船用氣缸套氮化層珩磨脫落問題的探討

呂凌

摘要：船用氣缸套進行氮化處理可以顯著提高氣缸套耐磨損、耐腐蝕、耐疲勞等性能，但是氮化后的氣缸套內孔需要再次珩磨拋光，可能會出現內孔表面氮化層脫落的現象。造成氣缸套氮化層珩磨脫落的原因有很多，筆者主要從鑄件自身的角度，通過對氣缸套機械性能、金相組織進行多次抽樣檢測，歸納分析原因，并提出解決措施。

Abstract： The nitriding treatment of marine cylinder liners can significantly improve the wear resistance， corrosion resistance and fatigue resistance of the cylinder liner. However， the inner hole of the nitrided cylinder liner needs to be honed and polished again， and the nitride layer on the inner hole surface may fall off. There are many reasons for the honing and shedding of the cylinder liner nitride layer. From the perspective of the casting itself， the author conducts multiple sampling tests on the mechanical properties and metallographic structure of the cylinder liner， summarizes and analyzes the reasons， and proposes solutions.

關鍵詞：氣缸套;氮化層脫落;碳當量;過程控制

Key words： cylinder liner;nitride layer peeling off;carbon equivalent;process control

中圖分類號：TK426? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0069-02

0? 引言

氣缸套是船舶發動機的核心零件之一，是船舶發動機的心臟。為了提高氣缸套的使用壽命，增強發動機的使用性能，工藝上常常采取氮化、碳氮共滲、鍍鉻、滲陶、激光淬火等熱處理手段對氣缸套進行強化處理，其中氮化處理是國內外普遍采用的強化工藝。氣體氮化是氮化處理方式之一，其工藝簡單，投資少，經過氮化處理后的氣缸套內表面顯微硬度可高達1000HV0.1，氮化擴散層深度可達0.3mm，氣缸套使用壽命增加約1/3，且氣缸套不易出現拉缸現象，降低了發動機的維護成本。所以，氣缸套氮化處理得到了廣大用戶的普遍認可和接受。

1? 氣缸套氮化層珩磨脫落

為了使氣缸套具備較高的力學性能或者獲得耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等特殊性能，氣缸套的材質一般選用合金鑄鐵，我公司總結歸納常見的6類合金鑄鐵材質為：鉻鉬銅鑄鐵、釩鈦鑄鐵、中高磷鑄鐵、銅鎳鉻鑄鐵、硼銅鑄鐵、鉻鉬銅鎳高性能鑄鐵。氣缸套合金鑄鐵材質的化學成分中一般含有C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、Cu、Ni、V、B等化學元素，不同的化學元素組成和含量配比可形成千差萬別的機械性能。

在氣缸套制造工藝上，經氣體氮化后的氣缸套內孔需要進行珩磨拋光以達到氣缸套內孔的設計要求，無論選用哪種合金鑄鐵材質，如果沒有合理的化學元素組成和含量配比，均容易產生氣缸套內孔氮化層珩磨脫落的缺陷。

該缺陷的特點是在氣缸套的內表面形成深淺不一的凹坑（空穴），經過仔細觀察，肉眼可見，嚴重時有明顯手感。在發動機工作過程中，這些空穴在發動機活塞運行至上止點時儲存了潤滑油，活塞下運行時油環無法將空穴中的潤滑油刮下，滯留在空穴中的潤滑油隨燃油一起燃燒掉，造成發動機機油耗增大，行業稱之為“燒機油”。空穴的數量和空穴的深度決定機油耗的多少，給用戶帶來了不必要的經濟損失，這種缺陷是用戶所不愿接受的。

2? 用戶現場使用反饋情況

我公司最早于2002年開始介入船用氣缸套的研發與生產，在起步階段客戶訂購的氣缸套不需要進行氮化處理，因此不存在用戶反饋氣缸套氮化層脫落的問題。隨著公司業務量地不斷擴大，逐漸開始承接氮化氣缸套的訂單，到2015年時，我公司在國內氮化氣缸套市場的業務量占據了近一半的市場份額，生產的氮化氣缸套涵蓋：Φ170、Φ190、Φ210、Φ230、Φ250、Φ260、Φ280、Φ300、Φ320、Φ330、Φ360等多種規格型號。由于氮化氣缸套業務量地不斷擴大，氣缸套氮化層脫落缺陷暴露的油耗上升問題隨之而來。

據客戶現場反饋，某種型號的氮化氣缸套在裝機運行階段中，發動機機油耗由原來正常的8-10g/kW·h上升到10-30g/kW·h，客戶在完全排除了發動機異常增加負荷及其他零部件運行故障后，觀察拆解的發動機氣缸套內孔可見密集型空穴，密集型空穴出現在某臺發動機的全部或大部分氣缸套上。這些密集型空穴證實是氮化層脫落形成的，圖1、圖2是從客戶現場采集的氣缸套內孔氮化層脫落的表面圖片。

根據客戶現場出現的氣缸套氮化層脫落現象，我們對氮化氣缸套產品生產批次進行了追溯，重點從鑄造毛坯件的機械性能、金相組織的角度尋找原因，探討鑄造工藝的制定是否存在不合理的地方。

3? 氣缸套抽樣檢測分析

通過對同一品種，氮化層不同脫落程度的氣缸套進行多次解剖分析，發現氣缸套氮化層脫落程度與氣缸套的基體硬度、石墨長度與形態存在直接關系，而影響氣缸套基體硬度、石墨長度與形態的根本因素是材質化學成分中的碳、硅、磷等元素的含量。摘錄某一品種，氮化層不同脫落程度的氣缸套化學成分、硬度、石墨的抽樣檢測結果，如表1所示。

碳、硅是可以強烈促進石墨化的元素，是鑄鐵中的重要組成元素。人們將碳、硅等元素對共晶點實際碳量的影響折算成碳的增減，用碳當量（CE）表示。由于一般鑄鐵中硫含量很低，而錳元素的影響又相對較小，因此常常用簡化公式：CE=（C+1/3（Si+P））%。當碳當量提高時，會促使石墨片數量增多，石墨片變粗，導致硬度降低。當碳當量降低時，石墨片數量減少，石墨片細化，使得硬度提高。

從表1中可以看出：隨著碳當量（CE）的下降，氣缸套的石墨長度縮短，氣缸套本體硬度增加，氮化層脫落越趨輕微。隨著碳當量（CE）的降低，氣缸套本體硬度不斷提高，氮化層脫落問題完全消失。圖3-圖5是氣缸套氮化層脫落程度與石墨長度、形態對應的照片。

4? 氮化層脫落原因與解決措施

氮化處理是指在一定的溫度下，使活性氮原子滲入工件表面的化學熱處理工藝。我公司采用氣體氮化的方式對氣缸套進行氮化處理，將氣缸套置于滲氮爐內，爐內通以流動的氨氣（NH3）作為滲氮介質，以一定的速度升溫到520-590℃，然后保溫4-8小時。爐內的氨氣熱分解出活性氮原子：2NH3→3H2+2[N]，氫氣排出燃燒，活性氮原子則被氣缸套表面吸收并溶入表面，在保溫過程中由表向里擴散，形成滲氮層，改變了氣缸套表層的化學成分和組織，從而提高了氣缸套耐磨損、耐腐蝕、耐疲勞等性能。

因氣缸套氮化過程中存在碳氮結合的化學反應，并最終形成以碳氮化合物為硬質相的表面附著層，附著在氣缸套表面上，其附著牢固程度取決于氣缸套基體中的石墨量和石墨粗大程度。當碳當量提高時，氣缸套基體中石墨量變多，石墨變粗大，碳氮化合物硬質相層附著在氣缸套表面的抓力就變小，氣缸套珩磨時越容易造成氮化層剝離脫落。碳當量降低時，氣缸套基體石墨變細小，基體硬度提高，碳氮化合物硬質相層附著在氣缸套表面的抓力就變大，氣缸套珩磨時氮化層越不易剝離脫落。

因此，為了克服氣缸套氮化層珩磨時脫落的缺陷，熔煉鐵液時我們可以通過合理的爐料配比，獲得合理的碳當量，同時控制好鐵液的熔煉溫度、冷卻速度、隨流孕育等過程因素，對鑄造工藝制定的合理性展開產前驗證，加強爐前光譜分析儀檢測分析的準確性，保證鑄件基體的硬度，保證鑄件的石墨數量、石墨形態和石墨長度，使鑄件具有良好的金相組織，從而獲得高性能的氣缸套鑄件，進而有效控制氮化層脫落的不良現象。

5? 結束語

文章主要從氣缸套鑄件自身金相組織、機械性能的角度出發，通過多次抽樣檢測，歸納總結，闡述了船用氣缸套氮化層珩磨脫落與石墨數量、石墨長度、石墨形態、基體硬度以及碳當量的關系，認為碳當量決定了石墨數量、石墨長度和石墨形態，進而影響了氣缸套的基體硬度。碳當量不合理是造成氣缸套氮化層珩磨脫落的內在因素，提出通過控制碳當量在合理的范圍，并嚴格控制鑄造過程，加強鑄造工藝產前驗證與爐前光譜分析管理，以解決氣缸套氮化層珩磨脫落的問題。

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