崔孝炎

河南精誠汽車零部件有限有限公司 河南新鄉(xiāng) 450003

1 序言

眾所周知，滲氮能有效提高鋼鐵零件的表面硬度和耐疲勞性，并能在一定程度上改善其耐蝕性能。表面滲氮處理的另一個(gè)優(yōu)勢是滲氮溫度較低（520～560℃），鋼鐵材料在滲氮過程中基體金屬不發(fā)生相變，與滲碳處理相比，表面滲氮之后的零件變形較小，可作為零件熱處理的最后一道工序[1]，零件滲氮之后，一般不再進(jìn)行其他的機(jī)械加工，正是因?yàn)槿绱?，缸體零件變形量的控制就成為離子滲氮工藝的重要環(huán)節(jié)。

目前，常用的滲氮處理主要有離子滲氮和氣體滲氮，其中離子滲氮具有能耗少、變形小、周期短、安全潔凈和適用鋼種廣泛等優(yōu)點(diǎn)，常用于耐磨性能要求高且尺寸精度控制嚴(yán)格的軸、軸承和發(fā)動機(jī)缸體等零件[2，3]。由于離子滲氮的加熱方式是靠零件自身表面的等離子體輝光層來加熱的，在離子滲氮過程中，氮原子以很高的速度沖向陰極工作面，從而實(shí)現(xiàn)滲氮并使之發(fā)熱。因此，離子滲氮過程中不需要加熱原件，同時(shí)也造成了工作表面形狀是工作溫度分布的重要影響因素。零件的表面積越大越容易加熱，若有夾縫則更容易過熱。對于幾何形狀不同而質(zhì)比懸殊的工件，溫度會有極大偏差，即使在同一工件上的不同部位，溫度也不均勻[4]。這就造成了離子滲氮溫度測量至今尚存的一道難題：即熱電偶溫度很難與工件實(shí)際溫度一致，其顯示值只可作為參考。

2 缸體滲氮工藝性分析

本研究中的缸體材質(zhì)為40Cr鋼，缸體內(nèi)壁離子滲氮后的滲層深度≥0.36mm，滲層硬度≥550HV，缸體零件如圖1所示。缸體單側(cè)焊接有固定翼，零件屬于非對稱的特殊結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行離子滲氮時(shí)，除了由于焊接時(shí)殘余的焊接應(yīng)力不對稱釋放外，在其缸體與側(cè)翼板之間形成的夾縫也極易造成電流密度較大，使這些位置溫度迅速升高，導(dǎo)致缸體加熱溫度不均勻，缸體工件筒體部分沿圓周方向形成非均勻熱應(yīng)力分布，導(dǎo)致缸體內(nèi)壁產(chǎn)生橢圓變形，無法達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)尺寸要求。前期滲氮結(jié)果顯示，對于有側(cè)翼的缸體零件若不采取相應(yīng)的輔助措施，經(jīng)離子滲氮后φ160mm孔的圓度變形超差幾乎達(dá)100%，從而造成缸體因變形而大批量報(bào)廢。

圖1 缸體結(jié)構(gòu)示意

有側(cè)翼的非對稱缸體零件在沒有采用輔助措施的情況下，經(jīng)過LDM-100脈沖式離子滲氮爐滲氮處理后缸體內(nèi)壁尺寸變化如圖2所示，可以看出缸體內(nèi)壁直徑變形量超過0.08mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出0.003mm的技術(shù)要求。分析原因筆者認(rèn)為，一方面，由于缸體為非對稱結(jié)構(gòu)，零件表面積分布不均勻，在靠近固定翼處表面積大、溫度高，而遠(yuǎn)離固定翼處的表面積小、溫度低，在滲氮過程中形成了溫度梯度，從而使缸體壁產(chǎn)生了變形；另一方面，固定翼在焊接后所形成的殘余焊接應(yīng)力也是致使缸體內(nèi)壁產(chǎn)生變形的原因。

圖2 常規(guī)離子滲氮工藝缸體變形統(tǒng)計(jì)

3 缸體離子滲氮工藝優(yōu)化措施

為改善缸體零件滲氮過程中的變形，就需要結(jié)合零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和離子滲氮的原理，對此缸體滲氮裝爐方式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。由于離子滲氮的加熱特點(diǎn)，造成了爐內(nèi)溫度的不均勻，在陰極盤的外側(cè)因工件靠近陽極爐殼（兼有冷卻水套），因此溫度偏低，而靠近陰極盤的中心部位又溫度偏高，因此裝爐擺放工件時(shí)就要內(nèi)松外緊，使工件加熱時(shí)內(nèi)外溫度盡量一致，改善后的裝爐方式如圖3所示，從而充分利用固定翼處夾縫溫度偏高的特點(diǎn)提高外側(cè)溫度，有效改善爐內(nèi)整體溫度的均勻性，降低工件內(nèi)外溫差。

圖3 帶側(cè)翼非對稱缸體優(yōu)化后的裝爐方式

為了進(jìn)一步提高爐內(nèi)缸體的溫度均勻性，采取了在側(cè)翼板上放置支柱輔助工裝的方法，如圖4所示。支柱輔助工裝沿缸體邊緣按一定的規(guī)律擺放，可以進(jìn)一步增加表面積，提高外側(cè)溫度，從而使缸體的筒體部分加熱更加均勻。

圖4 側(cè)翼板輔助工裝示意

工藝優(yōu)化后缸體滲氮處理前后，缸體內(nèi)壁兩垂直直徑（A和B）方向的直徑尺寸變化分布如圖5所示，從圖5可以看出，通過采用新的裝爐方式和側(cè)翼板輔助工裝的措施后，最大變形量僅為0.01mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于缸體內(nèi)壁直徑波動0.03mm的要求，變形得到了很好的控制，所有零件均達(dá)到了技術(shù)要求。

圖5 優(yōu)化裝爐方式后缸體離子滲氮變形分布

4 結(jié)束語

本文以帶有側(cè)翼的非對稱缸體為例，提供了一種改善缸體離子滲氮過程變形量控制的方法。對于非對稱缸體零件，結(jié)合離子滲氮爐內(nèi)溫度不均勻的特點(diǎn)，通過采取適當(dāng)?shù)墓ぜ[放方式，可有效解決離子滲氮爐內(nèi)工件加熱溫度不均勻的問題。結(jié)合必要的輔助工裝，可彌補(bǔ)工件個(gè)別部位溫度偏低的問題，從而達(dá)到工件整體均勻加熱的目的，最大限度地減小工件變形，提高離子滲氮產(chǎn)品變形的合格率。