船用氣缸套氮化層珩磨脫落問(wèn)題的探討

呂凌

摘要：船用氣缸套進(jìn)行氮化處理可以顯著提高氣缸套耐磨損、耐腐蝕、耐疲勞等性能，但是氮化后的氣缸套內(nèi)孔需要再次珩磨拋光，可能會(huì)出現(xiàn)內(nèi)孔表面氮化層脫落的現(xiàn)象。造成氣缸套氮化層珩磨脫落的原因有很多，筆者主要從鑄件自身的角度，通過(guò)對(duì)氣缸套機(jī)械性能、金相組織進(jìn)行多次抽樣檢測(cè)，歸納分析原因，并提出解決措施。

Abstract： The nitriding treatment of marine cylinder liners can significantly improve the wear resistance， corrosion resistance and fatigue resistance of the cylinder liner. However， the inner hole of the nitrided cylinder liner needs to be honed and polished again， and the nitride layer on the inner hole surface may fall off. There are many reasons for the honing and shedding of the cylinder liner nitride layer. From the perspective of the casting itself， the author conducts multiple sampling tests on the mechanical properties and metallographic structure of the cylinder liner， summarizes and analyzes the reasons， and proposes solutions.

關(guān)鍵詞：氣缸套;氮化層脫落;碳當(dāng)量;過(guò)程控制

Key words： cylinder liner;nitride layer peeling off;carbon equivalent;process control

中圖分類(lèi)號(hào)：TK426? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）23-0069-02

0? 引言

氣缸套是船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零件之一，是船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟。為了提高氣缸套的使用壽命，增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能，工藝上常常采取氮化、碳氮共滲、鍍鉻、滲陶、激光淬火等熱處理手段對(duì)氣缸套進(jìn)行強(qiáng)化處理，其中氮化處理是國(guó)內(nèi)外普遍采用的強(qiáng)化工藝。氣體氮化是氮化處理方式之一，其工藝簡(jiǎn)單，投資少，經(jīng)過(guò)氮化處理后的氣缸套內(nèi)表面顯微硬度可高達(dá)1000HV0.1，氮化擴(kuò)散層深度可達(dá)0.3mm，氣缸套使用壽命增加約1/3，且氣缸套不易出現(xiàn)拉缸現(xiàn)象，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)成本。所以，氣缸套氮化處理得到了廣大用戶的普遍認(rèn)可和接受。

1? 氣缸套氮化層珩磨脫落

為了使氣缸套具備較高的力學(xué)性能或者獲得耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等特殊性能，氣缸套的材質(zhì)一般選用合金鑄鐵，我公司總結(jié)歸納常見(jiàn)的6類(lèi)合金鑄鐵材質(zhì)為：鉻鉬銅鑄鐵、釩鈦鑄鐵、中高磷鑄鐵、銅鎳鉻鑄鐵、硼銅鑄鐵、鉻鉬銅鎳高性能鑄鐵。氣缸套合金鑄鐵材質(zhì)的化學(xué)成分中一般含有C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、Cu、Ni、V、B等化學(xué)元素，不同的化學(xué)元素組成和含量配比可形成千差萬(wàn)別的機(jī)械性能。

在氣缸套制造工藝上，經(jīng)氣體氮化后的氣缸套內(nèi)孔需要進(jìn)行珩磨拋光以達(dá)到氣缸套內(nèi)孔的設(shè)計(jì)要求，無(wú)論選用哪種合金鑄鐵材質(zhì)，如果沒(méi)有合理的化學(xué)元素組成和含量配比，均容易產(chǎn)生氣缸套內(nèi)孔氮化層珩磨脫落的缺陷。

該缺陷的特點(diǎn)是在氣缸套的內(nèi)表面形成深淺不一的凹坑（空穴），經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察，肉眼可見(jiàn)，嚴(yán)重時(shí)有明顯手感。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，這些空穴在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)行至上止點(diǎn)時(shí)儲(chǔ)存了潤(rùn)滑油，活塞下運(yùn)行時(shí)油環(huán)無(wú)法將空穴中的潤(rùn)滑油刮下，滯留在空穴中的潤(rùn)滑油隨燃油一起燃燒掉，造成發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油耗增大，行業(yè)稱(chēng)之為“燒機(jī)油”?？昭ǖ臄?shù)量和空穴的深度決定機(jī)油耗的多少，給用戶帶來(lái)了不必要的經(jīng)濟(jì)損失，這種缺陷是用戶所不愿接受的。

2? 用戶現(xiàn)場(chǎng)使用反饋情況

我公司最早于2002年開(kāi)始介入船用氣缸套的研發(fā)與生產(chǎn)，在起步階段客戶訂購(gòu)的氣缸套不需要進(jìn)行氮化處理，因此不存在用戶反饋氣缸套氮化層脫落的問(wèn)題。隨著公司業(yè)務(wù)量地不斷擴(kuò)大，逐漸開(kāi)始承接氮化氣缸套的訂單，到2015年時(shí)，我公司在國(guó)內(nèi)氮化氣缸套市場(chǎng)的業(yè)務(wù)量占據(jù)了近一半的市場(chǎng)份額，生產(chǎn)的氮化氣缸套涵蓋：Φ170、Φ190、Φ210、Φ230、Φ250、Φ260、Φ280、Φ300、Φ320、Φ330、Φ360等多種規(guī)格型號(hào)。由于氮化氣缸套業(yè)務(wù)量地不斷擴(kuò)大，氣缸套氮化層脫落缺陷暴露的油耗上升問(wèn)題隨之而來(lái)。

據(jù)客戶現(xiàn)場(chǎng)反饋，某種型號(hào)的氮化氣缸套在裝機(jī)運(yùn)行階段中，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油耗由原來(lái)正常的8-10g/kW·h上升到10-30g/kW·h，客戶在完全排除了發(fā)動(dòng)機(jī)異常增加負(fù)荷及其他零部件運(yùn)行故障后，觀察拆解的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套內(nèi)孔可見(jiàn)密集型空穴，密集型空穴出現(xiàn)在某臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的全部或大部分氣缸套上。這些密集型空穴證實(shí)是氮化層脫落形成的，圖1、圖2是從客戶現(xiàn)場(chǎng)采集的氣缸套內(nèi)孔氮化層脫落的表面圖片。

根據(jù)客戶現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的氣缸套氮化層脫落現(xiàn)象，我們對(duì)氮化氣缸套產(chǎn)品生產(chǎn)批次進(jìn)行了追溯，重點(diǎn)從鑄造毛坯件的機(jī)械性能、金相組織的角度尋找原因，探討鑄造工藝的制定是否存在不合理的地方。

3? 氣缸套抽樣檢測(cè)分析

通過(guò)對(duì)同一品種，氮化層不同脫落程度的氣缸套進(jìn)行多次解剖分析，發(fā)現(xiàn)氣缸套氮化層脫落程度與氣缸套的基體硬度、石墨長(zhǎng)度與形態(tài)存在直接關(guān)系，而影響氣缸套基體硬度、石墨長(zhǎng)度與形態(tài)的根本因素是材質(zhì)化學(xué)成分中的碳、硅、磷等元素的含量。摘錄某一品種，氮化層不同脫落程度的氣缸套化學(xué)成分、硬度、石墨的抽樣檢測(cè)結(jié)果，如表1所示。

碳、硅是可以強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素，是鑄鐵中的重要組成元素。人們將碳、硅等元素對(duì)共晶點(diǎn)實(shí)際碳量的影響折算成碳的增減，用碳當(dāng)量（CE）表示。由于一般鑄鐵中硫含量很低，而錳元素的影響又相對(duì)較小，因此常常用簡(jiǎn)化公式：CE=（C+1/3（Si+P））%。當(dāng)碳當(dāng)量提高時(shí)，會(huì)促使石墨片數(shù)量增多，石墨片變粗，導(dǎo)致硬度降低。當(dāng)碳當(dāng)量降低時(shí)，石墨片數(shù)量減少，石墨片細(xì)化，使得硬度提高。

從表1中可以看出：隨著碳當(dāng)量（CE）的下降，氣缸套的石墨長(zhǎng)度縮短，氣缸套本體硬度增加，氮化層脫落越趨輕微。隨著碳當(dāng)量（CE）的降低，氣缸套本體硬度不斷提高，氮化層脫落問(wèn)題完全消失。圖3-圖5是氣缸套氮化層脫落程度與石墨長(zhǎng)度、形態(tài)對(duì)應(yīng)的照片。

4? 氮化層脫落原因與解決措施

氮化處理是指在一定的溫度下，使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝。我公司采用氣體氮化的方式對(duì)氣缸套進(jìn)行氮化處理，將氣缸套置于滲氮爐內(nèi)，爐內(nèi)通以流動(dòng)的氨氣（NH3）作為滲氮介質(zhì)，以一定的速度升溫到520-590℃，然后保溫4-8小時(shí)。爐內(nèi)的氨氣熱分解出活性氮原子：2NH3→3H2+2[N]，氫氣排出燃燒，活性氮原子則被氣缸套表面吸收并溶入表面，在保溫過(guò)程中由表向里擴(kuò)散，形成滲氮層，改變了氣缸套表層的化學(xué)成分和組織，從而提高了氣缸套耐磨損、耐腐蝕、耐疲勞等性能。

因氣缸套氮化過(guò)程中存在碳氮結(jié)合的化學(xué)反應(yīng)，并最終形成以碳氮化合物為硬質(zhì)相的表面附著層，附著在氣缸套表面上，其附著牢固程度取決于氣缸套基體中的石墨量和石墨粗大程度。當(dāng)碳當(dāng)量提高時(shí)，氣缸套基體中石墨量變多，石墨變粗大，碳氮化合物硬質(zhì)相層附著在氣缸套表面的抓力就變小，氣缸套珩磨時(shí)越容易造成氮化層剝離脫落。碳當(dāng)量降低時(shí)，氣缸套基體石墨變細(xì)小，基體硬度提高，碳氮化合物硬質(zhì)相層附著在氣缸套表面的抓力就變大，氣缸套珩磨時(shí)氮化層越不易剝離脫落。

因此，為了克服氣缸套氮化層珩磨時(shí)脫落的缺陷，熔煉鐵液時(shí)我們可以通過(guò)合理的爐料配比，獲得合理的碳當(dāng)量，同時(shí)控制好鐵液的熔煉溫度、冷卻速度、隨流孕育等過(guò)程因素，對(duì)鑄造工藝制定的合理性展開(kāi)產(chǎn)前驗(yàn)證，加強(qiáng)爐前光譜分析儀檢測(cè)分析的準(zhǔn)確性，保證鑄件基體的硬度，保證鑄件的石墨數(shù)量、石墨形態(tài)和石墨長(zhǎng)度，使鑄件具有良好的金相組織，從而獲得高性能的氣缸套鑄件，進(jìn)而有效控制氮化層脫落的不良現(xiàn)象。

5? 結(jié)束語(yǔ)

文章主要從氣缸套鑄件自身金相組織、機(jī)械性能的角度出發(fā)，通過(guò)多次抽樣檢測(cè)，歸納總結(jié)，闡述了船用氣缸套氮化層珩磨脫落與石墨數(shù)量、石墨長(zhǎng)度、石墨形態(tài)、基體硬度以及碳當(dāng)量的關(guān)系，認(rèn)為碳當(dāng)量決定了石墨數(shù)量、石墨長(zhǎng)度和石墨形態(tài)，進(jìn)而影響了氣缸套的基體硬度。碳當(dāng)量不合理是造成氣缸套氮化層珩磨脫落的內(nèi)在因素，提出通過(guò)控制碳當(dāng)量在合理的范圍，并嚴(yán)格控制鑄造過(guò)程，加強(qiáng)鑄造工藝產(chǎn)前驗(yàn)證與爐前光譜分析管理，以解決氣缸套氮化層珩磨脫落的問(wèn)題。

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