淺談幾種內(nèi)燃機氣缸套表面處理技術(shù)

曾惠敏 趙可永 左俊中

摘要：內(nèi)燃機氣缸套在惡劣的環(huán)境下工作容易磨損，為了提高氣缸套耐磨損、耐高溫、耐腐蝕等性能，以提高氣缸套的使用壽命，通常會對氣缸套進行表面強化處理。文章簡要介紹了等離子淬火、磷化、氣體氮化、復合陶瓷強化等幾種氣缸套表面處理技術(shù)。

關(guān)鍵詞：表面處理;淬火;磷化;氮化;陶瓷

0? 引言

氣缸套是內(nèi)燃機核心零件之一，其工作環(huán)境十分惡劣。氣缸套在高溫、高壓、交變載荷和腐蝕的環(huán)境中工作，內(nèi)表面很容易形成磨損。當氣缸套內(nèi)孔磨損到一定程度時，就會影響內(nèi)燃機的工作效率，增加能源的消耗和尾氣的排放，甚至會引起拉缸、早磨等嚴重后果。為了提高氣缸套的使用壽命，節(jié)能減排，增加氣缸套的經(jīng)濟性，可以通過對氣缸套進行表面強化處理，以提高其硬度、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等性能。氣缸套表面強化處理技術(shù)有很多，文章結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實際，簡要介紹了等離子淬火、磷化、氣體氮化、復合陶瓷強化等幾種氣缸套表面處理技術(shù)，其中等離子淬火和復合陶瓷強化是對氣缸套內(nèi)壁進行表面處理，磷化和氣體氮化是對氣缸套整體進行表面處理。

1? 等離子淬火處理

氣缸套內(nèi)表面淬火方式常見的有激光淬火和等離子淬火。由于激光淬火設(shè)備運行維護成本高，且在激光處理前多需要對氣缸套內(nèi)壁進行磷化處理以提高光的吸收率，易造成環(huán)境污染，使得激光淬火的應(yīng)用在氣缸套行業(yè)受到了一定的限制。

等離子淬火以氬氣作為保護氣體，能量密度極高的等離子束熱源以較大的沖擊速度加熱氣缸套內(nèi)表面，使內(nèi)表面迅速升溫達到相變成奧氏體的溫度。等離子束移去后，熱量由表及里迅速傳導，快速冷卻后的氣缸套內(nèi)壁表層金相組織便由奧氏體轉(zhuǎn)變成萊氏體及隱針馬氏體硬化組織，從而很大提高了氣缸套內(nèi)表面硬度和耐磨性。

等離子淬火通過程序控制，可在氣缸套內(nèi)表面形成連續(xù)的螺旋形、波浪形或網(wǎng)格形淬火軌跡。經(jīng)等離子淬火后的氣缸套內(nèi)孔，可形成硬化帶寬度≥2mm、深度≥50μm、硬度≥500HV的硬化軌跡，提高了氣缸套內(nèi)表面的硬度和耐磨性，同時也提高了氣缸套的使用壽命。

采用等離子淬火處理，等離子弧不易控制，且噴嘴易燒壞。但是等離子淬火依靠氣缸套自身熱傳導而迅速冷卻的“自冷卻”方式，無需任何冷卻介質(zhì)。等離子淬火設(shè)備簡單易維護，運行成本低，工作效率高，對環(huán)境無污染。因此，等離子淬火方式較多地應(yīng)用于氣缸套內(nèi)表面的淬火處理。

2? 磷化處理

將零件置于含有磷酸鹽的溶液中，在零件表面形成一層難溶于水的磷酸鹽保護膜的過程稱為磷化。磷化用途不同，選用的磷化液也不同，有鋅系磷化、鋅鈣系磷化、鐵系磷化、錳系磷化和復合磷化等幾種。常見的磷化處理有冷磷化、中溫磷化和高溫磷化三種。冷磷化是在室溫下進行，中溫磷化是在50-70℃的溫度下進行，而高溫磷化則是在90-98℃的溫度下進行。零件表面的磷化膜厚度可達1-50μm，呈多孔結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出吸附、耐腐蝕、減少摩擦等特性。

鑄鐵氣缸套的磷化處理通常在錳系磷酸鹽中進行，磷化溫度70℃左右。磷化處理大致的工藝流程為：去油污→清洗→表面調(diào)整→磷化處理→清洗→晾干→浸油。經(jīng)磷化處理后的氣缸套，表面磷化層厚度一般≤10μm，外觀色澤呈灰或者暗灰色。磷化膜與金屬基體結(jié)合較好，具有良好的耐蝕性，膜層具有多孔性，可吸附大量潤滑油而減少摩擦，膜層還具有不粘附熔融金屬的特性。實踐證明，氣缸套磷化處理能有效改善內(nèi)燃機初期的磨合性能，有效預防粘附磨損的產(chǎn)生。因此，氣缸套磷化處理在國內(nèi)外有著廣泛的應(yīng)用。但是磷化膜本身硬度、強度較低，不耐酸、堿、氨、海水及水蒸氣等。此外，磷化廢液處理不當易對環(huán)境造成較大的污染。

3? 氣體氮化處理

氮化處理是指在一定的溫度和一定的介質(zhì)中，使活性氮原子滲入工件表層的一種化學熱處理工藝。其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性及耐高溫性。目前應(yīng)用較多的氮化處理方式有：氣體氮化、液體氮化和離子氮化。其中，氣體氮化的方法因具有環(huán)保和成本的優(yōu)勢，被較多地運用于鑄鐵氣缸套的氮化處理。

氣缸套氣體氮化以氨氣（NH3）作為滲氮介質(zhì)，將氣缸套放置于滲氮爐內(nèi)，爐內(nèi)通以流動的氨氣，以不大于100℃/H的速度升溫到520-590℃，然后保溫4-8小時，再以不大于50℃/H的速度隨爐冷卻至200℃以下，氣缸套出爐。在滲氮爐內(nèi)，通入的氨氣熱分解出活性氮原子：2NH3→3H2+2[N]。活性氮原子被氣缸套表面吸收并融入表面，在保溫的過程中向里擴散，形成滲氮層，改變了氣缸套表層的化學成分和組織，從而使得氣缸套表面具有了較高的硬度、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫和耐疲勞等性能。經(jīng)氣體氮化處理后的氣缸套表面可獲得氮化層深度≥0.1mm，表面硬度≥450HV。

氣體氮化的方式采用的溫度相對較低，常用550-570℃，氣缸套變形很小，可獲得較深的滲氮層和較高的表面硬度。但是氣體氮化周期很長，氨氣用量也很高，氮化后氣缸套內(nèi)孔需要再研磨，可能會導致內(nèi)孔表面存在剝落現(xiàn)象。

4? 復合陶瓷強化處理

氣缸套內(nèi)表面進行復合陶瓷強化處理（滲陶處理），主要采用低溫等離子體表面處理技術(shù)，在真空滲陶爐內(nèi)將高純度氮氣、硼烷、硅烷進行離子化，通過化學氣相沉積法，在氣缸套內(nèi)表面形成Si-B-N復合陶瓷合金層。復合陶瓷合金層質(zhì)量高，與氣缸套基體材料的結(jié)合力強，不易脫落且具有自潤滑性，可以提高氣缸套內(nèi)表面硬度、耐磨性、耐腐蝕性和導熱性，并降低其表面摩擦系數(shù)，改善氣缸套內(nèi)表面潤滑性能，延長氣缸套的使用壽命。

氣缸套進行滲陶處理的主要工藝流程為：對氣缸套進行清洗→將氣缸套放入滲陶爐中抽真空并進行預熱→通入氮氣，打開高壓開關(guān)，陽極電壓起輝光濺射→通反應(yīng)氣體硅烷、硼烷并調(diào)整氣壓和陽極電壓→保持溫度、電流、氣壓至要求，對氣缸套內(nèi)表面進行穩(wěn)定強化處理→強化處理結(jié)束，關(guān)閉反應(yīng)氣體，并進行一定時間的保溫→氣缸套冷卻后，打開真空室取出氣缸套。

滲陶處理后的氣缸套試樣經(jīng)國內(nèi)某新材料研究所檢測，氣缸套內(nèi)表面陶瓷合金滲層達20.5μm，合金層硬度

≥350HV，內(nèi)表面平均摩擦系數(shù)降低約8%。公司某190系列滲陶氣缸套經(jīng)用戶使用后反饋，機油耗約下降18%，燃油耗約下降12%。滲陶處理采用150℃左右的低溫環(huán)境，不會使氣缸套發(fā)生變形，陶瓷材料與金屬基體間相互擴散，不會影響氣缸套內(nèi)表面網(wǎng)紋的結(jié)構(gòu)。因此，滲陶處理是一種比較理想的氣缸套內(nèi)表面強化處理方式。

5? 結(jié)束語

上述幾種氣缸套表面處理技術(shù)有各自的特點，也有各自的應(yīng)用領(lǐng)域。總體而言，對氣缸套內(nèi)表面進行復合陶瓷強化處理，在國內(nèi)來講是一項相對較新的技術(shù)應(yīng)用。經(jīng)復合陶瓷強化處理的氣缸套，具有耐腐蝕、耐高溫、耐磨損、高硬度、自潤滑等特點，降低了機、燃油消耗，減少了尾氣排放，提高了內(nèi)燃機的使用壽命。展望未來，復合陶瓷強化技術(shù)有著廣闊的市場前景，將會廣泛應(yīng)用于氣缸套領(lǐng)域及其他領(lǐng)域零件的表面強化處理。

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