm、徑寬2.6mm，厚1.5mm的薄片開(kāi)口環(huán)狀零件。
氮化技術(shù)要求：
零件名稱：鈴木462Q.
材 料：50CrVA.
氮化層深：0.1-0.12mm.
化合物層：0.004-0.008mm.
表面硬度：≥HV200g600.
滲氮后切向彈力：9-15N.
翹曲變形：≤0.05mm.
試驗(yàn)設(shè)備：
本所制造的LDMC-30A型輝光離子氮化爐。
試驗(yàn)及方法：氮化前基體硬度：HRC42（沿環(huán)圓周檢測(cè)三點(diǎn)）。
工藝參數(shù)：離子氮化：氣 體：NH3.
保溫時(shí)間：6h.
冷卻方法：隨爐冷卻。
表一
爐 次 1 2 3 4 5
溫 度(℃) 480 500 520 540 560
氣體流量NH3l/min 1-1.3 1-1.3 1-1.3 1-1.3 1-1.3
爐內(nèi)壓強(qiáng)(Pa) 1900 2100 1900 2100 2100
表面硬度(HV200g) 485 642 664 772 795
滲層深度(mm) 0.08 0.10 0.15 0.25 0.30
化合物層(mm) 0.004 0.0016 0.004 0.005 0.008
滲氮后切向彈力(N) 沒(méi) 有 變 化 ≤14 ≤10
6：變形
對(duì)鋼制活塞環(huán)進(jìn)行離子氮化加工，最主要的是解決變形問(wèn)題，對(duì)工裝夾具有特殊要求，一般的工裝夾具難以保證，其變形形式主要是塌口，這是一種致命的變形，后繼加工無(wú)法修復(fù)，只能報(bào)廢。經(jīng)過(guò)多次反復(fù)的摸索試驗(yàn)設(shè)計(jì)出一種理想的工裝夾具(夾具資料略)，采用這種工裝夾具，環(huán)經(jīng)560℃（不考慮切向彈力的情況下）左右的溫度下進(jìn)行離子氮化處理，沒(méi)有出現(xiàn)塌口變形，翹曲變形≤0.05，合格率在90%以上。
三、鑄鐵活塞環(huán)的離子氮化：
目前，鑄鐵活塞環(huán)在產(chǎn)銷方面還是占主導(dǎo)地位，一九八九年九月，受全國(guó)最大的活塞環(huán)生產(chǎn)廠家—江蘇儀征活塞環(huán)廠的委托，我們進(jìn)行了鑄鐵活塞環(huán)離子氮化的工藝試驗(yàn)。
試驗(yàn)零件：東風(fēng)6100活塞環(huán)，
材 料：釩鈦合金鑄鐵，
主要參數(shù)：直徑120mm，徑寬4mm，厚2.5mm的薄片開(kāi)口環(huán)狀零件。
化學(xué)成份：
C Si Mn S V Ti
0.65-3.90 2.20-2.90 0.65-1.0 ≤0.69 0.18-0.25 0.05-0.15
技術(shù)要求：
氮化層深：0.08-0.12mm.
化合物層：0.004-0.008mm.
表面硬度：HV200g800.
試驗(yàn)設(shè)備：本所制造的LDMC-30A型輝光離子氮化爐。
試驗(yàn)方法：氮化前基體硬度：HV200g263（沿環(huán)圓周檢測(cè)三點(diǎn)）。
工藝參數(shù)：
離子軟氮化（C/N共滲）
氣 體：NH3. CH3COCH3.
保溫時(shí)間：8h.
冷卻方法：隨爐冷卻。
表二
爐 次 1 2 3 4
溫 度(℃) 500 520 540 560
氣體流量 NH3l/min 1-1.3 1-1.3 1-1.3 1-1.3
CH3COCH
爐 內(nèi) 壓 強(qiáng) (Pa) 1900 2100 1900 2100
表 面 硬 度(HV200g) 731 833 848 856
滲 層 深 度 (mm) 0.08 0.08 0.12 0.10
化 合 物 層 (mm) 0.004 0.008 0.012 0.010
變形：
鑄鐵環(huán)離子氮化基本上不需要什麼特殊工裝夾具，采用自由堆放形式處理，變形量能夠滿足技術(shù)要求。
四、試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比：
表一、表二是兩種不同材料的活塞環(huán)經(jīng)過(guò)離子滲氮加工后所得的技術(shù)參數(shù)，與鍍鉻活塞環(huán)的技術(shù)要求進(jìn)行比較。見(jiàn)表三：
表三
工 藝 基體硬度(HRC) 硬化層深(mm) 表面硬度(HV200g) 耐熱溫度軟化點(diǎn)℃ 特 點(diǎn)
鍍 鉻 38-44 0.15-0.20 ≥750 300 耐磨
離子氮化 38-44 0.15-0.25 664-795 ≥800 耐熱、耐粘著磨損、無(wú)剝落、耐腐蝕。
五、結(jié)論：
從對(duì)比的技術(shù)參數(shù)上看，經(jīng)離子滲氮加工的活塞環(huán)其技術(shù)參數(shù)均達(dá)到和超過(guò)鍍鉻活塞環(huán)的技術(shù)要求。另外，離子滲氮的硬化層是在工件本身表面，不像鍍鉻，硬化層是依附在工件表面，這樣，就沒(méi)有硬化層剝落、失效的問(wèn)題。另一優(yōu)點(diǎn)：滲氮層硬度由表及里梯度平緩，有利于環(huán)與缸套之間的磨合，提高整個(gè)汽缸組件的使用壽命。因此，采用離子氮化的方法部分取代鍍鉻，從工藝到技術(shù)上都是可行的。
