浅谈气缸套的气体软氮化工艺处理

郑永晴

（江苏省洪泽县华晨机械有限公司）

为了提高气缸套制造的经济性和工艺性，使缸套内表面获得耐热、耐磨和耐腐蚀的性能，国内外缸套设计者与制造商们常用的方法是对缸套内表面通过热处理或化学热处理进行强化，包括：盐浴氮化、气体氮化、离子氮化等手段都是提高缸套工作面耐磨性的一些有效方法。其中有着环保与成本优势的气体氮化工艺较其他强化方法被更多的运用。

气体氮化又分软氮化、硬氮化，软氮化：学名“碳氮共渗”，氮化层硬而具有一定的韧性，渗入钢／铁表面的元素以氮为主，同时添加了碳。碳的加入使表面化合物层 （白亮层）的形成和性能得到明显的改善。氮碳共渗的着眼点是希望获得一定厚度 （一般为10～20μm，也有要求20μm以上的）硬度高、脆性小、没有或很少疏松等性能优良的白亮层，

相对于软氮化，硬氮化则是单纯的 “渗氮”，也有人称为常规氮化。渗入钢／铁表面的是单一的氮元素，采用氨气 （NH3）作渗氮介质，渗氮的着眼点是希望获得较深厚度 （0．1～0．65mm，也有要求更深一些的）具有高硬度的呈弥散状的合金氮化物层 （即扩散层），对于出现外表层的化合物层（白亮层）则希望尽可能的浅簿，甚至希望没有。

根据软氮化与硬氮化的特点，结合我公司生产的气缸套产品的客户对于表面化合物层 （即白亮层）的要求，表面化合物层深度：3－15μm，表面硬度：≥450HV，我们选择了气体软氮化的工艺处理方式。

2 缺陷分析

我公司接到国外客户的订单，在实际生产过程中，常常由于氮化后缸套内表面粗糙度超差，导致产品不合格 （见下表），通过对内孔进行仔细观察发现：缸套内表面有剥落现象，目测明显，有手感，见图1，但进行着色探伤没发现有孔穴，因此判断不是铸造缺陷，而是浅表层的斑驳现象，正是由于表面斑驳的存在，导致表面粗糙度超差，产品不合格，严重时报废率达到50%以上，严重影响交货期，为此公司技术人员采取鱼刺图方式，分析缺陷发生原因，见图2。

图1

图2

图3 ×400

首先分析一下现有的氮化工艺：以不大于100℃／H的速度升温到560－600℃，保温10－12小时，以不大于50℃／H的速度随炉冷却至200℃以下，出炉。

该工艺可以保证客户提出的氮化后表面化合物层深度及氮化表面硬度的要求，但由于氮化温度高、保温时间长，造成产品变形严重，缸套内表面石墨脱落较多，表面粗糙度超差，产品不合格；为此，需要对该工艺进行改进。

产生表面剥落的另一个原因：氮化前、后内表面需要进行珩磨加工，以实现表面粗糙度要求，如果磨削压力过大，金刚石砂条强烈的撕拉内表面，导致石墨脱落，也形成表面剥落。

根据鱼刺图分析，造成氮化表面剥落的主要原因，分别是：1、法：氮化工艺不合理、珩磨工艺不合理；2、料：缸套金相组织石墨粗大、氮化前内表面存在石墨脱落现象、内孔余量大。因此解决表面剥落的重点应该放在氮化工艺、氮化前、后的珩磨控制以及铸造时金相组织的细化上。

表1 ：内表面粗糙度 氮化前

内表面粗糙度 氮化后要求：Rz：2－8μm

产品编号 氮化后 （粗糙度仪：T1000）Ra Rz Rmax 1．825 11．57 16．07 1．828 13．29 18．27 1．856 13．02 17．27 1．387 9．14 10．26 1．664 11．24 12．73平均値 1．712 11．65 14．92 3

3 工艺试验

针对鱼刺图分析的原因，我们主要在以下方面作了调整：

3．1 氮化温度与氮化时间的调整

氮化时间与氮化温度直接影响着氮化层的深度与硬度，但也并非成正比，Fe－N系的共析温度为590℃，Fe－C－N的共析温度为560℃，当接近此温度时，α－Fe对氮具有最大的固溶量，所以氮化的适宜温度为560－570℃左右，试验证明：520－570℃范围内，表面硬度相差不大，但低于520℃，硬度会明显下降，因此原工艺中保温温度设定为570－590℃，显得多余了，同时试验不同的保温时间，氮化层深度随时间延长而增加，但开始时增加较慢，时间短，氮化层浅，表面硬度提高不高，同时缸套为铸件，含碳、硅量高，阻碍氮原子的渗入及扩散，因此必须适当延长氮化时间，经过试验，4－6小时即可，超过6小时，氮化层的深度增加量变少，因此我们取5小时为宜。

3．2 氮化前后珩磨工艺的控制

首先氮化前珩磨余量必须控制好，最好在0．05－0．08mm为宜，压力≤20kg，压力过大，磨削时间长，效率低，过小不足以修正内孔；氮化后由于表面比较硬，抛光余量更要小，只要够修圆即可，切不可加大余量，因此要控制氮化前的内孔尺寸，以保证氮化后的珩磨抛光很小的余量。还可以选用较软的砂条，选用较小的珩磨压力，以避免氮化表面出现的石墨脱落现象。

氮化后的抛光余量若大会降低缸套有效的氮化化合物层深度，因此必须有效控制氮化前内孔尺寸，来控制氮化后的抛光余量，避免氮化后内孔缩小，为实现缸套内孔图纸尺寸，而加大珩磨余量，使氮化层被磨去，即不经济，也容易出现内孔氮化脱落。

3．3 控制氮化变形

缸套变形大，严重时内孔圆柱度达0．06mm，超出图纸要求，即使氮化后再对内孔进行珩磨抛光，也无法纠正圆柱度偏差。主要原因是机加工应力太大，没有得到释放，或者是回火工艺有偏差，没有实现消除应力的作用，我们对比回火与没有回火的缸套氮化试验，回火的缸套氮化后较没有回火的缸套变形要小许多。因此对于需要氮化处理的缸套一定要在粗加工后进行去应力退火，对于个别内孔圆柱度要求高的品种，甚至需要进行二次回火，以减少产品变形，满足产品圆柱度的要求。另外造成产品氮化变形的因素还有：炉内温度均匀性、氨气流通不畅以及装炉不当等方面。

表3 ：表面硬度 （HV）分布硬度计：数显维氏硬度计

3．4 铸件的金相组织

氮化处理的过程是对缸套表面进行腐蚀的过程，是碳、氮原子被工件表面吸收，并向金属内部扩散的过程，缸套本身铸件碳硅当量较高时，表现在石墨粗大，与基体的结合不是很牢固，影响产品力学性能，因此在氮化过程中表面的石墨会脱落，在缸套表面形成一个个小小的凹坑，严重时有明显的手感，因此对于铸件本身而言，我们通过调整碳硅当量来改善石墨形态，控制石墨脱落。

4 试验结果

通过新工艺的实行，氮化时间较原工艺缩短1／4，氮化变形也得到了很好的控制，表面脱落现象得到了有效的控制，表面粗糙度满足了客户的要求 （见表2），产品合格率大大提升。产品的性能完全符合甚至超出了客户的要求，客户对表面硬度的要求只有450HV，而我公司产品硬度在距表面0．06mm仍然可以实现客户450HV的要求，整个产品硬度由表及里稳步递减，见表3，工艺的改善扭转了交付不及时的现象，同时也为公司节约了大量的制造成本。

表2 ：氮化后表面粗糙度 （要求Rz：2－8μm）粗糙度仪：T1000