CN106435464A - 柴油机自润滑缸套低温渗硫工艺 - Google Patents

柴油机自润滑缸套低温渗硫工艺 Download PDF

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高秀敏
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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Abstract

本发明涉及一种渗硫工艺，具体是柴油机自润滑缸套低温渗硫工艺。柴油机自润滑缸套低温渗硫工艺，包括以下步骤：（1）、将清洗干净的缸套放置在渗硫炉的阴极托盘上，关闭炉门；（2）、开启真空泵，预抽真空到3Pa左右；（3）、开启脉冲离子轰击电源，用弧光放电进一步清洗工件表面，直到拉弧停止平稳放电；（4）、输入载气，并调整真空度；（5）、逐步提高电压到800～900V；同时提高占空比，以使缸套的温度达到560℃；（6）、输入硫化氢，缸套渗硫开始；渗硫过程中保持温度不低于560℃；渗硫2小时；关闭气瓶、电源和真空泵，结束渗硫过程；（7）、保持真空到缸套冷却至100℃以下，打开放气阀，放掉真空，吊开炉体，取出缸套。本发明的低温渗硫工艺，使用硫化氢作为硫源，大大提高硫化工艺的均匀性。

Description

柴油机自润滑缸套低温渗硫工艺
技术领域
本发明涉及一种渗硫工艺，具体是柴油机自润滑缸套的渗硫工艺。
背景技术
现有柴油机的核心的缸套和活塞环之间，工况非常恶劣，800℃以上的燃烧只靠润滑油来减少摩擦，而燃油在燃烧过程中不但消耗润滑油，而且润滑油的成分复杂，燃烧生成物严重污染环境，甚至致癌；因摩擦磨损会使摩擦付间隙加大、燃烧不完全、产生窜气等弊病，不但浪费大量燃油，而且将碳粒子等污染物排放到大气中，PM2.5的污染就是其恶劣的后果。
自润滑缸套是通过渗硫工艺在柴油机主要摩擦副之间形成固体润滑剂Fe2S和FeS，它们是层状鳞片物质，如图1所示，其分解温度高达1093℃，工作时不会分解，与机体结合牢固不会剥落，其横向剪切抗力很小可以平滑移动，相当于石墨和二硫化钼等固体润滑剂，有效增加缸套壁的润滑性能，减少污染物排放，节约燃油和润滑油。已有实验表明不使用润滑油的柴油机自润滑缸套依然可以运行；它能提高缸套寿命，延长大修期，这些优势在当前极为重要，动力机械中最重要的柴油机在当前的形势下需要改进，缸套和活塞间摩擦性能的提高无疑是技术关键。
现有的离子渗硫工艺技术缺点主要是硫脲、二硫化碳等渗硫介质含有大量的碳等杂质，干扰了硫化层的纯度，表面呈黑色，而且渗层很薄，结合力很差，自润滑效果不好；而使用硫磺蒸发的方法，气氛不均匀，容易生成联硫化合物，与机体结合不佳极易剥离；使用氨气因其含有一定量的水和碳氢化合物，同样干扰硫化层的结合力。高温渗硫的唯一缺点是不能够在180℃下实现低温硫化，而对于像轴承钢这些低温回火的钢种不适用。因此，急需研发出一种新的低温渗硫工艺。
发明内容
本发明的目的就是提供一种自润滑缸套的渗硫工艺，以解决上述现有渗硫工艺存在的问题和缺陷。
为了实现上述目的，本发明采用的其中一个技术方案是：柴油机自润滑缸套低温渗硫工艺，包括以下步骤：（1）、将清洗干净的缸套放置在渗硫炉的阴极托盘上，关闭炉门；
（2）、开启真空泵，预抽真空到3Pa左右；
（3）、开启脉冲离子轰击电源，用弧光放电进一步清洗工件表面，直到拉弧停止平稳放电；
（4）、输入载气，并调整真空度；
（5）、逐步提高电压到800～900V；同时提高占空比，以使缸套的温度达到560℃；
（6）、输入硫化氢，缸套渗硫开始；渗硫过程中保持温度不低于560℃；渗硫2小时；关闭气瓶、电源和真空泵，结束渗硫过程；
（7）、保持真空到缸套冷却至100℃以下，打开放气阀，放掉真空，吊开炉体，取出缸套。
步骤（4）所述的载气为氢气和氩气，氢气和氩气的比例为1:1，根据工艺需要逐步调整真空度到102Pa～103Pa。
步骤（4）所述的载气为氢气和氮气，氢气和氮气的比例为1:1，根据工艺需要逐步调整真空度到103Pa。
步骤（4）中输入氮气渗氮满2小时后，再开始步骤（6）的渗硫过程。
本发明的柴油机自润滑缸套低温渗硫或硫氮共渗工艺，使用硫化氢作为硫源，大大提高硫化工艺的均匀性， 自润滑性能优良。
附图说明
图1是等离子渗硫炉示意图；
图2、渗硫层中硫、铁的含量分析；
图3、电子显微下看到的50µ的渗硫层；
图4、电子显微下看到渗硫层的表面形态（呈鳞片状）。
具体实施方式
实施例1 本实施例是柴油机自润滑缸套低温渗硫工艺，具体工艺步骤如下：a.将清洗干净的缸套放置在等离子渗硫炉的阴极托盘之上，如图1所示，摆放均匀，彼此间保持20毫米以上距离，关闭炉体；
b.开启真空泵，预抽真空到3Pa左右；
c.开启脉冲离子轰击电源，用较低频率和较低占空比，从0伏逐渐提升电压，大约到400伏左右开始起辉拉弧；进一步提升电压，保持拉弧持续，用弧光放电进一步清洗工件表面，直到拉弧停止平稳辉光放电；
d.打开氢气微调阀输入氢气，打开氩气微调阀输入氩气，氢气和氩气的基本比例为1:1，根据工艺需要逐步调大微调阀，将真空度调整到102Pa~103Pa；
e.逐步提高电压到800~900V；同时提高占空比，以使缸套的温度达到560℃；
f.打开硫化氢气瓶，调整出口压力到1kg，逐渐打开硫化氢微调阀输入硫化氢，缸套渗硫正式开始；
g.此时电流可能会有所下降，需提高到原来的电流数，以保持温度不低于560℃；
h.在以上所有参数不变的情况下保持2小时；
i.保温结束前，提前10分钟先关闭硫化氢瓶，待瓶口压力降至零，再关闭硫化氢微调阀；
j.关闭氢气和氩气的气瓶，再关闭氢气和氩气的微调阀；
k.将电源的电位器调至零，关闭电源；
L.关掉真空蝶阀，关闭真空泵，渗硫过程结束；
m.一直保持真空到缸套冷却至100℃以下，打开放气阀，放掉真空，吊开炉体，取出缸套。
自此，柴油机缸套的渗硫工艺完成。经处理的缸套呈略带土黄色的灰色，色泽均匀。应注意的是：取缸套时应带干净手套，以防手油汗渍的污染。如果较长时间不使用该缸套，应涂抹防锈油。
经对X85缸套台架实验获得的数据表明：经过渗硫工艺处理的自润滑缸套每马力小时可节约燃油2~8克，节约润滑油0.67克，冷却水温度降低20℃，输出功率提高20%，跑合时间缩短而且不冒黑烟。
实施例2 本实施例是柴油机自润滑缸套低温硫氮共渗工艺，具体工艺步骤如下：a.将清洗干净的缸套放置在阴极托盘之上，摆放均匀，彼此间保持20毫米以上距离，关闭炉体；
b.开启真空泵，预抽真空到3Pa左右；
c.开启脉冲离子轰击电源，用较低频率和较低占空比，从0伏逐渐提升电压，大约到400伏左右开始起辉拉弧，进一步提升电压，保持拉弧持续，用弧光放电进一步清洗工件表面，直到拉弧停止平稳放电；
d.打开氢气微调阀输入氢气，打开氮气微调阀输入氮气，氢气氮气的比例基本为1:1，根据工艺的需要，微调阀逐渐开大，将真空度降至103Pa；
e.逐步提高电压到800~900V；同时提高占空比，以使缸套的温度达到560℃；
f.记住升温到560℃时的电流，保持一小段时间，再看温度是否有变化，如有变化再进一步调整电流，使温度保持稳定；
g.以上参数保持不变，渗氮时间为2小时；
h.渗氮满2小时后开始输入硫化氢，同样先开气瓶，再逐渐打开硫化氢的微调阀，调整好流量，渗硫开始；
i.缸套温度保持在560℃，其它参数保持不变，渗硫2小时；
j.提前10分钟关掉硫化氢瓶，待残余硫化氢消耗完后再关闭硫化氢微调阀；
k.关掉氢气瓶和氮气瓶，再关闭氢气和氮气微调阀；
l.将电源的电位器调至零点，关闭电源，辉光熄灭；
m.关掉真空蝶阀，关闭真空泵，硫氮共渗工艺结束；
n.保持真空直到缸套温度降至100℃以下，打开放气阀，使内外压力平衡后，吊开炉体，取出缸套，整个硫氮共渗工艺结束。
经处理的缸套呈略带土黄色的灰色，色泽均匀，取缸套时应带干净手套，以防手油汗渍的污染。如果较长时间不使用该缸套，应涂抹防锈油。
经过多年的实践证明，只有正确使用硫化氢作为渗硫介质才能够获得理想的效果。经检测证实，经上述渗硫或硫氮共渗工艺处理过的工件，渗硫层可达50µm，如图2、3、4所示。一般控制在10µm即可满足使用需要。
本发明的柴油机自润滑缸套低温渗硫工艺，在真空炉体内，托盘及其上的工件为负极，炉壁为正极，在400~1000V的电压下发生辉光放电，输入炉内的气体在强电场作用下电离，生成的负离子电子回到正极炉壁，正离子轰击负极工件，轰击的动能将工件加热到指定的温度520~600℃。如果是使用载气惰性气体Ar，则仅有动能加热的效果，氩虽然不参加等离子化学反应，但质量大，能够从工件上溅射出金属粒子，粒子在电场中电离为离子，与硫结合成硫化物；如果是作为源气的非惰性气体，如氮等活性原子，电离后就会与金属铁等生成金属的氮化物或硫化物，前者是离子氮化，后者是离子硫化即渗硫。这些化合物吸附在工件上后，N++会继续向工件内部扩散形成氮化层，如果气氛中既有N又有S，如前述形成的复合层就是离子硫氮共渗，N+Fe⇋FeN，S++Fe⇋FeS。氮的原子半径小于硫，因此它可以深入0.3~0.5mm，而粒径大的硫只能和溅射的铁形成FeS附着于表面。因为它们在铁基体内均有过渡层，因此结合力很大不会发生爆皮。特别是如前述氮化层很硬，托住硫化层，最为有利：μ=τ/H, μ为摩擦系数，τ为剪切抗力，H是机体硬度，τ越小H越高，则μ越小，其自润滑性能越好。其摩擦系数可低到0.1。
作为等离子渗硫，包括S、N共渗在内，S量的输入最为关键，S量不足，硫化层过薄，自润滑效果不佳；S量稍大，FeS中S量过多则会生成联S化合物FeS2~x，必然会爆皮，因此特别要小心的就是S量要恰到好处。工件出炉后应是微带土黄的灰色，手指按压会有手印留在表面，而且硫化层怕潮湿，手印处会生锈，硫化缸套要保持干燥，表面也可以涂一层防锈油或润滑油。使用硫化氢对质量流量计有腐蚀作用，因此本发明的工艺选用抗蚀性极好的wtk-30的微进气阀控制进气量。

Claims (4)

1.柴油机自润滑缸套低温渗硫工艺，包括以下步骤：（1）、将清洗干净的缸套放置在渗硫炉的阴极托盘上，关闭炉门；
（2）、开启真空泵，预抽真空到3Pa左右；
（3）、开启脉冲离子轰击电源，用弧光放电进一步清洗工件表面，直到拉弧停止平稳放电；
（4）、输入载气，并调整真空度；
（5）、逐步提高电压到800～900V；同时提高占空比，以使缸套的温度达到560℃；
（6）、输入硫化氢，缸套渗硫开始；渗硫过程中保持温度不低于560℃；渗硫2小时；关闭气瓶、电源和真空泵，结束渗硫过程；
（7）、保持真空到缸套冷却至100℃以下，打开放气阀，放掉真空，吊开炉体，取出缸套。
2.根据权利要求1所述的柴油机自润滑缸套低温渗硫工艺，其特征在于：步骤（4）所述的载气为氢气和氩气，氢气和氩气的比例为1:1，逐步调整真空度到102Pa～103Pa。
3.根据权利要求1所述的柴油机自润滑缸套低温渗硫工艺，其特征在于：步骤（4）所述的载气为氢气和氮气，氢气和氮气的比例为1:1，逐步调整真空度到103Pa。
4.根据权利要求3所述的柴油机自润滑缸套低温渗硫工艺，其特征在于：输入氮气渗氮满2小时后，再开始步骤（6）的渗硫过程。
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