文献综述汽车排气阀选材及软氮化工艺.doc

毕业论文 文献综述 院（系）名称 工学院机械系 专业名称 材料成型及控制工程 汽车排气阀选材及软氮化工艺 1汽车排气阀门用钢 近年来，随着我国汽车工业的蓬勃发展，内燃机机型和产量不断增加，随着汽车发动机高功率化所产生的排气温度上升，排气净化率标准提高以及汽车轻量化的需求，对材料耐蚀性耐磨性、抗氧化性、高温性能和热强性等提出了更多的要求。 汽车排气阀是发动机上重要的工作部件及易损件，其工作条件异常恶劣，要在高温、高压、腐蚀性燃气中经受频繁往复的高速运动和摩擦，冲击负荷大，因此要求有较高的高温性能、耐磨性能、耐腐蚀性能等。其工作的好坏直接影响到发动机的工作性能，故制备气阀的材料要求也极为苛刻。自从发动机问世以来，气阀钢的材料已经历了碳钢和低合金钢，硅铬型不锈钢，奥氏体型耐热钢等多个发展阶段。目前，国内外使用最多的是奥氏体型耐热钢，而这种耐热钢系列中，常见的有：4Cr10Si2Mo，4Cr9Si2， 5Cr21Mn9Ni2N（21–2N），5Cr21Mn9Ni4N（21–4N）等[1]。 其中21–4N钢是上世纪50年代为节镍开发的阀门用奥氏体时效钢，目前国内外用于制造汽车、摩托车发动机排气阀应用最广的钢号，它是以奥氏体为基体，以碳、氮化合物作为沉淀硬化相弥散分布以获得足够的高温强度、韧性、较高的硬度、耐磨性以及在冷热交变条件下组织的稳定性和较好的抗氧化、耐腐蚀性能，在工作温度700℃下具有良好的力学性能和高温性能。由于21–4N钢碳氮锰含量较高，其变形抗力较1Cr18Ni9Ti高30％，室温下强度高、塑性低、脆性大，且加工硬化效应明显，热变形温度范围窄，变形抗力大，生产过程中如锻造、热轧、冷拔时易出现裂纹，导致产品成品率较低，国内一些专业化生产企业该钢种的成品率仅70％–80％，这也是当前该材料急待解决的重要问题[2]。 21–4N奥氏体耐热钢具有很好的耐蚀性能，它主要用来制造发动机的气阀。发动机的气阀不但要求具有良好的耐蚀性能，而且需要良好的耐磨性能。但21–4N奥氏体耐热钢的硬度较低、耐磨性能较差。采用软氮化的方法能大大提高它的表面硬度和耐磨性。但通常的方法难以对21–4N耐热钢进行气体软氮化，因为奥氏体耐热钢含Cr较高，表面会形成含Cr2O3较高的钝化膜，这种钝化膜往往很致密，而且很稳定，它阻碍氮原子的渗入，使氮化无法实现。人们想了很多办法来清除钝化膜。例如：将工件进行酸洗或喷砂处理后，可去除钝化膜。 我国是阀门钢产量较高的国家，生产规模并不亚于发达国家。但起步较晚，生产装备和工艺比较落后，产品质量与发达国家相比有较大差距，高性能难生产的牌号以及品种规格，仍满足不了国内需要。“九五”期间，我国阀门钢生产技术的开发，生产线的技术改造，产量质量的提高，任务仍十分繁重。 发达国家为满足内燃机不断发展的需要，在高负荷排气阀用的高合金钢和更高负荷排气阀用镍基合金之间，早已研制了中间材料，利于大量使用。如美国的Inconel 751、日本的RS914“铁基超合金”等等，后者性能更高，成本更低[3]。 1948年，美国的Jennings发现了耐氧化铅腐蚀的Cr–Mn–Ni系钢。如将Si限制得特别低则耐铅腐蚀性显著提高；而其含氮量增加时，高温硬度也显著提高。接着1950年前后研究出21–4NS。1952年美国Armco和Thompson公司研究成功21–4N钢（美国EV8，21–4N，日本21–4N，英国349552，西德X53CrMnNi219，苏联5Cr20Mn9Ni4，9II303等[4]）。 近几年来在21–4N钢基础上又有不少发展。英国在1974年标准[5]中增加含Nb 2.0–3.0％的21–4N钢，进一步提高了热强度。美国在1975年标准[6]增加了21–2N，21–55N等钢。西德、日本、英国也发展了含硫21–4N钢。由于21–4N钢具有良好的耐热性和耐蚀性，60年代以来，国外汽车厂广泛用来制造排气阀。 我国的阀门钢70年代形成体系，80年代有了一定的发展，现在仍处于发展时期[7]。 2 软氮化工艺 为了缩短氮化周期，并使氮化工艺不受钢种的限制，在近年间在原氮化工艺基础上发展了软氮化和离子氮化两种新氮化工艺。 2.1 软氮化定义 软氮化的学名是氮碳共渗，早期把苏联（俄罗斯）的液体法翻译为低温氰化。现在国内流行的有气体法、无（低）毒液体法和离子法。渗入钢表面的元素以氮为主，同时添加了碳。碳的加入使表面化合物层（白亮层）的形成和性能得到某些甚至是明显的改善。这里要强调一下，和渗氮不同的地方是：氮碳共渗的着眼点是希望获得一定厚度（一般为10–20μm，也有要求20μm以上的，目前实验室里据称在碳素钢上曾经达到的厚度为110μm）硬度高、脆性小、没有或很少疏松等性能优良的白亮层，至于次表面的扩散层，按照钢种和使用要求不