非對(duì)稱缸體零件離子滲氮變形控制研究

崔孝炎

河南精誠(chéng)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(shì)是滲氮溫度較低（520～560℃），鋼鐵材料在滲氮過(guò)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)槿绱耍左w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(dòng)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(lái)加熱的，在離子滲氮過(guò)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(guò)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(guò)熱。對(duì)于幾何形狀不同而質(zhì)比懸殊的工件，溫度會(huì)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(cè)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(duì)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(duì)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(wú)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(duì)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(duì)稱缸體零件在沒(méi)有采用輔助措施的情況下，經(jīng)過(guò)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(guò)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(duì)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(guò)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(guò)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(duì)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(yáng)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(duì)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(guò)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?jī)H為0.01mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于缸體內(nèi)壁直徑波動(dòng)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(yǔ)

本文以帶有側(cè)翼的非對(duì)稱缸體為例，提供了一種改善缸體離子滲氮過(guò)程變形量控制的方法。對(duì)于非對(duì)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(guò)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(wèn)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(wèn)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。