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1、QPQ盐浴复合处理技术在内燃机零件上的应用一1!f加工技术介绍QPQ盐浴复合处理技术在内燃机零件上的应用.该工艺处理温度低,时问短,变形小,无公害.零件经处理后不仅提高了表面硬度,耐磨性,疲劳强度也得到了明显改善,在内燃机行业的众多零件上极具使用关麓调QPQ盐浴复合处理技术是世界最新金属盐浴表面强化改性技术,它是指将零件放入两种性质不同的盐浴中,使多种元素同时渗入金属表面,形成由多种化合物组成的复合渗层,从而使金属表面得到强化改性,同时做到全工艺过程无公害.这项技术由德国DEGUSSA公司率先开发,并得到世界各国的积极响应和广泛采纳.如美国GE公司柴油机缸套,美国CUMMINS发动机气门,德国
2、大众轿车的凸轮轴,奔驰汽车的一级传动齿轮,道依茨发动机的摇臂,提前器齿轮.在日本几乎所有的汽车厂都采用了这项技术,尤其是日本本田公司共有5套大型自动化QPQ盐浴复合处理设备分设国内外,处理150多种汽车,摩托车零件,年处理量达6万德国DEGUSSA公司对这项技术的核心无公害的盐浴配方,实行国际独家垄断,只出售成套技术设备,不提供盐浴配方,用户必须长期向该公司购盐.成都工具研究所经过长期大量的试验研究,终于独立开发出了成份独特的盐浴配方,不仅打破了德国DEGUSSA公司对这项技术的国际独家垄断,而且在环保无公害方面比德国更先进,达到国际领先水平.近年来这项技术已在全国二十多个省市,建立了5o多条
3、QPQ盐浴复合处理生产线,使用厂家达300多家,遍及汽车,摩托车,机车,纺织机械,工程机械,石油,化工机械,枪械,机床,仪器仪表,照相机,齿轮,工模具等几十个行业.02Q盐浴复合处理技术具有提高零件表面硬度,耐磨性,抗腐蚀性,耐疲劳性能,无公害,不变形的优点,特别是在改善零件表面的耐磨性和抗疲劳性能方面具有突出的优势,并且有着优良的技术经济效果,因而在内燃机零件上得到较为广泛的应用,对其使用寿命的提高大有裨益.下面将该技术在内燃机零件上的应用介绍如下.1997年12月按照JB3744-84(汽车发动机可靠性试验方法进行了台架可靠性试验.试验验证,495G汽油机达到了原设计的各项性能指标,其特性
4、曲线见图3.6结束语495汽油机为23t叉车配套,其结构紧凑,?10?总体布置合理,产品已开始在国内叉车行业使用.由于495G汽油机可采用专业化协作生产,生产投入小,投产快,具有良好的适用性,先进性,使用可靠性,具有市场竞争力,因此它将会广泛应用在全国叉车行业及牵引车等工程机械行业中.内燃机1998年第6期1曲轴曲轴是内燃机内的主要零件,在工作时受周期性交变压力及活塞连杆等运动件往复及旋转惯性力作用,轴颈受交变扭转和弯曲应力以及冲击力的作用,同时还存在复杂的扭转振动,因此曲轴的质量对内燃机的性能影响极大而曲轴的损坏形式主要是疲劳破坏和轴颈磨损,因此,改善零件表面的耐磨性和抗疲劳性能对提高曲轴的
5、质量具有至关重要的作用.曲轴QpQ盐浴复合处理工艺过程为:清洗一预热一盐浴氮化一盐浴氧化一清洗一油封.曲轴经QPq盐浴复合处理后,在零件表面形成单相的e化合物层,扩散层和在.铁中氮的固溶体,e相赋予零件表面以高的硬度,耐磨性,抗蚀性,扩散层对提高疲劳强度极为有利.该工艺是通过控制盐搭处理参数和盐浴氨势来实现这一目的的.调质或正火的曲轴作QPQ盐浴复合处理后,曲轴心部保持较高的强度和良好的抗冲击能力,而表面耐磨性可以提高十几倍,因此可大大减少轴颈的磨损疲劳强度可以提高4oi00,大大减少了轴颈过渡区产生疲劳裂纹的机率.调质状态的45钢经QPQ处理后,其疲劳强度比处理前提高40,见图1.同时,随着
6、基体材料强度的提高,处理后疲劳强度也越高.基体材料及其预先处理的状态对曲轴处理后疲劳强度的影响比较复杂,对球铁曲轴而言,球铁中石墨的形态都会影响处理后的疲劳强度,如图2.当球墨铸铁中的石墨呈球状时,经QpQ盐浴复合处理后,其疲劳强度有大幅度提高,球墨铸铁中的石墨呈片状时,处理后疲劳强度提高的幅度较小.在技术转让过程中,我们曾按转让厂家内燃机1998年第6期皇瞪崩散加工技术循环蒎敦?舟次图1调质状态的45钢处理前后疲劳强度的变化辐敬世鲁静嘏l盐,Ll:=,未瞎蔷氨IGGGf片状一l球状载荷循环次数N图2石墨形态对球墨铸铁处理后疲劳强度的影响的要求,对其引进的日本五十铃汽车曲轴与运用我所技术处理后
7、的曲轴进行过渗层硬度,深度对比试验,其结果见表1寰1曲轴渗层硬度,深度比较日本五十铃晦国DEGUSSb成都工具检查项目标准标准研究所样品600H,t0.1表面硬度500HVm1300HV1031IHV10化台物层13m12In1520,urn0.5ram未往0.9turn针壮0.5mm一硬度法扩散层0.9mm-针状翊田测量方法咀织3倍缎法出此可见,我们开发的OPQ盐浴复合处理技术在曲轴产品上的应用已达到或超过国外引进产品的指标.这项技术已向国内好几家曲轴专门生产厂进行了成套技术转让,已大批量生产了多种规格的曲轴,其中包括五十铃曲轴,雪佛莱曲轴等国外引进产品.在此需要强调指出的是对于锻钢曲轴,加
8、工技术在粗加工后,必须进行600的去应力退火,否则在机械加工过程中产生的加工应力和校直产生的应力在QPQ盐浴复合处理过程中会释放出来,从而造成曲轴弯曲变形超差.东风曲轴有限公司生产日本五十铃汽车曲轴,型号4JB1,材料50Mn,其技术要求为:化合物层13m,表面硬度500HV0.1,扩散层达0.5ram,按我们的工艺参数:盐浴氮化570C3h,盐浴氧化15rain处理后,化合物层15m,表面硬度550HV0.1,扩散层达0.50.7ram,完全满足了日本五十铃的技术要求,并且只要是经过去应力退火的曲轴,无一根变形超差.由此可见,只要加强工艺管理,严格工艺纪律,就能减少和防止废品的产生,从而有效
9、地节约成本.江苏曲轴总厂是一家曲轴专业生产厂,主要生产4102,4105,385,485,384等型号的曲轴,为扬柴,常柴,江淮动力集团配套,1995年从我所引进QPQ盐裕复合处理技术用于该厂球铁曲轴的处理,材料QT8002,技术要求为:化合物层8m,总渗层0.Imill,所有曲轴经QPQ盐浴复合处理以后,其耐磨性,疲劳强度及使用寿命均大为提高,生产量已超过20万件.如今该曲轴在市场上已达到不经处理就卖不出去的程度,大大增加了其市场占有率.效果相当明显2气门内燃机的气门在燃气腐蚀条件下工作.由于气门在高温状态下作高速运动和频繁的启动,因此要求气门在工作温度下有足够的高温强度和韧性,有高的硬度和
10、耐磨性,并有良好的抗氧化性和耐燃气腐蚀的能力.QPQ盐浴复合处理技术对在高温下工作的零件也可以大幅度提高其耐磨性.例如汽车发动机的进气门(40Cr钢)和排气门(5Cr21Mn9Ni4N钢),原采用镀硬铬以提高?12?在高温下的耐磨性和抗蚀性,由于六价铬有公害的原因,现改用QPQ盐浴复合处理,两者耐磨性的比较试验,采用与硬质合金轮相对滚动来进行.在规定的负荷下试验,以气门的损失量来表示其耐磨性,如图3所示.在所有的试验条件下,QPQ盐浴复合处理气门的耐磨性均高于镀硬铬气门,大都高2倍左右.图3气门的磨损比较试验另一成功的实倒是美国(KOLEN)公司把QPQ盐浴复合处理技术用于气门上,并把这种气门
11、与镀硬铬气门进行了300000周寿命试验,QPQ盐浴复合处理的气门寿命比镀硬铬气门高2倍左右.试验后的气门再按美国标准ASTM.B117进行了96h的盐雾腐蚀试验,结果表明,镀硬铬气门表面上出现了很多腐蚀点,而经过QPQ盐浴复合处理的气门丝毫没有腐蚀迹象.据1990年国外的统计数据,用QPQ盐浴复合处理技术生产的内燃机零件,其在世界范围的年产量为:曲轴230万件I凸轮轴575万件气门3.45亿件.我们开发的这项技术已在国内的气门厂成功地实施了技术转让.3凸轮轴凸轮轴是发动机配气机构中的重要部件,在服役条件下,凸轮轴除受一定的弯曲和扭转载荷外,主要是凸轮轴部分承受变化的挤压应力和挺杆的摩擦,因此
12、耐磨性和抗咬合性是其主要的机械性能指标.内燃机1998年第6期QPQ盐浴复合处理技术具有显着提高凸轮轴耐磨性,抗擦伤,防止热胶合,咬合的能力,在100的工作温度下,经QPQ处理的凸轮轴其抗咬合能力与抗擦伤能力均超过淬火,回火件和渗碳淬火件.合金铸铁件经QPQ处理后,其耐磨性为中碳钢感应加热淬火件的2倍以上.4102柴油机凸轮轴采用球铁(QT6003)材质经QPQ盐浴复合处理工艺流程如下:粗磨毛坯一去应力回火一精磨一盐浴复加工技术合处理一清洗一抛光一入库.QPQ盐浴复合处理工艺安排在抛光工序之前,基体组织是珠光体,具有良好的机械加工性能,氮化后整个表面得到强化,特别是提高了齿轮的抗擦伤性,耐磨性
13、,疲劳强度.表2是去应力处理和不去应力处理的4102凸轮轴,经QPQ盐浴复合处理后尺寸变化统计表.由此可见,去应力退火的4102凸轮轴经QPQ盐浴复合处理后,其变形量满足图纸所衰2盐浴复合处理前后轴强跳动(中问轴强)单位:ramA1234567g氮化前0.0030.0050.0050.0050.0050.0030.0030.002氮化后O.020.020.010.0180.0030.020.0250.008B12345678氮化前0.0020.0020.0050.0050.0030.0030.0050.002氮化后0_0100450.0250.05O.080.O20.020.025注:A去应力
14、处理B未经去应力处理规定的中间轴颈跳动小于0.03ram的要求装机耐磨性试验结果表明;QPQ盐浴复合处理的凸轮轴齿轮耐磨性能满足JB/672893所规定的1000h的使用寿命,4102凸轮轴经QPQ盐浴复合处理后完全可以满足装机要求.与等温淬火相比,QPQ盐浴复合处理工艺流程短,零件周转快.按功率同为75kW的设备进行比较,QPQ盐浴复合处理工艺的生产率是等温淬火工艺的5倍.等温淬火工艺能耗是QPQ盐浴复合处理工艺的3.3倍.4102柴油机凸轮轴采用下贝氏体等温淬火强化,虽然能满足凸轮轴耐磨性要求,但存在许多不足:热处理工艺性差:由于凸轮轴铸造毛坯件等温淬火加热温度依材料含硅量而定,实际生产中
15、硅含量波动较大.造成加热温度选择欠准确,等温淬火后金相组织不良,引起磨削裂纹.内燃机1998年弟6期b.机械加工性能差等温淬火后键槽变形,凸轮轴伸长,造成定位不准,影响加工精度;由于硬度较高,6mm台肩车削,中心孔修整困难;凸轮轴齿轮档经高频局部退火后软硬不均,齿轮精度难以保证.且刀具消耗大.c.4102凸轮轴齿轮局部高频退火后耐磨性不足,强度较低,时有断齿故障发生.d.热处理工序多,生产率低,能耗大.由此可见,4102凸轮轴采用QPQ盐浴复合处理工艺与等温淬火相比具有明显的优越性.4摩托车连杆摩托车小汽油发动机中,连杆除承受较大的拉,压和弯曲应力外,两个内孔则承受较大的磨损,连杆材料一般采用
16、20CrMo渗碳淬火,其工艺流程为:毛坯来料一粗加工一杆身镀铜一渗碳淬火,回火一精加工一磨孔一?13?加工技术检验一入库,为避免杆身因渗碳淬火而发生硬化变脆现象,在渗碳前杆身部位必须镀铜防渗,即使这样也常常因镀铜不好而漏渗,造成连杆断裂.渗碳淬火后两个内孔的磨削既费时又费事,这些工序严重制约着产品规模的扩大和产品质量的提高.针对这种情况,重庆某摩托车发动机厂引进QPQ盐浴复合处理生产线,对连杆的整个加工工序进行了彻底的改变,现生产工序为:毛坯来料一粗加工一调质一精加工QPQ处理一检验一入库.连杆毛坯先进行调质,达到HRC2832,以保证杆部有足够的强度,调质后进行机械加工,采用镗孔的办法使两个
17、内孔达到所要求的尺寸精度和表面粗糙度.完成了整个机械加工工序后,再对连杆进行QPQ盐浴复合处理.不镀铜,不渗碳,精加工的磨孔用镗孔来代替,从而提高了产品的产量和质量.处理后的连杆渗层达到如下指标:化合物层>10,um,表面硬度650HV0.I.按照国家标准Qcn进行了一系列装机试验,多次抽检的结果均达到优质合格品标准,经100h台架寿命试验后,其内孔的磨损量仅为1m,采用QPQ工艺后,不仅产品性能完全达到要求,关键在于缩短了生产周期,节约了成本,减少了热处理与机械加工工序,促使产品上档次,上规模.采用O.PQ工艺处理的连杆,其生产周期缩短I/3,成本节约I元/支,取得了显着的经济效益和社
18、会效益.这项技术不论在提高产品质量上,还是在降低产品成本上都有着其它技术不可比拟的优点,除此之外,在内燃机行业的其它零件上,如摇臂,提前器齿轮,缸套等零件上都得到采用,该技术在替代国外引进技术方面发挥了重要作用.这项技术目前已经在众多行业上得到广泛采用,成为内燃机行业不可多得的一项关键技术,正发挥着越来越广泛的作用,为提高我国机械产品的质量,为我国机械工业早日跨人世界先进水平行列作出新的贡献.参考文献I李惠友等着.QPQ盐潜复合处理技术北京:机械工业出版社,19972热处理手册.第二板第二卷.北京:机械工业出版社,19913C.DAWES.HEATTREATMENT0FMEATAI.1990欢
19、迎订阅制造技术与机床制造技术与机床是北京机床研究所和中国机械工程学会主办的全国性技术刊物,是机械制造行业的一份有影响的刊物,创办于1951年.本刊是自然科学类中文棱心期刊,中国科技论文统计与分析用刊,美国工程索引和中国学术期刊文摘摘录用期刊本刊以交流国内外制造技术与机床方面的科技成果和经验.提高我国机械制造业技术水平为宗旨,介绍制造领域的新装备,新机床,各种制造系统,机床功能部件及数控系统的结构,设计,研究,改装维?14?修I新工艺,新制造技术,工件冷热加工与特种加工的原理,方法及工艺装备新测试方法及量仪的原理及使用I新材料的研究与应用;国内外技术发展动向经营管理经验与营销策略;技术讲座I机电产品广告等.本刊为月刊,大16开车,正文72页,每期定价6.00元,全年72元.邮发代号2636,国外代号M397.地址t北京东城区安内国子监街丁28号,邮编100007电话:64343722内燃机1998年第6期
