等離子體氮化技術(shù)在曲軸生產(chǎn)中的應(yīng)用
一、曲軸離子軟氮化工藝參數(shù)的理論范圍
就曲軸等離子體氮化技術(shù)而言，大多數(shù)廠家采用了離子軟氮化技術(shù)，其工藝參數(shù)的制定一般應(yīng)遵循以下幾項(xiàng)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入金屬表面形成FeN 的一種化學(xué)熱處理方法。在鐵氮相圖中，580℃為同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)，低于580℃其組織為α鐵，高于580℃其組織轉(zhuǎn)變?yōu)棣描F。通常，提高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(shí)間內(nèi)），這是因?yàn)閿U(kuò)散系數(shù)與溫度的指數(shù)變化成正比。但是，由于在γ鐵中氮的擴(kuò)散系數(shù)僅為α鐵中的1/4 ，當(dāng)處理溫度高于580℃時(shí)，滲層的增長(zhǎng)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(duì)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(shù)。就大量的實(shí)踐表明：氮化層的硬度和滲層與溫度、時(shí)間、濃度有極值關(guān)系。通常在氨氣與丙酮之比為10:1，溫度在560℃至580℃，時(shí)間在3至4小時(shí)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(zhuǎn)變點(diǎn)略有降低，其等溫截面大約降至575℃。當(dāng)溫度高于575℃時(shí)，隨著溫度的升高，滲層和硬度迅速下降，高于600℃時(shí)，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(duì)工藝參數(shù)的影響
以上是根據(jù)相圖作出的工藝溫度控制范圍，實(shí)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(jìn)行預(yù)先熱處理，離子氮化的上限溫度不應(yīng)超過(guò)預(yù)先熱處理溫度；
②根據(jù)零件易變形程度，選擇適當(dāng)?shù)纳郎厮俣炔?yīng)在預(yù)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(yīng)在540℃以上，時(shí)效溫度以下，并根據(jù)零件的具體要求，選擇合適的升溫速度。
目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)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(lèi)似，曲軸的離子氮化工藝一般要經(jīng)過(guò)打弧，升溫，保溫，冷卻等4個(gè)階段，包括出裝爐，大致耗時(shí)18個(gè)小時(shí)。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(yīng)通過(guò)清洗使零件表面清潔無(wú)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(dòng)清洗機(jī)清洗；
③、汽油擦洗。
第三種方式是在生產(chǎn)條件不具備時(shí)的變通方法，僅適用于小規(guī)模清洗。
2. 氮化工藝
離子氮化工藝參數(shù)一般為：
平均升溫速度100℃／小時(shí)；
保溫溫度：540～580℃之間；
保溫時(shí)間：6～8小時(shí)。
離子軟氮化工藝參數(shù)一般為：
平均升溫速度100℃／小時(shí)；
保溫溫度：540～570℃之間；
保溫時(shí)間：3～4小時(shí)。
1. 清洗
清洗的好壞將直接影響曲軸的處理質(zhì)量和延長(zhǎng)處理周期。如果曲軸表面臟，將大大延長(zhǎng)打弧周期，某一廠家過(guò)去由于曲軸清洗不干凈打弧時(shí)間延長(zhǎng)到12小時(shí)以上。處理后的曲軸表面附著很多碳黑，既影響產(chǎn)品外觀又影響產(chǎn)品質(zhì)量。經(jīng)改進(jìn)清洗工藝后，打弧時(shí)間大大縮短，處理質(zhì)量也大大提高。據(jù)我們?cè)跂|風(fēng)汽車(chē)制泵廠處理柴油機(jī)油泵上的通道板的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，表面清潔易形成連續(xù)的厚度較為均勻的化合物層，反之則不易形成連續(xù)和厚度均勻的化合物層。而在離子氮化時(shí)化合物層對(duì)硬度、耐磨及抗疲勞性能有較大貢獻(xiàn)。 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(shè)備
離子氮化和傳統(tǒng)的氮化工藝相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是由于其真空放電的特殊性，又帶來(lái)了一很大的弊病，這就是爐內(nèi)零件溫度分布的不均勻性。這一方面是因?yàn)榱慵砻娴男螤顚⒂绊懕砻骐娏髅芏鹊姆植迹‰姡〔牧希哪苄。虎軣o(wú)環(huán)境污染等等。
經(jīng)過(guò)離子氮化的零件，其表面硬度較高，抗疲勞強(qiáng)度、減磨等性能均獲得了改善。
關(guān)于變形，只要時(shí)效處理好（大約2～4小時(shí)），均勻升溫就可保證變形較小，濰坊柴油機(jī)廠的氮化曲軸軸向跳動(dòng)一般不超過(guò)3絲。
關(guān)于軟氮化，大連柴油機(jī)廠采用氨氣加丙酮的辦法，保溫時(shí)間為5小時(shí)左右據(jù)反映離子軟氮化比氮化變形要稍大一些，根據(jù)我們?cè)跂|風(fēng)汽車(chē)制造廠處理通道板及驅(qū)動(dòng)環(huán)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，采用氨氣加丙烷氣作離子軟氮化處理，工藝過(guò)程更容易控制。
綜上所述：離子軟氮化的溫度控制范圍應(yīng)在540℃以上，時(shí)效溫度以下，并根據(jù)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(guó)內(nèi)生產(chǎn)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(lèi)似，曲軸的離子氮化工藝一般要經(jīng)過(guò)打弧，升溫，保溫，冷卻等4個(gè)階段，包括出裝爐，大致耗時(shí)18個(gè)小時(shí)。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(yīng)通過(guò)清洗使零件表面清潔無(wú)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(dòng)清洗機(jī)清洗；
③、汽油擦洗。
第三種方式是在生產(chǎn)條件不具備時(shí)的變通方法，僅適用于小規(guī)模清洗。
2. 氮化工藝
離子氮化工藝參數(shù)一般為：
平均升溫速度100℃／小時(shí)；
保溫溫度：540～580℃之間；
保溫時(shí)間：6～8小時(shí)。
離子軟氮化工藝參數(shù)一般為：
平均升溫速度100℃／小時(shí)；
保溫溫度：540～570℃之間；
保溫時(shí)間：3～4小時(shí)。
三、曲軸氮化過(guò)程中的質(zhì)量控制
1. 清洗
清洗的好壞將直接影響曲軸的處理質(zhì)量和延長(zhǎng)處理周期。如果曲軸表面臟，將大大延長(zhǎng)打弧周期，某一廠家過(guò)去由于曲軸清洗不干凈打弧時(shí)間延長(zhǎng)到12小時(shí)以上。處理后的曲軸表面附著很多碳黑，既影響產(chǎn)品外觀又影響產(chǎn)品質(zhì)量。經(jīng)改進(jìn)清洗工藝后，打弧時(shí)間大大縮短，處理質(zhì)量也大大提高。據(jù)我們?cè)跂|風(fēng)汽車(chē)制泵廠處理柴油機(jī)油泵上的通道板的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，表面清潔易形成連續(xù)的厚度較為均勻的化合物層，反之則不易形成連續(xù)和厚度均勻的化合物層。而在離子氮化時(shí)化合物層對(duì)硬度、耐磨及抗疲勞性能有較大貢獻(xiàn)。 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(shè)備
離子氮化和傳統(tǒng)的氮化工藝相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是由于其真空放電的特殊性，又帶來(lái)了一很大的弊病，這就是爐內(nèi)零件溫度分布的不均勻性。這一方面是因?yàn)榱慵砻娴男螤顚⒂绊懕砻骐娏髅芏鹊姆植迹‰姡〔牧希哪苄。虎軣o(wú)環(huán)境污染等等。
經(jīng)過(guò)離子氮化的零件，其表面硬度較高，抗疲勞強(qiáng)度、減磨等性能均獲得了改善。
四、曲軸的離子氮化工藝現(xiàn)狀
與處理其他氮化零件相類(lèi)似，曲軸的離子氮化工藝一般要經(jīng)過(guò)打弧，升溫，保溫，冷卻等4個(gè)階段，包括出裝爐，大致耗時(shí)18個(gè)小時(shí)。不同的廠家在離子氮化工藝上略有不同。關(guān)于變形，只要時(shí)效處理好（大約2～4小時(shí)），均勻升溫就可保證變形較小，濰坊柴油機(jī)廠的氮化曲軸軸向跳動(dòng)一般不超過(guò)3絲。
關(guān)于軟氮化，大連柴油機(jī)廠采用氨氣加丙酮的辦法，保溫時(shí)間為5小時(shí)左右據(jù)反映離子軟氮化比氮化變形要稍大一些，根據(jù)我們?cè)跂|風(fēng)汽車(chē)制造廠處理通道板及驅(qū)動(dòng)環(huán)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，采用氨氣加丙烷氣作離子軟氮化處理，工藝過(guò)程更容易控制。
最近我所研制的大功率脈沖電源，平均功率已在120A以上，已完全能滿(mǎn)足150ＫＷ爐體進(jìn)行氮化的要求。新的脈沖電源經(jīng)考核比過(guò)去的電源其穩(wěn)定性可靠性更好。由于省去了限流電阻，僅此一項(xiàng)就可節(jié)電約為20％，加之脈沖電源的其他特點(diǎn)，在一定條件下，節(jié)電最大可達(dá)50％。采用脈沖電源，打弧時(shí)間縮短，油孔可不堵使得輔裝爐時(shí)間縮短，電源操作簡(jiǎn)單，易于控制。
我所愿與曲軸廠家一道，不斷完善設(shè)備和工藝，為提高曲軸產(chǎn)品的質(zhì)量作出我們應(yīng)盡的努力。
五、結(jié)論
在曲軸產(chǎn)品上采用離子氮化工藝在技術(shù)上是比較先進(jìn)的，氮化質(zhì)量要優(yōu)于傳統(tǒng)的氣體氮化，目前在設(shè)備使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的一些問(wèn)題也較容易得到解釋和解決，而脈沖電源的研制成功又使得輔助裝爐時(shí)間縮短，弧清洗時(shí)間縮短，節(jié)省能源，離子氮化工藝的許多優(yōu)點(diǎn)將為愈來(lái)愈多的曲軸廠家所認(rèn)識(shí)。 我所愿與曲軸廠家一道，不斷完善設(shè)備和工藝，為提高曲軸產(chǎn)品的質(zhì)量作出我們應(yīng)盡的努力。