G03氣缸套氮化變形的分析與工藝控制

趙躍忠

（武漢船舶職業技術學院工程訓練中心，湖北武漢 430050）

氣缸套是發動機的核心部件，工作條件極其惡劣，其磨損情況很大程度上決定了發動機的維修周期。為此，越來越多的發動機廠家和用戶選擇將氣缸套內表面進行熱處理，其中離子滲氮工藝，由于其處理溫度低、變形小、抗腐蝕、抗疲勞效果好，得到了廣泛應用。但筆者在生產實踐中發現，由于滲氮工藝選擇及操作不同，零件尺寸會產生一定程度的變形。本文通過對G03氣缸套離子滲氮前后內孔尺寸變化的數據統計分析，找出其變形的相關規律及主要影響因素，采取相應措施有針對性地加以控制。

1 氣缸套工藝流程及熱處理情況

G03氮化氣缸套制造過程為：采用離心鑄造—粗加工—去應力退火－半精車－鏜孔－深孔粗精珩磨－精車－銑－鉆－鉗－離子滲氮－拋光。

去應力退火控制工藝為：溫升過程，溫升不超過90℃／h；保溫階段，560±10℃，3h；冷卻階段，溫降不超過60℃／h，直到150℃或以下再空冷。

離子滲氮采用LD－150離子滲氮爐，每爐容量16件，分上下兩層裝爐。離子氮化溫度為510～530℃，保溫時間16h，實測化合層HV0.1≥700、深度≥5～10um；近表層HV0.4≥550、深度≥0.05mm；擴散層（大于基體50HV處測得）深度≥0.20mm（表面拋光后測定的深度）。氮化層表面狀況、脆性等均應符合滲氮層技術要求。qiu均符合滲氮層技術要

2 G03氣缸套氮化前后內孔尺寸及橢圓度變化情況

2.1 氣缸套氮化前后內孔實測尺寸變化情況

為便于更好地分析氮化前后尺寸的變化情況，將缸套上下死點和中間位置作為尺寸測量控制點，如圖1所示。同時將氮化前后各控制點的最大和最小尺寸及其均值作為變形情況的計算依據。具體數測量數據見表1所示。

圖1

2.2 氣缸套氮化前后內孔尺寸及橢圓度變化情況

為更好地反映氮化前后內孔變化的情況，將實測的數據進行處理，可以得到氮化前后內孔尺寸及橢圓度變化，具體數據見表2。

表1 G03氣缸套氮化前后尺寸情況匯總表

表2 氮化后尺寸與橢圓度變化情況

3 氮化前后變形情況分析及控制措施

3.1 氮化前后尺寸變化情況分析及控制措施

從表1、表2可見，經去應力退火后進行氮化處理的G03氣缸套，其內徑變形量基本上呈收縮的趨勢，其變形量很小，其變形量在0～0.03mm之間，變形量均值為0.02～0.03。與其Φ300H8（＋0.052）相比相當于一半的公差量。可以采用控制氮化前加工余量的方法加以控制，內徑取距下公差＋0.03mm，上公差不變（＋0.052mm）的方式。通過此方法，經長期生產驗證，氮化前后的尺寸精度能滿足圖紙技術要求。

為有效地控制尺寸變形，在實際生產中，還對氮化升溫及降溫工藝進行了改進。升溫時，當氮化爐內溫度達到300℃時，安排1～2h的恒溫處理，主要是進一步對氣缸套進行定形處理。降溫時，適當延長在爐內的時間，當爐溫低于100℃時出爐。通過這兩個步驟的控制，經過長期觀察，其對控制尺寸變化有明顯效果。

3.2 氮化前后內孔橢圓度變化情況分析及控制措施

從表1、表2可見，經過氮化處理后，其內孔橢圓度也有所變化，但其變形量與尺寸變化相比更小，其變形量在0～0.02mm之間，變形量均值為0.01左右，可以滿足技術要求。通過長期生產跟蹤，氮化前后的內孔橢圓度偶爾也有超差現象。通過改進升溫和降溫工藝，橢圓度變化也有明顯改觀。當然，如果要更好地控制橢圓度，可以在精珩磨內孔前再安排一次定形時效處理，效果會更好。

3.3 氮化爐內分層擺放對變形的影響及控制措施

從表1、表2中的數據分析，通過嚴格控制爐內溫差不超過±5℃，以減少工件受熱不均而產生的附加熱應力；同時，氮化爐內氣缸套只要均勻擺放，并使爐內氣氛保持均勻，以免造成氮化層厚薄不一致，產生變形。通過這些方面的嚴格控制，上下層氣缸套的尺寸變化與橢圓度變化可以基本保持一致，無明顯的區別。

3.4 氮化溫度對內孔尺寸及橢圓度變化的影響及控制措施

滲氮溫度、時間對表層最高硬度、滲氮層深度有直接關系。隨著滲氮溫度的升高，滲氮層的硬度升高，當溫度達到510℃時達到極值，隨后硬度值開始下降，當溫度超過560℃～580℃時，其硬度值下降最快。

滲層溫度的升高，不僅影響滲層的硬度，還與工件的心部強度和工件的變形有直接關系。因為滲層溫度的升高必然使氮化前時效處理時的溫度提高，氮化前的時效處理溫度一般要比氮化溫度高40℃～60℃，引起滲氮件心部組織的粗化，性能變差。同時滲氮溫度的提高，必然使工件的變形增加，甚至產生線性尺寸及橢圓度超差現象。

因此，氣缸套氮化處理時，為保證具有較高的表面硬度及較深的氮化層，恒溫時的滲氮溫度不宜過高，一般選用480℃～530℃。按照G03氣缸套滲氮層深度要求，實際生產中，采用500℃～530℃溫度范圍。

3.5 氮化時間對內孔尺寸及橢圓度變化的影響及控制措施

當滲氮溫度一定時，滲氮層的深度增加遵守氮化時間平方根的正比關系，隨時間的增加而提高，當時間延長到一定極限時，深度增加量反而會下降［1］。因此，為了增加滲層而過多地延長滲氮時間是沒有意義的，也不經濟。滲氮時間的確定是一個多因素的工藝參數，一般要通過生產實踐，反復試驗來加以確定。通過多次反復比較，實際生產中氮化時間采用16h。

3.6 氮化對氣缸套內孔表面粗糙度的影響及控制措施

氣缸套在氮化過程中，內孔表面由于氮化物的強烈聚集，會形成不同程度的脆性層，降低表面粗糙度。離子氮化形成的脆性層很薄，對表面粗糙度要求不高的機械零件，可以直接使用。但對于氣缸套表面，工作條件惡劣，在發動機早期磨合過程中，脆性層在活塞環的壓力下會造成破碎，引起磨合期拉缸。為此，筆者認為，對于中高速發動機，氮化后的內孔表面需安排拋光處理，將脆性層去除而不影響氮化層的作用。

4 結 語

本文涉及到一些工藝參數是在我單位生產G03氮化氣缸套時，通過長期摸索得到的比較優化的方案。實際生產中，會由于氣缸套材質不同、缸套缸徑和壁厚不同、氮化爐性能差異等因素影響，最終得到的結果會有較大的區別。必須視具體情況加以科學地全面考慮，正確選擇工藝路線和氮化工藝規范，正確實施，才能有效地控制和減少氣缸套氮化引起的變形，提高產品質量。

1 J.Mongis.鑄鐵的離子氮化［J］.國外熱處理，1991，12（4）：16～21.

2 王志成.氮化變形及控制方法的研究［J］.電站輔機，1999（6）：1－5.

3 黃曉峰.零件氮化變形的分析及控制方法［J］.鹽城工學院學報，2001，14（3）24－26.

4 陳 琦，彭兆弟.鑄造技術問題對策（第二版）［M］.機械工業出版社，2008：526－527.