曲軸氣體軟氮化冷卻介質(zhì)的改進(jìn)

周陸飛

（無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無(wú)錫 214121）

0 引言

曲軸是柴油機(jī)上最關(guān)鍵的零部件之一，其質(zhì)量的好壞直接影響到柴油機(jī)的使用性能及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。目前，柴油機(jī)曲軸的材料一般選用40CrMoA、40Cr等中碳合金鋼和球墨鑄鐵，其中常用的球墨鑄鐵牌號(hào)為QT800－2珠光體球鐵。實(shí)踐表明，經(jīng)軟氮化后能顯著提高零件的疲勞強(qiáng)度［1］，加入少量氧的軟氮化處理的零件比一般氣體軟氮化具有更高的表面硬度，化合物層厚度顯著增加，耐磨性能和疲勞性能均較好［2］。其加工工藝是：鑄造→機(jī)加工→正火→回火→軟氮化。曲軸的技術(shù)要求（企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）是：氮化層硬度不小于550 HV1，氮化層深度不小于0.10mm，曲軸跳動(dòng)量不大于0.04mm。柴油機(jī)曲軸氣體軟氮化冷卻介質(zhì)以前多采用46#機(jī)油，生產(chǎn)的曲軸質(zhì)量較穩(wěn)定，但由于機(jī)油在生產(chǎn)中產(chǎn)生的油煙污染空氣，不利于環(huán)保和操作工人的健康，同時(shí)機(jī)油容易著火不利于安全生產(chǎn)，容易老化提高了生產(chǎn)成本。隨著企業(yè)全面貫徹ISO／TS14001 和ISO／TS28001質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系及環(huán)保和現(xiàn)場(chǎng)管理要求的不斷提升，46#機(jī)油已無(wú)法滿足要求，有必要研究新的軟氮化冷卻介質(zhì)來(lái)代替機(jī)油。

作者調(diào)查了目前市場(chǎng)上量大面廣的幾種冷卻介質(zhì)，根據(jù)多方面的因素綜合考慮，擬采用某廠生產(chǎn)的環(huán)保性PAG 水溶性淬火介質(zhì)ZY747來(lái)替代46#機(jī)油作為曲軸氣體軟氮化冷卻介質(zhì)，對(duì)其可行性進(jìn)行了研究和分析。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試樣選用的是4 缸柴油機(jī)（CA4DL－19E4）曲軸，材料為QT800－2，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

柴油機(jī)曲軸軟氮化前的預(yù)處理工藝是正火，正火溫度是（920±10）℃，保溫時(shí)間為3h。軟氮化的設(shè)備是SL80－168型井式氣體軟氮化爐，冷卻設(shè)備是鑄鏈淬火爐冷卻池。加熱溫度為（550±10）℃，裝爐時(shí)升溫排氣1h（排氣僅通CO2）后，保溫3.5h；軟氮化用氨氣選用的是灌裝氣，純度為99.9%，通入量為（2 200±200）L·h－1；CO2通入量為5～6L·min－1；爐壓300～700Pa；冷卻介質(zhì)為ZY747水基淬火介質(zhì)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%，根據(jù)需要，可調(diào)配出不同濃度的介質(zhì)。

表1 QT800－2球鐵化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of QT800－2ductile iron（mass） %

曲軸軟氮化后先取出，在空氣中預(yù)冷不同時(shí)間后（5，8，10min），再放入淬火介質(zhì)中，淬火介質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別采用10%，11%，12%，13%，其他工藝參數(shù)不變。另外，以46#機(jī)油作為曲軸氣體軟氮化冷卻介質(zhì)，做對(duì)比試驗(yàn)。每種條件取5個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

以曲軸第一檔主軸頸及小頭軸頸為基準(zhǔn)，采用鐘式百分表測(cè)量中間檔主軸頸的最大跳動(dòng)量；采用MH－6型顯微硬度計(jì)檢測(cè)氮化層的硬度，載荷為100N，載荷保持時(shí)間為5～10s；在PCD－1型疲勞試驗(yàn)機(jī)上測(cè)曲軸疲勞壽命，彎矩為2 000N·m，電流為0.6A，頻率為66.2Hz；在4XC型光學(xué)顯微鏡上觀察隨爐試樣橫截面上的顯微組織，采用的腐蝕劑是亞硒酸溶液（亞硒酸5g，鹽酸10 mL，乙醇100mL）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 跳動(dòng)量

從表2中可以看出，預(yù)冷時(shí)間不同，曲軸冷卻后的跳動(dòng)量也不同，當(dāng)預(yù)冷時(shí)間為10min時(shí)，曲軸跳動(dòng)量全部滿足技術(shù)質(zhì)量要求。

從表3中可以看出，當(dāng)ZY747水基淬火介質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于12%，冷卻速率小于52 ℃·s－1時(shí)，曲軸的跳動(dòng)量均能滿足技術(shù)質(zhì)量要求。就ZY747水基淬火介質(zhì)而言，使用的濃度越高，單位消耗值就越大，使用成本就越高。

綜合跳動(dòng)量考慮，選擇預(yù)冷時(shí)間為10 min，淬火介質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于13%。

2.2 疲勞壽命

從表4可以看出，曲軸氣體軟氮化的冷卻介質(zhì)對(duì)其疲勞性能的影響甚微。

2.3 顯微組織

由圖1可以看出，曲軸氮化層的最表面是ε相，接著 是 由ε－Fe3N、Fe3C 構(gòu) 成 的 化 合 物 層（白 亮層）［3］。通過(guò)顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)，采用46#機(jī)油和采用ZY747水基淬火介質(zhì)進(jìn)行軟氮化冷卻后獲得的基體組織和氮化層組織基本相同，但采用ZY747水基淬火介質(zhì)的氮化層組織中有明顯的白亮層（見(jiàn)圖1）。

2.4 氮化層硬度和脆性

分別從采用46#機(jī)油和采用ZY747水基淬火介質(zhì)作為冷卻介質(zhì)得到曲軸上進(jìn)行取樣進(jìn)行氮化層硬度與脆性檢測(cè)，硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。兩個(gè)試樣的硬度壓痕形貌見(jiàn)圖2和圖3，可知壓痕上均無(wú)碎裂現(xiàn)象，根據(jù)GB／T 11354－1989《鋼鐵零件滲氮層深度測(cè)定和金相組織檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，兩個(gè)試樣的脆性等級(jí)均為1級(jí)。

由表5及圖1和圖2可見(jiàn)，采用46#機(jī)油和采用ZY747水基淬火介質(zhì)進(jìn)行曲軸氣體軟氮化冷卻所獲得的氮化層組織硬度和脆性基本相同，均滿足技術(shù)要求，也進(jìn)一步驗(yàn)證了氮化層組織特性與冷卻介質(zhì)關(guān)系不大。

表2 預(yù)冷時(shí)間對(duì)曲軸跳動(dòng)量的影響（冷卻速率為48 ℃·s－1，14%ZY747冷卻介質(zhì)）Tab.2 Influence of pre－cooling time on the beat amount of the crankshaft（cooling rate 48 ℃·s－1，14wt.%ZY747cooling medium）

表3 水基淬火介質(zhì)濃度對(duì)跳動(dòng)量的影響Tab.3 water－based quenching medium concentration on beating the influence of the amount

表4 曲軸疲勞試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Fatigue test results of crankshaft

圖1 曲軸氮化層顯微組織Fig.1 Microstrucuture of nitride layer on crankshaft

表5 不同氮化層硬度與脆性等級(jí)Tab.5 Hardness and brittleness grade of different nitrided layer

2.5 生產(chǎn)成本

據(jù)統(tǒng)計(jì)，曲軸氣體軟氮化采用46#機(jī)油進(jìn)行冷卻時(shí)，消耗量為2.20kg·t－1；采用ZY747水基淬火介質(zhì)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%）進(jìn)行冷卻時(shí)，消耗量為0.95kg·t－1。按目前46#機(jī)油8 980元／t，ZY747水基淬火介質(zhì)19 400元／t的采購(gòu)價(jià)計(jì)算，采用46#機(jī)油的消耗成本為19.76元／t；采用ZY747水基淬火介質(zhì)進(jìn)行冷卻時(shí)，消耗成本為18.43 元／t。由此可見(jiàn)，采用這兩種冷卻介質(zhì)進(jìn)行曲軸氣體軟氮化冷卻的生產(chǎn)成本基本持平。如將ZY747水基淬火介質(zhì)濃度適當(dāng)降低，生產(chǎn)成本會(huì)有所下降。

3 結(jié)論

采用ZY747水基淬火介質(zhì)替代46#機(jī)油作為曲軸氣體軟氮化冷卻介質(zhì)的工藝改進(jìn)是可行的，既確保了產(chǎn)品質(zhì)量，又解決了長(zhǎng)期以來(lái)困擾氣體軟氮化的環(huán)保問(wèn)題、安全問(wèn)題，可產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

［1］史美堂.金屬材料及熱處理［M］.上海.上海科學(xué)技術(shù)出版社，1979：154.

［2］王國(guó)佐，王萬(wàn)智.鋼的化學(xué)熱處理［M］.北京.中國(guó)鐵道出版社，1980：121.

［3］上海市機(jī)械制造工藝研究所.金相分析技術(shù)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1987：520－521.