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| 离子氮化技术介绍及应用 | |
| 武汉市等离子体技术研究所 | |
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离子渗氮作为强化金属表面的一种化学热处理方法，广泛适用于铸铁、碳钢、合金钢、不锈钢及钛合金等。零件经离子渗氮处理后，可显著提高材料表面的硬度，使其具有高的耐磨性、疲劳强度，抗蚀能力及抗烧伤性等。
离子氮化作为七十年代兴起的一种新型渗氮方法，与气体渗氮相比具有渗氮速度快、渗氮层组织易于控制、脆性小、无环境污染、节约电能，气源、变形小等优点。
脉冲电源用于离子渗氮，则是近十年来离子渗氮技术的发展，它能进一步节约能源、提高工作效率（缩短打弧时间）、工艺参数独立可调便于操作、渗件表面质量好、更利于深孔，狭缝渗氮。
随着二十多年离子氮化技术和设备的发展，愈来愈多的人们认识到离子氮化技术的重要性并加以利用，取得了可喜的成绩。下面就离子氮化技术在汽车工业的应用前景，结合我所在离子氮化工艺和设备的具体研究状况，作一简单介绍。由于我们认识能力和技术水平所限，如有不足之处，欢迎各位专家和技术人员指正。
一、可应用于汽车工业的典型零件
理论上，需要提高材料表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗蚀、抗咬合和粘结能力，且氮化后其综合性能能满足零件的服役要求，具有较好的综合经济指标的一切零件均可采用离子氮化处理。汽车工业也不例外。
目前，汽车工业已有不少零件已采用离子渗氮方法处理。其典型零件有：曲轴，凸轮轴，气门，缸套，活塞环等。
据不完全统计：目前在全国各发动机主机厂及曲轴厂所拥有的离子渗氮设备约50台，如以处理6105曲轴计，日处理产量可达1400根。
东风汽车公司在生产轻型发动机生产流水线上，已采用脉冲离子渗氮设备处理凸轮轴，每炉日处理凸轮轴300根。
东风汽车公司制泵厂对EQ1141G柴油机的主机油通道板及转向曲动环采用20钢进行离子软氮化处理代替从美国康明斯的进口元件，获得了较好的综合经济效益。
东风汽车公司还在部分齿轮上进行离子渗氮处理，已初步获得成功。
我们相信，只要离子渗氮专业研究所与汽车生产及配套厂家紧密合作，汽车工业将有更多的零件采用离子氮化工艺进行处理。
二、离子渗氮设备进展
我国从七十年代大规模开始研制离子渗氮设备及生产工艺到今天集中到极少专业设备制造研究所和生产厂，已有二十多年的历史。目前无论是设备运行的可靠性及使用规模或工艺研究均达到或接近世界水平。
我国的成套离子氮化设备其发展历史，主要是电源发展的历史，大体经历了分立电路、集成电路、脉冲电源三个主要阶段。
分立电路大体运用在70年代和80年代前期，限于当时电子元器件生产水平，多采用两组三相半控桥式整流串接方式。控制电路主要由六块触发板和综合板组成，由于电子元件技术指标的限制，尽管基本上能满足生产的要求，就整体设备而言，其电路的调试难以掌握，稳定性也较差，设备维修、操作均存在较大困难，对操作人员要求比较高，设备的质量也存在较大问题。
80年代中后期，我国研制成功集成控制电路触发器。这时主电路采用的主要有两种方式：一种采用单组三相半控调试整流电路，其控制主要由一块触发板和一块综合板组成，输出电压为850V~1000V；另一种仍由两组三相半控桥式整流电路组成，其控制主要由两块触发板和一块综合板组成，输出电压为1000V。今天，随着技术的进步以及人们对氮化技术认识的深入，所考虑的问题也越来越多，直流氮化电源的控制方式仍在进一步发展。
80年代后期及90年代前期，我国一些研究单位，先后研制成功脉冲电源。第一代脉冲电源主要由铁科院研制成功以GTO为电子电力可关断器件的脉冲电源，并有少量投放市场。其脉冲频率为800~1000Hz。随着电子电力器件技术的发展，九十年代国外部分国家相继开发成功IGBT快速可关断电力器件，其响应频率可达40kHz，因此，一些研究单位开始着手研制以IGBY作为可关断电力器件的第二代脉冲电源。我所在1994年10月研制成功30~150A系列脉冲电源，并于95年中后期开始投放市场，目前已有上百台脉冲离子氮化设备，作为生产线上必需的加工设备稳定运行在使用设备的大型厂矿企业，如东风汽车公司发动机主机厂、东风朝阳柴油机公司等。
与此同时，成套氮化设备的主体部分——炉体也逐步发展和完善，其结构也愈来愈合理，其外观质量不断提高，外形也愈来愈多样化。同时我所也相继开发成功微机自动控制离子氮化设备。
尽管如此，我们在与氮化技术领先的德国相比，仍存在较大差距。其主要表现在自动控制能力上，以及相应的基础理论研究工作上。造成这种差距的原因之一是大多数生产厂家在购买该设备时，对产品的价格所表现出来的关注，尽管我国离子氮化设备仅为德国同类设备价格的八分之一左右，仍有很多企业望价止步或对价格提出大幅度下降的要求。其实，任何企业在进行企业活动时都不能不考虑其经济效益，在一定条件下，产品价格的下降是以牺牲产品的性能为前提的。例如目前采用的真空计在离子氮化条件下，其显示数值并不能真实反映炉内压强，数值变化范围较大，仅能作为参考值，如果采用绝对压强真空计，所反映的则是真实值，也使操作的人为因素减少，利于产品质量的控制。其实，这仅需要增加一万多元。因此，我们也希望在考虑设备价格时，能多方面考虑综合性能，既能获得性能优越的设备，也能促进我国民族工业的发展。
我所作为从事等离子氮化应用研究和设备制造的专业研究所，通过不断研制、改进工作，所制造的LDMC-150A为国内最大的商业用离子氮化设备。一炉可处理6105曲轴45多根。目前，我所已批量生产该型号设备40多台，积累了丰富的设计和制造经验；最近，我所研制的LDMC-150A脉冲电源，已向市场投放近十台，运行良好，在东风朝阳柴油机公司使用结果表明，该电源保温电流仅为55A，而同型号设备直流电源，保温电流需85A，直接节约能源在30%以上；我所已成功开发自动化离子渗氮设备，并可根据用户需要添加各种功能，运用计算机实现生产过程的自动化。
三、离子氮化工艺技术
近二十多年，国内有关研究所，大型院校对许多金属材料进行了离子氮化工艺的研究，同时也运用离子氮化设备开展了离子碳氮共渗、离子硫碳氮共渗等工艺研究，在运用离子氮化设备处理零件方面积累了宝贵的工艺经验，形成了大量的实际处理工艺。为了扩大离子氮化的应用范围，一些高等院校、研究所还开展了快速深层氮化工艺研究，并已在生产过程中运用成功。
我所作为离子子渗氮设备制造和工艺研究的主要单位之一。集设备制造和研究工艺应用技术为一体，向用户提供设备和工艺服务一条龙服务，凡对我所出厂的产品实行终身免费保修。
我所对20钢、40钢、20Cr、20CrMnTi、40Cr、38CrMoAl、42CrMo、50CrV、1Cr18Ni9Ti、 H13多种牌号的球铁、灰铁、合金铸铁等材料进行了大量的离子氮化和离子碳氮共渗工艺研究，形成了大量的生产工艺，并运用这些工艺处理了大量零件如：挤压机螺杆、缸套、曲轴、气门、齿轮、精密丝杠、铝合金型材挤压膜、精密活塞、活塞环、凸轮轴等零件。
四、应用实例
１、柴油发动机曲轴：
山东曲轴总厂：
LDMC-150A设备26台。
日处理曲轴6105、6110曲轴达700多支。
材 料：球铁（QT90-2）
技术指标：表面硬度：HV5≥400
层 深：≥0.10
采用离子碳氮共渗工艺。
东风朝阳柴油机公司：
LDMC-150A设备3台。
日处理6105曲轴120多支。
材 料：42CrMo
技术指标：
采用离子碳氮共渗工艺。
２、凸轮轴：
东风汽车公司主机厂：
LDMC -100A设备一台。
日处理轻型车凸轮轴300支。
材 料：合金铸铁
技术指标：化合物层深：0.010~0.018（mm）
表面硬度：HV0.2≥600
采用离子碳氮共渗工艺。
３、铃木462Q活塞环
材 料：50CrV
技术指标：HV0.2≥750
层 深：≥0.15（mm）
采用离子氮化工艺。
４、机车柴油机进排气门
乌鲁木齐铁路局配件厂：
LDMC-100A设备一台（1987年订购LD-75A设备停用）。
单炉处理气门挺杆300支。
材 料：4Cr14Ni14W2Mo
技术指标：HV0.2≥800
渗氮层深：≥0.06（mm）
采用离子氮化工艺。
５、EQ1141G主机油通道板
东风汽车公司制泵厂
材料：20钢
技术指标：HV5≥210
化合物层：≥0.007（mm）
总 层 深：≥0.25（mm）
采用离子碳氮共渗工艺。
６、转向驱动环
东风汽车公司制泵厂
材 料：20钢
技术指标：HV5≥210
总 层 深：0.25~0.40（mm）
化合物层深：≥0.007~0.016（mm）
采用离子碳氮共渗工艺。
７、活塞环
江苏仪征双环活塞环有限公司
材 料：钒钛合金铸铁
技术指标：HV0.1≥800
渗氮层深：≥0.132（mm）
采用离子氮化工艺。
五、齿轮应用前景分析
离子渗氮工艺处理齿轮，温度较低。经离子渗氮处理后，具有变形小、噪声小、耐磨损、耐疲劳、抗腐蚀等优点。对于7级、8级乃至于6级精度的齿轮经氮化处理后，不作任何加工。对于中、轻负荷和中、小模数齿轮，效果好。所以在许多机床厂、减速机厂得到了广泛应用。
对于重负荷、大模数齿轮使用效果尚不太理想。我们认为这主要由于以下两个原因：
① 过去用大模数齿轮进行氮化时，齿轮心部强度太低，影响了氮化效果。因为一般离子氮化，心部强度高的材料，离子氮化后的硬度也高。
② 离子氮化层深较浅，氮化层尽管表面硬度较高，但是硬度梯度较大，随距离表面的深度变化硬度急剧下降。
要使离子氮化技术应用于汽车工业，我们认为，可从以下几个方面着手：
① 实现快速深层离子氮化，并在一定深度内获得浓度较高、组织均匀的渗氮组织，降低硬度梯度。
② 研制快速深层离子氮化钢。
③ 采用高温离子碳氮共渗。
可喜的是目前国内外已在上述几个方面进行了大量研究，并取得了一定的成绩。如重庆大学、郑州机械工艺研究所开展了快速深层离子氮化工作，并在实际应用中获得了良好的效果。在西欧部分国家已研制出深层离子氮化钢应用于生产。采用离子高温碳氮共渗工艺已有小批量汽车齿轮投入运用，如CA-10汽车变速箱齿轮，在采用高温离子碳氮共渗后，然后淬油，硬度高，硬化层深，疲劳强度好。小批量投产的齿轮，一直在应用考核，尚没有发现问题，效果理想。
将离子氮化技术用于汽车齿轮，需要全社会的协同作战。过去，由于应用不够理想，其研制工作几乎陷于停顿状态。随着离子氮化设备和工艺研究的进展，随着工业技术的进步，我们对不久的将来在大模数齿轮采用离子氮化工艺充满着信心。
6/30/2005 | |
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