辉光离子氮化工艺在汽缸套生产中的应用

申如弦

（武汉船舶职业技术学院工业中心，湖北武汉 430050）

武汉船舶职业技术学院工业中心（附厂）是国家定点生产气缸套产品的专业厂家，他的前身是原六机部骨干企业国营第463厂，有近50年历史，其生产的气缸套的质量和品牌一直处于同行业领先地位。

但近几年来，随着柴油价格不断上涨，用户普遍采用价格较低、含有害元素较多的重质柴油作燃料，这种燃料加速了缸套早期磨损，其使用寿命仅在3000—4000小时之间。面对这种情况，工业中心引进了目前最先进的辉光离子氮化炉及技术，经过几个月生产，缸套耐磨性大幅提高，经检测平均使用寿命将达8000小时以上，而且还极大提高缸套抗穴蚀性能。为了使该工艺得到广泛应用，本文将该工艺工作原理、应用在缸套生产中的效果、产生的问题及在其他材料上的应用做一介绍。

1 辉光离子氮化的基本原理

辉光离子氮化是利用辉光放电原理进行的，它是在充以含氮气体的真空炉内，把金属工件作为阴极，炉体作为阳极，通电后介质中的氮原子在高压直流电场作用下被电离，在阴阳之间形成等离子区，在等离子区强电场作用下，氮和氢的正离子以高速向工件表面轰击，离子的高动能转变成热能、加热工件表面至所需温度，由于离子的轰击工件表面产生原子溅射，因而工件表面得以净化，同时由于吸附和扩散作用氮渗入工件表层，是工件表面得以硬化，完成氮化工作。

2 氮化工艺在钢套生产中的应用

2.1 气缸套的基本情况

我厂生产气缸套材料种类较多，其中使用最多的材料为UTCuPUB—250，气缸套材料成分如下表1中所示：

表1 气缸套材料成分

气缸套氮化前基本金相组织：索氏体和珠光体上分布着散块状或连续网状磷共晶。缸套生产主要流程及工艺为：铸造——粗加工——失效——半 精 加 工——精 加 工——绗 磨——氮化——抛光——检验——包装——入库。

2.2 氮化炉的基本情况

缸套采用国内最先进的辉光离子氮化炉进行氮化处理。氮化炉主要参数为：相限真空不小于7pa；升压率≤0.13Pa／mm；灭弧速度≤20us；0－1000U持续可调；额定电流≤80A；阴阳相绝缘≥5MΩ。

2.3 缸套氮化后质量检验及研究

缸套经辉光离子氮化炉处理后，外观是银灰色，截取一段后抛光制样，用4﹪的硝酸精油腐蚀后，可以看到明显的氮化组织（见图1）。对试块进行检测几个元素指标如下：氮化层深度0.12－0.15mm；氮化层表面硬度1000Hv0.1；氮化层硬度梯度（见图2）；氮化前后基体组织的显微组织与机械性能基本无变化。

图1 氮化层金相组织

图2 硬度梯度表

2.4 缸套在氮化过程中容易出现问题及解决办法

缸套在氮化炉中通过加热达到540度后，保温10小时随炉变冷至200度出炉，从整个工艺过程看可能会出现如下问题：

（1）产品变形方面。由于氮化温度接近失效温度，因此如果氮化前失效工序没做好，那么氮化将会作为二次失效，必然导致产品变形，这是一方面，另一方面由于氮原子不断扩散和附着在基体但到缸套内腔尺寸会缩小0.03—0.05mm，因此要解决此问题一是要严格按失效工艺要求做好失效工件，对于尺寸精度要求较高的零件要考虑尺寸补偿问题。

（2）外观质量方面。氮化产品外观质量常见的问题有以下几点：斑点问题，产生此现象一般是进炉前产品未清洗干净，导致斑点出现；发黑问题，产品发黑主要有两个原因，一个出炉太早、产品温度高和空气发生反应，另一个原因氮化炉漏气。

3 氮化工艺在其它产品上的应用

氮化工艺作为强化金属表面的一种化学热处理方法，除广泛应用于铸铁、钢铁零件外还可应用于如下方面：

（1）对钛和钛合金材料实施氮化处理后，材料表面硬度可提高3—10倍，达到Uv0.3 1800－2400，耐磨性能可提高几倍至几十倍，摩擦系数降低到原来的1／2—1／5，在盐酸类还原性介质中耐磨、耐腐蚀性可提高几十倍到一千倍，且外观呈金黄色十分的漂亮。

（2）在工业和军用设备中有许多软磷材料，希望获得较高的导磁率（u）和较低的矫顽力（HC），但制作时材料中的杂质及碳含量对导磁率和矫顽力影响非常之大，为此，可在氮化炉中进行释氮处理，除去杂质和降低碳含量，提高导磁率降低矫顽力。

4 结 语

合金铸铁缸套经辉光离子氮化后，氮化层深度可达0.13mm—0.18mm，表面硬度高达10000Uv0.1，由此形成的耐磨层可显著提高缸套使用寿命，同时也可提高外表面耐腐蚀性能。缸套氮化后的尺寸变化，可通过前期失效温度和改变产品尺寸补偿的方法解决。辉光离子氮化操作简单，生产成本低、环境清洁，可广泛应用于希望提高表面硬度的产品。