輝光離子氮化工藝在汽缸套生產中的應用

申如弦

（武漢船舶職業技術學院工業中心，湖北武漢 430050）

武漢船舶職業技術學院工業中心（附廠）是國家定點生產氣缸套產品的專業廠家，他的前身是原六機部骨干企業國營第463廠，有近50年歷史，其生產的氣缸套的質量和品牌一直處于同行業領先地位。

但近幾年來，隨著柴油價格不斷上漲，用戶普遍采用價格較低、含有害元素較多的重質柴油作燃料，這種燃料加速了缸套早期磨損，其使用壽命僅在3000—4000小時之間。面對這種情況，工業中心引進了目前最先進的輝光離子氮化爐及技術，經過幾個月生產，缸套耐磨性大幅提高，經檢測平均使用壽命將達8000小時以上，而且還極大提高缸套抗穴蝕性能。為了使該工藝得到廣泛應用，本文將該工藝工作原理、應用在缸套生產中的效果、產生的問題及在其他材料上的應用做一介紹。

1 輝光離子氮化的基本原理

輝光離子氮化是利用輝光放電原理進行的，它是在充以含氮氣體的真空爐內，把金屬工件作為陰極，爐體作為陽極，通電后介質中的氮原子在高壓直流電場作用下被電離，在陰陽之間形成等離子區，在等離子區強電場作用下，氮和氫的正離子以高速向工件表面轟擊，離子的高動能轉變成熱能、加熱工件表面至所需溫度，由于離子的轟擊工件表面產生原子濺射，因而工件表面得以凈化，同時由于吸附和擴散作用氮滲入工件表層，是工件表面得以硬化，完成氮化工作。

2 氮化工藝在鋼套生產中的應用

2.1 氣缸套的基本情況

我廠生產氣缸套材料種類較多，其中使用最多的材料為UTCuPUB—250，氣缸套材料成分如下表1中所示：

表1 氣缸套材料成分

氣缸套氮化前基本金相組織：索氏體和珠光體上分布著散塊狀或連續網狀磷共晶。缸套生產主要流程及工藝為：鑄造——粗加工——失效——半 精 加 工——精 加 工——絎 磨——氮化——拋光——檢驗——包裝——入庫。

2.2 氮化爐的基本情況

缸套采用國內最先進的輝光離子氮化爐進行氮化處理。氮化爐主要參數為：相限真空不小于7pa；升壓率≤0.13Pa／mm；滅弧速度≤20us；0－1000U持續可調；額定電流≤80A；陰陽相絕緣≥5MΩ。

2.3 缸套氮化后質量檢驗及研究

缸套經輝光離子氮化爐處理后，外觀是銀灰色，截取一段后拋光制樣，用4﹪的硝酸精油腐蝕后，可以看到明顯的氮化組織（見圖1）。對試塊進行檢測幾個元素指標如下：氮化層深度0.12－0.15mm；氮化層表面硬度1000Hv0.1；氮化層硬度梯度（見圖2）；氮化前后基體組織的顯微組織與機械性能基本無變化。

圖1 氮化層金相組織

圖2 硬度梯度表

2.4 缸套在氮化過程中容易出現問題及解決辦法

缸套在氮化爐中通過加熱達到540度后，保溫10小時隨爐變冷至200度出爐，從整個工藝過程看可能會出現如下問題：

（1）產品變形方面。由于氮化溫度接近失效溫度，因此如果氮化前失效工序沒做好，那么氮化將會作為二次失效，必然導致產品變形，這是一方面，另一方面由于氮原子不斷擴散和附著在基體但到缸套內腔尺寸會縮小0.03—0.05mm，因此要解決此問題一是要嚴格按失效工藝要求做好失效工件，對于尺寸精度要求較高的零件要考慮尺寸補償問題。

（2）外觀質量方面。氮化產品外觀質量常見的問題有以下幾點：斑點問題，產生此現象一般是進爐前產品未清洗干凈，導致斑點出現；發黑問題，產品發黑主要有兩個原因，一個出爐太早、產品溫度高和空氣發生反應，另一個原因氮化爐漏氣。

3 氮化工藝在其它產品上的應用

氮化工藝作為強化金屬表面的一種化學熱處理方法，除廣泛應用于鑄鐵、鋼鐵零件外還可應用于如下方面：

（1）對鈦和鈦合金材料實施氮化處理后，材料表面硬度可提高3—10倍，達到Uv0.3 1800－2400，耐磨性能可提高幾倍至幾十倍，摩擦系數降低到原來的1／2—1／5，在鹽酸類還原性介質中耐磨、耐腐蝕性可提高幾十倍到一千倍，且外觀呈金黃色十分的漂亮。

（2）在工業和軍用設備中有許多軟磷材料，希望獲得較高的導磁率（u）和較低的矯頑力（HC），但制作時材料中的雜質及碳含量對導磁率和矯頑力影響非常之大，為此，可在氮化爐中進行釋氮處理，除去雜質和降低碳含量，提高導磁率降低矯頑力。

4 結 語

合金鑄鐵缸套經輝光離子氮化后，氮化層深度可達0.13mm—0.18mm，表面硬度高達10000Uv0.1，由此形成的耐磨層可顯著提高缸套使用壽命，同時也可提高外表面耐腐蝕性能。缸套氮化后的尺寸變化，可通過前期失效溫度和改變產品尺寸補償的方法解決。輝光離子氮化操作簡單，生產成本低、環境清潔，可廣泛應用于希望提高表面硬度的產品。