非對稱缸體零件離子滲氮變形控制研究

崔孝炎

河南精誠汽車零部件有限有限公司 河南新鄉 450003

1 序言

眾所周知，滲氮能有效提高鋼鐵零件的表面硬度和耐疲勞性，并能在一定程度上改善其耐蝕性能。表面滲氮處理的另一個優勢是滲氮溫度較低（520～560℃），鋼鐵材料在滲氮過程中基體金屬不發生相變，與滲碳處理相比，表面滲氮之后的零件變形較小，可作為零件熱處理的最后一道工序[1]，零件滲氮之后，一般不再進行其他的機械加工，正是因為如此，缸體零件變形量的控制就成為離子滲氮工藝的重要環節。

目前，常用的滲氮處理主要有離子滲氮和氣體滲氮，其中離子滲氮具有能耗少、變形小、周期短、安全潔凈和適用鋼種廣泛等優點，常用于耐磨性能要求高且尺寸精度控制嚴格的軸、軸承和發動機缸體等零件[2，3]。由于離子滲氮的加熱方式是靠零件自身表面的等離子體輝光層來加熱的，在離子滲氮過程中，氮原子以很高的速度沖向陰極工作面，從而實現滲氮并使之發熱。因此，離子滲氮過程中不需要加熱原件，同時也造成了工作表面形狀是工作溫度分布的重要影響因素。零件的表面積越大越容易加熱，若有夾縫則更容易過熱。對于幾何形狀不同而質比懸殊的工件，溫度會有極大偏差，即使在同一工件上的不同部位，溫度也不均勻[4]。這就造成了離子滲氮溫度測量至今尚存的一道難題：即熱電偶溫度很難與工件實際溫度一致，其顯示值只可作為參考。

2 缸體滲氮工藝性分析

本研究中的缸體材質為40Cr鋼，缸體內壁離子滲氮后的滲層深度≥0.36mm，滲層硬度≥550HV，缸體零件如圖1所示。缸體單側焊接有固定翼，零件屬于非對稱的特殊結構，在進行離子滲氮時，除了由于焊接時殘余的焊接應力不對稱釋放外，在其缸體與側翼板之間形成的夾縫也極易造成電流密度較大，使這些位置溫度迅速升高，導致缸體加熱溫度不均勻，缸體工件筒體部分沿圓周方向形成非均勻熱應力分布，導致缸體內壁產生橢圓變形，無法達到相應的技術尺寸要求。前期滲氮結果顯示，對于有側翼的缸體零件若不采取相應的輔助措施，經離子滲氮后φ160mm孔的圓度變形超差幾乎達100%，從而造成缸體因變形而大批量報廢。

圖1 缸體結構示意

有側翼的非對稱缸體零件在沒有采用輔助措施的情況下，經過LDM-100脈沖式離子滲氮爐滲氮處理后缸體內壁尺寸變化如圖2所示，可以看出缸體內壁直徑變形量超過0.08mm，遠遠超出0.003mm的技術要求。分析原因筆者認為，一方面，由于缸體為非對稱結構，零件表面積分布不均勻，在靠近固定翼處表面積大、溫度高，而遠離固定翼處的表面積小、溫度低，在滲氮過程中形成了溫度梯度，從而使缸體壁產生了變形；另一方面，固定翼在焊接后所形成的殘余焊接應力也是致使缸體內壁產生變形的原因。

圖2 常規離子滲氮工藝缸體變形統計

3 缸體離子滲氮工藝優化措施

為改善缸體零件滲氮過程中的變形，就需要結合零件結構特點和離子滲氮的原理，對此缸體滲氮裝爐方式進行重新設計。由于離子滲氮的加熱特點，造成了爐內溫度的不均勻，在陰極盤的外側因工件靠近陽極爐殼（兼有冷卻水套），因此溫度偏低，而靠近陰極盤的中心部位又溫度偏高，因此裝爐擺放工件時就要內松外緊，使工件加熱時內外溫度盡量一致，改善后的裝爐方式如圖3所示，從而充分利用固定翼處夾縫溫度偏高的特點提高外側溫度，有效改善爐內整體溫度的均勻性，降低工件內外溫差。

圖3 帶側翼非對稱缸體優化后的裝爐方式

為了進一步提高爐內缸體的溫度均勻性，采取了在側翼板上放置支柱輔助工裝的方法，如圖4所示。支柱輔助工裝沿缸體邊緣按一定的規律擺放，可以進一步增加表面積，提高外側溫度，從而使缸體的筒體部分加熱更加均勻。

圖4 側翼板輔助工裝示意

工藝優化后缸體滲氮處理前后，缸體內壁兩垂直直徑（A和B）方向的直徑尺寸變化分布如圖5所示，從圖5可以看出，通過采用新的裝爐方式和側翼板輔助工裝的措施后，最大變形量僅為0.01mm，遠遠小于缸體內壁直徑波動0.03mm的要求，變形得到了很好的控制，所有零件均達到了技術要求。

圖5 優化裝爐方式后缸體離子滲氮變形分布

4 結束語

本文以帶有側翼的非對稱缸體為例，提供了一種改善缸體離子滲氮過程變形量控制的方法。對于非對稱缸體零件，結合離子滲氮爐內溫度不均勻的特點，通過采取適當的工件擺放方式，可有效解決離子滲氮爐內工件加熱溫度不均勻的問題。結合必要的輔助工裝，可彌補工件個別部位溫度偏低的問題，從而達到工件整體均勻加熱的目的，最大限度地減小工件變形，提高離子滲氮產品變形的合格率。