船用發(fā)動(dòng)機(jī)缸套等離子淬火技術(shù)應(yīng)用

龐朝斌 張新亮 楊尚剛

摘要：等離子淬火技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展較快的一項(xiàng)技術(shù)，它利用高能量密度的等離子束對(duì)缸套內(nèi)表面進(jìn)行快速掃描加熱，溫度到材料相變點(diǎn)以上，依靠自身基體的熱傳導(dǎo)迅速冷卻下來(lái)，奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，在氣缸套表面形成高硬度的針狀馬氏體組織，從而提高氣缸套的硬度和耐磨性，同時(shí)硬化層內(nèi)殘留有壓應(yīng)力，從而增加了表面的疲勞強(qiáng)度和使用壽命。本文探索在不降低缸套質(zhì)量的前提下，研究缸套等離子淬火技術(shù)進(jìn)行缸套生產(chǎn)可行性，達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：缸套;等離子淬火;耐磨性

中圖分類號(hào)：U661.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）06-0018-02

1? 項(xiàng)目提出背景

缸套作為柴油機(jī)的重要件之一，缸套的質(zhì)量直接關(guān)系到柴油機(jī)的性能、使用壽命、安全可靠性以及經(jīng)濟(jì)性。缸套在工作的過(guò)程中內(nèi)表面受到高溫高壓燃?xì)獾闹苯幼饔?，?nèi)孔始終與活塞環(huán)發(fā)生高速滑動(dòng)摩擦，缸套惡劣的工作條件決定了缸套需具有足夠的強(qiáng)度、剛度和耐熱性能，還應(yīng)具有較好的耐磨性。目前，我司缸套內(nèi)孔工藝路線采用珩磨平頂網(wǎng)紋+氮化處理+內(nèi)表面拋光處理的生產(chǎn)方式。該生產(chǎn)方式在滿足缸套產(chǎn)品性能的同時(shí)，制造成本居高不下。有必要實(shí)施一種新的工藝方法，在保證缸套零件性能同時(shí)能降低生產(chǎn)成本。

2? 技術(shù)路線

2.1 缸套等離子淬火技術(shù)簡(jiǎn)介

等離子淬火技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展較快的一項(xiàng)技術(shù)，它利用高能量密度的等離子束對(duì)缸套內(nèi)表面進(jìn)行快速掃描加熱，溫度到材料相變點(diǎn)以上，靠自身基體的熱傳導(dǎo)迅速冷卻，奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，在氣缸套表面形成高硬度的針狀馬氏體組織，從而提高氣缸套的硬度和耐磨性，同時(shí)硬化層內(nèi)殘留有壓應(yīng)力，從而增加了表面的疲勞強(qiáng)度和使用壽命。

2.2 等離子設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

設(shè)備采用工業(yè)控制型淬火系統(tǒng)。等離子淬火設(shè)備組成包括等離子發(fā)生器、機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)、工業(yè)控制系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。處理過(guò)程中缸套做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，離子發(fā)生器做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，最終在缸套內(nèi)壁形成網(wǎng)絡(luò)紋。該設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如下：

電源電壓：交流380V/3相;

工作行程：≤600mm;

加工缸孔直徑：≥？覫62mm;

表層淬火硬度：800-1000HV;

淬火深度：0.06-0.25mm;

淬火軌跡寬度：≤3.5mm;

硬化面積：0-100%，可調(diào);

雙層網(wǎng)紋頭數(shù)：1-99;

螺旋紋螺距：1-10mm。

2.3 缸套等離子淬火工藝實(shí)施過(guò)程

首先工藝參數(shù)的選擇：試驗(yàn)過(guò)程中在不改變其它參數(shù)設(shè)定的條件下，研究等離子淬火工作電流對(duì)等離子淬火層的硬度、深度和寬度影響。根據(jù)缸套的設(shè)計(jì)壽命和缸套磨損極限確定等離子淬火層的深度。根據(jù)缸套的等耐磨性原則，確定淬火網(wǎng)紋的形式及網(wǎng)紋疏密。在工藝參數(shù)確定后，進(jìn)行缸套試件的加工，研究等離子淬火工藝對(duì)缸套內(nèi)孔變形的影響。最后進(jìn)行等離子淬火工藝缸套可行性驗(yàn)證：一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)分別安裝氮化缸套和等離子淬火缸套，在發(fā)動(dòng)機(jī)額定負(fù)荷下運(yùn)行一定的時(shí)間，拆缸檢查確定等離子淬火缸套與氮化缸套的磨損及變形情況。

3? 缸套等離子淬火主要研究?jī)?nèi)容

3.1 缸套等離子淬火參數(shù)選擇

3.1.1 等離子淬火電流大小的確定

等離子淬火過(guò)程中，工作電流對(duì)等離子淬火層的深度、寬度及缸套內(nèi)孔變形均有影響。在其它工藝參數(shù)不變的情況下，等離子淬火電流越大，氣體介質(zhì)的電離度越高，等離子束的能量和密度均相應(yīng)提高，淬火帶的硬化層深度和淬火帶的寬度也越大。試驗(yàn)用缸套材質(zhì)為鈮合金鑄鐵，掃描速度10m/min。經(jīng)過(guò)對(duì)不同電流大小對(duì)試件加工及檢測(cè)，不同淬火電流對(duì)淬火深度、寬度及淬火層硬度影響，見(jiàn)附表1。

缸套等離子淬火合適電流為80-85A，硬化寬度達(dá)到3mm，淬火層深度0.15-0.2mm，淬火層硬度HV900。淬火電流過(guò)低淬火深度達(dá)不到要求，淬火電流過(guò)大超過(guò)85A，缸套表面會(huì)有燒熔，在離子束的沖力下會(huì)發(fā)生飛濺，造成缸套表面燒蝕，缸套表面粗糙度變差。

3.1.2 等離子淬火缸套網(wǎng)紋型式選擇

等離子淬火設(shè)備控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)等距螺旋線軌跡和交叉網(wǎng)紋軌跡兩種形式的網(wǎng)紋軌跡。為避免缸套不均勻磨損及密封不嚴(yán)風(fēng)險(xiǎn)，試驗(yàn)選擇交叉網(wǎng)紋形式采用不同區(qū)域不同疏密來(lái)實(shí)現(xiàn)缸套內(nèi)孔表面的等耐磨。缸套頂部磨損嚴(yán)重故選擇相對(duì)密集的淬火網(wǎng)紋。缸套中下部選擇較疏的網(wǎng)紋進(jìn)行淬火通過(guò)不同疏密網(wǎng)紋策略，去實(shí)現(xiàn)整個(gè)缸套的均勻磨損。淬火過(guò)程中缸套是靠基體冷卻的，網(wǎng)紋過(guò)密，淬火密度過(guò)大，會(huì)造成缸套淬火后整體缸套整體溫度過(guò)高會(huì)對(duì)淬火層退火，降低淬火層的硬度。缸套交叉網(wǎng)紋見(jiàn)圖1。

3.2 等離子淬火對(duì)缸套內(nèi)孔變形影響研究

缸套在淬火過(guò)程中受溫度影響會(huì)產(chǎn)生變形，淬火過(guò)程中溫度升高會(huì)引起缸套內(nèi)應(yīng)力的釋放，內(nèi)孔變形過(guò)大會(huì)影響缸套的密封。因此有必要對(duì)等離子淬火缸套變形量進(jìn)行測(cè)量和控制。在批量加工前，試驗(yàn)對(duì)等離子淬火前后缸套內(nèi)孔數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量。等離子淬火前對(duì)缸套X—Y方向標(biāo)記，便于相同方向和位置的重復(fù)測(cè)量。試驗(yàn)分別測(cè)量了淬火前及淬火后缸套內(nèi)徑尺寸，缸套內(nèi)徑基本尺寸為？覫170mm，缸套等離子淬火前后內(nèi)徑對(duì)比見(jiàn)圖2。

由缸套淬火前后內(nèi)徑測(cè)量值可知：淬火后缸套內(nèi)孔淬火區(qū)域缸套內(nèi)徑產(chǎn)生微縮量，縮量約0.02-0.03mm。另外，淬火后缸套內(nèi)孔淬火區(qū)域表面粗糙度變差，需采用軟木油石進(jìn)行拋光處理，保證缸套內(nèi)孔表面粗糙度要求。

3.3 缸套等離子工藝的可行性驗(yàn)證

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為直列、四沖程增壓柴油機(jī)，功率600kW，轉(zhuǎn)速1500rpm。第1至第3缸安裝氮化缸套，第4至第6缸安裝等離子淬火缸套，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)額定負(fù)荷下運(yùn)行200小時(shí)，然后對(duì)柴油機(jī)缸套進(jìn)行抽缸檢查，測(cè)量缸套內(nèi)孔的變形及內(nèi)孔磨損情況，拆檢缸套圖片見(jiàn)圖3，試驗(yàn)前后缸套內(nèi)徑對(duì)比見(jiàn)附圖4。

由測(cè)量數(shù)據(jù)知，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行200小時(shí)后，等離子淬火缸套和氮化缸套內(nèi)徑在圓度上均有變化，在與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線垂直方向上缸套孔橢圓度變大，圓度變化主要是由缸套在工作過(guò)程中受到徑向力引起的。等離子缸套及氮化缸套缸套內(nèi)孔磨量損量均在0.01-0.02mm。另外，在等離子淬火缸套內(nèi)交叉網(wǎng)紋非硬化區(qū)域有油膜形成。

4? 缸套等離子淬火技術(shù)應(yīng)用效果

缸套等離子技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：①等離子淬火缸套耐磨性與氮化缸套耐磨性相當(dāng)。等離子淬火后缸套，淬火帶硬度可達(dá)到600-900HV，淬火深度達(dá)到0.15-0.25mm。另外內(nèi)孔硬化帶采用交叉網(wǎng)紋的形式，便于缸套內(nèi)表面油膜形成，增強(qiáng)了缸套的耐磨性。②等離子淬火缸套工藝簡(jiǎn)單，處理后的缸套整體變形小。③缸套生產(chǎn)成本大幅降低，等離子淬火缸套較整體氮化缸套成本大幅下降。

等離子缸套技術(shù)應(yīng)用以來(lái)，已裝船使用缸套近3萬(wàn)件，船用柴油機(jī)等離子淬火缸套已取得市場(chǎng)的認(rèn)可。船用等離子淬火缸套也從小批量裝機(jī)試運(yùn)行擴(kuò)展邁向全面應(yīng)用階段。

參考文獻(xiàn)：

[1]紀(jì)蓮清，楊莉. 柴油機(jī)氣缸套表面等離子束改性工藝[J].金屬熱處理，2007，32.

[2]劉元富，李恒清，柳國(guó)萍.柴油機(jī)氣缸套等離子多元共滲研究[J].2000，28.

[3]催洪芝.鑄鐵缸套等離子淬火網(wǎng)紋狀軌跡交叉點(diǎn)的分析[J].金屬熱處理，2000，9.

[4]張平，曾慶強(qiáng)，蔡志海，趙軍軍，等.柴油機(jī)缸套抗高溫摩擦磨損技術(shù)研究[J].金屬加工，2011，1.