鑄鐵排氣歧管表面氧化處理的研究

摘 要：介紹了美國(guó)某知名公司的排氣歧管表面氧化處理的工藝。用酚醛熱鑲嵌法測(cè)定鑄鐵氧化層厚度，實(shí)現(xiàn)氧化層厚度的準(zhǔn)確測(cè)量。氧化處理后內(nèi)孔的粗糙度及孔徑不達(dá)標(biāo)，用4刃鏜刀鏜孔改善排氣管內(nèi)徑加工粗糙度。

關(guān)鍵詞：表面氧化處理；水蒸汽；爐溫設(shè)置；氧化層厚度；粗糙度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.036

1 引言

現(xiàn)代汽車在產(chǎn)品已形成批量投放市場(chǎng)后，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性成為消費(fèi)者首要考慮的問題。當(dāng)產(chǎn)品的可靠性滿足消費(fèi)需求后，產(chǎn)品的外觀是吸引眼球的焦點(diǎn)。

排氣歧管做為其中重要的零部件，承擔(dān)了將高溫廢氣引出的功能，同時(shí)因?yàn)榕艢馄绻埽ń^大多數(shù)產(chǎn)品為鑄鐵材料）是裸露件，因高溫氣體通過后與其表面與空氣中的水蒸汽易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生銹。這樣一來，排氣歧管的表面防護(hù)就成了一個(gè)技術(shù)難題。國(guó)內(nèi)零部件企業(yè)通常的做法為：表面涂防銹油、表面噴涂防銹漆、表面磷化處理、表面達(dá)克羅處理、表面靜電噴涂等。

在眾多的表面防銹處理中，大多會(huì)因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)測(cè)試或者在防銹處理過程中會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，對(duì)操作工直接造成了健康方面的損害。

而相應(yīng)能解決以上問題的則是表面氧化處理。而鑄鐵件的表面氧化處理工藝在國(guó)內(nèi)則是一個(gè)空白。

2 排氣歧管表面氧化處理工藝過程

2.1 任務(wù)來源

可以說，鑄鐵件的排氣歧管表面氧化處理工藝的探索則是來自于美國(guó)CUMMINS的要求。該客戶要求排氣歧管表面需進(jìn)行表面氧化處理，表面氧化層厚度為0.015～0.025mm。

2.2 表面氧化處理原理

將鑄鐵件排氣歧管置于飽和蒸汽氣氛中加熱，使鑄鐵表面生成一層均勻、致密、厚約0.015～0.025mm的磁性Fe3O4薄膜的方法。其化學(xué)反應(yīng)如下：

H2O [O] + H2 ↑

3Fe +4 [O] Fe3O4

氧化膜能提高鑄鐵的抗蝕能力、聯(lián)接部位的耐磨及密封能力--需聯(lián)接在一起的四缸排氣歧管和兩缸排氣歧管不再需傳統(tǒng)意義上的卡簧圈，使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管在裝配時(shí)省時(shí)、省力，同時(shí)也節(jié)約了外購件采購、裝配成本。

2.3 表面氧化處理工藝

（1）將鑄鐵排氣歧管清洗干凈。

（2）將清洗干凈的排氣歧管裝在夾具內(nèi)，在室溫下將裝有工件的夾具放入蒸汽氧化處理爐內(nèi)。

（3）將爐溫儀表設(shè)置在300～420℃之間，打開電源開始升溫的同時(shí)打開氮?dú)忾y門通入氮?dú)馀懦諝庵械难鯕?，氮?dú)獾耐ㄈ胨俣葹?6～20m3/h。

（4）爐溫達(dá)到設(shè)定溫度后保溫1.5小時(shí)，在保溫的同時(shí)通入氮?dú)?，通入氮?dú)馑俣葹?6～20 m3/h 。

（5）將爐溫儀表設(shè)置在630～690℃之間，在保持氮?dú)馔ㄈ氲耐瑫r(shí)繼續(xù)升溫，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)關(guān)閉氮?dú)?，通入水蒸汽，水蒸汽的通入速度?±1 m3/h 。

根據(jù)圖1所示。

在630～690℃溫度下，水蒸汽與鐵可發(fā)生下列三種反應(yīng)：

3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2↑

Fe + H2O FeO + H2↑

3FeO + H2O Fe3O4 + H2↑

（6）將爐溫保持在設(shè)定的溫度2.5小時(shí)，在保溫的同時(shí)始終通入水蒸汽。水蒸汽通入速度5±1 m3/h ，并始終保證爐內(nèi)蒸汽壓力為14.57～21.46KPa。 爐內(nèi)壓力主要使?fàn)t內(nèi)的蒸汽呈飽和狀態(tài)，促使氧化更為均勻。

（7）爐溫在630～690℃保持2.5小時(shí)后，關(guān)閉電源，當(dāng)爐內(nèi)溫度降至530～610℃，關(guān)閉水蒸汽，打開爐蓋，吊出工件。

完成蒸汽氧化處理的產(chǎn)品此時(shí)不得與不結(jié)凈的任何物質(zhì)接觸，否則會(huì)形成黑斑，極大影響表面質(zhì)量。

整個(gè)氧化處理過程溫度與時(shí)間曲線關(guān)系如下圖2所示。

2.4 表面氧化處理注意事項(xiàng)

（1）將爐溫儀表設(shè)置在300～420℃之間，打開電源開始升溫時(shí)，鑄鐵件存在的環(huán)境會(huì)有氧氣存在，故而會(huì)發(fā)生以下反應(yīng)：

4Fe +3 O2 2Fe2O3

而Fe2O3對(duì)氧化處理來說是有害的，為避免以上反應(yīng)，必須在升溫的同時(shí)打開氮?dú)忾y門通入氮?dú)馀懦諝庵械难鯕狻?/p>

（2）鑄鐵蒸汽氧化處理時(shí)，首先由水蒸汽與鐵接觸而分解出活性氧原子，活性氧原子再與鐵起作用生成Fe3O4核心。晶核長(zhǎng)大后，便在零件表面上形成一層連續(xù)的Fe3O4氧化膜，其反應(yīng)式為：

H2O [O] + H2 ↑

3Fe +4 [O] Fe3O4

（3）鑄鐵蒸汽氧化處理反應(yīng)進(jìn)行的方向，取決于溫度。當(dāng)溫度低于600℃時(shí)，蒸汽氧化處理基本不進(jìn)行。當(dāng)溫度高于600℃時(shí)，在連續(xù)通水蒸汽的條件下，反應(yīng)是向生成Fe3O4方向進(jìn)行的。當(dāng)溫度過高，超過700℃時(shí)，氧化膜開始破壞。

（4）鑄鐵蒸汽氧化處理反應(yīng)，需控制水蒸汽的通入速度。水蒸汽的通入速度過大，勢(shì)必會(huì)帶走大量的溫度，這樣一來會(huì)增加能耗；同時(shí)，水蒸汽的通入速度過大，會(huì)也不利于Fe3O4的生成。

（5）鑄鐵蒸汽氧化處理反應(yīng)進(jìn)行的方向，決定于H2O、H2的相對(duì)含量。連續(xù)通蒸汽，水蒸汽的濃度永遠(yuǎn)保持大于氫氣的濃度，因此反應(yīng)永遠(yuǎn)向生成Fe3O4方向進(jìn)行。

3 表面氧化層厚度的檢測(cè)

酚醛熱鑲嵌法測(cè)定鑄鐵氧化層厚度。在試塊制作過程中，不能以普通的方式進(jìn)行。經(jīng)過大量的試驗(yàn)證明，鑲嵌試塊在磨制過程中，須以一定的轉(zhuǎn)速、合適角度范圍內(nèi)的力度、特殊配制的磨削液進(jìn)行磨制。否則氧化膜易剝落。

氧化層厚度檢測(cè)結(jié)果在100倍顯微鏡下照片如下圖3所示：

4 氧化處理后加工面質(zhì)量

氧化處理后加工面粗糙度評(píng)定則是氧化處理工藝成功與否的指標(biāo)之一。

一般情況下，氧化處理后的平面的加工面粗糙度與氧化處理前無太大出入，但主要是鏜孔的部位則變化差別較大。我公司的需氧化處理的排氣歧管在氧化處理后，粗糙度指標(biāo)卻不易保證。在氧化處理前是合格的，但在處理后檢測(cè)數(shù)據(jù)跳動(dòng)大。后經(jīng)原因排查，主要是加工的刀具原因造成的。我們將以往鏜孔常規(guī)用的2刃鏜刀改為4刃鏜刀，則將氧化處理后的內(nèi)徑粗糙度有效地控制在圖紙要求范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

（1）溫度控制是蒸汽氧化處理關(guān)鍵。

（2）蒸汽通入速度對(duì)蒸汽氧化處理表面質(zhì)量起主要作用。

（3）氧化處理時(shí)間是保證氧化處理厚度的決定性因素。

（4）氧化層檢測(cè)方法是評(píng)定蒸汽氧化處理質(zhì)量是否穩(wěn)定的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)：

[1]寶成.熱處理工藝學(xué)（初級(jí)本）[M].科學(xué)普及出版權(quán)社，1983（01）.

[2]機(jī)械工業(yè)理化檢驗(yàn)人員技術(shù)培訓(xùn)和資格鑒定委員會(huì)編著.機(jī)械工業(yè)理化檢驗(yàn)人員培訓(xùn)教材（共三卷）[M].上?？茖W(xué)普及出版社.

作者簡(jiǎn)介：李振河（1974-），男，大專，助理工程師。