等離子體氮化技術在曲軸生產中的應用
F-DIESEL工程機械動力部件 2016/6/22 14:53:38
為進步曲軸的疲憊強度，很多工廠采用了等離子體氮化技術，其中采用這項技術以山東曲軸總廠、大連柴油機廠、東風團體朝陽柴油機公司等為典型代表。僅山東曲軸總廠就擁有LD－150A型等離子體氮化設備二十多臺，而朝陽柴油機公司以采用了LDMC－150A型國內最先進、功率最大、裝爐量最多的大型脈沖電源等離子體氮化設備而著名。下面僅根據在上述廠家所作的曲軸離子氮化工藝試驗談談我們的體會，供各位專家和同行們參考。
一、曲軸離子軟氮化工藝參數的理論范圍
就曲軸等離子體氮化技術而言，大多數廠家采用了離子軟氮化技術，其工藝參數的制定一般應遵循以下幾項原則：
1. 氮化溫度的選擇范圍
等離子體氮化就是利用真空輝光放電的方法把氮滲透金屬表面形成FeN 的一種化學熱處理方法。在鐵氮相圖中，580℃為同素異晶轉變點，低于580℃其組織為α鐵，高于580℃其組織轉變為γ鐵。通常，進步處理溫度有助于氮化物的形成和獲得較深的滲層（在相同時間內），這是由于擴散系數與溫度的指數變化成正比。但是，由于在γ鐵中氮的擴散系數僅為α鐵中的1/4 ，當處理溫度高于580℃時，滲層的增長反而減慢，因此，離子氮化的控制溫度范圍為520℃至580℃。
2. 軟氮化溫度的選擇范圍
對于碳鋼或鑄鐵或低合金鋼，人們常采用離子軟氮化（低溫碳、氮共滲）技術。就大量的實踐表明：氮化層的硬度和滲層與溫度、時間、濃度有極值關系。通常在氨氣與丙酮之比為10:1，溫度在560℃至580℃，時間在3至4小時之間，獲得最佳的硬度和滲層。在鐵氮碳三元相圖中，同素異晶轉變點略有降低，其等溫截面大約降至575℃。當溫度高于575℃時，隨著溫度的升高，滲層和硬度迅速下降，高于600℃時，滲層幾乎完全消失。為使有較好的碳、氮共滲效果，離子軟氮化的控制溫度一般為540℃至580℃。
3. 其他因素對工藝參數的影響
以上是根據相圖作出的工藝溫度控制范圍，實際上它還要受到其它因素的限制。①為保證零件性能的綜合要求，在離子氮化之前一般還需要進行預先熱處理，離子氮化的上限溫度不應超過預先熱處理溫度；②根據零件易變形程度，選擇適當的升溫速度并應在預先熱處理使組織充分均勻化。
綜上所述：離子軟氮化的溫度控制范圍應在540℃以上，時效溫度以下，并根據零件的具體要求，選擇合適的升溫速度。
二、曲軸離子氮化工藝
目前，國內生產曲軸所采用的典型材料為球墨鑄鐵和42CrMoTi。
與處理其他氮化零件相類似，曲軸的離子氮化工藝一般要經過打弧，升溫，保溫，冷卻等4個階段，包括出裝爐，大致耗時18個小時。不同的廠家在離子氮化工藝上略有不同。
1. 清洗工藝
待處理零件裝爐前應通過清洗使零件表面清潔無油，目前采用的主要清洗方法主要有下列方式：
①、高溫蒸汽加清洗劑洗滌然后加高溫蒸汽漂洗滌；
②、自動清洗機清洗；
③、汽油擦洗。
第三種方式是在生產條件不具備時的變通方法，僅適用于小規模清洗。
2. 氮化工藝
離子氮化工藝參數一般為：
均勻升溫速度100℃／小時；
保溫溫度：540～580℃之間；
保溫時間：6～8小時。
離子軟氮化工藝參數一般為：
均勻升溫速度100℃／小時；
保溫溫度：540～570℃之間；
保溫時間：3～4小時。
三、曲軸氮化過程中的質量控制
1. 清洗
清洗的好壞將直接影響曲軸的處理質量和延優點理周期。
假如曲軸表面臟，將大大延長打弧周期，某一廠家過往由于曲軸清洗不干凈打弧時間延長到12小時以上。處理后的曲軸表面附著很多碳黑，既影響產品外觀又影響產品質量。經改進清洗工藝后，打弧時間大大縮短，處理質量也大大進步。據我們在東風汽車制泵廠處理柴油機油泵上的通道板的經驗來看，表面清潔易形成連續的厚度較為均勻的化合物層，反之則不易形成連續和厚度均勻的化合物層。而在離子氮化時化合物層對硬度、耐磨及抗疲憊性能有較大貢獻。
我們以為，這主要是不潔凈的表面所形成的碳黑以游離碳的形式存在，影響零件表面的活化，阻礙了滲氮。
2. 設備
離子氮化和傳統的氮化工藝相比具有很多優點，但是由于其真空放電的特殊性，又帶來了一很大的弊病，這就是爐內零件溫度分布的不均勻性。這一方面是由于零件表面的外形將影響表面電流密度的分布，省電，省材料，耗能小、無環境污染等等。
經過離子氮化的零件，其表面硬度較高，抗疲憊強度、減磨等性能均獲得了改善。
四、曲軸的離子氮化工藝現狀
與處理其他氮化零件相類似，曲軸的離子氮化工藝一般要經過打弧，升溫，保溫，冷卻等4個階段，包括出裝爐，大致耗時18個小時。不同的廠家在離子氮化工藝上略有不同。
關于變形，只要時效處理好（大約2～4小時），均勻升溫就可保證變形較小，濰坊柴油機廠的氮化曲軸軸向跳動一般不超過3絲。
關于軟氮化，大連柴油機廠采用氨氣加丙酮的辦法，保溫時間為5小時左右據反映離子軟氮化比氮化變形要稍大一些，根據我們在東風汽車制造廠處理通道板及驅動環的經驗來看，采用氨氣加丙烷氣作離子軟氮化處理，工藝過程更輕易控制。
最近我所研制的大功率脈沖電源，均勻功率已在120A以上，已完全能滿足150ＫＷ爐體進行氮化的要求。新的脈沖電源經考核比過往的電源其穩定性可靠性更好。由于省往了限流電阻，僅此一項就可節電約為20％，加之脈沖電源的其他特點，在一定條件下，節電最大可達50％。采用脈沖電源，打弧時間縮短，油孔可不堵使得輔裝爐時間縮短，電源操縱簡單，易于控制。
五、結論
在曲軸產品上采用離子氮化工藝在技術上是比較先進的，氮化質量要優于傳統的氣體氮化，目前在設備使用過程中發現的一些題目也較輕易得到解釋和解決，而脈沖電源的研制成功又使得輔助裝爐時間縮短，弧清洗時間縮短，節省能源，離子氮化工藝的很多優點將為愈來愈多的曲軸廠家所熟悉。
我所愿與曲軸廠家一道，不斷完善設備和工藝，為進步曲軸產品的質量作出我們應盡的努力。(中國工程機械動力部件網)
[作者：武漢市等離子體技術研究所，如有知識產權爭議，請聯系微信X37329588]。
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