球鐵曲軸的離子氮化工藝
曲軸是內燃機中最重要的零件之一，它與氣缸、活塞、連桿等組成發動機的動力源裝置，并由曲軸向外輸出功率。曲軸工作時承受反復彎曲和扭轉負荷，而主軸頸和連桿頸在高速旋轉下還要承受強烈的摩擦。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。采用離子氮化強化處理就是為提高曲軸的疲勞強度和耐磨性。我公司生產的4105型帶芯孔球墨鑄鐵曲軸（見圖1），通過離子氮化處理，取得一定的效果。
一、離子氮化工藝簡介
所謂離子氮化，就是在小于2000Pa的低真空含氮氣氛中，利用工件（陰極）與陽極之間產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一系列的物理、化學過程形成氮化層的化學熱處理工藝。它也是表面強化工藝，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械混合物等多項組織。α鐵素體是溶入碳和其他元素的晶體點陣為體心立方的鐵的固溶體。氮元素滲人α鐵素體中，會引起晶格畸變，一方面是固溶強化作用；另一方面，會造成體積漲。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。
氮化設備采用PN-Ⅱ脈沖電源等離子體氮化爐，無需對芯孔、配重孔、斜油孔等進行堵塞防護，但氮化前狀態很重要，要求其潔凈、干燥、無銹、無殘留鐵屑。
圖1 4105型帶芯孔曲軸
二、離子氮化工藝過程
4105型曲軸，材質為QT800-4；氮化技術要求：化合層≥0.01mm，氮化層≥0.10mm，跳動≤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.設備要求
- （1）30min內，爐體抽空氣達極限真空度≤6.7 Pa；爐體滲漏程度指標壓升率≤0.13Pa/min。
- （2）應設置調節抽氣速率的真空泵，保證氮化過程所需的介質壓力符合要求，而且不致引起拉弧、過流。
- （3）冷卻水系統應設置保護，確保其管路完好無泄露、水質潔凈、出水溫度不超過50℃。
- （4）及時清理爐壁、陽極底盤上的沉積濺射物，確保氮化工藝過程所需的氣氛要求。
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。清洗在離子氮化過程中非常關鍵的環節，曲軸斜油孔、芯孔附著的鐵屑、油污、銹斑等，在升溫過程中，會引起持續不斷的拉弧，一直把污物等清理掉才會停止。集中連續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品。如能保證質量，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，相對溫度高，靠近爐壁，散熱快；無內孔四缸曲軸（如朝柴4102），沒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）數量
同一層次，裝35條，擺放三圈?？筛鶕愋?、表面積不同，在確保氮化質量、擺放次序及間隙合理的前提下，進行調整；充分利用爐體的空間，四缸曲軸擺放雙層，不僅提升產能，也能聚集熱量，效果較單層會好些。
（4）間隙
同一圓周上，應均勻擺放。中圈、里圈因散熱條件差，應稀疏些，軸間距≥15mm；外圈散熱條件好，應致密些，軸間距≥10mm。確保形成輝光所需的間距及爐內溫度均勻性的要求。
（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，進而產生氮化層。
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空氣，30min內抽真空到小于50Pa，才可點燃輝光升溫。
（2）點輝光
逐漸調電壓至550V左右，將電源的脈寬調為15μs，電源的接通率為10%～15%，進行可控弧光放電清理。電壓漸增至850V，爐內輝光稀少時，清理結束，溫度達到100℃左右，爐內壓力為50～130Pa。
（3）升溫
- ①曲軸本身結構復雜，且球墨鑄鐵導熱性差，在升溫過程中易變形。應采用緩慢升溫、階段保溫的措施，可把變形量降至最低，以滿足要求。
- ②隨著點弧清理結束，脈沖電源的脈寬調至80μs左右，電源接通率70%左右，逐漸增大電壓、電流加熱曲軸，但不能引起持續拉弧。
- ③當爐溫到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，芯孔、配重孔的曲軸易畸變，控制電壓、電流、通氨量；保溫穩定1h后，再控制升溫速度，緩慢升溫到規定保溫溫度。整個過程應逐步交替升高氣壓、電壓使電流的增大不至于產生弧光放電。
（4）保溫
當爐溫到530℃時，進入恒溫保溫氮化階段，通氨氣1.0～1.6L/min、二氧化碳0.3L/min，調整通氨量、真空泵抽氣速度，使介質壓力達500～600 Pa，保溫4h。
（5）冷卻
停機、停泵，及時開啟循環冷卻水系統，出水溫度不應該超過50℃，冷卻過程約6h。到200℃以下時，充入空氣后開爐。
三、氮化結果檢驗分析
（1）曲軸本體
外觀呈銀灰色或暗灰色。拋光后，檢測跳動量0.05～0.15mm，經圓角滾壓校直，就可滿足要求。軸頸腫脹量在0～0.002mm，符合圖樣要求。
（2）試塊
對隨爐4試塊進行檢驗，表面硬度達到700HV0.1；化合層0.01～0.012mm，擴散層0.10～0.13mm，見圖4，滿足技術要求。氮化層的化合層是鐵及合金元素的氮化物，組織致密、硬度高且性能穩定，又有擴散層作基礎，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
用PDC-1疲勞試驗機檢測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。這是因為氮化層具有殘余壓應力，且氮原子的滲入，打破鐵原子的平衡狀態，起到固溶強化的作用，防止疲勞裂紋源的產生和裂紋的擴展，從而提高其疲勞強度。
四、工藝過程的特點
- （1）該類型離子氮化設備采用輻射加熱的方式，爐體內加熱區存在溫度不均勻性，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）二氧化碳在氮化過程中起催化作用，活化表面，促進對氮元素的吸收、促進化合層的形成，提高離子氮化效率，工藝過程約20h，相對原先的約30h的工藝過程，效率提高50%。
- （3）致密的化合層0.01～0.012mm，一定深度的擴散層0.10～0.13mm，對球鐵曲軸是較理想的氮化效果，在提高疲勞強度、耐磨性、耐腐蝕性的同時，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留加工量，經氮化就可達到圖樣的要求。這一措施也行之有效。
- （5）PN-Ⅱ脈沖電源等離子體氮化爐，一電氣柜控制兩設備，當一設備保溫結束，立刻啟動另一設備。節省了空間，相對來說，也提高了效率。設備價格低廉，
- （6）離子氮化工件表面質量好、易拋光、產能高、溫度低、變形量比氣體氮化小、工藝過程易操作、基本上無污染，但爐溫均勻性差、工藝成本仍然較高、工藝時間較長、待處理件清潔要求高，這不容忽視，也是生產中技術人員急需解決的問題。
五、結語
離子氮化是四缸球鐵曲軸表面強化的首選工藝，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度的同時，變形量不超差。雖然離子氮化設備有一定的局限性，但通過科學的裝爐方式和優化工藝操作，就能實現產品的特性要求。目前，離子氮化的優勢特點及合理的組織結構，被許多鋼鐵制造業廠家所看好，是值得機械行業研究、推廣、應用的一種表面強化工藝。
作者：李永真；單位：濱州海得曲軸有限責任公司
