液相等離子體電解滲氮技術提升活塞環表面硬度的研究

趙鴻岳

摘要：探索放電電壓對經液相等離子體電解滲氮（Plasma electrolytic nitriding，PEN）技術對處理過的活塞環改性層硬度和摩擦學性能的影響，測定經不同放電電壓處理的PEN活塞環滲層微觀硬度。研究表明：通過提高處理電壓可以獲得更好的處理效果，但是工作電壓過高易導致活塞環表面粗糙度過大，使摩擦副的磨損率升高;工作電壓過低會造成摩擦副的磨損率因PEN活塞環改性層的表面硬度降低而升高。因此，只有選擇最佳的處理電壓才能獲得較好的處理效果。

關鍵詞：活塞環;等離子體;電解滲氮;表面硬度

1? 概述

活塞環作為內燃機的關鍵部件之一，根據其工作條件和環境，以及在內燃機中所發揮的作用來看，要求活塞環零件的強度較高，目前活塞環的主要制作材料以鋼鐵為主，易銹蝕和磨損是其最大的缺點，為此，除采用和研發更高性能的鋼鐵材料以外，且由于腐蝕與磨損均始于活塞環工作表面，一般使用表面改性技術來增強其耐磨、耐腐蝕性[1]，從而提升內燃機高強度工作環境下活塞環的性能。

液相等離子體電解滲氮（Plasma electrolytic nitriding， PEN）是一種新型鋼鐵表面氮化技術，該技術是通過將待處理工件置于特定的含氮電解液中，以待處理工件為陰極、惰性電極材料為陽極，施加直流脈沖電壓于兩極之間，在溶液與待處理活塞環接觸界面形成弧光放電，使溶液電離，從而產生含氮離子的等離子體。這些等離子體再與工件表層的原子發生化合反應并向工件內部擴散，從而實現滲氮。該過程中，整體工件受熱輕微，并可以在完成滲氮處理后直接淬火，在幾分鐘時間內便可得到高硬度、耐磨、耐腐蝕的滲層[2]。液相等離子體電解滲氮技術較傳統滲氮技術來說，具有環境適應性好、處理速度快、生產效率高、成本低和節能環保等特點，是一項集節能與環保于一體的金屬表面處理技術[3]。但目前而言，該技術仍處于試驗研究階段，在處理形狀較復雜或表面積較大的工件時，會出現局部過熱、放電不均以及滲層分布不均等問題[4]。由于活塞環形狀特殊且所能承受的熱處理變形量極小，因此，還需要探尋合適的處理參數和電解液組合方式，使該技術能夠更好應用于活塞環表面處理。本文在甲酰胺-氯化銨體系電解液中對活塞環進行了PEN處理，探究了不同工作電壓對PEN改性層的硬度和摩擦學性能的影響，為將PEN技術成功應用于活塞環表面氮化處理提供參考。

2? 實驗部分

2.1 實驗裝置

圖1所示為自制的10kW液相等離子體電解滲氮裝置示意圖。該裝置主要包括直流脈沖電源、攪拌器、液相放電系統和冷卻水循環系統。在對活塞環進行PEN處理時，以活塞環作陰極，不銹鋼電極作陽極。

表1 為PEN處理時采用的NHWYM1000-10型直流脈沖電源的主要技術參數。該電源由濟南能華機電設備有限公司生產。

2.2 電解液的制備

一般情況下，液相等離子體電解滲氮處理的有機電解液體系是由滲劑、導電鹽、蒸餾水或去離子水按一定比例配制而成。其中，滲劑和導電鹽的性質對PEN的效果影響較大，為獲取比較好的處理結果，本實驗的滲劑及導電鹽需進行比較確定。

2.2.1 滲劑的選擇

PEN處理常用的滲劑主要有尿素、甲酰胺和乙醇胺。本研究選用甲酰胺做滲劑。尿素在PEN過程中分解產生參與反應的氨氣很少，導致形成的滲層較薄。乙醇胺粘度較大，流動性差，工作過程中易產生濃煙和泡沫。甲酰胺較另兩種滲劑而言，流動性好，含氮量高，不會像尿素容易出現低溫分解，且弧光放電時活塞環表面溫度與其受熱分解的最佳溫度范圍重合度高，可以為活塞環表面PEN反應快速、充分、持久地提供滲入所需的活性氮原子。

2.2.2 導電鹽的選擇

本研究選用NH4Cl做導電鹽，與KCl相比，NH4Cl使PEN過程達到弧光放電狀態的時間更短，這是因為氯化銨在高溫下極易分解并釋放出大量氨氣，加快活塞環表面氣泡膜的生成速率，使其更快達到可被擊穿的狀態。此外，氯化銨分解生成的氨氣在被電離后可提高膜層內活性氮離子的濃度，有助于增強滲入氮勢。因此本研究中選用NH4Cl作導電鹽。

2.2.3 電解液配置方案的選擇

為使電解液組分滿足活塞環表面PEN處理條件且與NHWYM1000-10型高頻脈沖開關電源的功率相匹配，本試驗根據80%甲酰胺+20%NH4Cl溶液，NH4Cl濃度10wt.%制備電解液。該電解液對應的PEN改性層中，擴散層厚度較大且分布均勻，化合物層質地致密且厚度適中，是PEN改性層較理想的形態。

2.3 試驗方案

由于在PEN處理過程中的最佳工作電壓范圍為220～300V，從中選取230V、260V和290V三組工作電壓，按上述方案配置電解液，并在占空比為40%，頻率為1000Hz，處理時間10min的條件下對活塞環進行PEN處理。

2.4 PEN活塞環制備工藝流程

PEN活塞環的具體制備流程為：打磨→自來水沖洗→酒精清洗→烘干→PEN處理→自來水沖洗→酒精清洗→烘干。

2.5 分析測試方法

活塞環表面PEN改性層硬度使用KB30S-FA型全自動顯微維氏硬度測量系統測量。硬度儀的加載載荷為50gf，保荷時間為10s。

PEN活塞環的摩擦學性能測試在CETR UMT-3型多功能摩擦學試驗機上進行。與PEN活塞環對摩的缸套試樣的粗糙度約0.8μm，試驗溫度參考柴油機活塞環的實際工作溫度范圍確定為200℃，載荷為100N，試驗沖程為8mm，滑動頻率為30Hz，試驗時間為60min。潤滑油型號為CD5W-30。

3? 結果與分析

3.1 PEN改性層硬度分布

圖2為不同工作電壓對應的PEN改性層硬度分布。如圖2所示，工作電壓越高，改性層的最大硬度越大。本實驗中，選取以工作電壓為260V為例，在接近活塞環表面的化合物層區域內，由外及內，硬度呈上漲趨勢，并在距表面25μm左右達到最高值，約865HV;之后，隨著改性層深度的增加，硬度呈下降趨勢，并在約45μm處，硬度接近基體，約320HV。可見，活塞環表面PEN改性層的硬度能達到基體硬度的3-4倍，而表面硬度越高，活塞環的抗磨損性能越強。

3.2 PEN改性層摩擦學性能

PEN處理前活塞環的表面粗糙度Ra為0.075μm。

未經PEN處理的活塞環在濕摩擦狀態下的摩擦系數以及在工作電壓為230V、260V和290V條件下處理得到的PEN活塞環的摩擦系數如表2所示。

可見，摩擦系數隨工作電壓升高而增加。這是因為工作電壓提高引起的弧光放電強烈，導致表面粗糙度增加，進而導致PEN活塞環和缸套摩擦副的摩擦系數增大。

未經PEN處理的活塞環與缸套摩擦副的磨損率以及在工作電壓為230V、260V和290V條件下處理得到的PEN活塞環和缸套摩擦副的磨損率如表3所示。

可見，在工作電壓為230V和260V條件下處理得到的PEN活塞環摩擦副的磨損率均降低，但在工作電壓為290V條件下處理得到的PEN活塞環摩擦副的磨損率升高。這是因為工作電壓過高易導致活塞環表面粗糙度過大，使摩擦副的磨損率升高;但工作電壓過低同樣會造成摩擦副的磨損率升高，因為工作電壓過低，PEN活塞環改性層的表面硬度降低。

因此，活塞環表面PEN處理存在最佳的工作電壓值。

4? 結語

近年來，鋼鐵表面液相PEN處理技術得到不斷的嘗試與應用，已有研究成果表明，PEN處理可以提高鋼鐵材料的表面硬度、耐磨性疲勞強度及抗腐蝕性等多種性能。而本文將PEN技術應用于活塞環，通過探索工作電壓對PEN活塞環改性層硬度及摩擦學性能的影響，測定經不同工作電壓處理的PEN活塞環滲層微觀硬度，可以看出活塞環試樣經PEN處理后隨著工作電壓升高，其摩擦系數會因表面粗糙度增加而上升，但表面硬度以及儲油能力的提高能夠有效抑制因摩擦系數增加導致的磨損率升高。對于特定組分的電解液，活塞環表面PEN處理的工作電壓存在最佳值，因此，只有選擇最佳的處理電壓才能獲得較好的處理效果。

參考文獻：

[1]葛中民，侯虞鏗，溫詩鑄.耐磨損設計[M].機械工業出版社，1995：1-2.

[2]李杰.液相等離子體電解碳氮共滲技術研究[D].燕山大學，2006.

[3]Bell T， Sun Y， and Suhadi A. Environmental and technical aspects of plasma nitrocarburising[J].vacuum，2000，59（1）：14-23.

[4]喬寶蓉.液相等離子體電解處理中的溫度計算[D].南京：南京理工大學，2015.