淺談幾種內(nèi)燃機(jī)氣缸套表面處理技術(shù)

曾惠敏 趙可永 左俊中

摘要：內(nèi)燃機(jī)氣缸套在惡劣的環(huán)境下工作容易磨損，為了提高氣缸套耐磨損、耐高溫、耐腐蝕等性能，以提高氣缸套的使用壽命，通常會(huì)對(duì)氣缸套進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。文章簡(jiǎn)要介紹了等離子淬火、磷化、氣體氮化、復(fù)合陶瓷強(qiáng)化等幾種氣缸套表面處理技術(shù)。

關(guān)鍵詞：表面處理;淬火;磷化;氮化;陶瓷

0? 引言

氣缸套是內(nèi)燃機(jī)核心零件之一，其工作環(huán)境十分惡劣。氣缸套在高溫、高壓、交變載荷和腐蝕的環(huán)境中工作，內(nèi)表面很容易形成磨損。當(dāng)氣缸套內(nèi)孔磨損到一定程度時(shí)，就會(huì)影響內(nèi)燃機(jī)的工作效率，增加能源的消耗和尾氣的排放，甚至?xí)鹄?、早磨等?yán)重后果。為了提高氣缸套的使用壽命，節(jié)能減排，增加氣缸套的經(jīng)濟(jì)性，可以通過(guò)對(duì)氣缸套進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，以提高其硬度、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等性能。氣缸套表面強(qiáng)化處理技術(shù)有很多，文章結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，簡(jiǎn)要介紹了等離子淬火、磷化、氣體氮化、復(fù)合陶瓷強(qiáng)化等幾種氣缸套表面處理技術(shù)，其中等離子淬火和復(fù)合陶瓷強(qiáng)化是對(duì)氣缸套內(nèi)壁進(jìn)行表面處理，磷化和氣體氮化是對(duì)氣缸套整體進(jìn)行表面處理。

1? 等離子淬火處理

氣缸套內(nèi)表面淬火方式常見(jiàn)的有激光淬火和等離子淬火。由于激光淬火設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本高，且在激光處理前多需要對(duì)氣缸套內(nèi)壁進(jìn)行磷化處理以提高光的吸收率，易造成環(huán)境污染，使得激光淬火的應(yīng)用在氣缸套行業(yè)受到了一定的限制。

等離子淬火以氬氣作為保護(hù)氣體，能量密度極高的等離子束熱源以較大的沖擊速度加熱氣缸套內(nèi)表面，使內(nèi)表面迅速升溫達(dá)到相變成奧氏體的溫度。等離子束移去后，熱量由表及里迅速傳導(dǎo)，快速冷卻后的氣缸套內(nèi)壁表層金相組織便由奧氏體轉(zhuǎn)變成萊氏體及隱針馬氏體硬化組織，從而很大提高了氣缸套內(nèi)表面硬度和耐磨性。

等離子淬火通過(guò)程序控制，可在氣缸套內(nèi)表面形成連續(xù)的螺旋形、波浪形或網(wǎng)格形淬火軌跡。經(jīng)等離子淬火后的氣缸套內(nèi)孔，可形成硬化帶寬度≥2mm、深度≥50μm、硬度≥500HV的硬化軌跡，提高了氣缸套內(nèi)表面的硬度和耐磨性，同時(shí)也提高了氣缸套的使用壽命。

采用等離子淬火處理，等離子弧不易控制，且噴嘴易燒壞。但是等離子淬火依靠氣缸套自身熱傳導(dǎo)而迅速冷卻的“自冷卻”方式，無(wú)需任何冷卻介質(zhì)。等離子淬火設(shè)備簡(jiǎn)單易維護(hù)，運(yùn)行成本低，工作效率高，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。因此，等離子淬火方式較多地應(yīng)用于氣缸套內(nèi)表面的淬火處理。

2? 磷化處理

將零件置于含有磷酸鹽的溶液中，在零件表面形成一層難溶于水的磷酸鹽保護(hù)膜的過(guò)程稱(chēng)為磷化。磷化用途不同，選用的磷化液也不同，有鋅系磷化、鋅鈣系磷化、鐵系磷化、錳系磷化和復(fù)合磷化等幾種。常見(jiàn)的磷化處理有冷磷化、中溫磷化和高溫磷化三種。冷磷化是在室溫下進(jìn)行，中溫磷化是在50-70℃的溫度下進(jìn)行，而高溫磷化則是在90-98℃的溫度下進(jìn)行。零件表面的磷化膜厚度可達(dá)1-50μm，呈多孔結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出吸附、耐腐蝕、減少摩擦等特性。

鑄鐵氣缸套的磷化處理通常在錳系磷酸鹽中進(jìn)行，磷化溫度70℃左右。磷化處理大致的工藝流程為：去油污→清洗→表面調(diào)整→磷化處理→清洗→晾干→浸油。經(jīng)磷化處理后的氣缸套，表面磷化層厚度一般≤10μm，外觀色澤呈灰或者暗灰色。磷化膜與金屬基體結(jié)合較好，具有良好的耐蝕性，膜層具有多孔性，可吸附大量潤(rùn)滑油而減少摩擦，膜層還具有不粘附熔融金屬的特性。實(shí)踐證明，氣缸套磷化處理能有效改善內(nèi)燃機(jī)初期的磨合性能，有效預(yù)防粘附磨損的產(chǎn)生。因此，氣缸套磷化處理在國(guó)內(nèi)外有著廣泛的應(yīng)用。但是磷化膜本身硬度、強(qiáng)度較低，不耐酸、堿、氨、海水及水蒸氣等。此外，磷化廢液處理不當(dāng)易對(duì)環(huán)境造成較大的污染。

3? 氣體氮化處理

氮化處理是指在一定的溫度和一定的介質(zhì)中，使活性氮原子滲入工件表層的一種化學(xué)熱處理工藝。其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性及耐高溫性。目前應(yīng)用較多的氮化處理方式有：氣體氮化、液體氮化和離子氮化。其中，氣體氮化的方法因具有環(huán)保和成本的優(yōu)勢(shì)，被較多地運(yùn)用于鑄鐵氣缸套的氮化處理。

氣缸套氣體氮化以氨氣（NH3）作為滲氮介質(zhì)，將氣缸套放置于滲氮爐內(nèi)，爐內(nèi)通以流動(dòng)的氨氣，以不大于100℃/H的速度升溫到520-590℃，然后保溫4-8小時(shí)，再以不大于50℃/H的速度隨爐冷卻至200℃以下，氣缸套出爐。在滲氮爐內(nèi)，通入的氨氣熱分解出活性氮原子：2NH3→3H2+2[N]?；钚缘颖粴飧滋妆砻嫖詹⑷谌氡砻妫诒氐倪^(guò)程中向里擴(kuò)散，形成滲氮層，改變了氣缸套表層的化學(xué)成分和組織，從而使得氣缸套表面具有了較高的硬度、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫和耐疲勞等性能。經(jīng)氣體氮化處理后的氣缸套表面可獲得氮化層深度≥0.1mm，表面硬度≥450HV。

氣體氮化的方式采用的溫度相對(duì)較低，常用550-570℃，氣缸套變形很小，可獲得較深的滲氮層和較高的表面硬度。但是氣體氮化周期很長(zhǎng)，氨氣用量也很高，氮化后氣缸套內(nèi)孔需要再研磨，可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)孔表面存在剝落現(xiàn)象。

4? 復(fù)合陶瓷強(qiáng)化處理

氣缸套內(nèi)表面進(jìn)行復(fù)合陶瓷強(qiáng)化處理（滲陶處理），主要采用低溫等離子體表面處理技術(shù)，在真空滲陶爐內(nèi)將高純度氮?dú)?、硼烷、硅烷進(jìn)行離子化，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法，在氣缸套內(nèi)表面形成Si-B-N復(fù)合陶瓷合金層。復(fù)合陶瓷合金層質(zhì)量高，與氣缸套基體材料的結(jié)合力強(qiáng)，不易脫落且具有自潤(rùn)滑性，可以提高氣缸套內(nèi)表面硬度、耐磨性、耐腐蝕性和導(dǎo)熱性，并降低其表面摩擦系數(shù)，改善氣缸套內(nèi)表面潤(rùn)滑性能，延長(zhǎng)氣缸套的使用壽命。

氣缸套進(jìn)行滲陶處理的主要工藝流程為：對(duì)氣缸套進(jìn)行清洗→將氣缸套放入滲陶爐中抽真空并進(jìn)行預(yù)熱→通入氮?dú)猓蜷_(kāi)高壓開(kāi)關(guān)，陽(yáng)極電壓起輝光濺射→通反應(yīng)氣體硅烷、硼烷并調(diào)整氣壓和陽(yáng)極電壓→保持溫度、電流、氣壓至要求，對(duì)氣缸套內(nèi)表面進(jìn)行穩(wěn)定強(qiáng)化處理→強(qiáng)化處理結(jié)束，關(guān)閉反應(yīng)氣體，并進(jìn)行一定時(shí)間的保溫→氣缸套冷卻后，打開(kāi)真空室取出氣缸套。

滲陶處理后的氣缸套試樣經(jīng)國(guó)內(nèi)某新材料研究所檢測(cè)，氣缸套內(nèi)表面陶瓷合金滲層達(dá)20.5μm，合金層硬度

≥350HV，內(nèi)表面平均摩擦系數(shù)降低約8%。公司某190系列滲陶氣缸套經(jīng)用戶(hù)使用后反饋，機(jī)油耗約下降18%，燃油耗約下降12%。滲陶處理采用150℃左右的低溫環(huán)境，不會(huì)使氣缸套發(fā)生變形，陶瓷材料與金屬基體間相互擴(kuò)散，不會(huì)影響氣缸套內(nèi)表面網(wǎng)紋的結(jié)構(gòu)。因此，滲陶處理是一種比較理想的氣缸套內(nèi)表面強(qiáng)化處理方式。

5? 結(jié)束語(yǔ)

上述幾種氣缸套表面處理技術(shù)有各自的特點(diǎn)，也有各自的應(yīng)用領(lǐng)域?？傮w而言，對(duì)氣缸套內(nèi)表面進(jìn)行復(fù)合陶瓷強(qiáng)化處理，在國(guó)內(nèi)來(lái)講是一項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)應(yīng)用。經(jīng)復(fù)合陶瓷強(qiáng)化處理的氣缸套，具有耐腐蝕、耐高溫、耐磨損、高硬度、自潤(rùn)滑等特點(diǎn)，降低了機(jī)、燃油消耗，減少了尾氣排放，提高了內(nèi)燃機(jī)的使用壽命。展望未來(lái)，復(fù)合陶瓷強(qiáng)化技術(shù)有著廣闊的市場(chǎng)前景，將會(huì)廣泛應(yīng)用于氣缸套領(lǐng)域及其他領(lǐng)域零件的表面強(qiáng)化處理。

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