等离子体氮化技术在曲轴生产中的应用
F-DIESEL工程机械动力部件 2016/6/22 14:53:38
为进步曲轴的疲惫强度，很多工厂采用了等离子体氮化技术，其中采用这项技术以山东曲轴总厂、大连柴油机厂、东风团体朝阳柴油机公司等为典型代表。仅山东曲轴总厂就拥有LD－150A型等离子体氮化设备二十多台，而朝阳柴油机公司以采用了LDMC－150A型国内最先进、功率最大、装炉量最多的大型脉冲电源等离子体氮化设备而著名。下面仅根据在上述厂家所作的曲轴离子氮化工艺试验谈谈我们的体会，供各位专家和同行们参考。
一、曲轴离子软氮化工艺参数的理论范围
就曲轴等离子体氮化技术而言，大多数厂家采用了离子软氮化技术，其工艺参数的制定一般应遵循以下几项原则：
1. 氮化温度的选择范围
等离子体氮化就是利用真空辉光放电的方法把氮渗透金属表面形成FeN 的一种化学热处理方法。在铁氮相图中，580℃为同素异晶转变点，低于580℃其组织为α铁，高于580℃其组织转变为γ铁。通常，进步处理温度有助于氮化物的形成和获得较深的渗层（在相同时间内），这是由于扩散系数与温度的指数变化成正比。但是，由于在γ铁中氮的扩散系数仅为α铁中的1/4 ，当处理温度高于580℃时，渗层的增长反而减慢，因此，离子氮化的控制温度范围为520℃至580℃。
2. 软氮化温度的选择范围
对于碳钢或铸铁或低合金钢，人们常采用离子软氮化（低温碳、氮共渗）技术。就大量的实践表明：氮化层的硬度和渗层与温度、时间、浓度有极值关系。通常在氨气与丙酮之比为10:1，温度在560℃至580℃，时间在3至4小时之间，获得最佳的硬度和渗层。在铁氮碳三元相图中，同素异晶转变点略有降低，其等温截面大约降至575℃。当温度高于575℃时，随着温度的升高，渗层和硬度迅速下降，高于600℃时，渗层几乎完全消失。为使有较好的碳、氮共渗效果，离子软氮化的控制温度一般为540℃至580℃。
3. 其他因素对工艺参数的影响
以上是根据相图作出的工艺温度控制范围，实际上它还要受到其它因素的限制。①为保证零件性能的综合要求，在离子氮化之前一般还需要进行预先热处理，离子氮化的上限温度不应超过预先热处理温度；②根据零件易变形程度，选择适当的升温速度并应在预先热处理使组织充分均匀化。
综上所述：离子软氮化的温度控制范围应在540℃以上，时效温度以下，并根据零件的具体要求，选择合适的升温速度。
二、曲轴离子氮化工艺
目前，国内生产曲轴所采用的典型材料为球墨铸铁和42CrMoTi。
与处理其他氮化零件相类似，曲轴的离子氮化工艺一般要经过打弧，升温，保温，冷却等4个阶段，包括出装炉，大致耗时18个小时。不同的厂家在离子氮化工艺上略有不同。
1. 清洗工艺
待处理零件装炉前应通过清洗使零件表面清洁无油，目前采用的主要清洗方法主要有下列方式：
①、高温蒸汽加清洗剂洗涤然后加高温蒸汽漂洗涤；
②、自动清洗机清洗；
③、汽油擦洗。
第三种方式是在生产条件不具备时的变通方法，仅适用于小规模清洗。
2. 氮化工艺
离子氮化工艺参数一般为：
均匀升温速度100℃／小时；
保温温度：540～580℃之间；
保温时间：6～8小时。
离子软氮化工艺参数一般为：
均匀升温速度100℃／小时；
保温温度：540～570℃之间；
保温时间：3～4小时。
三、曲轴氮化过程中的质量控制
1. 清洗
清洗的好坏将直接影响曲轴的处理质量和延优点理周期。
假如曲轴表面脏，将大大延长打弧周期，某一厂家过往由于曲轴清洗不干净打弧时间延长到12小时以上。处理后的曲轴表面附着很多碳黑，既影响产品外观又影响产品质量。经改进清洗工艺后，打弧时间大大缩短，处理质量也大大进步。据我们在东风汽车制泵厂处理柴油机油泵上的通道板的经验来看，表面清洁易形成连续的厚度较为均匀的化合物层，反之则不易形成连续和厚度均匀的化合物层。而在离子氮化时化合物层对硬度、耐磨及抗疲惫性能有较大贡献。
我们以为，这主要是不洁净的表面所形成的碳黑以游离碳的形式存在，影响零件表面的活化，阻碍了渗氮。
2. 设备
离子氮化和传统的氮化工艺相比具有很多优点，但是由于其真空放电的特殊性，又带来了一很大的弊病，这就是炉内零件温度分布的不均匀性。这一方面是由于零件表面的外形将影响表面电流密度的分布，省电，省材料，耗能小、无环境污染等等。
经过离子氮化的零件，其表面硬度较高，抗疲惫强度、减磨等性能均获得了改善。
四、曲轴的离子氮化工艺现状
与处理其他氮化零件相类似，曲轴的离子氮化工艺一般要经过打弧，升温，保温，冷却等4个阶段，包括出装炉，大致耗时18个小时。不同的厂家在离子氮化工艺上略有不同。
关于变形，只要时效处理好（大约2～4小时），均匀升温就可保证变形较小，潍坊柴油机厂的氮化曲轴轴向跳动一般不超过3丝。
关于软氮化，大连柴油机厂采用氨气加丙酮的办法，保温时间为5小时左右据反映离子软氮化比氮化变形要稍大一些，根据我们在东风汽车制造厂处理通道板及驱动环的经验来看，采用氨气加丙烷气作离子软氮化处理，工艺过程更轻易控制。
最近我所研制的大功率脉冲电源，均匀功率已在120A以上，已完全能满足150ＫＷ炉体进行氮化的要求。新的脉冲电源经考核比过往的电源其稳定性可靠性更好。由于省往了限流电阻，仅此一项就可节电约为20％，加之脉冲电源的其他特点，在一定条件下，节电最大可达50％。采用脉冲电源，打弧时间缩短，油孔可不堵使得辅装炉时间缩短，电源操纵简单，易于控制。
五、结论
在曲轴产品上采用离子氮化工艺在技术上是比较先进的，氮化质量要优于传统的气体氮化，目前在设备使用过程中发现的一些题目也较轻易得到解释和解决，而脉冲电源的研制成功又使得辅助装炉时间缩短，弧清洗时间缩短，节省能源，离子氮化工艺的很多优点将为愈来愈多的曲轴厂家所熟悉。
我所愿与曲轴厂家一道，不断完善设备和工艺，为进步曲轴产品的质量作出我们应尽的努力。(中国工程机械动力部件网)
[作者：武汉市等离子体技术研究所，如有知识产权争议，请联系微信X37329588]。
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