鑄鐵排氣歧管表面氧化處理的研究

摘 要：介紹了美國某知名公司的排氣歧管表面氧化處理的工藝。用酚醛熱鑲嵌法測定鑄鐵氧化層厚度，實現氧化層厚度的準確測量。氧化處理后內孔的粗糙度及孔徑不達標，用4刃鏜刀鏜孔改善排氣管內徑加工粗糙度。

關鍵詞：表面氧化處理；水蒸汽；爐溫設置；氧化層厚度；粗糙度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.036

1 引言

現代汽車在產品已形成批量投放市場后，產品質量的穩定性成為消費者首要考慮的問題。當產品的可靠性滿足消費需求后，產品的外觀是吸引眼球的焦點。

排氣歧管做為其中重要的零部件，承擔了將高溫廢氣引出的功能，同時因為排氣歧管（絕大多數產品為鑄鐵材料）是裸露件，因高溫氣體通過后與其表面與空氣中的水蒸汽易發生化學反應而生銹。這樣一來，排氣歧管的表面防護就成了一個技術難題。國內零部件企業通常的做法為：表面涂防銹油、表面噴涂防銹漆、表面磷化處理、表面達克羅處理、表面靜電噴涂等。

在眾多的表面防銹處理中，大多會因為在發動測試或者在防銹處理過程中會產生環境污染，對操作工直接造成了健康方面的損害。

而相應能解決以上問題的則是表面氧化處理。而鑄鐵件的表面氧化處理工藝在國內則是一個空白。

2 排氣歧管表面氧化處理工藝過程

2.1 任務來源

可以說，鑄鐵件的排氣歧管表面氧化處理工藝的探索則是來自于美國CUMMINS的要求。該客戶要求排氣歧管表面需進行表面氧化處理，表面氧化層厚度為0.015～0.025mm。

2.2 表面氧化處理原理

將鑄鐵件排氣歧管置于飽和蒸汽氣氛中加熱，使鑄鐵表面生成一層均勻、致密、厚約0.015～0.025mm的磁性Fe3O4薄膜的方法。其化學反應如下：

H2O [O] + H2 ↑

3Fe +4 [O] Fe3O4

氧化膜能提高鑄鐵的抗蝕能力、聯接部位的耐磨及密封能力--需聯接在一起的四缸排氣歧管和兩缸排氣歧管不再需傳統意義上的卡簧圈，使發動機排氣歧管在裝配時省時、省力，同時也節約了外購件采購、裝配成本。

2.3 表面氧化處理工藝

（1）將鑄鐵排氣歧管清洗干凈。

（2）將清洗干凈的排氣歧管裝在夾具內，在室溫下將裝有工件的夾具放入蒸汽氧化處理爐內。

（3）將爐溫儀表設置在300～420℃之間，打開電源開始升溫的同時打開氮氣閥門通入氮氣排除空氣中的氧氣，氮氣的通入速度為16～20m3/h。

（4）爐溫達到設定溫度后保溫1.5小時，在保溫的同時通入氮氣，通入氮氣速度為16～20 m3/h 。

（5）將爐溫儀表設置在630～690℃之間，在保持氮氣通入的同時繼續升溫，當溫度達到設定溫度時關閉氮氣，通入水蒸汽，水蒸汽的通入速度為5±1 m3/h 。

根據圖1所示。

在630～690℃溫度下，水蒸汽與鐵可發生下列三種反應：

3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2↑

Fe + H2O FeO + H2↑

3FeO + H2O Fe3O4 + H2↑

（6）將爐溫保持在設定的溫度2.5小時，在保溫的同時始終通入水蒸汽。水蒸汽通入速度5±1 m3/h ，并始終保證爐內蒸汽壓力為14.57～21.46KPa。 爐內壓力主要使爐內的蒸汽呈飽和狀態，促使氧化更為均勻。

（7）爐溫在630～690℃保持2.5小時后，關閉電源，當爐內溫度降至530～610℃，關閉水蒸汽，打開爐蓋，吊出工件。

完成蒸汽氧化處理的產品此時不得與不結凈的任何物質接觸，否則會形成黑斑，極大影響表面質量。

整個氧化處理過程溫度與時間曲線關系如下圖2所示。

2.4 表面氧化處理注意事項

（1）將爐溫儀表設置在300～420℃之間，打開電源開始升溫時，鑄鐵件存在的環境會有氧氣存在，故而會發生以下反應：

4Fe +3 O2 2Fe2O3

而Fe2O3對氧化處理來說是有害的，為避免以上反應，必須在升溫的同時打開氮氣閥門通入氮氣排除空氣中的氧氣。

（2）鑄鐵蒸汽氧化處理時，首先由水蒸汽與鐵接觸而分解出活性氧原子，活性氧原子再與鐵起作用生成Fe3O4核心。晶核長大后，便在零件表面上形成一層連續的Fe3O4氧化膜，其反應式為：

H2O [O] + H2 ↑

3Fe +4 [O] Fe3O4

（3）鑄鐵蒸汽氧化處理反應進行的方向，取決于溫度。當溫度低于600℃時，蒸汽氧化處理基本不進行。當溫度高于600℃時，在連續通水蒸汽的條件下，反應是向生成Fe3O4方向進行的。當溫度過高，超過700℃時，氧化膜開始破壞。

（4）鑄鐵蒸汽氧化處理反應，需控制水蒸汽的通入速度。水蒸汽的通入速度過大，勢必會帶走大量的溫度，這樣一來會增加能耗；同時，水蒸汽的通入速度過大，會也不利于Fe3O4的生成。

（5）鑄鐵蒸汽氧化處理反應進行的方向，決定于H2O、H2的相對含量。連續通蒸汽，水蒸汽的濃度永遠保持大于氫氣的濃度，因此反應永遠向生成Fe3O4方向進行。

3 表面氧化層厚度的檢測

酚醛熱鑲嵌法測定鑄鐵氧化層厚度。在試塊制作過程中，不能以普通的方式進行。經過大量的試驗證明，鑲嵌試塊在磨制過程中，須以一定的轉速、合適角度范圍內的力度、特殊配制的磨削液進行磨制。否則氧化膜易剝落。

氧化層厚度檢測結果在100倍顯微鏡下照片如下圖3所示：

4 氧化處理后加工面質量

氧化處理后加工面粗糙度評定則是氧化處理工藝成功與否的指標之一。

一般情況下，氧化處理后的平面的加工面粗糙度與氧化處理前無太大出入，但主要是鏜孔的部位則變化差別較大。我公司的需氧化處理的排氣歧管在氧化處理后，粗糙度指標卻不易保證。在氧化處理前是合格的，但在處理后檢測數據跳動大。后經原因排查，主要是加工的刀具原因造成的。我們將以往鏜孔常規用的2刃鏜刀改為4刃鏜刀，則將氧化處理后的內徑粗糙度有效地控制在圖紙要求范圍內。

5 結論

（1）溫度控制是蒸汽氧化處理關鍵。

（2）蒸汽通入速度對蒸汽氧化處理表面質量起主要作用。

（3）氧化處理時間是保證氧化處理厚度的決定性因素。

（4）氧化層檢測方法是評定蒸汽氧化處理質量是否穩定的關鍵。

參考文獻：

[1]寶成.熱處理工藝學（初級本）[M].科學普及出版權社，1983（01）.

[2]機械工業理化檢驗人員技術培訓和資格鑒定委員會編著.機械工業理化檢驗人員培訓教材（共三卷）[M].上海科學普及出版社.

作者簡介：李振河（1974-），男，大專，助理工程師。