船用發動機缸套等離子淬火技術應用

龐朝斌 張新亮 楊尚剛

摘要：等離子淬火技術是近年來發展較快的一項技術，它利用高能量密度的等離子束對缸套內表面進行快速掃描加熱，溫度到材料相變點以上，依靠自身基體的熱傳導迅速冷卻下來，奧氏體轉變成馬氏體，在氣缸套表面形成高硬度的針狀馬氏體組織，從而提高氣缸套的硬度和耐磨性，同時硬化層內殘留有壓應力，從而增加了表面的疲勞強度和使用壽命。本文探索在不降低缸套質量的前提下，研究缸套等離子淬火技術進行缸套生產可行性，達到降低生產成本的目標。

關鍵詞：缸套;等離子淬火;耐磨性

中圖分類號：U661.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0018-02

1? 項目提出背景

缸套作為柴油機的重要件之一，缸套的質量直接關系到柴油機的性能、使用壽命、安全可靠性以及經濟性。缸套在工作的過程中內表面受到高溫高壓燃氣的直接作用，內孔始終與活塞環發生高速滑動摩擦，缸套惡劣的工作條件決定了缸套需具有足夠的強度、剛度和耐熱性能，還應具有較好的耐磨性。目前，我司缸套內孔工藝路線采用珩磨平頂網紋+氮化處理+內表面拋光處理的生產方式。該生產方式在滿足缸套產品性能的同時，制造成本居高不下。有必要實施一種新的工藝方法，在保證缸套零件性能同時能降低生產成本。

2? 技術路線

2.1 缸套等離子淬火技術簡介

等離子淬火技術是近年來發展較快的一項技術，它利用高能量密度的等離子束對缸套內表面進行快速掃描加熱，溫度到材料相變點以上，靠自身基體的熱傳導迅速冷卻，奧氏體轉變成馬氏體，在氣缸套表面形成高硬度的針狀馬氏體組織，從而提高氣缸套的硬度和耐磨性，同時硬化層內殘留有壓應力，從而增加了表面的疲勞強度和使用壽命。

2.2 等離子設備主要技術參數

設備采用工業控制型淬火系統。等離子淬火設備組成包括等離子發生器、機械運動結構、工業控制系統、冷卻水循環系統。處理過程中缸套做旋轉運動，離子發生器做往復運動，最終在缸套內壁形成網絡紋。該設備的主要技術參數如下：

電源電壓：交流380V/3相;

工作行程：≤600mm;

加工缸孔直徑：≥？覫62mm;

表層淬火硬度：800-1000HV;

淬火深度：0.06-0.25mm;

淬火軌跡寬度：≤3.5mm;

硬化面積：0-100%，可調;

雙層網紋頭數：1-99;

螺旋紋螺距：1-10mm。

2.3 缸套等離子淬火工藝實施過程

首先工藝參數的選擇：試驗過程中在不改變其它參數設定的條件下，研究等離子淬火工作電流對等離子淬火層的硬度、深度和寬度影響。根據缸套的設計壽命和缸套磨損極限確定等離子淬火層的深度。根據缸套的等耐磨性原則，確定淬火網紋的形式及網紋疏密。在工藝參數確定后，進行缸套試件的加工，研究等離子淬火工藝對缸套內孔變形的影響。最后進行等離子淬火工藝缸套可行性驗證：一臺發動機分別安裝氮化缸套和等離子淬火缸套，在發動機額定負荷下運行一定的時間，拆缸檢查確定等離子淬火缸套與氮化缸套的磨損及變形情況。

3? 缸套等離子淬火主要研究內容

3.1 缸套等離子淬火參數選擇

3.1.1 等離子淬火電流大小的確定

等離子淬火過程中，工作電流對等離子淬火層的深度、寬度及缸套內孔變形均有影響。在其它工藝參數不變的情況下，等離子淬火電流越大，氣體介質的電離度越高，等離子束的能量和密度均相應提高，淬火帶的硬化層深度和淬火帶的寬度也越大。試驗用缸套材質為鈮合金鑄鐵，掃描速度10m/min。經過對不同電流大小對試件加工及檢測，不同淬火電流對淬火深度、寬度及淬火層硬度影響，見附表1。

缸套等離子淬火合適電流為80-85A，硬化寬度達到3mm，淬火層深度0.15-0.2mm，淬火層硬度HV900。淬火電流過低淬火深度達不到要求，淬火電流過大超過85A，缸套表面會有燒熔，在離子束的沖力下會發生飛濺，造成缸套表面燒蝕，缸套表面粗糙度變差。

3.1.2 等離子淬火缸套網紋型式選擇

等離子淬火設備控制系統可以實現等距螺旋線軌跡和交叉網紋軌跡兩種形式的網紋軌跡。為避免缸套不均勻磨損及密封不嚴風險，試驗選擇交叉網紋形式采用不同區域不同疏密來實現缸套內孔表面的等耐磨。缸套頂部磨損嚴重故選擇相對密集的淬火網紋。缸套中下部選擇較疏的網紋進行淬火通過不同疏密網紋策略，去實現整個缸套的均勻磨損。淬火過程中缸套是靠基體冷卻的，網紋過密，淬火密度過大，會造成缸套淬火后整體缸套整體溫度過高會對淬火層退火，降低淬火層的硬度。缸套交叉網紋見圖1。

3.2 等離子淬火對缸套內孔變形影響研究

缸套在淬火過程中受溫度影響會產生變形，淬火過程中溫度升高會引起缸套內應力的釋放，內孔變形過大會影響缸套的密封。因此有必要對等離子淬火缸套變形量進行測量和控制。在批量加工前，試驗對等離子淬火前后缸套內孔數據進行測量。等離子淬火前對缸套X—Y方向標記，便于相同方向和位置的重復測量。試驗分別測量了淬火前及淬火后缸套內徑尺寸，缸套內徑基本尺寸為？覫170mm，缸套等離子淬火前后內徑對比見圖2。

由缸套淬火前后內徑測量值可知：淬火后缸套內孔淬火區域缸套內徑產生微縮量，縮量約0.02-0.03mm。另外，淬火后缸套內孔淬火區域表面粗糙度變差，需采用軟木油石進行拋光處理，保證缸套內孔表面粗糙度要求。

3.3 缸套等離子工藝的可行性驗證

試驗發動機為直列、四沖程增壓柴油機，功率600kW，轉速1500rpm。第1至第3缸安裝氮化缸套，第4至第6缸安裝等離子淬火缸套，進行對比試驗。試驗在發動機額定負荷下運行200小時，然后對柴油機缸套進行抽缸檢查，測量缸套內孔的變形及內孔磨損情況，拆檢缸套圖片見圖3，試驗前后缸套內徑對比見附圖4。

由測量數據知，在發動機運行200小時后，等離子淬火缸套和氮化缸套內徑在圓度上均有變化，在與發動機軸線垂直方向上缸套孔橢圓度變大，圓度變化主要是由缸套在工作過程中受到徑向力引起的。等離子缸套及氮化缸套缸套內孔磨量損量均在0.01-0.02mm。另外，在等離子淬火缸套內交叉網紋非硬化區域有油膜形成。

4? 缸套等離子淬火技術應用效果

缸套等離子技術應用優勢：①等離子淬火缸套耐磨性與氮化缸套耐磨性相當。等離子淬火后缸套，淬火帶硬度可達到600-900HV，淬火深度達到0.15-0.25mm。另外內孔硬化帶采用交叉網紋的形式，便于缸套內表面油膜形成，增強了缸套的耐磨性。②等離子淬火缸套工藝簡單，處理后的缸套整體變形小。③缸套生產成本大幅降低，等離子淬火缸套較整體氮化缸套成本大幅下降。

等離子缸套技術應用以來，已裝船使用缸套近3萬件，船用柴油機等離子淬火缸套已取得市場的認可。船用等離子淬火缸套也從小批量裝機試運行擴展邁向全面應用階段。

參考文獻：

[1]紀蓮清，楊莉. 柴油機氣缸套表面等離子束改性工藝[J].金屬熱處理，2007，32.

[2]劉元富，李恒清，柳國萍.柴油機氣缸套等離子多元共滲研究[J].2000，28.

[3]催洪芝.鑄鐵缸套等離子淬火網紋狀軌跡交叉點的分析[J].金屬熱處理，2000，9.

[4]張平，曾慶強，蔡志海，趙軍軍，等.柴油機缸套抗高溫摩擦磨損技術研究[J].金屬加工，2011，1.