曲轴疲劳试验机性能介(球铁曲轴的离子氮化工艺)

曲轴是内燃机中最重要的零件之一，它与气缸、活塞、连杆等组成发动机的动力源装置，并由曲轴向外输出功率。曲轴工作时承受反复弯曲和扭转负荷，而主轴颈和连杆颈在高速旋转下还要承受强烈的摩擦。因此，曲轴的损坏形式主要是疲劳引起的断裂和轴颈的磨损。采用离子氮化强化处理就是为提高曲轴的疲劳强度和耐磨性。我公司生产的4105型带芯孔球墨铸铁曲轴（见图1），通过离子氮化处理，取得一定的效果。

一、离子氮化工艺简介

所谓离子氮化，就是在小于2000Pa的低真空含氮气氛中，利用工件（阴极）与阳极之间产生的辉光放电电离气体，正离子轰击工件表面使之加热并通过一系列的物理、化学过程形成氮化层的化学热处理工艺。它也是表面强化工艺，不仅提高工件表面耐磨性、耐腐蚀性，也提高工件疲劳强度。

钢铁工件基体，一般是游离的α铁素体、珠光体，即α铁素体和碳三铁的机械混合物等多项组织。α铁素体是溶入碳和其他元素的晶体点阵为体心立方的铁的固溶体。氮元素渗人α铁素体中，会引起晶格畸变，一方面是固溶强化作用；另一方面，会造成体积涨。那么，就要求离子氮化前的基体组织游离的α铁素体不大于5%，以便控制变形量在要求的范围内。

氮化设备采用PN-Ⅱ脉冲电源等离子体氮化炉，无需对芯孔、配重孔、斜油孔等进行堵塞防护，但氮化前状态很重要，要求其洁净、干燥、无锈、无残留铁屑。

图1 4105型带芯孔曲轴

二、离子氮化工艺过程

4105型曲轴，材质为QT800-4；氮化技术要求：化合层≥0.01mm，氮化层≥0.10mm，跳动≤0.06mm，轴颈涨0～0.003mm。工艺流程：清洗→装炉→抽真空→升温→保温氮化→冷却→出炉。

1.设备要求

（1）30min内，炉体抽空气达极限真空度≤6.7 Pa；炉体渗漏程度指标压升率≤0.13Pa/min。

（2）应设置调节抽气速率的真空泵，保证氮化过程所需的介质压力符合要求，而且不致引起拉弧、过流。

（3）冷却水系统应设置保护，确保其管路完好无泄露、水质洁净、出水温度不超过50℃。

（4）及时清理炉壁、阳极底盘上的沉积溅射物，确保氮化工艺过程所需的气氛要求。

2.清洗

清洗待渗工件油泥、污物，清理残留的铁屑及锈斑，确保干燥、洁净。清洗在离子氮化过程中非常关键的环节，曲轴斜油孔、芯孔附着的铁屑、油污、锈斑等，在升温过程中，会引起持续不断的拉弧，一直把污物等清理掉才会停止。集中连续拉弧容易造成局部烧伤。

图2 4105型带芯孔曲轴离子氮化工艺

3.装炉方式

（1）品种

同炉处理的待渗件，可为同种、表面积及重量比接近的产品。如能保证质量，可混装。

2）放置

把图1所示的有芯孔、配重孔的4105型曲轴放外圈。因起辉面积大，相对温度高，靠近炉壁，散热快；无内孔四缸曲轴（如朝柴4102），没辉光集中造成的偏高温度，放中圈和里圈。中圈、里圈散热条件差，如图3所示。

（3）数量

同一层次，装35条，摆放三圈。可根据类型、表面积不同，在确保氮化质量、摆放次序及间隙合理的前提下，进行调整；充分利用炉体的空间，四缸曲轴摆放双层，不仅提升产能，也能聚集热量，效果较单层会好些。

（4）间隙

同一圆周上，应均匀摆放。中圈、里圈因散热条件差，应稀疏些，轴间距≥15mm；外圈散热条件好，应致密些，轴间距≥10mm。确保形成辉光所需的间距及炉内温度均匀性的要求。

（5）加辅助阴极

上层曲轴小头部位加阴极罩，以防热量散失，且在小头一主最薄弱轴颈形成辉光层，进而产生氮化层。

图3 两种曲轴双层摆放

4.操作要求

（1）抽真空

用2X-70A旋片式真空泵抽出炉内空气，30min内抽真空到小于50Pa，才可点燃辉光升温。

（2）点辉光

逐渐调电压至550V左右，将电源的脉宽调为15μs，电源的接通率为10%～15%，进行可控弧光放电清理。电压渐增至850V，炉内辉光稀少时，清理结束，温度达到100℃左右，炉内压力为50～130Pa。

（3）升温

①曲轴本身结构复杂，且球墨铸铁导热性差，在升温过程中易变形。应采用缓慢升温、阶段保温的措施，可把变形量降至最低，以满足要求。

②随着点弧清理结束，脉冲电源的脉宽调至80μs左右，电源接通率70%左右，逐渐增大电压、电流加热曲轴，但不能引起持续拉弧。

③当炉温到200℃即可通氨气0.3L/min，到300℃通氨气0.5～0.8L/min，升温速度控制在小于1℃/min。

④400℃以上时，芯孔、配重孔的曲轴易畸变，控制电压、电流、通氨量；保温稳定1h后，再控制升温速度，缓慢升温到规定保温温度。整个过程应逐步交替升高气压、电压使电流的增大不至于产生弧光放电。

（4）保温

当炉温到530℃时，进入恒温保温氮化阶段，通氨气1.0～1.6L/min、二氧化碳0.3L/min，调整通氨量、真空泵抽气速度，使介质压力达500～600 Pa，保温4h。

（5）冷却

停机、停泵，及时开启循环冷却水系统，出水温度不应该超过50℃，冷却过程约6h。到200℃以下时，充入空气后开炉。

三、氮化结果检验分析

（1）曲轴本体

外观呈银灰色或暗灰色。抛光后，检测跳动量0.05～0.15mm，经圆角滚压校直，就可满足要求。轴颈肿胀量在0～0.002mm，符合图样要求。

（2）试块

对随炉4试块进行检验，表面硬度达到700HV0.1；化合层0.01～0.012mm，扩散层0.10～0.13mm，见图4，满足技术要求。氮化层的化合层是铁及合金元素的氮化物，组织致密、硬度高且性能稳定，又有扩散层作基础，不致表面的化合层剥落，从而提高了曲轴的耐蚀性和耐磨性。

（3）疲劳试验

用PDC-1疲劳试验机检测其样品的中值疲劳极限是1850N·m，比不氮化曲轴中值疲劳极限1600 N·m提高15%以上。这是因为氮化层具有残余压应力，且氮原子的渗入，打破铁原子的平衡状态，起到固溶强化的作用，防止疲劳裂纹源的产生和裂纹的扩展，从而提高其疲劳强度。

四、工艺过程的特点

（1）该类型离子氮化设备采用辐射加热的方式，炉体内加热区存在温度不均匀性，那么整炉工件氮化效果也不均匀。采用如图3装炉方式和图2工艺操作要求就能改善这一状况，且取得一定的效果。

（2）二氧化碳在氮化过程中起催化作用，活化表面，促进对氮元素的吸收、促进化合层的形成，提高离子氮化效率，工艺过程约20h，相对原先的约30h的工艺过程，效率提高50%。

（3）致密的化合层0.01～0.012mm，一定深度的扩散层0.10～0.13mm，对球铁曲轴是较理想的氮化效果，在提高疲劳强度、耐磨性、耐腐蚀性的同时，不致引起尺寸变形超差。

（4）离子氮化后轴颈肿胀变形是正常的，它与氮化层的深度、氮化物的浓度都有关系，一般轴颈涨的幅度与氮化层总深度的比例为2%～3%，在氮化前的最后一道工序预留加工量，经氮化就可达到图样的要求。这一措施也行之有效。

（5）PN-Ⅱ脉冲电源等离子体氮化炉，一电气柜控制两设备，当一设备保温结束，立刻启动另一设备。节省了空间，相对来说，也提高了效率。设备价格低廉，

（6）离子氮化工件表面质量好、易抛光、产能高、温度低、变形量比气体氮化小、工艺过程易操作、基本上无污染，但炉温均匀性差、工艺成本仍然较高、工艺时间较长、待处理件清洁要求高，这不容忽视，也是生产中技术人员急需解决的问题。

五、结语

离子氮化是四缸球铁曲轴表面强化的首选工艺，表面形成0.010～0.012mm的化合层、0.10～0.15mm的氮化层，是比较好的效果，在提升耐磨性及疲劳强度的同时，变形量不超差。虽然离子氮化设备有一定的局限性，但通过科学的装炉方式和优化工艺操作，就能实现产品的特性要求。目前，离子氮化的优势特点及合理的组织结构，被许多钢铁制造业厂家所看好，是值得机械行业研究、推广、应用的一种表面强化工艺。

作者：李永真

单位：滨州海得曲轴有限责任公司

来源：《金属加工（热加工）》杂志