浅谈大功率柴油机曲轴材料表面强化工艺

赵生莲

摘要：曲轴是柴油机上最重要的零件，曲轴承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发动机上其他附件工作。曲轴受到旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲和扭转交变载荷的作用。因此要求曲轴有足够的抗弯曲、抗扭转的疲劳强度和刚度，轴颈表面需耐磨、工作均匀、平衡性好。要满足这些性能的要求，在很大程度上取决于材质，冷热加工的工艺水平和最终的表面强化方式。由于曲轴工况条件恶劣，特别是大功率柴油机曲轴尤为突出;因此对曲轴的材质、毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等工艺的要求都十分严格。本文阐述了柴油机曲轴材料热处理表面强化工艺。

关键词：柴油机;曲轴;热处理

【中图分类号】G718.5

【文献标识码】A

【文章编号】2236-1879（2018）13-0161-01

一、液体渗氮

液体渗氮它是一种较新的化学热处理工艺，温度不超过570℃，处理时间短，仅1～3h;而且不要专用钢材，试验表明：40Cr经液体氮化处理比一般淬火回火后的抗磨能力提高50%;铸铁经液体氮化处理其抗磨能力提高更多。不仅如此，实践证明：经过液体氮化处理的零件，在耐疲劳性、耐腐蚀性等方面都有不同程度的提高;高速钢刀具经液体氮化处理，一般能提高使用寿命20～200%：3Cr2W8V压铸模经液体氮化处理后，可提高使用寿命3～5倍。液体氮化表层硬而不脆，并且具有一定的韧性，不容易发生剥落现象。

液体氮化也有缺点：如它的氮化表层中的氮铁化合物层厚度比较薄，仅仅只有0.01～0.02mm。国外多采用氰化鹽作原料液体氮化，国内已改用无毒原料液体氮化。我国无毒液体氮化的配方是：尿素40%，碳酸钠30%、氯化钾20%，氢氧化钾10%（混合盐溶点为340℃左右）。液体氮化虽然有很多优点，但由于溶盐反应有毒性，影响操作人员身体健康，废盐也不好处理。因此，与用越来越受到限制。

二、气体渗氮

气体氮化是将工件放入一个密封空间内，通入氨气，加热到500～580℃保温几个小时到几十个小时。氨气在400℃以上将发生如下分解反应：2NH3-3H2+2[N]，从而炉内就有大量活性氮原子，活性氮原子[N]被钢表面吸收，并向内部扩散，从而形成了氮化层。

以提高硬度和耐磨性的氮化通常渗氮温度为500～520℃。停留时间取决于渗氮层所需要的厚度，一般以0.Olmm/h计算。因此为获得0.25～0.65mm的厚度，所需要的时间约为20～60h。提高渗氮温度，虽然可以加速渗氮过程，但会使氮化物聚集、粗化，从而使零件表面层的硬度降低。

对于提高硬度和耐磨性的氮化，在氮化时必须采用含Mo、A、V等元素的合金钢，如38CrMoAIA、38CrMo AA等钢。这些钢经氮很后，在氮化层中含有各种合金氮化物，如：AIN、CrN、MoN、VN等。这些氮化物具有很高的硬度和稳定性，并且均匀弥散地分布于钢中，使钢的氮化层具有很高的硬度和耐磨性。Cr还能提高钢的淬透性，使大型零件在氮化前调质时能得到均匀的机械性能。Mo还能细化晶粒，并降低钢的第二类回火脆性。如果用普通碳钢，在氮化层中形成纯氮化铁，当加热到较高温度时，易于分解聚集粗化，不能获得高硬度和高耐磨性。

三、表面感应加热淬火

感应加热表面淬火是利用电磁感应的原理，使零件在交变磁场中切割磁力线，在表面产生感应电流，又根据交流电的集肤效应，以涡流形式将零件表面快速加热，而后急冷的淬火方法，它在热处理领域中占有重要地位，这一技术已经在我国被广泛应用。

四、磁控溅射镀膜

磁控溅射镀膜就是在真空中利用荷能粒子轰击靶表面，使被轰击出的粒子沉积在基片上的技术。通常，利用低压惰性气体辉光放电来产生入射离子。阴极靶由镀膜材料制成，基片作为阳极，真空室中通入0.1-lOPa的氩气或其它惰性气体，在阴极（靶）1-3KV直流负高压或13.56MHz的射频电压作用下产生辉光放电。电离出的氩离子轰击靶表面，使得靶原子溅出并沉积在基片上，形成薄膜。溅射方法很多，主要有二级溅射、三级或四级溅射、磁控溅射、对靶溅射、射频溅射、偏压溅射、非对称交流射频溅射、离子束溅射以及反应溅射等。

由于被溅射原子是与具有数十电子伏特能量的正离子交换动能后飞溅出来的，因而溅射出来的原子能量高，有利于提高沉积时原子的扩散能力，提高沉积组织的致密程度，使制出的薄膜与基片具有强的附着力。