液相等離子體電解滲氮技術(shù)提升活塞環(huán)表面硬度的研究

趙鴻岳

摘要：探索放電電壓對(duì)經(jīng)液相等離子體電解滲氮（Plasma electrolytic nitriding，PEN）技術(shù)對(duì)處理過(guò)的活塞環(huán)改性層硬度和摩擦學(xué)性能的影響，測(cè)定經(jīng)不同放電電壓處理的PEN活塞環(huán)滲層微觀硬度。研究表明：通過(guò)提高處理電壓可以獲得更好的處理效果，但是工作電壓過(guò)高易導(dǎo)致活塞環(huán)表面粗糙度過(guò)大，使摩擦副的磨損率升高;工作電壓過(guò)低會(huì)造成摩擦副的磨損率因PEN活塞環(huán)改性層的表面硬度降低而升高。因此，只有選擇最佳的處理電壓才能獲得較好的處理效果。

關(guān)鍵詞：活塞環(huán);等離子體;電解滲氮;表面硬度

1? 概述

活塞環(huán)作為內(nèi)燃機(jī)的關(guān)鍵部件之一，根據(jù)其工作條件和環(huán)境，以及在內(nèi)燃機(jī)中所發(fā)揮的作用來(lái)看，要求活塞環(huán)零件的強(qiáng)度較高，目前活塞環(huán)的主要制作材料以鋼鐵為主，易銹蝕和磨損是其最大的缺點(diǎn)，為此，除采用和研發(fā)更高性能的鋼鐵材料以外，且由于腐蝕與磨損均始于活塞環(huán)工作表面，一般使用表面改性技術(shù)來(lái)增強(qiáng)其耐磨、耐腐蝕性[1]，從而提升內(nèi)燃機(jī)高強(qiáng)度工作環(huán)境下活塞環(huán)的性能。

液相等離子體電解滲氮（Plasma electrolytic nitriding， PEN）是一種新型鋼鐵表面氮化技術(shù)，該技術(shù)是通過(guò)將待處理工件置于特定的含氮電解液中，以待處理工件為陰極、惰性電極材料為陽(yáng)極，施加直流脈沖電壓于兩極之間，在溶液與待處理活塞環(huán)接觸界面形成弧光放電，使溶液電離，從而產(chǎn)生含氮離子的等離子體。這些等離子體再與工件表層的原子發(fā)生化合反應(yīng)并向工件內(nèi)部擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)滲氮。該過(guò)程中，整體工件受熱輕微，并可以在完成滲氮處理后直接淬火，在幾分鐘時(shí)間內(nèi)便可得到高硬度、耐磨、耐腐蝕的滲層[2]。液相等離子體電解滲氮技術(shù)較傳統(tǒng)滲氮技術(shù)來(lái)說(shuō)，具有環(huán)境適應(yīng)性好、處理速度快、生產(chǎn)效率高、成本低和節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，是一項(xiàng)集節(jié)能與環(huán)保于一體的金屬表面處理技術(shù)[3]。但目前而言，該技術(shù)仍處于試驗(yàn)研究階段，在處理形狀較復(fù)雜或表面積較大的工件時(shí)，會(huì)出現(xiàn)局部過(guò)熱、放電不均以及滲層分布不均等問(wèn)題[4]。由于活塞環(huán)形狀特殊且所能承受的熱處理變形量極小，因此，還需要探尋合適的處理參數(shù)和電解液組合方式，使該技術(shù)能夠更好應(yīng)用于活塞環(huán)表面處理。本文在甲酰胺-氯化銨體系電解液中對(duì)活塞環(huán)進(jìn)行了PEN處理，探究了不同工作電壓對(duì)PEN改性層的硬度和摩擦學(xué)性能的影響，為將PEN技術(shù)成功應(yīng)用于活塞環(huán)表面氮化處理提供參考。

2? 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1所示為自制的10kW液相等離子體電解滲氮裝置示意圖。該裝置主要包括直流脈沖電源、攪拌器、液相放電系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。在對(duì)活塞環(huán)進(jìn)行PEN處理時(shí)，以活塞環(huán)作陰極，不銹鋼電極作陽(yáng)極。

表1 為PEN處理時(shí)采用的NHWYM1000-10型直流脈沖電源的主要技術(shù)參數(shù)。該電源由濟(jì)南能華機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)。

2.2 電解液的制備

一般情況下，液相等離子體電解滲氮處理的有機(jī)電解液體系是由滲劑、導(dǎo)電鹽、蒸餾水或去離子水按一定比例配制而成。其中，滲劑和導(dǎo)電鹽的性質(zhì)對(duì)PEN的效果影響較大，為獲取比較好的處理結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)的滲劑及導(dǎo)電鹽需進(jìn)行比較確定。

2.2.1 滲劑的選擇

PEN處理常用的滲劑主要有尿素、甲酰胺和乙醇胺。本研究選用甲酰胺做滲劑。尿素在PEN過(guò)程中分解產(chǎn)生參與反應(yīng)的氨氣很少，導(dǎo)致形成的滲層較薄。乙醇胺粘度較大，流動(dòng)性差，工作過(guò)程中易產(chǎn)生濃煙和泡沫。甲酰胺較另兩種滲劑而言，流動(dòng)性好，含氮量高，不會(huì)像尿素容易出現(xiàn)低溫分解，且弧光放電時(shí)活塞環(huán)表面溫度與其受熱分解的最佳溫度范圍重合度高，可以為活塞環(huán)表面PEN反應(yīng)快速、充分、持久地提供滲入所需的活性氮原子。

2.2.2 導(dǎo)電鹽的選擇

本研究選用NH4Cl做導(dǎo)電鹽，與KCl相比，NH4Cl使PEN過(guò)程達(dá)到弧光放電狀態(tài)的時(shí)間更短，這是因?yàn)槁然@在高溫下極易分解并釋放出大量氨氣，加快活塞環(huán)表面氣泡膜的生成速率，使其更快達(dá)到可被擊穿的狀態(tài)。此外，氯化銨分解生成的氨氣在被電離后可提高膜層內(nèi)活性氮離子的濃度，有助于增強(qiáng)滲入氮?jiǎng)?。因此本研究中選用NH4Cl作導(dǎo)電鹽。

2.2.3 電解液配置方案的選擇

為使電解液組分滿足活塞環(huán)表面PEN處理?xiàng)l件且與NHWYM1000-10型高頻脈沖開(kāi)關(guān)電源的功率相匹配，本試驗(yàn)根據(jù)80%甲酰胺+20%NH4Cl溶液，NH4Cl濃度10wt.%制備電解液。該電解液對(duì)應(yīng)的PEN改性層中，擴(kuò)散層厚度較大且分布均勻，化合物層質(zhì)地致密且厚度適中，是PEN改性層較理想的形態(tài)。

2.3 試驗(yàn)方案

由于在PEN處理過(guò)程中的最佳工作電壓范圍為220～300V，從中選取230V、260V和290V三組工作電壓，按上述方案配置電解液，并在占空比為40%，頻率為1000Hz，處理時(shí)間10min的條件下對(duì)活塞環(huán)進(jìn)行PEN處理。

2.4 PEN活塞環(huán)制備工藝流程

PEN活塞環(huán)的具體制備流程為：打磨→自來(lái)水沖洗→酒精清洗→烘干→PEN處理→自來(lái)水沖洗→酒精清洗→烘干。

2.5 分析測(cè)試方法

活塞環(huán)表面PEN改性層硬度使用KB30S-FA型全自動(dòng)顯微維氏硬度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量。硬度儀的加載載荷為50gf，保荷時(shí)間為10s。

PEN活塞環(huán)的摩擦學(xué)性能測(cè)試在CETR UMT-3型多功能摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。與PEN活塞環(huán)對(duì)摩的缸套試樣的粗糙度約0.8μm，試驗(yàn)溫度參考柴油機(jī)活塞環(huán)的實(shí)際工作溫度范圍確定為200℃，載荷為100N，試驗(yàn)沖程為8mm，滑動(dòng)頻率為30Hz，試驗(yàn)時(shí)間為60min。潤(rùn)滑油型號(hào)為CD5W-30。

3? 結(jié)果與分析

3.1 PEN改性層硬度分布

圖2為不同工作電壓對(duì)應(yīng)的PEN改性層硬度分布。如圖2所示，工作電壓越高，改性層的最大硬度越大。本實(shí)驗(yàn)中，選取以工作電壓為260V為例，在接近活塞環(huán)表面的化合物層區(qū)域內(nèi)，由外及內(nèi)，硬度呈上漲趨勢(shì)，并在距表面25μm左右達(dá)到最高值，約865HV;之后，隨著改性層深度的增加，硬度呈下降趨勢(shì)，并在約45μm處，硬度接近基體，約320HV?？梢?jiàn)，活塞環(huán)表面PEN改性層的硬度能達(dá)到基體硬度的3-4倍，而表面硬度越高，活塞環(huán)的抗磨損性能越強(qiáng)。

3.2 PEN改性層摩擦學(xué)性能

PEN處理前活塞環(huán)的表面粗糙度Ra為0.075μm。

未經(jīng)PEN處理的活塞環(huán)在濕摩擦狀態(tài)下的摩擦系數(shù)以及在工作電壓為230V、260V和290V條件下處理得到的PEN活塞環(huán)的摩擦系數(shù)如表2所示。

可見(jiàn)，摩擦系數(shù)隨工作電壓升高而增加。這是因?yàn)楣ぷ麟妷禾岣咭鸬幕」夥烹姀?qiáng)烈，導(dǎo)致表面粗糙度增加，進(jìn)而導(dǎo)致PEN活塞環(huán)和缸套摩擦副的摩擦系數(shù)增大。

未經(jīng)PEN處理的活塞環(huán)與缸套摩擦副的磨損率以及在工作電壓為230V、260V和290V條件下處理得到的PEN活塞環(huán)和缸套摩擦副的磨損率如表3所示。

可見(jiàn)，在工作電壓為230V和260V條件下處理得到的PEN活塞環(huán)摩擦副的磨損率均降低，但在工作電壓為290V條件下處理得到的PEN活塞環(huán)摩擦副的磨損率升高。這是因?yàn)楣ぷ麟妷哼^(guò)高易導(dǎo)致活塞環(huán)表面粗糙度過(guò)大，使摩擦副的磨損率升高;但工作電壓過(guò)低同樣會(huì)造成摩擦副的磨損率升高，因?yàn)楣ぷ麟妷哼^(guò)低，PEN活塞環(huán)改性層的表面硬度降低。

因此，活塞環(huán)表面PEN處理存在最佳的工作電壓值。

4? 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，鋼鐵表面液相PEN處理技術(shù)得到不斷的嘗試與應(yīng)用，已有研究成果表明，PEN處理可以提高鋼鐵材料的表面硬度、耐磨性疲勞強(qiáng)度及抗腐蝕性等多種性能。而本文將PEN技術(shù)應(yīng)用于活塞環(huán)，通過(guò)探索工作電壓對(duì)PEN活塞環(huán)改性層硬度及摩擦學(xué)性能的影響，測(cè)定經(jīng)不同工作電壓處理的PEN活塞環(huán)滲層微觀硬度，可以看出活塞環(huán)試樣經(jīng)PEN處理后隨著工作電壓升高，其摩擦系數(shù)會(huì)因表面粗糙度增加而上升，但表面硬度以及儲(chǔ)油能力的提高能夠有效抑制因摩擦系數(shù)增加導(dǎo)致的磨損率升高。對(duì)于特定組分的電解液，活塞環(huán)表面PEN處理的工作電壓存在最佳值，因此，只有選擇最佳的處理電壓才能獲得較好的處理效果。

參考文獻(xiàn)：

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