[发明专利]曲轴再生修复离子氮化工艺

说明书

本发明涉及一种金属表面处理技术，特别涉及一种内燃机曲轴(氮化轴)的再生修复离子氮化工艺。

内燃机曲轴是一个形状复杂且承受交变载荷的轴类部件。在工作中，由于转速高，受力复杂，所以对其本身的机械强度、耐磨性、抗疲劳性能都有较高的要求。新轴制造过程中，为了提高曲轴表面耐磨性能，一般都要通过表面渗碳淬火或氮化(气体或离子)处理来提高轴颈表面硬度。由于曲轴本身价格较高，对磨损超限或轻微化瓦的轴，大都通过减级磨削配厚瓦的方法来延长使用周期。但这种方法只对渗碳淬火轴有效。而对氮化轴却不能减级，因为减级后也把氮化层磨掉了，硬度急剧下降，无法使用。而现在氮化轴的数量越来越多，如斯太尔等。传统的气体氮化的曲轴不耐磨，脆性高，抗疲劳性能差；其变形大，尺寸不稳定，耐蚀性差。

本发明的目的是为了克服上述气体氮化存在的缺欠，提供一种解决曲轴减级磨削(或堆焊修复)后能进行二次离子氮化的曲轴再生修复的离子氮化工艺，该工艺可使曲轴硬度、耐磨性、抗疲劳强度等指标都达到一次氮化的水平，从而提高其综合机械性能，延长使用寿命，降低成本。

既然离子氮化有如此多的优点，为什么再生修复曲轴不能采用离子氮化方法呢？这主要涉及到曲轴的二次氮化问题。氮化轴的最外层是由具有γ＋ε相的Fe(N)构成的化合物层，厚度在0.008-0.03MM之间，非常坚硬耐磨，曲轴减级磨削后，化合物层被磨掉(一般磨削深度在0.12-0.25mm左右)，使渗氮扩散层露出来。扩散层是氮原子在α-Fe中形成的过饱和固溶体，并伴有针状γ相沿铁素体晶面析出。此种组织硬度低，不能直接使用。如果在扩散层上按常规进行二次离子氮化，则氮化后的曲轴与原始氮化相比，硬度偏低，脆性增大，抗疲劳性能差，安全性不够。其形成机理是由于扩散层中氮原子的α-Fe过饱和固溶体和针状γ相比正常的钢组织具有较强的稳定性和惰性，所以在氮化过程中，离子撞击曲轴表面打击出的铁原子相对减少，铁原子与氮离子化合成FeN也就减少，而原有的扩散层中的α-Fe过饱和固溶体又阻碍氮离子向内层扩散，对氮化层的形成和阴极溅射起到遏制作用。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种曲轴再生修复离子氮化工艺，其特征在于其方法如下：①首先采用离子氮化方法对再生修复即减级或堆焊的曲轴进行表面处理；②缓慢升温，升温速度控制在80-100℃/h之间；③采取轴预热装炉方式，预热温度为300-360℃；④脉动电压输出，电压上下波动幅度为160V，每小时为一个周期；⑤提高电压，电压比正常值增高50-80V；⑥延长保温时间3-5小时。

通过上述步骤的改进，离子氮化就可以用于曲轴再生修复的表面处理，并且各项性能指标均能达到原氮化工艺的设计要求，因为离子氮化层致密性好，硬度高，所以离子氮化的耐磨性是气体氮化的2-3倍；由于离子氮化具有“阴极溅射”这种特殊现象，使离子氮化的曲轴脆性低，抗疲劳性能好；离子氮化温度低，时间短，特别是可随炉冷却至室温出炉，避免了高温水(油)淬，所以曲轴变形小，尺寸稳定性好，耐蚀性好。

图1为本发明的工艺线路图。

图2为本发明脉动电压输出波动示意图。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：一种曲轴再生修复离子氮化工艺，其方法如下：1、首先将曲轴进行热装炉，即在装炉前将曲轴先预热300-360℃，预热的目的是使扩散层中的氮原子α-Fe过饱和固溶体的稳定性和惰定有所降低，晶格结构松动，增加铁原子的动能，以便氮离子撞击曲轴表面时，打击出更多的铁原子，同时有利于氮离子向内层扩散；2、提高工作电压50-80V，电压增加，离子的撞击速度增加，动能增加，打击出铁原子的数量增加，有利于生成FeN和克服扩散阻力；3、采取脉动电压输出方式，即在电压升到正常值后，每30分钟调整一次输出电压，使输出电压在正常值上下160V范围内波动，电压脉动输出能使氮离子扩散强势和化合物强势协调出现，增强固溶体硬化，降低脆性；4、延长保温时间2-5小时，保温时间长有利于氮离子向内层扩散；5、缓慢升温，升温梯度控制在80-100℃/h之间，这样有利于氮化层的结构稳定，降低应力。