曲軸是內(nèi)燃機(jī)中最重要的零件之一，它與氣缸、活塞、連桿等組成發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源裝置，并由曲軸向外輸出功率。曲軸工作時(shí)承受反復(fù)彎曲和扭轉(zhuǎn)負(fù)荷，而主軸頸和連桿頸在高速旋轉(zhuǎn)下還要承受強(qiáng)烈的摩擦。因此，曲軸的損壞形式主要是疲勞引起的斷裂和軸頸的磨損。采用離子氮化強(qiáng)化處理就是為提高曲軸的疲勞強(qiáng)度和耐磨性。我公司生產(chǎn)的4105型帶芯孔球墨鑄鐵曲軸（見(jiàn)圖1），通過(guò)離子氮化處理，取得一定的效果。
一、離子氮化工藝簡(jiǎn)介
所謂離子氮化，就是在小于2000Pa的低真空含氮?dú)夥罩校霉ぜ帢O）與陽(yáng)極之間產(chǎn)生的輝光放電電離氣體，正離子轟擊工件表面使之加熱并通過(guò)一系列的物理、化學(xué)過(guò)程形成氮化層的化學(xué)熱處理工藝。它也是表面強(qiáng)化工藝，不僅提高工件表面耐磨性、耐腐蝕性，也提高工件疲勞強(qiáng)度。
鋼鐵工件基體，一般是游離的α鐵素體、珠光體，即α鐵素體和碳三鐵的機(jī)械混合物等多項(xiàng)組織。α鐵素體是溶入碳和其他元素的晶體點(diǎn)陣為體心立方的鐵的固溶體。氮元素滲人α鐵素體中，會(huì)引起晶格畸變，一方面是固溶強(qiáng)化作用；另一方面，會(huì)造成體積漲。那么，就要求離子氮化前的基體組織游離的α鐵素體不大于5%，以便控制變形量在要求的范圍內(nèi)。
氮化設(shè)備采用PN-Ⅱ脈沖電源等離子體氮化爐，無(wú)需對(duì)芯孔、配重孔、斜油孔等進(jìn)行堵塞防護(hù)，但氮化前狀態(tài)很重要，要求其潔凈、干燥、無(wú)銹、無(wú)殘留鐵屑。
圖1 4105型帶芯孔曲軸
二、離子氮化工藝過(guò)程
4105型曲軸，材質(zhì)為QT800-4；氮化技術(shù)要求：化合層≥0.01mm，氮化層≥0.10mm，跳動(dòng)≤0.06mm，軸頸漲0～0.003mm。工藝流程：清洗→裝爐→抽真空→升溫→保溫氮化→冷卻→出爐。
1.設(shè)備要求
（1）30min內(nèi)，爐體抽空氣達(dá)極限真空度≤6.7 Pa；爐體滲漏程度指標(biāo)壓升率≤0.13Pa/min。
（2）應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)抽氣速率的真空泵，保證氮化過(guò)程所需的介質(zhì)壓力符合要求，而且不致引起拉弧、過(guò)流。
（3）冷卻水系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置保護(hù)，確保其管路完好無(wú)泄露、水質(zhì)潔凈、出水溫度不超過(guò)50℃。
（4）及時(shí)清理爐壁、陽(yáng)極底盤(pán)上的沉積濺射物，確保氮化工藝過(guò)程所需的氣氛要求。
2.清洗
清洗待滲工件油泥、污物，清理殘留的鐵屑及銹斑，確保干燥、潔凈。清洗在離子氮化過(guò)程中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，曲軸斜油孔、芯孔附著的鐵屑、油污、銹斑等，在升溫過(guò)程中，會(huì)引起持續(xù)不斷的拉弧，一直把污物等清理掉才會(huì)停止。集中連續(xù)拉弧容易造成局部燒傷。
圖2 4105型帶芯孔曲軸離子氮化工藝
3.裝爐方式
（1）品種
同爐處理的待滲件，可為同種、表面積及重量比接近的產(chǎn)品。如能保證質(zhì)量，可混裝。
（2）放置
把圖1所示的有芯孔、配重孔的4105型曲軸放外圈。因起輝面積大，相對(duì)溫度高，靠近爐壁，散熱快；無(wú)內(nèi)孔四缸曲軸（如朝柴4102），沒(méi)輝光集中造成的偏高溫度，放中圈和里圈。中圈、里圈散熱條件差，如圖3所示。
（3）數(shù)量
同一層次，裝35條，擺放三圈。可根據(jù)類(lèi)型、表面積不同，在確保氮化質(zhì)量、擺放次序及間隙合理的前提下，進(jìn)行調(diào)整；充分利用爐體的空間，四缸曲軸擺放雙層，不僅提升產(chǎn)能，也能聚集熱量，效果較單層會(huì)好些。
（4）間隙
同一圓周上，應(yīng)均勻擺放。中圈、里圈因散熱條件差，應(yīng)稀疏些，軸間距≥15mm；外圈散熱條件好，應(yīng)致密些，軸間距≥10mm。確保形成輝光所需的間距及爐內(nèi)溫度均勻性的要求。
（5）加輔助陰極
上層曲軸小頭部位加陰極罩，以防熱量散失，且在小頭一主最薄弱軸頸形成輝光層，進(jìn)而產(chǎn)生氮化層。
圖3 兩種曲軸雙層擺放
4.操作要求
（1）抽真空
用2X-70A旋片式真空泵抽出爐內(nèi)空氣，30min內(nèi)抽真空到小于50Pa，才可點(diǎn)燃輝光升溫。
（2）點(diǎn)輝光
逐漸調(diào)電壓至550V左右，將電源的脈寬調(diào)為15μs，電源的接通率為10%～15%，進(jìn)行可控弧光放電清理。電壓漸增至850V，爐內(nèi)輝光稀少時(shí)，清理結(jié)束，溫度達(dá)到100℃左右，爐內(nèi)壓力為50～130Pa。
（3）升溫
①曲軸本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且球墨鑄鐵導(dǎo)熱性差，在升溫過(guò)程中易變形。應(yīng)采用緩慢升溫、階段保溫的措施，可把變形量降至最低，以滿(mǎn)足要求。
②隨著點(diǎn)弧清理結(jié)束，脈沖電源的脈寬調(diào)至80μs左右，電源接通率70%左右，逐漸增大電壓、電流加熱曲軸，但不能引起持續(xù)拉弧。
③當(dāng)爐溫到200℃即可通氨氣0.3L/min，到300℃通氨氣0.5～0.8L/min，升溫速度控制在小于1℃/min。
④400℃以上時(shí)，芯孔、配重孔的曲軸易畸變，控制電壓、電流、通氨量；保溫穩(wěn)定1h后，再控制升溫速度，緩慢升溫到規(guī)定保溫溫度。整個(gè)過(guò)程應(yīng)逐步交替升高氣壓、電壓使電流的增大不至于產(chǎn)生弧光放電。
（4）保溫
當(dāng)爐溫到530℃時(shí)，進(jìn)入恒溫保溫氮化階段，通氨氣1.0～1.6L/min、二氧化碳0.3L/min，調(diào)整通氨量、真空泵抽氣速度，使介質(zhì)壓力達(dá)500～600 Pa，保溫4h。
（5）冷卻
停機(jī)、停泵，及時(shí)開(kāi)啟循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，出水溫度不應(yīng)該超過(guò)50℃，冷卻過(guò)程約6h。到200℃以下時(shí)，充入空氣后開(kāi)爐。
三、氮化結(jié)果檢驗(yàn)分析
（1）曲軸本體
外觀(guān)呈銀灰色或暗灰色。拋光后，檢測(cè)跳動(dòng)量0.05～0.15mm，經(jīng)圓角滾壓校直，就可滿(mǎn)足要求。軸頸腫脹量在0～0.002mm，符合圖樣要求。
（2）試塊
對(duì)隨爐4試塊進(jìn)行檢驗(yàn)，表面硬度達(dá)到700HV0.1；化合層0.01～0.012mm，擴(kuò)散層0.10～0.13mm，見(jiàn)圖4，滿(mǎn)足技術(shù)要求。氮化層的化合層是鐵及合金元素的氮化物，組織致密、硬度高且性能穩(wěn)定，又有擴(kuò)散層作基礎(chǔ)，不致表面的化合層剝落，從而提高了曲軸的耐蝕性和耐磨性。
圖4 5%亞硒酸腐蝕 100×
（3）疲勞試驗(yàn)
用PDC-1疲勞試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)其樣品的中值疲勞極限是1850N·m，比不氮化曲軸中值疲勞極限1600 N·m提高15%以上。這是因?yàn)榈瘜泳哂袣堄鄩簯?yīng)力，且氮原子的滲入，打破鐵原子的平衡狀態(tài)，起到固溶強(qiáng)化的作用，防止疲勞裂紋源的產(chǎn)生和裂紋的擴(kuò)展，從而提高其疲勞強(qiáng)度。
四、工藝過(guò)程的特點(diǎn)
（1）該類(lèi)型離子氮化設(shè)備采用輻射加熱的方式，爐體內(nèi)加熱區(qū)存在溫度不均勻性，那么整爐工件氮化效果也不均勻。采用如圖3裝爐方式和圖2工藝操作要求就能改善這一狀況，且取得一定的效果。
（2）二氧化碳在氮化過(guò)程中起催化作用，活化表面，促進(jìn)對(duì)氮元素的吸收、促進(jìn)化合層的形成，提高離子氮化效率，工藝過(guò)程約20h，相對(duì)原先的約30h的工藝過(guò)程，效率提高50%。
（3）致密的化合層0.01～0.012mm，一定深度的擴(kuò)散層0.10～0.13mm，對(duì)球鐵曲軸是較理想的氮化效果，在提高疲勞強(qiáng)度、耐磨性、耐腐蝕性的同時(shí)，不致引起尺寸變形超差。
（4）離子氮化后軸頸腫脹變形是正常的，它與氮化層的深度、氮化物的濃度都有關(guān)系，一般軸頸漲的幅度與氮化層總深度的比例為2%～3%，在氮化前的最后一道工序預(yù)留加工量，經(jīng)氮化就可達(dá)到圖樣的要求。這一措施也行之有效。
（5）PN-Ⅱ脈沖電源等離子體氮化爐，一電氣柜控制兩設(shè)備，當(dāng)一設(shè)備保溫結(jié)束，立刻啟動(dòng)另一設(shè)備。節(jié)省了空間，相對(duì)來(lái)說(shuō)，也提高了效率。設(shè)備價(jià)格低廉，
（6）離子氮化工件表面質(zhì)量好、易拋光、產(chǎn)能高、溫度低、變形量比氣體氮化小、工藝過(guò)程易操作、基本上無(wú)污染，但爐溫均勻性差、工藝成本仍然較高、工藝時(shí)間較長(zhǎng)、待處理件清潔要求高，這不容忽視，也是生產(chǎn)中技術(shù)人員急需解決的問(wèn)題。
五、結(jié)語(yǔ)
離子氮化是四缸球鐵曲軸表面強(qiáng)化的首選工藝，表面形成0.010～0.012mm的化合層、0.10～0.15mm的氮化層，是比較好的效果，在提升耐磨性及疲勞強(qiáng)度的同時(shí)，變形量不超差。雖然離子氮化設(shè)備有一定的局限性，但通過(guò)科學(xué)的裝爐方式和優(yōu)化工藝操作，就能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的特性要求。目前，離子氮化的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)及合理的組織結(jié)構(gòu)，被許多鋼鐵制造業(yè)廠(chǎng)家所看好，是值得機(jī)械行業(yè)研究、推廣、應(yīng)用的一種表面強(qiáng)化工藝。
來(lái)源：熱處理生態(tài)圈
作者：李永真
單位：濱州海得曲軸有限責(zé)任公司
來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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