淺談氣缸套的氣體軟氮化工藝處理

鄭永晴

（江蘇省洪澤縣華晨機械有限公司）

為了提高氣缸套制造的經濟性和工藝性，使缸套內表面獲得耐熱、耐磨和耐腐蝕的性能，國內外缸套設計者與制造商們常用的方法是對缸套內表面通過熱處理或化學熱處理進行強化，包括：鹽浴氮化、氣體氮化、離子氮化等手段都是提高缸套工作面耐磨性的一些有效方法。其中有著環保與成本優勢的氣體氮化工藝較其他強化方法被更多的運用。

氣體氮化又分軟氮化、硬氮化，軟氮化：學名“碳氮共滲”，氮化層硬而具有一定的韌性，滲入鋼／鐵表面的元素以氮為主，同時添加了碳。碳的加入使表面化合物層 （白亮層）的形成和性能得到明顯的改善。氮碳共滲的著眼點是希望獲得一定厚度 （一般為10～20μm，也有要求20μm以上的）硬度高、脆性小、沒有或很少疏松等性能優良的白亮層，

相對于軟氮化，硬氮化則是單純的 “滲氮”，也有人稱為常規氮化。滲入鋼／鐵表面的是單一的氮元素，采用氨氣 （NH3）作滲氮介質，滲氮的著眼點是希望獲得較深厚度 （0．1～0．65mm，也有要求更深一些的）具有高硬度的呈彌散狀的合金氮化物層 （即擴散層），對于出現外表層的化合物層（白亮層）則希望盡可能的淺簿，甚至希望沒有。

根據軟氮化與硬氮化的特點，結合我公司生產的氣缸套產品的客戶對于表面化合物層 （即白亮層）的要求，表面化合物層深度：3－15μm，表面硬度：≥450HV，我們選擇了氣體軟氮化的工藝處理方式。

2 缺陷分析

我公司接到國外客戶的訂單，在實際生產過程中，常常由于氮化后缸套內表面粗糙度超差，導致產品不合格 （見下表），通過對內孔進行仔細觀察發現：缸套內表面有剝落現象，目測明顯，有手感，見圖1，但進行著色探傷沒發現有孔穴，因此判斷不是鑄造缺陷，而是淺表層的斑駁現象，正是由于表面斑駁的存在，導致表面粗糙度超差，產品不合格，嚴重時報廢率達到50%以上，嚴重影響交貨期，為此公司技術人員采取魚刺圖方式，分析缺陷發生原因，見圖2。

圖1

圖2

圖3 ×400

首先分析一下現有的氮化工藝：以不大于100℃／H的速度升溫到560－600℃，保溫10－12小時，以不大于50℃／H的速度隨爐冷卻至200℃以下，出爐。

該工藝可以保證客戶提出的氮化后表面化合物層深度及氮化表面硬度的要求，但由于氮化溫度高、保溫時間長，造成產品變形嚴重，缸套內表面石墨脫落較多，表面粗糙度超差，產品不合格；為此，需要對該工藝進行改進。

產生表面剝落的另一個原因：氮化前、后內表面需要進行珩磨加工，以實現表面粗糙度要求，如果磨削壓力過大，金剛石砂條強烈的撕拉內表面，導致石墨脫落，也形成表面剝落。

根據魚刺圖分析，造成氮化表面剝落的主要原因，分別是：1、法：氮化工藝不合理、珩磨工藝不合理；2、料：缸套金相組織石墨粗大、氮化前內表面存在石墨脫落現象、內孔余量大。因此解決表面剝落的重點應該放在氮化工藝、氮化前、后的珩磨控制以及鑄造時金相組織的細化上。

表1 ：內表面粗糙度 氮化前

內表面粗糙度 氮化后要求：Rz：2－8μm

產品編號 氮化后 （粗糙度儀：T1000）Ra Rz Rmax 1．825 11．57 16．07 1．828 13．29 18．27 1．856 13．02 17．27 1．387 9．14 10．26 1．664 11．24 12．73平均値 1．712 11．65 14．92 3

3 工藝試驗

針對魚刺圖分析的原因，我們主要在以下方面作了調整：

3．1 氮化溫度與氮化時間的調整

氮化時間與氮化溫度直接影響著氮化層的深度與硬度，但也并非成正比，Fe－N系的共析溫度為590℃，Fe－C－N的共析溫度為560℃，當接近此溫度時，α－Fe對氮具有最大的固溶量，所以氮化的適宜溫度為560－570℃左右，試驗證明：520－570℃范圍內，表面硬度相差不大，但低于520℃，硬度會明顯下降，因此原工藝中保溫溫度設定為570－590℃，顯得多余了，同時試驗不同的保溫時間，氮化層深度隨時間延長而增加，但開始時增加較慢，時間短，氮化層淺，表面硬度提高不高，同時缸套為鑄件，含碳、硅量高，阻礙氮原子的滲入及擴散，因此必須適當延長氮化時間，經過試驗，4－6小時即可，超過6小時，氮化層的深度增加量變少，因此我們取5小時為宜。

3．2 氮化前后珩磨工藝的控制

首先氮化前珩磨余量必須控制好，最好在0．05－0．08mm為宜，壓力≤20kg，壓力過大，磨削時間長，效率低，過小不足以修正內孔；氮化后由于表面比較硬，拋光余量更要小，只要夠修圓即可，切不可加大余量，因此要控制氮化前的內孔尺寸，以保證氮化后的珩磨拋光很小的余量。還可以選用較軟的砂條，選用較小的珩磨壓力，以避免氮化表面出現的石墨脫落現象。

氮化后的拋光余量若大會降低缸套有效的氮化化合物層深度，因此必須有效控制氮化前內孔尺寸，來控制氮化后的拋光余量，避免氮化后內孔縮小，為實現缸套內孔圖紙尺寸，而加大珩磨余量，使氮化層被磨去，即不經濟，也容易出現內孔氮化脫落。

3．3 控制氮化變形

缸套變形大，嚴重時內孔圓柱度達0．06mm，超出圖紙要求，即使氮化后再對內孔進行珩磨拋光，也無法糾正圓柱度偏差。主要原因是機加工應力太大，沒有得到釋放，或者是回火工藝有偏差，沒有實現消除應力的作用，我們對比回火與沒有回火的缸套氮化試驗，回火的缸套氮化后較沒有回火的缸套變形要小許多。因此對于需要氮化處理的缸套一定要在粗加工后進行去應力退火，對于個別內孔圓柱度要求高的品種，甚至需要進行二次回火，以減少產品變形，滿足產品圓柱度的要求。另外造成產品氮化變形的因素還有：爐內溫度均勻性、氨氣流通不暢以及裝爐不當等方面。

表3 ：表面硬度 （HV）分布硬度計：數顯維氏硬度計

3．4 鑄件的金相組織

氮化處理的過程是對缸套表面進行腐蝕的過程，是碳、氮原子被工件表面吸收，并向金屬內部擴散的過程，缸套本身鑄件碳硅當量較高時，表現在石墨粗大，與基體的結合不是很牢固，影響產品力學性能，因此在氮化過程中表面的石墨會脫落，在缸套表面形成一個個小小的凹坑，嚴重時有明顯的手感，因此對于鑄件本身而言，我們通過調整碳硅當量來改善石墨形態，控制石墨脫落。

4 試驗結果

通過新工藝的實行，氮化時間較原工藝縮短1／4，氮化變形也得到了很好的控制，表面脫落現象得到了有效的控制，表面粗糙度滿足了客戶的要求 （見表2），產品合格率大大提升。產品的性能完全符合甚至超出了客戶的要求，客戶對表面硬度的要求只有450HV，而我公司產品硬度在距表面0．06mm仍然可以實現客戶450HV的要求，整個產品硬度由表及里穩步遞減，見表3，工藝的改善扭轉了交付不及時的現象，同時也為公司節約了大量的制造成本。

表2 ：氮化后表面粗糙度 （要求Rz：2－8μm）粗糙度儀：T1000