淺談氣缸套的氣體軟氮化工藝處理

鄭永晴

（江蘇省洪澤縣華晨機(jī)械有限公司）

為了提高氣缸套制造的經(jīng)濟(jì)性和工藝性，使缸套內(nèi)表面獲得耐熱、耐磨和耐腐蝕的性能，國內(nèi)外缸套設(shè)計(jì)者與制造商們常用的方法是對缸套內(nèi)表面通過熱處理或化學(xué)熱處理進(jìn)行強(qiáng)化，包括：鹽浴氮化、氣體氮化、離子氮化等手段都是提高缸套工作面耐磨性的一些有效方法。其中有著環(huán)保與成本優(yōu)勢的氣體氮化工藝較其他強(qiáng)化方法被更多的運(yùn)用。

氣體氮化又分軟氮化、硬氮化，軟氮化：學(xué)名“碳氮共滲”，氮化層硬而具有一定的韌性，滲入鋼／鐵表面的元素以氮為主，同時(shí)添加了碳。碳的加入使表面化合物層 （白亮層）的形成和性能得到明顯的改善。氮碳共滲的著眼點(diǎn)是希望獲得一定厚度 （一般為10～20μm，也有要求20μm以上的）硬度高、脆性小、沒有或很少疏松等性能優(yōu)良的白亮層，

相對于軟氮化，硬氮化則是單純的 “滲氮”，也有人稱為常規(guī)氮化。滲入鋼／鐵表面的是單一的氮元素，采用氨氣 （NH3）作滲氮介質(zhì)，滲氮的著眼點(diǎn)是希望獲得較深厚度 （0．1～0．65mm，也有要求更深一些的）具有高硬度的呈彌散狀的合金氮化物層 （即擴(kuò)散層），對于出現(xiàn)外表層的化合物層（白亮層）則希望盡可能的淺簿，甚至希望沒有。

根據(jù)軟氮化與硬氮化的特點(diǎn)，結(jié)合我公司生產(chǎn)的氣缸套產(chǎn)品的客戶對于表面化合物層 （即白亮層）的要求，表面化合物層深度：3－15μm，表面硬度：≥450HV，我們選擇了氣體軟氮化的工藝處理方式。

2 缺陷分析

我公司接到國外客戶的訂單，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，常常由于氮化后缸套內(nèi)表面粗糙度超差，導(dǎo)致產(chǎn)品不合格 （見下表），通過對內(nèi)孔進(jìn)行仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)：缸套內(nèi)表面有剝落現(xiàn)象，目測明顯，有手感，見圖1，但進(jìn)行著色探傷沒發(fā)現(xiàn)有孔穴，因此判斷不是鑄造缺陷，而是淺表層的斑駁現(xiàn)象，正是由于表面斑駁的存在，導(dǎo)致表面粗糙度超差，產(chǎn)品不合格，嚴(yán)重時(shí)報(bào)廢率達(dá)到50%以上，嚴(yán)重影響交貨期，為此公司技術(shù)人員采取魚刺圖方式，分析缺陷發(fā)生原因，見圖2。

圖1

圖2

圖3 ×400

首先分析一下現(xiàn)有的氮化工藝：以不大于100℃／H的速度升溫到560－600℃，保溫10－12小時(shí)，以不大于50℃／H的速度隨爐冷卻至200℃以下，出爐。

該工藝可以保證客戶提出的氮化后表面化合物層深度及氮化表面硬度的要求，但由于氮化溫度高、保溫時(shí)間長，造成產(chǎn)品變形嚴(yán)重，缸套內(nèi)表面石墨脫落較多，表面粗糙度超差，產(chǎn)品不合格；為此，需要對該工藝進(jìn)行改進(jìn)。

產(chǎn)生表面剝落的另一個原因：氮化前、后內(nèi)表面需要進(jìn)行珩磨加工，以實(shí)現(xiàn)表面粗糙度要求，如果磨削壓力過大，金剛石砂條強(qiáng)烈的撕拉內(nèi)表面，導(dǎo)致石墨脫落，也形成表面剝落。

根據(jù)魚刺圖分析，造成氮化表面剝落的主要原因，分別是：1、法：氮化工藝不合理、珩磨工藝不合理；2、料：缸套金相組織石墨粗大、氮化前內(nèi)表面存在石墨脫落現(xiàn)象、內(nèi)孔余量大。因此解決表面剝落的重點(diǎn)應(yīng)該放在氮化工藝、氮化前、后的珩磨控制以及鑄造時(shí)金相組織的細(xì)化上。

表1 ：內(nèi)表面粗糙度 氮化前

內(nèi)表面粗糙度 氮化后要求：Rz：2－8μm

產(chǎn)品編號 氮化后 （粗糙度儀：T1000）Ra Rz Rmax 1．825 11．57 16．07 1．828 13．29 18．27 1．856 13．02 17．27 1．387 9．14 10．26 1．664 11．24 12．73平均値 1．712 11．65 14．92 3

3 工藝試驗(yàn)

針對魚刺圖分析的原因，我們主要在以下方面作了調(diào)整：

3．1 氮化溫度與氮化時(shí)間的調(diào)整

氮化時(shí)間與氮化溫度直接影響著氮化層的深度與硬度，但也并非成正比，F(xiàn)e－N系的共析溫度為590℃，F(xiàn)e－C－N的共析溫度為560℃，當(dāng)接近此溫度時(shí)，α－Fe對氮具有最大的固溶量，所以氮化的適宜溫度為560－570℃左右，試驗(yàn)證明：520－570℃范圍內(nèi)，表面硬度相差不大，但低于520℃，硬度會明顯下降，因此原工藝中保溫溫度設(shè)定為570－590℃，顯得多余了，同時(shí)試驗(yàn)不同的保溫時(shí)間，氮化層深度隨時(shí)間延長而增加，但開始時(shí)增加較慢，時(shí)間短，氮化層淺，表面硬度提高不高，同時(shí)缸套為鑄件，含碳、硅量高，阻礙氮原子的滲入及擴(kuò)散，因此必須適當(dāng)延長氮化時(shí)間，經(jīng)過試驗(yàn)，4－6小時(shí)即可，超過6小時(shí)，氮化層的深度增加量變少，因此我們?nèi)?小時(shí)為宜。

3．2 氮化前后珩磨工藝的控制

首先氮化前珩磨余量必須控制好，最好在0．05－0．08mm為宜，壓力≤20kg，壓力過大，磨削時(shí)間長，效率低，過小不足以修正內(nèi)孔；氮化后由于表面比較硬，拋光余量更要小，只要夠修圓即可，切不可加大余量，因此要控制氮化前的內(nèi)孔尺寸，以保證氮化后的珩磨拋光很小的余量。還可以選用較軟的砂條，選用較小的珩磨壓力，以避免氮化表面出現(xiàn)的石墨脫落現(xiàn)象。

氮化后的拋光余量若大會降低缸套有效的氮化化合物層深度，因此必須有效控制氮化前內(nèi)孔尺寸，來控制氮化后的拋光余量，避免氮化后內(nèi)孔縮小，為實(shí)現(xiàn)缸套內(nèi)孔圖紙尺寸，而加大珩磨余量，使氮化層被磨去，即不經(jīng)濟(jì)，也容易出現(xiàn)內(nèi)孔氮化脫落。

3．3 控制氮化變形

缸套變形大，嚴(yán)重時(shí)內(nèi)孔圓柱度達(dá)0．06mm，超出圖紙要求，即使氮化后再對內(nèi)孔進(jìn)行珩磨拋光，也無法糾正圓柱度偏差。主要原因是機(jī)加工應(yīng)力太大，沒有得到釋放，或者是回火工藝有偏差，沒有實(shí)現(xiàn)消除應(yīng)力的作用，我們對比回火與沒有回火的缸套氮化試驗(yàn)，回火的缸套氮化后較沒有回火的缸套變形要小許多。因此對于需要氮化處理的缸套一定要在粗加工后進(jìn)行去應(yīng)力退火，對于個別內(nèi)孔圓柱度要求高的品種，甚至需要進(jìn)行二次回火，以減少產(chǎn)品變形，滿足產(chǎn)品圓柱度的要求。另外造成產(chǎn)品氮化變形的因素還有：爐內(nèi)溫度均勻性、氨氣流通不暢以及裝爐不當(dāng)?shù)确矫妗?/p>

表3 ：表面硬度 （HV）分布硬度計(jì)：數(shù)顯維氏硬度計(jì)

3．4 鑄件的金相組織

氮化處理的過程是對缸套表面進(jìn)行腐蝕的過程，是碳、氮原子被工件表面吸收，并向金屬內(nèi)部擴(kuò)散的過程，缸套本身鑄件碳硅當(dāng)量較高時(shí)，表現(xiàn)在石墨粗大，與基體的結(jié)合不是很牢固，影響產(chǎn)品力學(xué)性能，因此在氮化過程中表面的石墨會脫落，在缸套表面形成一個個小小的凹坑，嚴(yán)重時(shí)有明顯的手感，因此對于鑄件本身而言，我們通過調(diào)整碳硅當(dāng)量來改善石墨形態(tài)，控制石墨脫落。

4 試驗(yàn)結(jié)果

通過新工藝的實(shí)行，氮化時(shí)間較原工藝縮短1／4，氮化變形也得到了很好的控制，表面脫落現(xiàn)象得到了有效的控制，表面粗糙度滿足了客戶的要求 （見表2），產(chǎn)品合格率大大提升。產(chǎn)品的性能完全符合甚至超出了客戶的要求，客戶對表面硬度的要求只有450HV，而我公司產(chǎn)品硬度在距表面0．06mm仍然可以實(shí)現(xiàn)客戶450HV的要求，整個產(chǎn)品硬度由表及里穩(wěn)步遞減，見表3，工藝的改善扭轉(zhuǎn)了交付不及時(shí)的現(xiàn)象，同時(shí)也為公司節(jié)約了大量的制造成本。

表2 ：氮化后表面粗糙度 （要求Rz：2－8μm）粗糙度儀：T1000