輝光離子氮化工藝在汽缸套生產(chǎn)中的應(yīng)用

申如弦

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)中心，湖北武漢 430050）

武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)中心（附廠）是國家定點(diǎn)生產(chǎn)氣缸套產(chǎn)品的專業(yè)廠家，他的前身是原六機(jī)部骨干企業(yè)國營第463廠，有近50年歷史，其生產(chǎn)的氣缸套的質(zhì)量和品牌一直處于同行業(yè)領(lǐng)先地位。

但近幾年來，隨著柴油價(jià)格不斷上漲，用戶普遍采用價(jià)格較低、含有害元素較多的重質(zhì)柴油作燃料，這種燃料加速了缸套早期磨損，其使用壽命僅在3000—4000小時(shí)之間。面對這種情況，工業(yè)中心引進(jìn)了目前最先進(jìn)的輝光離子氮化爐及技術(shù)，經(jīng)過幾個(gè)月生產(chǎn)，缸套耐磨性大幅提高，經(jīng)檢測平均使用壽命將達(dá)8000小時(shí)以上，而且還極大提高缸套抗穴蝕性能。為了使該工藝得到廣泛應(yīng)用，本文將該工藝工作原理、應(yīng)用在缸套生產(chǎn)中的效果、產(chǎn)生的問題及在其他材料上的應(yīng)用做一介紹。

1 輝光離子氮化的基本原理

輝光離子氮化是利用輝光放電原理進(jìn)行的，它是在充以含氮?dú)怏w的真空爐內(nèi)，把金屬工件作為陰極，爐體作為陽極，通電后介質(zhì)中的氮原子在高壓直流電場作用下被電離，在陰陽之間形成等離子區(qū)，在等離子區(qū)強(qiáng)電場作用下，氮和氫的正離子以高速向工件表面轟擊，離子的高動(dòng)能轉(zhuǎn)變成熱能、加熱工件表面至所需溫度，由于離子的轟擊工件表面產(chǎn)生原子濺射，因而工件表面得以凈化，同時(shí)由于吸附和擴(kuò)散作用氮滲入工件表層，是工件表面得以硬化，完成氮化工作。

2 氮化工藝在鋼套生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 氣缸套的基本情況

我廠生產(chǎn)氣缸套材料種類較多，其中使用最多的材料為UTCuPUB—250，氣缸套材料成分如下表1中所示：

表1 氣缸套材料成分

氣缸套氮化前基本金相組織：索氏體和珠光體上分布著散塊狀或連續(xù)網(wǎng)狀磷共晶。缸套生產(chǎn)主要流程及工藝為：鑄造——粗加工——失效——半 精 加 工——精 加 工——絎 磨——氮化——拋光——檢驗(yàn)——包裝——入庫。

2.2 氮化爐的基本情況

缸套采用國內(nèi)最先進(jìn)的輝光離子氮化爐進(jìn)行氮化處理。氮化爐主要參數(shù)為：相限真空不小于7pa；升壓率≤0.13Pa／mm；滅弧速度≤20us；0－1000U持續(xù)可調(diào)；額定電流≤80A；陰陽相絕緣≥5MΩ。

2.3 缸套氮化后質(zhì)量檢驗(yàn)及研究

缸套經(jīng)輝光離子氮化爐處理后，外觀是銀灰色，截取一段后拋光制樣，用4﹪的硝酸精油腐蝕后，可以看到明顯的氮化組織（見圖1）。對試塊進(jìn)行檢測幾個(gè)元素指標(biāo)如下：氮化層深度0.12－0.15mm；氮化層表面硬度1000Hv0.1；氮化層硬度梯度（見圖2）；氮化前后基體組織的顯微組織與機(jī)械性能基本無變化。

圖1 氮化層金相組織

圖2 硬度梯度表

2.4 缸套在氮化過程中容易出現(xiàn)問題及解決辦法

缸套在氮化爐中通過加熱達(dá)到540度后，保溫10小時(shí)隨爐變冷至200度出爐，從整個(gè)工藝過程看可能會(huì)出現(xiàn)如下問題：

（1）產(chǎn)品變形方面。由于氮化溫度接近失效溫度，因此如果氮化前失效工序沒做好，那么氮化將會(huì)作為二次失效，必然導(dǎo)致產(chǎn)品變形，這是一方面，另一方面由于氮原子不斷擴(kuò)散和附著在基體但到缸套內(nèi)腔尺寸會(huì)縮小0.03—0.05mm，因此要解決此問題一是要嚴(yán)格按失效工藝要求做好失效工件，對于尺寸精度要求較高的零件要考慮尺寸補(bǔ)償問題。

（2）外觀質(zhì)量方面。氮化產(chǎn)品外觀質(zhì)量常見的問題有以下幾點(diǎn)：斑點(diǎn)問題，產(chǎn)生此現(xiàn)象一般是進(jìn)爐前產(chǎn)品未清洗干凈，導(dǎo)致斑點(diǎn)出現(xiàn)；發(fā)黑問題，產(chǎn)品發(fā)黑主要有兩個(gè)原因，一個(gè)出爐太早、產(chǎn)品溫度高和空氣發(fā)生反應(yīng)，另一個(gè)原因氮化爐漏氣。

3 氮化工藝在其它產(chǎn)品上的應(yīng)用

氮化工藝作為強(qiáng)化金屬表面的一種化學(xué)熱處理方法，除廣泛應(yīng)用于鑄鐵、鋼鐵零件外還可應(yīng)用于如下方面：

（1）對鈦和鈦合金材料實(shí)施氮化處理后，材料表面硬度可提高3—10倍，達(dá)到Uv0.3 1800－2400，耐磨性能可提高幾倍至幾十倍，摩擦系數(shù)降低到原來的1／2—1／5，在鹽酸類還原性介質(zhì)中耐磨、耐腐蝕性可提高幾十倍到一千倍，且外觀呈金黃色十分的漂亮。

（2）在工業(yè)和軍用設(shè)備中有許多軟磷材料，希望獲得較高的導(dǎo)磁率（u）和較低的矯頑力（HC），但制作時(shí)材料中的雜質(zhì)及碳含量對導(dǎo)磁率和矯頑力影響非常之大，為此，可在氮化爐中進(jìn)行釋氮處理，除去雜質(zhì)和降低碳含量，提高導(dǎo)磁率降低矯頑力。

4 結(jié) 語

合金鑄鐵缸套經(jīng)輝光離子氮化后，氮化層深度可達(dá)0.13mm—0.18mm，表面硬度高達(dá)10000Uv0.1，由此形成的耐磨層可顯著提高缸套使用壽命，同時(shí)也可提高外表面耐腐蝕性能。缸套氮化后的尺寸變化，可通過前期失效溫度和改變產(chǎn)品尺寸補(bǔ)償?shù)姆椒ń鉀Q。輝光離子氮化操作簡單，生產(chǎn)成本低、環(huán)境清潔，可廣泛應(yīng)用于希望提高表面硬度的產(chǎn)品。